作者：艾忠元
睿信物联网平台是北京睿信世达自主开发的通用物联网平台，为用户提供从传感器设备、边缘网关、云平台到APP、小程序的一整套端到端物联网SaaS云平台，可以满足用户的通用物联网功能需求；在此基础上构建了智慧水务、智慧消防、智慧环保、智慧农业、智能家居等行业应用组件，满足用户的场景化需求。
平台的整体架构如下。
现状及痛点
目前采用OpenTSDB进行时序数据的存储，功能上满足现有需求；但是由于OpenTSDB架构复杂，体量过重，给开发测试、安装部署以及运维管理等工作带来了不小的麻烦，随着业务的发展，问题逐渐凸显，开始影响工作效率，具体可以归纳为以下几方面：
- 安装难
OpenTSDB不是独立的服务组件，它还要依赖HBase、HDFS、ZooKeeper。需要把这些服务组件全部安装配置好，OpenTSDB才能正常工作，即便是一个熟练的运维工程师，把这些服务组件全部安装配置一遍，也需要很长时间。 - 调试难
在开发测试过程中，如果出现问题，需要对OpenTSDB进行日志分析，甚至可能还需要对HBase、HDFS和ZooKeeper进行全面的日志分析和问题排查，才能最终定位并解决问题。 - 运维难
在正式环境中，要求集群部署，各种服务都是双份、三份甚至n份部署，各个服务节点之间的关系错综复杂，服务节点和主机数量越多，监控管理就会越难，运维人员的工作负担也就越重。 - 成本高
成本可以分为两个方面，一个是人力成本高，由于安装、调试、运维的难度增加，造成开发运维人员工作量增加，工作效率变低，从企业经营角度看，人力成本变高；另一个是硬件资源成本高，由于服务节点众多，占用的主机、内存和磁盘空间也会很多，购买或租用这些硬件资源需要更多的费用支出。
技术选型
为了解决目前这些问题，我们决定重新进行技术选型，寻找OpenTSDB的替代方案，升级目前的时序数据库解决方案。进而，要对技术选型进行全面评估，结合实际需要，我们确定了几个选型要求：
- 开源免费：必须是开放源代码的，并且允许免费商用；
- 成熟稳定：具有较长的发展历史，经过大量项目应用实践，经历过时间的检验；
- 社区活跃：开发者社区人员多，讨论、问答、咨询、推广等线上线下活动频繁；
- 迭代更新：有开发人员一直在维护，不断在迭代更新和发布新版本；
- 性能高：单机能支持每秒10万以上的插入效率，并能够通过扩展硬件支持更高的插入效率；
- 开销低：服务节点少，占用的内存、CPU和磁盘空间少；
- 支持集群：能够集群部署，容量可水平扩展。
经过初步调查，InfluxDB、TimescaleDB和TDengine这3个时序数据库进入了我们的考察范围。
InfluxDB
在DB-Engines网站上，InfluxDB处于时序数据库排名的第一位，满足我们绝大部分的要求，但集群模块闭源，因此被排除在外。
TimescaleDB
TimescaleDB在DB-Engines中的排名也比较高，几乎满足我们的所有选型要求，但是它是PostgreSQL上的一个时序数据库插件，是基于RDBMS的时序数据库，不是一个纯粹的时序数据库；另外，对集群支持不好，不支持水平扩展。
TDengine
和InfluxDB一样，TDengine最初的开源版本也不支持集群，也被排除在外。去年TDengine开源了集群版本后，又进入了我们的考察范围。经过各方面的综合考察评估，TDengine满足我们所有的选型要求，成为技术选型的最终目标。
数据建模
由于是既有系统升级改造，必须符合现有系统架构，不能影响现有功能。因此，数据建模必须限定在一定的范围内，有一定的约束和限制，不能像设计一个新系统那样有那么大的自由度。总结下来，主要有两方面的约束和限制：
- schema-free（模式自由）
