Corona技术专题-时序数据分析

Corona 技术专题系列文章:

一. 前言

在 Corona 平台的技术体系建设中，时序数据库承担了时序数据的「存储」和「分析」 的关键作用。本文将介绍三款数据库在 Corona 时序分析场景下的应用。分别是 InfluxDB、ClickHouse、ElasticSearch。无论您是大前端或是服务端开发同学，通过本文的阅读您都将掌握时序数据库的基本概念、特点，从而帮助您更好地理解和使用市面上的监控类产品，也为您创建类似的服务提供一些启发。

二. 时序数据库简介

2.1 什么是时序数据？

时序数据是按时间顺序排序的一组数字序列，它可以反应某一现象的变化规律。在我们的日常生活中时序数据随处可见，如「天气预报时序走势图」它反映了温度随时间变化的规律; 如「油价时序走势图」 它反应了油价随时间变化的规律:

在应用监控领域，时序走势图能够反应「应用健康度」随时间变化的趋势，是用户最为关注的几类图表之一:

除了分钟级粒度的数据，有时也需要按 「小时级」、「天级」 粒度查看走势数据：

除了整体维度，用户也可以按某个特征维度对走势数据做分类(下表对比了不同档次机型的加载时间走势):

对时序数据做上述分析的过程我们可以称其为时序数据分析。便于存储时序数据、提供时序数据分析能力的数据库我们称其为时序数据库。

2.2 时序数据库中的基本概念

1.时间列

时序数据库的主要查询和分析能力与「时间」字段有较大关联，所以在设计时序数据库的表结构时通常会将「时间」字段作为「索引」字段。

这样的设计方便应用快速筛选出目标范围的时序数据，并且时序数据库也提供了一系列「时间」相关的工具函数，方便我们在时序数据上按不同的时间粒度(如 分钟、小时、天 )做聚合分析。

2.维度列

在储存时序数据时，通常会附带上这条数据的维度信息，维度信息可以在后续分析时作为过滤或聚合的条件。如天气时序数据中，会有「城市」维度，维度值为 北京、上海、杭州 等。油价时序数据中，会有「汽油标号」维度，维度值为 92、95、98 等。

在表结构设计时通常高频的查询和聚合维度也是建议作为「索引」字段存储。

3.数值列

时序数据的数值，如天气时序数据中的「温度值」、油价时序数据中的「价格」，会作为数值列进行存储。

时序数据库会提供一系列的工具函数对数值列做分析计算。常见的分析函数有：

• avg 求平均值
• max 求最大值
• min 求最小值

组合以上的基本概念，我们可以运用时序数据库就做一些常见的时序分析，如:

查询 2023 年 9 月份杭州每天的平均温度值走势 SQL：

SELECT toStartOfDay(time), avg(degree)
FROM table_temperature
WHERE
    time>='2023-09-01' AND
    time<'2023-10-01' AND
    city='杭州'
GROUP BY toStartOfDay(time)

查询最近 10 年各品类汽油每年的平均价格走势 SQL:

SELECT toYear(time), model, avg(price)
FROM table_gas
WHERE
    time>='2013-01-01' AND
    time<'2023-01-01'
GROUP BY toYear(time), model

4.数据过期时间 TTL

时序数据的另一个特点是关注近期的数据，距离当前比较久远的数据相对来说没那么重要，有时出于存储容量的考虑，我们甚至会希望自动删除老旧的数据。

时序数据库一般会提供 TTL (Time To Live) 功能，在设计数据库表结构时，一般会根据数据表的聚合粒度设置相应的过期时间。如原始数据或分钟级的数据保留 30 天， 小时或天级的聚合数据保留 1 年。

简要介绍完 时序数据分析 和 时序数据库 的基本概念后，下文将介绍三款经典数据库在 Corona 时序分析场景下的应用。分别是 InfluxDB、ClickHouse、ElasticSearch。

三. InfluxDB

3.1 简介

InfluxDB 是一款经典的开源时序数据库。在 InfluxDB 中有几个常用的概念

1.measurement

measurement 是 InfluxDB 中的数据表。一张 measurement 中可包含一个时间列(time column)、多个维度列(tag column)、多个数值列(field column)。

用户无需手动使用 CREATE 语句创建 measurement，InfluxDB 会在写入的数据时动态创建 measurement、动态新增维度列与数据列。

2.tag

tag column 是 InfluxDB 中的维度列，InfluxDB 会为所有的维度列建立索引。在设计表结构时，我们需要将经常作为查询条件、聚合条件的字段作为 tag 列进行存储。

