ทำไมเราถึงควรใช้ฐานข้อมูลอนุกรมเวลาสำหรับ ข้อมูลอนุกรมเวลา (Time Series Database)

ปัจจุบันนี้ internet of thing หรือ IoT ก็ได้เข้ามามีบทบาทในอุตสาหกรรมและเทคโนโลยี ซึ่งใน สถาปัตยกรรมของ IoT เอง ก็มีหลายชั้น ตั้งแต่เซ็นเซอร์เก็บข้อมูล ชั้นเก็บข้อมูล รวมไปถึงการแสดงข้อมูลให้ผู้ใช้ ตามรูป IoT Wolrd Forum ได้ทำรูปอ้างอิงลำดับชั้นของ IoT

ตรงนี้ขอไม่ลงรายละเอียดของ IoT มากนัก จากรูปข้างบน เราจะเห็นได้ว่าตั้งแต่ layer ที่ 1 ถึง layer ที่ 7 หรือก็คือตั้งแต่เซนเซอร์หรืออุปกรณ์ที่รวบรวมหรือทำงานหรือควบคุม ต่างๆ ไปจนถึงชั้นของ application และการจัดการ โดยในบทความนี้จะกล่าวถึงฐานข้อมูล OpenTSDB ซึ่งจะอยู่ใน Layer ที่ 4-5

IoT เองก็เก็บข้อมูลในลักษณะอนุกรมเวลาเป็นส่วนใหญ่ รวมถึงสัญญาไฟฟ้า (signal) สัญญาณดิจิตอลเองก็เป็นอนุกรมเวลา แต่เมื่อข้อมูลใหญ่มากขึ้นการจัดเก็บข้อมูลอนุกรมเวลาในรูปแบบเดิมๆ อาจจะทำให้ระบบทำงานช้ากว่าที่ควรจะเป็น เช่น general purpose database อย่าง MySQL, PostgreSQL

แล้วอนุกรมเวลาคืออะไร ลองไปดูกันครับ

จริงๆ ถ้าคนเรียนสายคณิตศาสตร์คงคุ้นเคยกับคำๆ นี้ดีอยู่แล้ว แต่ผมขออธิบายง่ายๆ อย่างนี้นะคับ

สมมติว่า ถ้าเราวัดอุณหภูมิของ อ.หาดใหญ่ ทุกๆ ชั่วโมงตั้งแต่ 9 โมงเช้าถึง 6 โมงเย็น แล้วเราก็จดอุณหภูมิไว้ เราก็สามารถนำข้อมูลมาพล็อตเป็นกราฟ ในรูปข้างล่างทางขวามือได้ นี่คือ อนุกรมเวลาแบบง่ายๆ คับ คือมี เวลากับค่าที่เราบันทึก

อนุกรมเวลา ก็คือ ชุดข้อมูลที่เรียงลำดับตามเวลา โดยอนุกรมเวลาประกอบไปด้วยจุดข้อมูล (data point) ซึ่งในแต่ละจุดข้อมูลมีเวลาที่บันทึก และค่าที่วัดได้ ณ เวลานั้นๆ ข้อมูลอนุกรมเวลาส่วนใหญ่แล้วใช้ในการจัดเก็บข้อมูลจากสภาพแวดล้อมต่างๆ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน โดยในหลายๆงานก็ได้นำข้อมูลอนุกรมเวลาไปใช้ เช่น การพยากรณ์สภาพอากาศ, ระบบคอมพิวเตอร์, การจราจร, กระบวนทางเคมี หรือแม้กระทั่ง การพยากรณ์แนวโน้มของราคาหุ้น

ตัวอย่างของข้อมูลอนุกรมเวลาในกรณีของการเก็บข้อมูลสภาพอากาศ เช่น

• ลำดับของอุณหภูมิที่ถูกบันทึกเป็นรายชั่วโมง
• การบันทึกความชื้นทุกชั่วโมง
• การบันทึกความเร็วทุกๆ หนึ่งนาที

ระยะห่างระหว่างเวลาที่บันทึกของข้อมูลแต่ละจุดจะเป็นเท่าใดก็ได้

ฐานข้อมูลอนุกรมเวลา

ช่วงนี้ฐานข้อมูลอนุกรมเวลาเริ่มดังกันขึ้นเยอะแล้ว จากข่าวที่ฐานข้อมูลอนุกรมเวลา Prometheus เข้าร่วมกับ Cloud Native Computing Foundation หลังจากที่ศึกษามาสักพักเปเปอร์ survey ด้าน time series ก็ออกมาแล้วครับ Time Series Management Systems: A Survey จึงเป็นโอกาสที่ดีจะเขียนบทความถึงฐานข้อมูลอนุกรมเวลาครับ

ทำไมถึงได้มีฐานข้อมูลอนุกรมเวลาเกิดขึ้นแล้วเหมาะสำหรับระบบแบบไหน?