不需要有create table之类的建表过程，就可以直接进行数据的写入和查询。目前已经使用了OpenTSDB这种schema-free的数据库，并按照schema-free的方式进行数据的读写，希望延续这种方式，避免功能和架构上的调整。
- 单列模式
物联网平台的设计初衷是要能够支撑所有的应用场景，不能只考虑某一种特定的应用场景，必须设计成一种通用架构，为应用层提供足够的灵活度。因此，我们将设备和指标之间的关系设计为动态绑定关系，并且能够进行动态绑定配置。
比如，某种液位仪有液位和距离两个指标，在A场景下只需要采集液位，在B场景下只需要采集距离。
为了能够支撑设备和指标之间的这种动态绑定关系，我们采用了单列模式（也被称为纵表模式或窄表模式），每个指标单独保存一条数据，如果设备有n个指标，就保存n条数据。相反，多列模式（也被称为横表模式或宽表模式）是将设备的所有指标数据存储为一条数据，分不同的列存储不同指标值。
很显然，TDengine不是schema-free的，需要先建表，然后才能进行数据读写，这就突破了上面的约束和限制，无法满足架构上的要求，难道要放弃TDengine？还有没有变通的办法呢？经过一番调查分析，最终还是找到了解决办法。
下面从三方面进行拆解说明。
- 通用超级表
TDengine里有超级表的概念，每种设备对应一个超级表，这个超级表只负责存储这种类型的设备数据；由于前面的约束和限制，我们肯定不能这么用。但可以变通的来用，设计一个能够兼容所有设备类型的通用超级表，把所有设备的数据往这个超级表里装；这样，只需要在系统安装部署的时候，一次性执行超级表的建表脚本，实际运行时，就不需要再动态创建超级表了。
- 单列模式
TDengine支持单列模式和多列模式，出于插入效率和存储效率的考虑，官方推荐多列模式。但是，为了符合前面的约束和限制，满足通用场景需求，我们采用了单列模式，一条数据中仅存储一个指标值。
结合上面的思路，我们的数据模型的设计如下（为了方便分析问题，省去了几个无关的标签）：
数据列包含时间和指标值两列，对应上报时间和上报的具体值，标签中的指标编码用来对同一个设备下的不同指标做区分，查询的时候可以用来做条件过滤。
- 自动建表
TDengine中还有普通表的概念（为了和超级表概念区分开，这里称为普通表），普通表也需要先创建后插入。还好TDengine支持自动建表，可以在插入的时候，顺带建表。于是，我们就可以利用自动建表语法进行自动建表，屏蔽普通表的建表过程。具体写法如下：
通用超级表，单例模式，再加上自动建表，通过这些办法，我们把表的概念变得越来越弱化，TDengine逐渐被改造成了一个schema-free的数据库，可以按照schema-free的方式来使用TDengine。
这样一来，在不改动架构，不影响功能的前提下，数据建模工作就圆满完成了。
代码改造
在物联网平台现有的架构中，有一个时序数据服务，专门负责对时序数据库进行封装，然后对外提供时序数据的写入和查询服务，物联网平台的其他所有模块都通过这个服务来访问时序数据库。
有了这样的架构设计，代码改造工作就变得非常简单。只需要改动这个时序数据服务，在现有基础上增加对TDengine的支持，将写入和查询两个功能按照TDengine的JDBC接口进行接口适配，将时序数据的写入和查询切换到TDengine。
通过这种方式，我们就把TDengine的改造迁移屏蔽在了时序数据服务内部，上层应用无需关心，功能上不受任何影响。
数据迁移工具
升级改造项目，需要保留历史数据，需要对历史数据进行数据迁移。为此，我们专门开发了一个数据迁移工具，将OpenTSDB中的历史数据迁移到TDengine，并且进行了详尽的功能测试。
为了确保海量数据的快速迁移，我们还做了性能优化，并进行了大数据量的压力测试。数据迁移是升级上线过程中非常重要的一个环节，所以，我们在这个工具上投入了很多精力，甚至比代码改造本身还多。
