TSQL：让监控分析更简单更高效

2022-03-06 23:39:41

1. 前言

阿里时序时空数据库TSDB最新推出TSQL，支持标准SQL的语法和函数。用户使用熟悉的SQL，不仅仅查询更简单易用，用户还可以利用SQL强大的功能，实现更加复杂的计算分析。

2. 为什么需要用SQL做时序查询？

2.1 SQL拥有广泛用户基础

SQL作为一个诞生于上世纪70年代的编程语言已经存在几十年了。这是一个相对而言较“古老”的编程语言，但又是一个有着广泛用户基础的语言。
在跟踪主要编程语言的流行程度的TIOBE index[1]中，SQL在2019年4月份的排名是第8。而如果把排名列在11-20之间的SQL的两个“兄弟”PL/SQL, Transact-SQL也合并进来的话，SQL的流行度应该更高。

TSQL：让监控分析更简单更高效

根据*网站的调查 [2]，SQL在最流行的编程语言榜上排在第4位。

TSQL：让监控分析更简单更高效

无论TIOBE index还是*的编程语言排行榜，都从一个侧面反映了SQL的广泛用户基础。作为一个查询语言，SQL是用户和数据库系统交互的(直接或间接)主要方式。支持一个拥有广泛用户基础的查询语言，对于推广数据库系统来说，是非常重要的。

2.2 用户学习成本

最近几年出现的几个主要面向时序场景的数据库，除了TimescaleDB是在Postgres基础上所以支持PG生态包括SQL语言支持，其他几个比如InfluxDB, OpenTSDB, Prometheus都有各自不同的查询语言和接口：InfluxDB有InfluxQL，OpenTSDB有自己的Restful API, 而Prometheus有PromQL。每一个系统都可以声称自己的语言是独一无二的，更适合时序查询这样的场景；但不可否认的事实是用户需要去花时间去学习一种新的语言，并且如果这个语言为了功能完善，还在不断演进中，这样的学习成本对用户来说，尤其显得高了。
举个例子，InfluxDB的InfluxQL并不支持Join，Subqueries, 以及SQL中很常见的UDF等功能，这意味着用户并不能在不同数据之间进行关联分析计算，也不能在系统函数基础上进行扩展开发。InfluxDB设计者在听到社区的意见后，做了一个很有“创意”的事情：在新版本里支持Join，UDF等功能，但并不是让InfluxQL变得更加接近于SQL，而是在一个全新的Flux(一个新的functional scripting language)里支持 [3]。用户想要做InfluxQL不能做的事情，那就再来学习一个新语言吧。
一个很有意思的事情，10多年前开始出现的NoSQL系统，比如MapReduce/Hadoop, BigTable,Casandra，HBase等，一开始也是以各自不同的查询语言出现的。在经历了多年用户推广之后，NoSQL开始拥抱SQL，变成了NotOnlySQL或者NewSQL。时序数据库这样一个新兴的数据库领域，也有可能重复这样的历史。原因很简单，用户学习一个新语言的成本越高，越会阻碍一个系统被推广到大众接受的程度。

2.3 BI工具生态支持

时序数据库提供SQL的查询支持，一个很重要的原因是将时序数据库的应用场景扩展到商业分析(BI/Business Analysis)，商业决策这样高附加值领域。
当前几个主要的时序数据库，包括InfluxDB, OpenTSDB和Prometheus，主要侧重于基础性能监控这样的场景，利用Grafana这样的可视化工具，实现监控报警这一类基本功能。另一方面，监控报警还没有充分利用挖掘时序数据的商业价值。进一步的功能，需要充分利用现有SQL生态系统中的商业分析工具，比如Tableau, Qlik，Oracle BI, IBM Cognos等。这些BI工具，往往是以SQL的方式同后端数据库交互。从这个角度来说，时序数据库的SQL支持对于对接BI生态系统中的各种工具，尤为重要。

2.4 TSQL面向的用户群

在阿里时序数据库TSDB支持的兼容OpenTSDB查询协议之上推出的TSQL查询引擎，主要是面向以下两类用户：

  • 时序数据库TSDB的新应用开发者 ：这类用户往往以前使用关系数据库，因为关系数据库本身处理时序数据的性能和可扩展性的局限，而转而使用TSDB。这些新应用开发者，希望TSDB在提供比关系数据库更好的时序性能和扩展性的同时，能够用他们以前熟悉的查询语言进行应用开发，而不是去学习一个新的查询语言。
  • 数据分析师：这类用户并不开发应用，他们的工作是利用已有的商业分析工具，对时序数据进行进一步的查询分析。他们本身并不直接使用SQL， 但所使用的工具以SQL作为和时序数据库TSDB交互的查询语言。

