【金猿技术展】时序数据库表结构改变处理方法 ——高效处理PB级数据，可实时监测预警业务运行状态的技术

涛思数据技术

本项目由涛思数据投递并参与“数据猿年度金猿策划活动——2022大数据产业创新技术突破榜单及奖项”评选。

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技术进步推动万物互联时代到来，随着传感与控制、网络通信以及软件应用技术的进步，各类数据被采集后源源不断的发往云端，物联网类应用场景和需求激增。

在测点数暴涨、数据采集频次不断提高的大数据时代，传统实时数据库暴露出：没有水平扩展能力、技术架构陈旧、数据分析能力偏弱、不支持各种大数据分析接口、不支持云端部署等问题。

通用大数据方案也遇到了开发效率地、运行效率差、运维复杂等问题。

物联网、工业互联网等时序大数据具备一系列的特点，针对这些特点，涛思数据充分使用自研专利“一种时序数据库表结构改变处理方法”等多个专利，研发了时序数据库TDengine 且将其完全开源。

通过“一个数据采集点一张表”与“超级表”概念、创新的存储引擎等创新点，让数据的写入、查询和存储效率都得到极大的提升。且，2022年8月发布了TDengine 3.0 版本 ，解决了困扰诸多主流时序数据库（Time Series Database，TSDB）的高基数（High-Cardinality）问题，可以实现支持10亿个设备采集数据、100个节点。

“一种时序数据库表结构改变处理方法”专利让TDengine能够让它高效地处理大量设备、数据采集器每天产生的高达 TB 甚至 PB 级的数据，对业务的运行状态进行实时的监测、预警，从大数据中挖掘出商业价值。

自 2018 年商业化版本发布后，TDengine 已经在全球 400 多个城市中，被广泛应用在了物联网、工业互联网、IT运维、车联网、能源和金融等各行业，为各企业的数字化改造和转型、效率提升以及存储、运维成本降低上做出很大贡献。

技术说明

以物联网、工业大数据为代表的时序类数据具备独特的特点：

涛思数据针对这一系列特点申请专利“一种时序数据库表结构改变处理方法”，并研发了 TDengine 时序数据库（Time Series Database）。

2022年，更是在调研了数百个业务场景的基础上，完成了 3.0 版本的迭代，TDengine集群支持 10 亿条以上的时间线、100 台服务器节点，成为一款真正的云原生时序数据库，具有极强的弹性伸缩能力，且无需再集成 Kafka、Redis、Spark、Flink 等软件，可以大幅降低系统架构的复杂度。

1、水平扩展

TDengine 的新分布式架构

打造云原生时序数据库，第一个要素就是必须是分布式架构。这一点来看， TDengine 从诞生开始就是分布式架构，但为了实现云原生的种种特性，在分布式架构的基础上，TDengine引入了一个新的节点——计算节点 Qnode。

那通过云原生如何解决可扩展性问题？

还是通过分片分区来解决，在时间轴上以天或周为单位对数据进行切分，同时将定量设备的数据分配给每个区（Vnode）进行处理。

为了解决高基数问题，TDengine 管理节点不再存储每个设备或每张表的元数据了，而是把这些元数据还有时序数据完全存储在 vnode 里，之后会用 B+ 树、一致性哈希来处理。这样一来，在插入一个数据到任何一个片或者一个区时，TDengine 都不再需要经过任何中间节点，彻底解决了高基数的问题。

经过测试，TDengine 3.0 完全能够支持 10 亿个设备、100 台服务器节点，同时整个启动时间也很快，不到一分钟整个集群就能启动。对于此前的TDengine 2.6版本而言，虽也能支持五千万的设备数，但启动时间就大概要三四十分钟，设备数量多的时候不太给力。

而现在，比如中国智能电表至少要有十亿台，给十亿台电表做聚合操作非常困难，这也使得时序数据库必须解决高基数问题，TDengine3.0真正把这个问题解决了。

2、弹性

云原生里面很重要的另外一点：弹性，它跟水平扩展的弹性还略有不同，首先一定要把计算和存储分离，前文提到TDengine 3.0 新增了一个计算节点 Qnode，是专门用来做计算的，但简单查询 Vnode 就可以直接操作了，如果牵扯到 group by、order by 等复杂查询，就需要在 Qnode 上进行了。

Qnode 的优点就是操作者可以动态地启动、停止，也就是说它的计算资源可以动态地进行操控，这样就实现了存算分离。同时 Vnode 也可以进行拆分或合并，保证存储也可以弹性伸缩。

