作者：尹飞
小T导读：顺丰科技大数据集群每天需要采集海量监控数据，以确保集群稳定运行。之前虽然采用了OpenTSDB+HBase作为大数据监控平台全量监控数据的存储方案，但有不少痛点，必须对全量监控数据存储方案进行改造。通过对IoTDB、Druid、ClickHouse、TDengine等时序数据存储方案的调研，最终我们选择了TDengine。大数据监控平台采用TDengine后，在稳定性、写入性能、查询性能等方面都有较大的提升，并且存储成本降低为原有方案的1/10。
场景与痛点
顺丰科技致力于构建智慧大脑，建设智慧物流服务，持续深耕大数据及产品、人工智能及应用、综合物流解决方案等领域，在中国物流科技行业处于领先地位。为了保证各类大数据服务的平稳运行，我们围绕OpenFalcon搭建了大数据监控平台。由于OpenFalcon本身采用的是rrdtool作为数据存储，不适合做全量监控数据的存储，于是我们采用了OpenTSDB+HBase作为大数据监控平台全量监控数据的存储方案。
目前整个平台平均写入数十亿条/天。随着大数据监控平台接入的数据量越来越大，我们有很多痛点需要解决，包括依赖多、使用成本高和性能不能满足等问题。
- 依赖多，稳定性较差：作为底层大数据监控平台，在数据存储方面依赖Kafka、Spark和HBase等大数据组件。过长的数据处理链路会导致平台可靠性降低，同时由于平台依赖大数据组件，而大数据组件的监控又依赖监控平台，在大数据组件出现不可用问题时，无法及时通过监控平台对问题进行定位。
- 使用成本高：由于监控数据写入数据量巨大，且需要保存全量监控数据半年以上，用以追溯问题。所以依据容量规划，我们采用4节点OpenTSDB+21节点HBase作为全量监控数据存储集群。压缩后每天仍需要1.5T（3副本）左右空间存储，整体成本较高。
- 性能不能满足需求：OpenTSDB作为全量监控数据存储方案，在写入方面性能基本满足需求，但是在日常大跨度和高频次查询方面已无法满足要求。一方面，OpenTSDB查询返回结果慢，在时间跨度比较大的情况下，需要十几秒；另一方面，OpenTSDB支持的QPS较低，随着用户越来越多，OpenTSDB容易崩溃，导致整个服务不可用。
技术选型
为解决上述问题，我们有必要对全量监控数据存储方案进行升级。在数据库选型方面，我们对如下数据库做了预研和分析：
- IoTDB：刚孵化的Apache顶级项目，由清华大学贡献，单机性能不错，但是我们在调研时发现不支持集群模式，单机模式在容灾和扩展方面，不能满足需求。
- Druid：性能强大，可扩展的分布式系统，自修复、自平衡、易于操作，但是依赖ZooKeeper和Hadoop作为深度存储，整体复杂度较高。
- ClickHouse：性能最好，但是运维成本太高，扩展特别复杂，使用的资源较多。
- TDengine：性能、成本、运维难度都满足，支持横向扩展，且高可用。
通过综合对比，我们初步选定TDengine Database作为监控数据存储方案。TDengine支持多种数据导入方式，包括JDBC和HTTP模式，使用都比较方便。由于监控数据写入对性能要求比较高，我们最后采用了Go Connector，接入过程需要做如下操作：
- 数据清洗，剔除格式不对的数据；
- 数据格式化，将数据转化为实体对象；
- SQL语句拼接，对数据进行判断，确定写入的SQL语句；
- 批量写入数据，为提高写入效率，单条数据完成SQL拼接后，按批次进行数据写入。
数据建模
TDengine Database在接入数据前需要根据数据的特性设计schema，以达到最好的性能表现。大数据监控平台数据特性如下：
- 数据格式固定，自带时间戳；
- 上传数据内容不可预测，新增节点或服务都会上传新的标签内容，这导致数据模型无法前期统一创建，需要根据数据实时创建；
- 数据标签列不多，但是标签内容变化较多；数据数值列比较固定，包括时间戳，监控数值和采样频率；
- 单条数据数据量较小，100字节左右；
- 每天数据量大，超过50亿；
- 保存6个月以上。
根据上述特点，我们构建了如下的数据模型。
按照TDengine建议的数据模型，每一种类型的数据采集点需要建立一个超级表，例如磁盘利用率，每个主机上的磁盘都可以采集到磁盘利用率，那么就可以将其抽象成为超级表。结合我们的数据特点和使用场景，创建数据模型如下：
- 以指标作为超级表，方便对同一类型的数据进行聚合分析计算；
- 监控数据本身包括标签信息，直接将标签信息作为超级表的标签列，相同的标签值组成一个子表。
库结构如下：
超级表结构如下：
落地实施
大数据监控平台是上层大数据平台稳定运行的底座，需要确保整个系统的高可用性；随着业务量增加，监控数据量持续增长，要保证存储系统能方便的进行横向扩展。基于以上两点，TDengine落地总体架构如下：
