时序数据库Apache IoTDB核心技术深度解析

一、引言

• ‌背景‌：5G技术加速了IoT领域的发展，物联网设备数据的收集、存储和计算需求日益增长。Apache IoTDB作为一款专为物联网时序数据设计的软件系统，在2020年被Apache基金会认可为顶级项目。

二、IoT领域发展趋势

• ‌5G与IoT‌：5G催化了IoT的发展，80%的5G利好体现在物联网领域。中、美工业互联网及德国工业4.0均在蓬勃发展。
• ‌边缘计算‌：Gartner自2018年起强调云向边缘计算挺进是十大战略技术趋势之一，云边端一体成为IoT领域的典型架构。
• ‌政策支持‌：国务院于2017年发布工业互联网指导意见，设定阶段性基建目标。
• ‌时序数据库热度‌：自2018年起，时序数据库热度攀升，涌现出如InfluxDB、OpenTSDB及Apache IoTDB等优秀产品。

三、时序数据库分类与IoTDB优势

• ‌分类‌：
  • 基于关系的时序数据库（如TimescaleDB）：建立在B+tree上，写入受限。
  • 基于KV的时序数据库（如OpenTSDB）：索引存储弊端，查询能力受限。
  • 专为时序数据设计的数据库（如InfluxDB和Apache IoTDB）：基于LSM Tree，解决高吞吐写入问题。
• ‌IoTDB优势‌：官方性能测试数据显示，IoTDB在写入和查询方面均有显著优势。

四、IoTDB核心技术点

• ‌IoT时序数据领域问题‌：数据规模庞大、存储成本、写入吞吐、查询性能及乱序问题。
• ‌LSM Tree架构‌：IoTDB采用LSM Tree架构，放弃部分读能力以换取写入最大化。数据先写入内存（Mem-Table），再合并追加到磁盘。
• ‌写入过程‌：数据写入后，先进行WAL落盘，再写入Mem-Table并排序。当内存数据达到一定规模时，将Mem-Table变为immutable并创建新的Mem-table，同时进行数据合并和索引建立。
• ‌查询逻辑‌：先在内存Mem-table中查询，再在immutable Mem-table和磁盘File中查找，辅以Bloom filter加速查询。
• ‌乱序问题处理‌：IoTDB针对IoT时序数据乱序问题进行重点设计，从内存到文件存储均有有序和乱序数据的特殊处理。
• ‌查询优化机制‌：提供极致的查询性能。

五、IoTDB文件格式设计（TsFile）

• ‌设计原则‌：以查询需求反推文件格式，希望同一设备数据存储在一起，每个Measurement信息连续存储。
• ‌数据结构抽象‌：
  • 将设备数据抽象为ChunkGroup，独立管理。
  • 每个Measurement数据集中存储到一个Chunk中。
  • 按时间区间将Chunk数据划分为若干Page信息。
• ‌目的‌：充分利用边缘端有限内存资源，减少磁盘IO，构建最优索引树。
• ‌索引树节点信息取舍‌：在内存大小一定的情况下，索引信息越完整越好，以减少磁盘IO。选择ChunkGroup和Chunk进行Meta信息构建。
• ‌TsFile结构演变‌：
  • 包括data、tsFile Meta信息、Device Meta信息、Chunk Meta信息。
  • 优化Meta信息利用，构建B+Tree索引树，对Chunk信息进行细粒度时间切片，对Measurement进行逻辑抽象（LEAF_MEASUREMENT节点），提高查询性能。

六、IoTDB应用案例

• ‌投产领域‌：风电行业、工程机械、气象大数据平台、城市轨道等。
• ‌具体案例‌：在中车青岛四方车辆项目中，一台IoTDB实例替换老系统10多条Cassandra实例，每天管理4000亿数据点信息。在德国和美国也有广泛应用。