升级上线
为了能够平滑顺利地完成升级上线，不影响用户正常使用，我们制定了详细的迁移方案，将升级上线分为三阶段完成。
第一阶段：数据迁移
将改造后的新版本上线，OpenTSDB和TDengine并行运行，同时向两个数据库写入数据，由于OpenTSDB有全量数据，查询请求全部交给OpenTSDB；与此同时，启动数据迁移工具，将历史数据迁移到TDengine，待数据迁移完成，进入到第二阶段。
第二阶段：试运行
OpenTSDB和TDengine依然并行运行，也同时向两个数据库写入数据；数据迁移已经完成，TDengine中已经具备全量数据，因此，查询请求全部切换到TDengine。观察两周左右的时间，没有发现任何问题，进入到第三阶段。
第三阶段：正式上线
TDengine经过试运行一切正常，功能和性能都没有问题，于是我们将OpenTSDB停止运行，数据只向TDengine写入，OpenTSDB占用的资源全部回收。
到此为止，升级上线全部完成。
改造效果
迁移到TDengine后，效果非常明显，硬件资源减少到原来的1/5，效率有了明显的提升。随着存储规模的不断变大，这种改善和提升效果会越来越明显。此外，在运维管理、费用支出、开发测试等方面也有了很大的改善。
- 开发人员现在可以自己电脑上搭建一套环境，随便折腾，不用担心跑不起来，也不用担心影响别人；
- 性能测试的时候，用配置低一些的机器也没问题，照样能做出压测效果；
- 遇到技术难题，原来通过Google、百度、StackOverflow寻找答案，现在可以直接在官方渠道https://github.com/taosdata/TDengine提issue，也可以在TDengine的技术社区提问，TDengine的技术专家亲自答复，响应非常快；
- TDengine的体积小，只有几M，上传起来非常快，有些私有化部署项目，不允许访问外网，只能手动上传，体积小的优势就非常明显；
- 安装部署简单，配合Docker容器，可以在几分钟内完成安装部署；
- 运营监控工作变简单了，只需要对TDengine的几个进程进行监控；
- 占用的磁盘空间明显变小了，减少到原来的1/5；
- 使用的主机减少到原来的1/5，相应的费用支出也减少了。
总结
此次升级改造总体进行得比较顺利，但过程中也有一些波折，尤其是在数据建模的时候遇到了一些困难。办法总比困难多，通过一些方法和技巧，我们把TDengine改造成了schema-free的数据库，满足了物联网平台的要求，最终完成了升级改造。
目前，已经支撑起了所有物联网设备上报的数据，同时支撑起了应用层的各种应用场景。
改造后的效果明显，硬件资源减少为原来1/5，开发、测试、运维、管理、支出等方面都有明显的改善和提升。
我们使用到的功能还比较简单，主要是插入、连续查询以及降采样查询，对于物联网平台来说基本够用。UNION、GROUP BY、JOIN、聚合查询等功能暂时还未使用到，这些功能对于大数据分析的场景非常有用，将来在一些大数据项目里可以尝试使用，用来代替Hadoop全家桶。
此外，使用过程中遇到一些问题，希望改进：
- JDBC-JNI不是纯Java的，依赖一个动态库，给安装部署带来不少麻烦；
- 后来通过JDBC-RESTful解决了这个问题，但是中间多了一层RESTful Connector，性能会低一些；
- 最理想的做法，还是用纯Java写一个直连后端服务的JDBC Driver；
- 客户端是命令行方式，对于开发者不是很友好，尤其是一些初级开发者，或者是用惯了图形界面的开发者；
- 图形界面，语法高亮，语法检查，这些功能还是很香；
- 虽然目前有两个社区开发者提供的GUI，当然官方能提供支持的话是最好不过了。