在设计 tag 列时，需要特别留意的是 tag 列的潜在值是要可收敛的，不能是无限增长的。

举几个对比的例子:

以监控页面的 URL 为例，它可能会带有 路径参数 或 query 参数，导致维度值非常离散，我们需要避免将这一类难以聚合的字段设计为 tag 列的原因是: InfluxDB 为了 查询/写入 性能，会为所有的 tag 列建立索引，而索引的规模直接影响内存的占用开销。若 tag 列设计不合理，极易造成 InfluxDB 的内存持续增长甚至出现 OOM 的情况。

3.field

field column 是 InfluxDB 中的数值列，数据类型可以是数字、字符串型。在设计表结构时，我们需要将未来用于数值统计分析的字段作为 field 列存储。一些不常作为查询条件、无法收敛的额外信息也可以放到 field 列进行存储。

4.retention policy

RP(retention policy) 数据保留策略，是 InfluxDB 的 TTL 实现机制。RP 可以在创建数据库后随时新增、变更。我们可以为一个数据库创建多个 RP。如:

• create retention policy one_week on apm_log duration 7d default;
• create retention policy one_year on apm_log duration 365d;

在数据写入时，我们可以根据数据的重要度、时效性显示地指定使用哪个 RP，数据在超过保留时间后，就会自动删除。

5.continue query

CQ(continue query) 持续查询，可用于 数据归档、降采样。举例来说当我们采集的原始数据是分级的，我们可以使用 CQ 功能，将原始表的数据聚合写入小时级表。

CREATE CONTINUE QUERY "cq_event" ON "apm_log"
BEGIN
  SELECT SUM("pv") as pv
  INTO "one_year"."cq_hour_event"
  FROM "one_week"."cq_minute_event"
  GROUP BY time(1h), *
END

创建完 CQ 任务后，InfluxDB 就会每小时执行一次聚合任务。这样后续在查询的时候，可以直接从聚合结果中查询，加快查询速度。

3.2 在 Corona 中的应用场景

InfluxDB 在 Corona 平台中主要有以下几个应用场景:

• 存储 C 端用户上报的 访问量、性能 等「预聚合结果」数据
• 存储平台自身运行健康度的「原始」数据

1.存储「预聚合结果」数据

在平台上线初期，我们曾使用 InfluxDB 直接存储用户端上报的原始日志，并使用 CQ 功能聚合出 分钟级、小时级 粒度的聚合表。但随着接入应用数的增多、上报日志量 的持续增长，CQ 功能查询的内存开销出现了成倍的增长，导致 InfluxDB 的查询性能骤降。

随后我们在架构中引入了流计算引擎 Flink , C 端上报数据经过外部计算引擎预聚合后，再存入 InfluxDB。经过这样的调整后，InfluxDB 只存储 C 端用户 每分钟、每小时的 聚合结果，每分钟存储量只与 series 量级(group by 维度组合结果量级) 挂钩，不再与用户量直接关联。InfluxDB 自身的查询性能也得到保障。

举例来说，我们可以在 Flink 中配置分钟级 PV 聚合任务：

SELECT
   TUMBLE_START(PROCTIME(), INTERVAL '1' MINUTE) as wTime,
   count(os) as pv,
   os as osName,
   moduleName as moduleName
FROM performance_log
WHERE
    props['mspm'] = 'ReactNativeApplication'
GROUP BY
    TUMBLE(PROCTIME(), INTERVAL '1' MINUTE),
    os,
    props['moduleName']

我们将 Flink 的聚合结果，写入 InfluxDB 表中，表结构示例如下 (moduleName、osName 为 tag 列, pv 为 field 列):

这样在查询 每小时、每天 PV 走势时，我们可以直接基于 分钟级表 的数据做分析，相较于查询 每个用户上报的原始日志，查询数据量级大幅降低、性能大幅提升。(细心的读者可能想到了，这里的 Flink 与 之前介绍的 InfluxDB CQ 的作用其实是一致的)

后续我们可以这样查询 InfluxDB:

SELECT
   moduleName,
   osName,
   sum(pv) AS pv
FROM rn_minute_pv
WHERE
   moduleName='rn-app-1' AND
   osName='android' AND
   time>='2023-01-01' AND
   time<='2023-01-02'
GROUP BY time(1h)

查询结果:

2.存储「原始」数据

Corona 使用 InfluxDB 的另一个场景是存储平台自身运行健康度的「原始」数据，提升平台自身运行的可观测。相较于 C 端场景的海量数据，机器、集群的健康度数据量级较为可控，我们可以使用 InfluxDB 进行存储、 CQ 计算。