3. 现有时序数据库系统SQL查询能力比较

这里简单对比时序数据库系统中提供SQL查询，或SQL-like查询能力的InfluxDB, TimescaleDB, 阿里云TSDB。

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4. TSQL系统架构

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上图是TSQL的总体架构以及和TSDB引擎和存储之间的协调工作关系。简单来讲，TSQL是一个典型的MPP的SQL分析引擎，通过Connector同TSDB引擎和存储进行数据交换。Connector支持MetaAPI和DataAPI。

TSQL是在两个Apache开源项目基础上演进开发的：

  • Apache Calcite作为SQL的解析器和计划生成和优化器。
  • Apache Drill提供分布式的SQL执行层。

Apache Calcite作为一个扩展性好，支持标准SQL语法和语义的SQL计划生成器，已经被很多数据处理相关的开源项目使用[6]，包括大数据ETL的Apache Hive, HBase上的SQL解决方案Apache Phoenix, 也有流数据处理框架Apache Fink (阿里的Blink)和Apache Beam等。 TSQL使用Calcite作为SQL计划生成器，可以在兼容标准SQL方面，充分利用开源社区已有的成果。

4.1 时序数据Schema管理

InfluxDB, OpenTSDB和Prometheus都采用的是一种Schema-on-write的方式，也就是用户并不需要明确定义metric的schema, 而是将schema的信息隐藏在数据中，在数据写入的时候，同时管理着schema。这样做的好处是更高的灵活性：

  • 在写入数据的时候，用户不需要事先必须用Create Table DDL来创建table；
  • 在时序数据tag set出现变化的时候，用户不需要事先用Alter Table来修改table的schema。
    TimeScaleDB从PG上扩展而来，所以是采用的是严格的Schema的管理方式。在使用灵活性方面，不如上面其他3个时序数据库。

Calcite作为一个SQL计划生成器，很适合时序数据库这样的比较松散的Schema管理方式。 Calcite的Schema Adapter，可以支持

  1. 动态的Schema 发现，
  2. 任意一个数据集，只要实现Schema管理中的接口API, 就可以在计划解析生成阶段被当成一个Table来处理。

TSQL在Calcite的Schema Adapter基础上，利用TSDB引擎中新增加的MetaAPI，来完成SQL计划解析和生成。这免去了用户必须事先在一个集中式的catalog中预先定义Table DDL等繁琐工作，给用户带来了很多的灵活性。

4.2 时序数据查询执行

TSQL的执行层，利用了Apache Drill的runtime execution。Drill的runtime execution，具备以下特点

  • 利用off-heap内存作为计算内存，减少Java heap内存GC所带来的延迟问题
  • 基于Columnar格式的ValueVector (Apache Arrow的前身)，提升查询执行效率
  • 动态代码生成和编译
    UDF支持

5. TSQL时序查询功能

我们以一个基础性能监控场景来举例说明TSQL能完成的时序查询功能。利用一个时序数据库业界公开的时序性能Benchmark[5] 生成的模拟数据，按照DevOps这样的场景，产生了cpu相关的10不同的metric。每个metric对应了机房(datecenter)，主机(hostname)，rack等标签下所采集的服务器cpu相关的指标数据。

5.1 元数据查询

可以用下面的方式查询TSDB中所有的metric/table

SHOW TABLES FROM tsdb

如果我们希望列出所有以cpu为前缀的metric/table，可以在上面的查询基础之上添加附带过滤条件.

show TABLES from tsdb where TABLE_NAME like 'cpu%'

下图给出了命令的部分输出:
TSQL：让监控分析更简单更高效

在获得metric/table 名字后，我们可以进一步用SQL中的'DESCRIBE'命令来查询这个metric/table的schema信息

describe tsdb.`cpu.usage_user`

下图显示了上面的'describe'命令的部分结果：

TSQL：让监控分析更简单更高效

5.2 时序数据简单查询

用下面的SQL查询可以获得指定时间段内的'cpu.usage_user'的指标值，时间戳，以及对应的标签值。

select * 
from tsdb.`cpu.usage_user`
where `timestamp`  between '2019-05-01 16:00:00' and '2019-05-01 18:00:00'

这里， 将被转换成 metric/table下所有的列，包括指标值，时间戳，所有的标签列。可以以具体的列名的一个列表来代替。
作为对比，如果把上面的查询转化成OpenTSDB协议来查询，相对应的查询如下：

{
  "start": "1556726400000",
  "end": "1556733600000",
  "queries": [
    {
      "aggregator": "none",
      "metric": "cpu.usage_user",
      "rate": null,
      "downsample": null,
      "filters": []
    }
  ]
}