为保证整个系统的高可用和可扩展性，我们前端采用nginx集群进行负载均衡，保证高可用性；单独分离出客户端层，方便根据流量需求进行扩容缩容。
实施难点如下。
- 数据写入：由于监控指标的上传接口是开放型的，只会对格式进行校验，对于写入的数据指标不确定，不能预先创建好超级表和子表。这样对于每条数据都要检查判断是否需要创建新的超级表。如果每次判断都需要访问TDengine的话，会导致写入速度急剧下降，完全无法达到要求。为了解决这个问题，在本地建立缓存，这样只需要查询一次TDengine，后续相关指标的写入数据直接走批量写入即可，大大提升了写入速度。另外，2.0.10.0之前的版本批量创建表的速度非常慢，为了保证写入速度，需要按照创建表和插入数据分批插入，需要缓存子表的数据信息，后面的版本优化了子表创建功能，速度有了大幅提升，也简化了数据插入流程。
- 查询问题：1. 查询bug。监控平台数据主要是通过Grafana进行数据展示，但是在使用过程中，我们发现官方提供的插件不支持参数设置，根据我们的自身需求，对其进行了改造，并提供给社区使用。另外在使用过程中，触发了一个比较严重的查询bug：在设置较多看板时，刷新页面会导致服务端崩溃。后经排查，发现是由于Grafana中一个dashboard刷新时会同时发起多个查询请求，处理并发查询导致的，后经官方修复。2. 查询单点问题。TDengine原生HTTP查询是直接查询特定服务端完成的。这个在生产环境是存在风险的。首先，所有的查询都集中在一台服务端，容易导致单台机器过载；另外，无法保证查询服务的高可用。基于以上两点，我们在TDengine集群前端使用Nginx集群作反向代理，将查询请求均匀分布在各个节点，理论上可以无限扩展查询性能。
- 容量规划：数据类型，数据规模对TDengine性能影响比较大，每个场景最好根据自己的特性进行容量规划，影响因素包括表数量，数据长度，副本数，表活跃度等。根据这些因素调整配置参数，确保最佳性能，例如blocks，caches，ratioOfQueryCores等。根据与涛思工程师沟通，确定了TDengine的容量规划计算模型。TDengine容量规划的难点在于内存的规划，一般情况下，三节点256G内存集群最多支持2000w左右的子表数目，如果继续增加的话，会导致写入速度下降，且需要预留一部分的内存空间作为查询缓存使用，一般保留10G左右。如果子表数量超过2000w，则可以选择扩展新节点来分担压力。
改造效果
完成改造后，TDengine集群轻松扛住了全量监控数据写入，目前运行稳定。改造后架构图如下：
- 稳定性方面：完成改造后，大数据监控平台摆脱了对大数据组件的依赖，有效缩短了数据处理链路。自上线以来，一直运行稳定，后续我们也将持续观察。
- 写入性能：TDengine的写入性能跟写入数据有较大关系，在根据容量规划完成相关参数调整后，在理想情况下，集群写入速度最高达到90w条/s的写入速度。在通常情况下（存在新建表，混合插入），写入速度在20w条/s。
- 查询性能：在查询性能方面，在使用预计算函数情况下，查询p99都在0.7秒以内，已经能够满足我们日常绝大部分查询需求；在做大跨度（6个月）非预计算查询情况下，首次查询耗时在十秒左右，后续类似查询耗时会有大幅下降（2-3s），主要原因是TDengine会缓存最近查询结果，类似查询先读取已有缓存数据，再结合新增数据做聚合。
- 成本方面：服务端物理机由21台降至3台，每日所需存储空间为93G（2副本），同等副本下仅为OpenTSDB+HBase的约1/10，在降低成本方面相对通用性大数据平台有非常大的优势。
总结
目前从大数据监控这个场景看，TDengine Database在成本、性能和使用便利性方面都有非常大的优势，尤其是在成本方面带来很大惊喜。在预研和项目落地过程中，涛思的工程师提供了专业、及时的帮助，在此表示感谢。希望TDengine能够不断提升性能和稳定性，开发新特性，我们也会根据自身需求进行二次开发，向社区贡献代码。祝TDengine越来越好。对于TDengine，我们也有一些期待改进的功能点：
- 对表名支持更友好；
- 对其他大数据平台的支持，联合查询需求；
- 支持更加丰富的SQL语句；
- 灰度平滑升级；
- 子表自动清理功能；
- 集群异常停机恢复速度。
后续我们也将在顺丰科技的更多场景中尝试应用TDengine，包括：
- 物联网平台，作为底层物联网数据存储引擎构建顺丰科技大数据物联网平台；
- Hive on TDengine，通过Hive on TDengine实现与现有其他数据源数据联合查询，使其能平滑的与现有系统使用，降低接入门槛。