คุณ Søren ในเปเปอร์ survey บอกว่า TSMS (Time Series Management System) หรือ TSDB (Time Series Database) ก็ได้ ถ้าเป็น TSMS จะครอบคลุมความหมายมากกว่า เพราะบางระบบไม่ใช่แค่ฐานข้อมูล โดยฐานข้อมูลอนุกรมเวลาเกิดขึ้นจากความต้องการที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้น ดังนี้

1. Database Management System (DBMS) กับ (Relational Database Management System (RDBMS) ทั่วๆ ไปยังไม่ตอบโจทย์เท่าไหร่นักเมื่อ เรามีเครือข่ายของเซนเซอร์ขนาดใหญ่ ที่ป้อนข้อมูลอนุกรมเวลาจำนวนมาก ทั้งในแง่ของประมาณ (Volume) และความเร็วในเพิ่มขึ้นของจำนวนข้อมูล (Velocity)
2. ในแง่ของการนำข้อมูลไปวิเคราะห์ ในระบบแบบเดิมยังต้อง export ข้อมูลออกไปยังโปรแกรมวิเคราะห์เช่น R, SPSS ซึ่งทำให้การขั้นตอนการทำงานยุ่งยาก
3. ในแง่ของการจัดเก็บและเรียกดู ประสิทธิภาพของระบบยังคงต้องดี เมื่อข้อมูลมีขนาดใหญ่ ซึ่ง TSMS ก็เข้ามาช่วยตอบโจทย์ตรงนี้

หลายๆ คนอาจจะสงสัยว่าแล้วที่บอกว่าข้อมูลอนุกรมขนาดใหญ่นี้ มันใหญ่ขนาดไหนถึงต้องไปใช้ฐานข้อมูลอนุกรมเวลา ตรงนี้ผมขอยกตัวอย่างงานวิจัยของ Facebook ครับ โดยเค้าต้องการ จะทำ server สำหรับ monitor ข้อมูลของทุก cluster ของ Facebook ครับ

ซึ่งโจทย์คือต้องสามารถตรวจสอบความผิดปกติได้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นเค้าจึงออกแบบฐานข้อมูลอนุกรมเวลาที่อยู่บนแรมครับที่ชื่อว่า Gorilla เพื่อให้ต้องการ monitor แบบ real time ลองมามาดูโจทย์ของ Facebook กันครับ

• มีข้อมูล 2 พันล้านอนุกรมเวลา
• มีข้อมูลอนุกรมเวลา 700 ล้านจุดเข้ามาในระบบ ต่อนาที
• เก็บข้อมูลย้อนหลังได้ 26 ชั่วโมง
• รับโหลดสูงสุดได้ 40,000 query ต่อวินาที
• สามารถอ่านข้อมูลได้อย่างรวดเร็ว
• รองรับการโตของข้อมูล 2 เท่า ต่อปี

เป็นไงกันบ้างครับ ข้อมูลเยอะมากใช่มั้ย นี่คือตัวอย่างงานแบบ monitoring ถ้าเราไม่ต้องการ real time แบบนี้ ก็ไม่ต้องเก็บข้อมูลบนแรมก็ได้คับ โดยปกติจะเก็บของข้อมูลบน Harddisk ขึ้นอยู่กับ requirements คับ

มาถึงตรงนี้ แล้วฐานข้อมูลอนกรุมเวลาคืออะไร?

ฐานข้อมูลแบบอนุกรมเวลา คือฐานข้อมูลที่ถูกพัฒนาและปรับปรุงมาเพื่อเก็บข้อมูลในงานทางด้านอนุกรมเวลาโดยเฉพาะ ฐานข้อมูลแบบอนุกรมเวลาส่วนใหญ่แล้วจะถูกปรับแต่งให้เหมาะกับข้อมูลที่มีปริมาณมาก และสามารถที่จะจัดเก็บจุดข้อมูลของอนุกรมเวลาและคำอธิบายเพิ่มเติมของข้อมูลนั้นๆ เท่านั้น

ดังนั้นฐานข้อมูลแบบอนุกรมเวลาสามารถจัดการข้อมูลแบบอนุกรมเวลาได้เหมาะสมกว่าฐานข้อมูลอเนกประสงค์ทั่วๆ ไป เช่น ฐานข้อมูลแบบมีความสัมพันธ์ (Relational database) หรือฐานข้อมูลแบบไม่มีความสัมพันธ์ (Non-relational database)

