使用Apache IoTDB进行IoT相关开发的架构设计与功能实现(1)
当今社会，物联网技术的发展带来了许多繁琐的挑战，尤其是在数据库管理系统领域，比如实时整合海量数据、处理流中的事件以及处理数据的安全性。例如，应用于智能城市的基于物联网的交通传感器可以实时生成大量的交通数据。据估计，未来5年，物联网设备的数量将达数万亿。物联网产生大量的数据，包括流数据、时间序列数据、RFID数据、传感数据等。要有效地管理这些数据，就需要使用数据库。数据库在充分处理物联网数据方面扮演着非常重要的角色。因此，适当的数据库与适当的平台同等重要。由于物联网在世界上不同的环境中运行，选择合适的数据库变得非常重要。
1.什么是IoTDB
有的小伙伴可能不了解什么是IoTDB，我先来给大家简单介绍一下：
IoTDB即物联网数据库，是一个面向时间序列数据的集成数据管理引擎，可以为用户提供特定的数据收集、存储和分析服务。由于其轻量级结构、高性能和可用特性，以及与Hadoop和Spark ecology的紧密集成，IoTDB满足了物联网工业领域的海量数据集存储、高速数据输入和复杂数据分析的要求。
2.IoTDB的体系结构
IoTDB套件可以提供真实情况下的数据采集、数据写入、数据存储、数据查询、数据可视化和数据分析等一系列功能，下图显示了IoTDB套件的所有组件带来的整体应用程序架构。
如图所示呢，咱们广大用户可以使用JDBC将设备上传感器收集的时间序列数据导入本地/远程IoTDB。这些时间序列数据可以是系统状态数据(如服务器负载和CPU内存等)。消息队列数据、来自应用程序的时间序列数据或数据库中的其他时间序列数据。用户也可以将数据直接写入TsFile(本地或HDFS)。对于写入IoTDB和本地TsFile的数据，大家可以使用TsFileSync工具将TsFile同步到HDFS，从而在Hadoop或Spark数据处理平台上实现异常检测、机器学习等数据处理任务。对于写入HDFS或本地TsFile的数据，用户可以使用TsFile-Hadoop-Connector或TsFile-Spark-Connector来允许Hadoop或Spark处理数据。分析的结果可以用同样的方式写回TsFile。
还有呢，IoTDB和TsFile提供了客户端工具，完全可以满足用户以SQL形式、脚本形式和图形形式编写和查看数据的各种需求。
3.IoTDB的体系特征
- 灵活部署
IoTDB为用户提供了云上一键安装工具、一次解压即可使用的终端工具以及云平台与终端工具之间的桥梁工具(数据同步工具)。
- 存储成本低
IoTDB可以达到很高的磁盘存储压缩比，这意味着IoTDB可以用更少的硬件磁盘成本存储同样多的数据。
- 高效的目录结构
IoTDB支持来自智能网络设备的复杂时间序列数据结构的高效组织，来自同类设备的时间序列数据的组织，海量复杂时间序列数据目录的模糊搜索策略。
- 高吞吐量读写
IoTDB支持上百万低功耗设备的强连接数据访问，支持上面提到的智能联网设备和混合设备的高速数据读写。
- 丰富的查询语义
IoTDB支持跨设备和传感器的时间序列数据的时间对齐、时间序列域的计算(频域变换)和时间维度丰富的聚合函数支持。
- 容易上手
IoTDB支持类SQL语言、JDBC标准API和易于使用的导入/导出工具。
- 自身和开源生态系统紧密集成
IoTDB支持Hadoop、Spark等。分析生态系统和Grafana可视化工具。
4.IoTDB的文件类型
在IoTDB中呢，需要存储的数据种类繁多。现在我来给大家介绍IoTDB的数据存储策略，方便大家对IoTDB的数据管理有一个直观的了解。
首先呢，IoTDB存储的数据分为三类，即数据文件、系统文件和预写日志文件。
(1)数据文件
数据文件存储用户写入IoTDB的所有数据，IoTDB包含TsFile和其他文件。TsFile存储目录可以用data_dirs来配置相关项目，其他文件通过其他特定的数据来配置项目。
为了更好地支持用户的磁盘空间扩展等存储需求，IoTDB支持多种文件目录存储方式进行TsFile存储配置。用户可以将多个存储路径设置为数据存储位置，大家可以指定或自定义目录选择策略。
(2)系统文件
系统文件包括模式文件，模式文件存储IoTDB中数据的元数据信息。它可以通过配置base_dir配置项目。
(3)预写日志文件
预写日志文件存储WAL文件。它可以通过配置wal_dir配置项目。
(4)设置数据存储目录的示例
为了更清楚地理解配置数据存储目录，我在这给出一个示例。
存储目录设置中涉及的所有数据目录路径有:base_dir、data_dirs、multi_dir_strategy、wal_dir，分别指系统文件、数据文件夹、存储策略、预写日志文件。
配置项的示例如下:
base_dir = $IOTDB_HOME/data
data_dirs = /data1/data, /data2/data, /data3/data
multi_dir_strategy=MaxDiskUsableSpaceFirstStrategy
wal_dir= $IOTDB_HOME/data/wal
这段代码并不复杂，相信很多小伙伴都应该可以看懂，我在这里给大家简单说明一下下，设置以上配置后，系统将:
- 将所有系统文件保存在＄io TDB _ HOME/data中
- 将TsFile保存在/data1/data、/data2/data、/data3/data中。选择策略是MaxDiskUsableSpaceFirstStrategy，即每次数据写入磁盘时，系统会自动选择剩余磁盘空间最大的目录来写入数据。
- 将WAL数据保存在$IOTDB_HOME/data/wal中