可以在时间戳的过滤条件基础上，增加指标列上的条件。下面的查询，列出指定时间段内，3台主机上的指标值，并且使用limit, 把查询结果限制在100行。

select * 
from tsdb.`cpu.usage_user`
where `timestamp`  between '2019-05-01 16:00:00' and '2019-05-01 18:00:00'   and 
        hostname in ('host_1', 'host_5', 'host_10')
limit 100

可以在查询中使用标准SQL中丰富的数值计算函数，字符串函数或时间戳函数。下面的SQL，我们分别使用了数值运算函数sqrt, 时间戳函数extract 和字符串lower。

5.3 时序降精度，聚合运算

如果我们要计算两小时之内，每台主机上每5分钟的指标cpu.usage_user的最大值，最小值，以及数据采样点的个数。这样的查询，代表了在时间维度上的降精度，并且在标签hostname上进行的聚合运算。用TSQL来表示这样的查询：

select
  hostname,
  tumble(`timestamp`, interval '5' minute) ts,
  max(`value`) maxV,
  min(`value`) minV,
  count(`value`) cnt
 from tsdb.`cpu.usage_user`
 where `timestamp` between 1556726400000 and 1556733600000   and 
      hostname in ('host_8','host_5','host_6')
group by hostname, ts

如果用OpenTSDB的协议来查询:

{
  "start": "1556726400000",
  "end": "1556733600000",
  "queries": [
    {
      "aggregator": "max",
      "metric": "cpu.usage_user",
      "downsample": "5m-max",
      "tags":{
        "hostname":"host_8|host_5|host_6"
      }
    },
    {
      "aggregator": "min",
      "metric": "cpu.usage_user",
      "downsample": "5m-min",
      "tags":{
        "hostname":"host_8|host_5|host_6"
      }
    },
    {
      "aggregator": "sum",
      "metric": "cpu.usage_user",
      "rate": null,
      "downsample": "5m-count",
      "tags":{
        "hostname":"host_8|host_5|host_6"
      }
    }
  ]
}

可以看到，相比较原来Restful API的查询，TSQL能够用更简洁的方式来表示相同的查询语义；并且，如果用户本来就熟悉SQL的使用方法，节省用户去学习Restfule API里JSON各个字段的含义。从降低用户学习成本，增加易用性这个角度，TSQL带来了较明显的价值。
TSQL不仅仅带来查询简洁，用户易用的优点，并且，更重要的是，用TSQL能够表达Restful API里不能直接表达的查询语义。在TSDB引入TSQL之前，如果用户需要进行这样的查询计算，则用户必须通过自己的应用程序，在Restful API获得数据后，再进行后计算，来满足业务需要。在自己的应用程序中进行后计算，往往需要付出很大的应用开发代价。

5.4 聚合后计算，过滤，排序

下面的例子，计算2个小时内，3台机器上每5分钟内，cpu.usage_user指标值的最大值和最小值的差异超过10.0的时段和hostname, 并按照差异值从大到小排序：
在上面的例子中个，在获得最大值和最小值后，进一步计算两者的差异值，并根据差异值进行过滤和排序。这样的聚合后计算处理，无法用OpenTSDB的查询协议表示；用户如果要表达这样的语义，就必须在应用程序中计算。

select
  hostname,
  tumble(`timestamp`, interval '5' minute) ts,
  max(`value`) - min(`value`) as diffV
 from tsdb.`cpu.usage_user`
 where `timestamp`  between '2019-05-01 16:00:00' and '2019-05-01 18:00:00'   and 
        hostname in ('host_1', 'host_5', 'host_10')
group by hostname, ts
HAVING  diffV > 10.0
order by diffV DESC

5.5 任意复杂的条件表达式

TSDB的Restful API对于只提供有限的几种filter, 而并不支持任意filter通过AND/OR的组合。比如下面的例子，是一个TSQL业务中使用的查询。其中WHERE条件部分是并不能用Restful API来表示的，因为Restful下的filters是只有AND, 而OR只有在相同tag上通过'value1|value2|vale3'这样的形式来表达。

where
    (
      (obj_id='ems30_NA62_183249003' and obj_type='ems30_NA62_20204' and room='ems30_NA62_C-T01.NA62' and building='ems30_NA62_C') or
      (obj_id='ems30_NA62_183249746' and obj_type='ems30_NA62_20204' and room='ems30_NA62_C-T01.NA62' and building='ems30_NA62_C') or
      (obj_id='ems30_NA62_183246962' and obj_type='ems30_NA62_20204' and room='ems30_NA62_C-T01.NA62' and building='ems30_NA62_C') or
      (obj_id='ems30_NA62_183248143' and obj_type='ems30_NA62_20204' and room='ems30_NA62_C-T01.NA62' and building='ems30_NA62_C') or
      (obj_id='ems30_NA62_183249191' and obj_type='ems30_NA62_20204' and room='ems30_NA62_C-T01.NA62' and building='ems30_NA62_C') or
      (obj_id='ems30_NA62_183249964' and obj_type='ems30_NA62_20204' and room='ems30_NA62_C-T01.NA62' and building='ems30_NA62_C') or
      (obj_id='ems30_NA62_183247148' and obj_type='ems30_NA62_20204' and room='ems30_NA62_C-T01.NA62' and building='ems30_NA62_C')
    ) and `timestamp` between '2019-04-25 18:20:21' and '2019-04-25 18:20:31'
    ...