อีกทั้งฐานข้อมูลแบบนี้ยังสามารถค้นหาข้อมูลแบบอนุกรมเวลา เลื่อนช่วงของเวลาที่ต้องการสอบถาม รวมหลายๆ อนุกรมเวลาเข้ามาเป็นหนึ่งอนุกรมเวลา หรือคำนวณเพื่อหาค่าของจุดที่หายไปของอนุกรมเวลา (interpolation)

ปัจจุบันยังไม่มีมาตรฐานการออกแบบและการเชื่อมต่อที่ชัดเจนที่จะอธิบายว่าฐานข้อมูลแบบอนุกรมเวลานั้นควรเป็นแบบไหน และมีการเชื่อมต่ออย่างไร หลายๆ องค์กรได้มีความพยายามที่จะสร้างฐานข้อมูลแบบอนุกรมเวลาสำหรับใช้ในองค์กร ซึ่งแต่ละผู้พัฒนาได้ออกแบบความสามารถและ API ของตนแตกต่างกันไป

ฐานข้อมูลอนุกรมเวลาส่วนใหญ่แล้วมักจะมี 4 องค์ประกอบ คือ

1. ส่วนของการเก็บข้อมูลอนุกรมเวลา
2. ส่วนของการเก็บเกี่ยวข้อมูล
3. ส่วนของการแสดงผล
4. ส่วนของการประมวลผลข้อมูล

ซึ่งบางฐานข้อมูลอนุกรมเวลามีองค์ประกอบไม่ครบ แต่ฐานข้อมูลเหล่านั้นมักอนุญาตให้เชื่อมต่อกับภายนอก ยกตัวอย่างเช่น OpenTSDB มีส่วนของแสดงผลที่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ไม่ซับซ้อน แต่ OpenTSDB ก็สามารถเชื่อมต่อกับโปรแกรมประยุกต์เพื่อการแสดงผลอนุกรมเวลา เช่น Grafana ได้

Grafana คือ หน้าต่างอเนกประสงค์สำหรับแสดงผลข้อมูลอนุกรมเวลา
และมีส่วนขยายสำหรับการเชื่อมต่อกับ OpenTSDB อีกด้วย

ตัวอย่างการ Query ข้อมูลจากฐานข้อมูลอนุกรมเวลา

ประเภทงานส่วนใหญ่ของการใช้ฐานข้อมูลแบบอนุกรมเวลาคือการสอบถามข้อมูลอนุกรมเวลา ฐานข้อมูลแบบอนุกรมเวลาส่วนใหญ่จะมีการออกแบบที่ทำให้สะดวกต่อการใช้ค้นหาตามช่วงของเวลา สมมติว่า เราต้องการสอบถามข้อมูลอุณหภูมิที่จัดเก็บไว้ในฐานข้อมูลอยู่ก่อนแล้วจากปีค.ศ. 2013 ถึง 2016 จากข้อมูลตัวอย่าง มีข้อมูลจำนวน 1 ล้านจุดต่อข้อมูลระยะเวลา 1 ปี คำสั่งในการสอบถามมีลักษณะได้หลากหลายรูปแบบ โดยรูปแบบข้างล่างนี้เป็นตัวอย่างอย่างง่ายในการสอบถามข้อมูล

QUERY temperature FROM 2013 TO 2016

ผลลัพธ์การสอบถามจะเป็นในรูปแบบของอาร์เรย์ของจุดข้อมูล โดยผลลัพธ์จะมี 3 ล้านจุดข้อมูล และผลลัพธ์ที่ได้ยังสามารถนำไปแสดงผลเป็นกราฟอนุกรมเวลา

ฐานข้อมูลแบบอนุกรมเวลาแบบ Open Source ที่ได้รับความนิยม เช่น OpenTSDB, KairosDB, InfluxDB, Prometheus และ Elasticsearch จริงๆ ก็มีอีกหลายตัวที่ไม่ได้ยกตัวอย่างมาครับ

สามารถศึกษาเพิ่มเติมได้นะครับ

• Time Series Management Systems: A Survey
• Time Series Database (TSDB) Explained
• https://blog.timescale.com/what-the-heck-is-time-series-data-and-why-do-i-need-a-time-series-database-dcf3b1b18563
• https://blog.timescale.com/time-series-data-why-and-how-to-use-a-relational-database-instead-of-nosql-d0cd6975e87c
• https://github.com/xephonhq/awesome-time-series-database

ไว้พบกันใหม่โอกาสหน้าครับ สวัสดีครับ

Cross published at Medium.com