如果系统不能做到真正的弹性伸缩，就一定不是云原生的，很多企业打着云原生的幌子，但实际上连云原生是什么都说不清楚。实际上，云原生就是要充分利用云平台的优势，即计算资源、存储资源、网络资源，且要完全弹性，在用户想要的时候就马上给，不想要就马上释放，这样才能真正实现成本的节约。

3、韧性

云原生里还有一个重要概念叫韧性，简单来讲就是高可靠、高可用。TDengine 在多个副本基础上，3.0版本完全采用了标准 RAFT 协议来实现数据复制，以此保证数据一致性，除了高可用，合格的韧性还要保证系统的高可靠，保证机器即使宕机了依然还能重启，且还能继续工作，数据也不会丢失。

4、部署、维护

TDengine以前都是建议用户到 Kubernetes 上部署，但并没有出详细的自动化流程，3.0 版本给出了详细的 Kubernetes 部署文档，只需修改两个配置文件，马上就能部署整个集群，极其简单。

除了更加理解云原生，时序数据库TDengine 3.0 带来的另一个收获就是可观测性。可观测性其实远远不只是监控，它包括了 logging、tracing、metrics，TDengine 3.0可以让用户对所有集群的运行状态都能真正监测到，让系统维护变得更加简单。在维护上，还有关键一点就是要做到自动化，一切都要脚本化，减少人工手动操作的成本

TDengine 3.0 的架构改进，从关键特性上来看，除了水平扩展性之外，还增强了弹性和韧性，可作为一个极简的时序数据处理平台，能够让大家以更低的成本完成时序数据平台的搭建。

5、结语

云是未来已成为共识，数据库也一定要走向云原生（Cloud Native）。真正的云原生数据库应该具备存算分离、计算和存储能力弹性扩张、能够在云上部署、自动化部署等特点。TDengine 3.0通过成功解决了解决了水平扩展、弹性、韧性等问题，完成云原生的蜕变，能够帮助用户以更低的成本完成时序数据平台的搭建。

★专利申请号/公开号：CN109189783A

开发团队

·带队负责人姓名：陶建辉

陶建辉，涛思数据创始人，开源时序数据库 TDengine 核心开发。

1994 年到美国留学，1997 年起，先后在芝加哥 Motorola、3Com 等公司从事无线互联网的研发工作。2008 年初回到北京创业，先后创办和信、快乐妈咪和涛思数据三家科技企业。

研发团队核心成员：关胜亮、廖浩均、程洪泽。

·隶属机构：涛思数据

北京涛思数据科技有限公司( TAOS Data ) 瞄准日益增长的物联网数据市场，专注时序空间大数据的存储、查询、分析和计算，不依赖任何开源或第三方软件，开发了拥有自主知识产权、100% 自主可控的高性能、分布式、支持SQL的时序数据库 TDengine。TDengine 可广泛运用于物联网、车联网、工业互联网、IT运维等领域。公司已经申请多项技术发明专利，且全部提交 PCT 专利申请。

相关评价

具体到实际业务中，TDengine 表现出了优秀的性能。以存储性能为例，之前我们使用 ES集群时，15个节点只能支持3个月的数据存储，在接入 TDengine 之后，7 个同样配置的集群，已经支撑了 5 个月的数据存储。基于 TDengine 在当下业务中所表现出的优异成绩，我们在未来考虑向 TDengine 中接入更大规模的轨迹数据以及其他业务中的时序数据。也希望未来我们能借力 TDengine，实现大量的轨迹计算及挖掘，将公司内部的数据实现快速变现，加速充电桩业务的发展，依赖 LBS 帮助客户挖掘更多的潜在客户，实现多边共赢。

——曹志强
四维图新位置服务部门数据平台负责人

在存储方面，在使用 TDengine 之后，针对生产环境的一个 6.6TB 的集群，我们粗略估计了一下前后的压缩比，大概在 6.6/0.4。

在我们原来的集群中是没有副本的，单纯就部署了 MySQL 的 5 个分库，使用了 4C 8GB 2TB 的 5 台机器，在应用 TDengine 之后，现在是 8C 32GB 2TB 的 3 台机器。通过 TDengine 我们构建了多副本和统一的能力，以及后续上混合云的能力，这是整个平台级的一个优化与提升。

——唐恒建
OPPO 高级后端工程师

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