支持任意组合的AND/OR的条件表达式，对于应用开发是很有意义的。在集团基础监控业务(raptor-pro)中，一个突出的亮点是“定制化监控报警”：允许业务方的用户来定制查询条件，并且查询条件可以是任意的AND/OR组合。TSQL为"定制化监控报警"的功能实现，提供了有力的技术保障。

5.6 多个metric之间join

这个查询，把cpu.usage_system和cpu.usage_idle在hostname和timestamp上做等值join, 然后计算每5分钟两个度量值之和的sum。

select 
     t1.hostname, 
     tumble(t1.`timestamp`,  interval '5' minute ) ts, 
     sum(t1.`value` + t2.`value`) as sumV
from tsdb.`cpu.usage_system` t1, tsdb.`cpu.usage_idle` t2
where t1.`timestamp` >='2019-05-01' and t1.`timestamp` <= '2019-05-01 01:00:00' 
 and t1.hostname = t2.hostname
 and t1.`timestamp`= t2.`timestamp`
group by t1.hostname, ts

上面的查询，如果我们采用TSDB的多值模型，把cpu.usage_system和cpu.usage_idle处理成一个metric的不同的field, 则不需要join就可以完成。但如果我们需要在分组聚合后的结果上再做join, 多值模型也无法解决问题。

5.7 分组聚合后join计算

下面的查询，分别对cpu.usage_system和cpu.usage_idel按照5分钟计算聚合函数sum(), 再通过join, 对齐，计算相对应的比例。并且，每个子查询的Where条件，除了包括在tag上和时间戳上的条件，还包括值上的过滤条件。
类似这样的查询，是无法直接在TSDB的RestAPI来实现的；用户只能在自己的应用程序中实现，增加了应用开发成本。

select f0.hostname, f0.ts, f0.sumV / f1.sumV as resultValue
from (
  select hostname,
  tumble(`timestamp`,  interval '5' minute) ts, 
     sum(`value`) as sumV
  from tsdb.`cpu.usage_system`
  where
    hostname in ('host_0', 'host_5', 'host_10') and
    `timestamp` between '2019-05-01 00:00:00' and '2019-05-01 01:00:00' and `value`<=50
  group by hostname, ts
  ) as f1
join (
  select hostname,
  tumble(`timestamp`,  interval '5' minute ) ts, 
     sum(`value`) as sumV
  from tsdb.`cpu.usage_idle`
  where
    hostname in ('host_0', 'host_5', 'host_10') and
    `timestamp` between '2019-05-01 00:00:00' and '2019-05-01 01:00:00' and `value`<=30
  group by hostname, ts
  ) as f0
on f1.hostname = f0.hostname and f1.ts = f0.ts

5.8 UDF扩展功能

使用UDF来扩展功能，对于时序数据库这样聚焦特定领域的数据库来说，是非常必要的，因为往往SQL标准中定义的函数，并不能完全满足需要。TSQL有一个完善的UDF的体系，用户只要按照约定的接口，用Java语义就可以实现扩展。比如，我们在TSQL中引入的把时间戳分割成不重合的窗口的函数tumble，其实现就是由下面不到15行代码完成。
用户可以用Java实现不同的scalar UDF或者aggregate UDF, 并把编译后的jar加入到TSQL的系统类库目录，就可以自行扩展TSQL的查询计算功能了。

@FunctionTemplate(name = "tumble", scope = FunctionTemplate.FunctionScope.SIMPLE, nulls = FunctionTemplate.NullHandling.NULL_IF_NULL)
    public static class Tumble implements DrillSimpleFunc {
        @Param TimeStampHolder timeStamp;
        @Param IntervalDayHolder interval;
        @Output TimeStampHolder out;

        @Override
        public void setup() {
        }

        @Override
        public void eval() {
            long intervalMs = interval.days * org.apache.drill.exec.vector.DateUtilities.daysToStandardMillis + interval.milliseconds;
            out.value = timeStamp.value - timeStamp.value % intervalMs;
        }
    }

6 TSQL可视化查询

阿里云TSDB已经提供了TSQL可视化交互式开发功能，通过web页面可以方便的进行TSQL的测试和开发，如下图Demo所示，。点击了解阿里云时序数据库

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