例如当我们需要观测自建的「数据消费服务」的健康度时，我们使用 InfluxDB 采集每个进程每次批量处理的 事件数，同时包含 机器、进程、事件上报平台 等维度列。表结构示例如下:

有了原始数据表，我们可以按 hostname 维度、platform 维度 观测集群的数据消费健康度。可视化方案推荐使用 Grafna :

四. ClickHouse

4.1 ClickHouse 简介

ClickHouse 是 OLAP(On-Line Analytic Processing) 联机分析处理数据库。在数据分析时，可直接对亿级原始日志做在线的实时聚合计算，并且能在秒级给出聚合结果。

4.2 在 Corona 中的应用场景

Corona 在引入 ClickHouse 之初，是为了补充原有 性能监控架构 的分析能力(如多维的分位数 P50、P95 统计能力)，随着我们对 ClickHouse 使用经验的积累 和 特性原理的认识，我们发现在 Corona 的性能分析应用场景上，ClickHouse 能够完全取代 Flink 、InfluxDB 的作用。并且整体的架构更加简洁，数据分析的方式也更加灵活、轻便。

目前 Corona 上的建设的性能监控指标，已完全由 ClickHouse 提供存储与数据分析的能力。主要的分析功能有:

1). 基于上报数据维度字段，提供多维的组合筛选能力

2). 在线实时聚合计算，统计 平均值、分位数、PV、UV 走势

3). 按照某个维度聚合，对比不同维度值的走势

4). 查看不同维度值的占比5). 统计指标值的详细分布情况

4.3 表结构设计及查询示例

ClickHouse 在写入数据前，需要使用建表语句创建表结构。以 ReactNative 启动耗时监控为例, 以下为示例的表结构:

CREATE TABLE rn_monitor_cold_boot_stage_local
(
    `appName` String, -- 应用名，如 云音乐
    `osName` String, -- 操作系统名
    `appVersion` String, -- 应用版本
    `rnModuleName` String, -- ReactNative 模块名
    `deviceTag` String, -- 设备性能分档
    `uploadTime` DateTime, -- 日志到达服务端时间
    `uid` String, -- 用户 uid
    `stageName` String, -- 阶段名
    `stageCost` Float32, -- 阶段耗时
)
ENGINE = MergeTree
PARTITION BY (appName, osName, toYYYYMMDD(uploadTime))
ORDER BY (rnModuleName, uploadTime)
TTL uploadTime + toIntervalDay(90)
SETTINGS index_granularity = 8192, use_minimalistic_part_header_in_zookeeper = 1

在示例表结构中，uploadTime 为时间列， stageCost 为数值列，其他字段都为维度列。

MergeTree 是 ClickHouse 中最重要的表引擎，这种表引擎的特点是，数据在批量写入时，ClickHouse 会将数据写入新的临时分区中, ClickHouse 会在后台对 临时分区 与 已有的数据分区 做 Merge，以此来提高数据的写入性能。

PARTITION BY 数据的分区策略，示例表以 appName, osName, 上报时间(天) 所组成的联合键 建立分区。ClickHouse 会为每个分区建立一个目录，合理的分区策略，可以让 ClickHouse 在后续查找数据时，直接选中分区目录，大大降低扫描的数据行数。

ORDER BY 数据的排序键，ClickHouse 默认会为排序键建立索引。

TTL 数据自动过期时间，此处设置了 90 天。

index_granularity 索引粒度为 8192 行(可理解为 8192 行数据，建立一条索引)。

示例数据如下:

{
   "appName": "music"
   "osName": "android",
   "appVersion": "8.9.0",
   "rnModuleName": "rn-playlistrank",
   "deviceTag": "高端机",
   "uploadTime": "2023-04-27 12:00:00",
   "uid": "9999999",
   "stageName": "render",
   "stageCost": 1000
}

查询示例:

SELECT
 toStartOfDay(uploadTime) as "time",
 avg(stageCost) AS "avg",
 quantiles(0.5, 0.9)(stageCost) AS "quantiles",
 count() AS "pv",
 uniq(uid) AS "uv"
FROM rn_monitor_cold_boot_stage_shard
WHERE
   uploadTime>=1682006400 AND
   uploadTime<=1682611199 AND
   stageName='render' AND
   rnModuleName='rn-playlistrank'
GROUP BY toStartOfDay(uploadTime)
ORDER BY toStartOfDay(uploadTime) ASC

查询结果示例:

以上的查询示例，包含了 平均值、分位值、PV、UV 的统计，是 Corona 性能监控分析最基础 SQL。其他的性能分析都是基于该 SQL 的变种。

4.4 数据读写架构 及 配套建设

得益于 ClickHouse 的高性能 (举例来说，当上述的示例 SQL 的扫描数据量级达到 6 亿行时，也仅需 2 秒就可以完成数据分析），在绝大多数的场景，我们可以直接使用 ClickHouse 直接对原始数据做实时聚合分析，这也使得我们的性能分析架构变得简洁。

数据写入

在数据写入前，我们使用自建的「性能日志处理服务」订阅不同 type 的性能日志，每个消费者订阅一种日志类型，在预处理后，会根据每张表的建表分区规则，在服务端对数据做预分区，每个分区的数据单独批量写入 ClickHouse。以此达到 批量写入 同时又减少 ClickHouse 在后台对数据做再次分区的开销，提高写入性能。

数据批量写入时，使用了自建的集群版 ClickHouse NodejsClient，做数据 Schema 校验 并 随机请求集群中的 Node 达到数据均匀分片的目的。数据查询

细心的读者可能发现了，我们在上面示例中，我们所建的示例表，是以 _local 结尾，而我们的查询示例表是以 _shard 结尾。

事实上，我们在建表时，会同时创建 local 表 与 shard 表。在数据写入时，性能日志处理服务是直连每个 ClickHouse node 向 local 表写入数据。可以理解为每个 node 只保存了 整个完整表的 1/4 行的数据。在查询时，查询任意一个节点的 shard 表，ClickHouse 会在后台自动汇总 4 个 node 的全部数据做分析。注: 该图 local 表中的行号仅用于示意分片的数据量级，并非实际的存储或索引行号。

在自建的性能日志处理服务 和 可视化后台 上，我们也加入了一些监控指标，来观测 ClickHouse 集群的读写健康度。

写入侧监控:

• 每分钟 批量写入的请求数
• 每分钟 批量写入的日志数
• 每分钟 不同分区的写入日志数
• 每分钟 忽略的日志数(Schema 校验不通过)
• 数据消费的延时
• 数据批量转换耗时
• 数据批量转换条数
• 数据分区转换并写入 ClickHouse 耗时
• ClickHouse 写入请求耗时

查询侧监控:

• 每分钟总查询次数
• 每分钟平均查询耗时
• 慢查询 SQL 详情

4.5 存在的痛点

ClickHouse 在 Corona 的性能分析场景满足了我们绝大多数的诉求，如果非要让笔者想一个痛点的话，那可能是缺少像 InfluxDB 一样的 CQ ( Continue Query) 能力。什么情况下需要 CQ 呢？

ClickHouse 虽然具有强大的实时在线分析能力，但是他的处理性能也是有资源开销的。在机器资源有限的前提下，如果需要做时间跨度大，数据量级超几百亿的分析，也是有相当大的资源开销和等待时间的。

举例来说，在 Corona 比较分析 App 版本性能走势场景时，由于 App 发版时间跨度大，每个版本仅存在一段时间的高峰流量期，如果需要客观地对比每个 App 的性能，需要让每个版本的样本量尽可能大，我们如果还是选择在线分析的话，就需要把 时间跨度拉到好几个月，此时数据分析的等待时间就会特别长。

为了解决等待耗时长的问题，我们还是转为离线分析的思路，在应用层，每日对 Top3 日活的版本做性能归档快照。在分析 App 版本走势时，使用归档快照数据做分析。

如果 ClickHouse 原生具备 InfluxDB 的 Continue Query 能力，可能实现起来会相对容易些。

五. ElasticSearch

5.1 简介

Elasticsearch 是一款基于 Apache Lucene 的分布式搜索和分析引擎，用于全文检索、日志分析、数据可视化等场景。它支持实时搜索、数据聚合、自动化分片和复制等功能，并提供了 RESTful API 和丰富的插件生态系统。Elasticsearch 被广泛应用于企业级搜索和日志分析等领域。

5.2 在 Corona 中的应用场景

在设计 Corona 平台时，我们引入 ES 的主要目的是用于存储异常监控的原始日志，并借助 ES 的全文检索能力，提供丰富、灵活的日志搜索功能。

下图为 Corona 的搜索面板，在此处我们意图搜索包含 undefined 信息的错误日志。

下图为 Corona 的搜索结果列表，展示了包含 undefined 错误信息的 Issue。

关于 ES 搜索的概念，在这篇文章中不作更多展开，感兴趣的读者可以查看笔者的这篇文章。除了日志的搜索功能外，Corona 也希望为用户展示异常发生的时序趋势图。由于原始日志的存储我们已经使用了 ES 进行存储，在设计时序分析功能实现时，我们其实是有两条技术实现路线可供选择:

1. 将原始日志另写入一份至消息队列 -> Flink 聚合 -> InfluxDB
2. 使用 ES 的聚合能力，基于原始日志直接做时序数据分析。

考虑到架构的简洁、减少依赖等因素，并参考了 ES 与 InfluxDB 的性能对比文章后，我们最终选择了方案二。以下是使用 ES 做的一些时序分析功能演示:

下图为应用整体的异常趋势图:

下图为单条 issue 的异常趋势图:

5.3 表结构设计及查询示例

ES 在写入数据前，不要求建立表结构。ES 会根据写入的数据自动推断数据类型进行存储。但为了避免类型的错误推断导致后续查询功能不符合预期，建议是在写入数据前，对表结构进行约束。

ES 对表结构进行约束的方式是创建模板。模板中可包含索引匹配规则 (可理解为表名)，表中的数据结构类型。

下面我们创建一个演示的模板，模板中的索引包含了 5 个字段

• project_id: 应用 ID，类型为 long
• issue_id: 聚合错误 ID, 类型为 long
• os: 上报操作系统，类型为 keyword
• ts: 上报时间，类型为 date
• error_obj: 错误详情对象，JSON 类型，JSON 中包含 message 字段，message 为文本类型，支持分词检索。

PUT _template/template_web_demo
{
   "indx_patterns": ["web_demo_*"],
   "mappings": {
      "_doc": {
          "project_id": {
              "type": "long"
          },
          "issue_id": {
           "type": "long"
          },
          "os": {
              "type": "keyword"
          },
          "ts": {
              "type": "date"
          },
          "error_obj": {
              "properties": {
                 "message": {
                     "type": "text",
                     "fields": {
                        "keyword": {
                            "type": "keyword",
                            "ignore_above": 256
                        }
                     }
                 }
              }
          }
      }
   }
}

以下是一些示例数据：

[
  {
    id: 1,
    project_id: 1,
    issue_id: 1,
    os: "iphone",
    ts: "2023-04-27 15:00:00",
    error_obj: {
      message: "Cannot read properties of undefined (reading 'providerLog')",
    },
  },
  {
    id: 2,
    project_id: 1,
    issue_id: 2,
    os: "android",
    ts: "2023-04-27 15:01:00",
    error_obj: {
      message: "e.forEach is not a function')",
    },
  },
];

查询示例: 查询项目 id 为 1 的所有 issue 的最近 7 天每日上报量走势

SELECT toYear(time), model, avg(price)
FROM table_gas
WHERE
    time>='2013-01-01' AND
    time<'2023-01-01'
GROUP BY toYear(time), model
0

对于首次接触 ES 的同学来看，这个查询条件看上去会比较地复杂。上面的查询如果用 InfluxDB SQL 的话其实就是:

SELECT toYear(time), model, avg(price)
FROM table_gas
WHERE
    time>='2013-01-01' AND
    time<'2023-01-01'
GROUP BY toYear(time), model
1

5.4 数据读写架构

1) 基于原始日志做时序分析

Corona 平台的异常日志原始日志由异常日志清洗服务做预处理后批量写入 ES。可视化管理后台在后续可直接请求 ES 做时序数据分析。

2) 基于聚合数据做时序分析

在 Corona 的告警场景，考虑到查询聚合表会比查询原始表有更高的性能，并且为了方便追溯告警的历史走势，我们在应用层配置了定时任务做分钟级的数据聚合，告警任务在执行时，直接读取分钟级聚合表。

5.5 存在的痛点

Corona 使用 ES 做时序分析的场景相对来说还比较有限。对于 ES 在时序分析下的性能，是否存在瓶颈，尚未有深入的探索。我们的痛点主要是集中在使用姿势上。

通过 5.3 节 的示例，读者不难发现，在时序分析场景，ES 查询的请求体的书写 和 理解 相对于 InfluxDB 来说，具有一定的复杂度。如果我们的项目需要用到 ES 来做时序分析，建议是在应用层封装一些 Utils 工具类，协助做请求体生成 和 数据解析。NodeJS 环境下推荐基于 bodybuilder 做上层的封装。

六.小结

本篇文章介绍了时序分析的基本概念，并结合 Corona 平台的应用场景，分别介绍了三款时序数据库的 基本概念 和 使用建议，下表是简要的总结，希望对读者有一些帮助和启发，限于笔者的个人水平，文中难免存在解释不到位或描述不准确的地方，欢迎读者留言讨论交流。