VictoriaMetrics 存储机制逻辑分析

VictoriaMetrics 是后出的一款面向可观测指标的时序数据存储和查询引擎， 传闻比prometheus 查询性能强，存储成本还低，我们也有做指标数据平台，特来学习下

以下分析基于 v1.45.x 版本

1. 核心结论

VictoriaMetrics 的存储设计可以概括为以下几点：

• 使用 vminsert、vmstorage 和 vmselect 分离写入、存储与查询职责；
• 采用 Prometheus 风格的单值时序模型，每个数据点由时间戳和浮点数值组成；
• 根据指标名和标签生成时间序列标识 TSID；
• 将标签索引与原始时序数据分开存储；
• 原始数据按 TSID 聚合，并将时间戳和值分别进行列式压缩；
• 数据先写入内存，刷盘后形成不可变的 Part，再通过后台 Merge 合并；
• 按月建立数据分区，通过 small 和 big 两级目录平衡近期数据的读取速度与历史数据的压缩率；
• 索引和数据均采用分层文件结构，通过元索引缩小读取范围；
• 不依赖传统 WAL，在异常退出时可能丢失尚未刷盘的数据。

2. 集群架构

VictoriaMetrics 集群由三个核心组件组成。

三个组件可以分别扩容。vmstorage 采用 Shared-Nothing 架构：节点之间不共享数据，也不需要互相通信。这种结构降低了节点间协调成本，使扩容和故障隔离更简单。

2.1 多租户

集群以 accountID 或 accountID:projectID 标识租户，租户编号位于请求路径中。首次写入数据时会自动创建对应租户。

VictoriaMetrics 主要负责租户数据隔离；身份认证、租户名称、配额和计费等信息通常由前置服务管理。不支持在一个查询请求中同时查询多个租户。

3. 数据模型

https://docs.victoriametrics.com/victoriametrics/keyconcepts/#structure-of-a-metric

VictoriaMetrics 采用单值时序模型。一个时间序列由指标名称和标签集合唯一确定，其数据点由时间戳与浮点数值组成：

1
2

MetricName = 指标名称 + 标签集合
Sample     = 时间戳 + 浮点数值

例如：

1
2
3
4
5
6
7

----------------------------------------------------------------------
|              <time series>                 | <value> | <timestamp> |
| requests_total{path="/health", code="200"} |    1    |  1676297640 |
| requests_total{path="/health", code="200"} |    2    |  1676297670 |
| requests_total{path="/health", code="200"} |    3    |  1676297700 |
| requests_total{path="/health", code="200"} |    4    |  1676297730 |
....

同一时间序列的所有数据点共享相同的指标名称和标签，仅时间戳和值不断变化。value只存储浮点型指标值，不直接支持字符串、布尔值或字节数组等字段类型。

4. 写入时的数据拆分

VictoriaMetrics 收到数据后，先根据指标名称和标签集合识别时间序列，并生成内部标识 TSID。随后将信息拆分为两类：

1
2
3
4
5
6

指标名称 + 标签集合
        │
        ▼
      TSID
       ├── 索引：指标名称、标签、MetricID 与 TSID 的映射
       └── 数据：TSID + Timestamp + Value

这样做的目的，是避免在每个数据点中重复保存较长的指标名称和标签。标签查询先通过索引获得 TSID，随后再使用 TSID 定位原始数据。

5. TSID 与索引映射

上文所述 TSID 包含以下字段：

• MetricGroupID：由指标名称计算得到；
• JobID：由约定位置的 job 标签计算得到；
• InstanceID：由约定位置的 instance 标签计算得到；
• MetricID：用于唯一标识时间序列。

其中 MetricID 是始终有效的核心标识。写入新时间序列时，会建立多种映射关系：

1
2
3
4
5

MetricName          -> TSID
MetricID            -> MetricName
MetricID            -> TSID
标签键值对           -> MetricID
指标名称             -> MetricID

例如查询：

1

http_requests_total{status="200", method="GET"}

索引查询的大致过程为：

1. 分别查出指标名称、status="200" 和 method="GET" 对应的 MetricID 集合；
2. 对多个集合求交集；
3. 根据命中的 MetricID 查出 TSID；
4. 使用 TSID 和时间范围查询数据文件；
5. 根据 MetricID 还原原始指标名称与标签。

VictoriaMetrics 的 TSID 的结构如下所示，包含 MetricGroupID、JobID、InstanceID、MetricID
等几个字段，其中除了 MetricID 外，其他字段都是可选的。这个几个 ID 的生成方法如下：

• MetricGroupID：是根据 MetricName中的 MetricGroup使用 xxhash的 sum64 算法生成。
• JobID和 InstanceID分别由 MetricName中的第一个 tag 和第二个 tag 使用 xxhash的 sum64 算法生成。为什么使用第一个 tag 和第二个 tag？这是因为 VictoriaMetrics 在写入时，将写入请求中的 JobID 和 InstanceID 放在了 Tag 数组的第一个和第二个位置。
• MetricID，使用 VictoriaMetrics 进程启动时的系统纳秒时间戳自增生成。

因为 TSID 中除了 MetricID 外，其他字段都是可选的，因此 TSID 中可以始终作为有效信息的只有 MetricID，因此 VictoriaMetrics 的在构建 tag 到 TSID 的字典过程中，是直接存储的 tag 到 MetricID 的字典。

• metricName -> TSID, 即 http_requests_total{status="200", method="GET"} -> {metricGroupID=0, jobID=0, instanceID=0, metricID=51106185174286}
• metricID -> metricName，即 51106185174286 -> http_requests_total{status="200", method="GET"}
• metricID -> TSID，即 51106185174286 -> {metricGroupID=0, jobID=0, instanceID=0, metricID=51106185174286}
• tag -> metricID，即 status="200" -> 51106185174286、method="GET" -> 51106185174286、"__name__" = http_requests_total -> 51106185174286

集群以 accountID 或 accountID:projectID 标识租户，租户编号位于请求路径中。首次写入数据时会自动创建对应租户。

6. 磁盘目录

存储根目录的核心内容包括：

1
2
3
4

storageDataPath/
├── data/       # 原始时序数据
├── indexdb/    # 标签与时间序列索引
└── flock.lock  # 防止多个进程同时修改存储目录的文件锁

6.1 数据目录

data 下主要包含 small 和 big 两类目录，两者都按月份组织分区：

1
2
3
4
5
6
7
8
9

data/
├── small/
│   └── YYYY_MM/
│       ├── Part 目录
│       ├── tmp/
│       └── txn/
└── big/
    └── YYYY_MM/
        └── Part 目录

分区以月为单位，例如 2020_11 表示 2020 年 11 月的数据。内存数据每次刷盘都会在相应月份分区中生成一个新的 Part。

Part 目录名编码了以下信息：

• 数据点数量；
• 数据块数量；
• 最小时间戳；
• 最大时间戳；
• 用于保证目录名唯一的标识。

6.2 small 与 big

新刷盘的数据首先进入 small。后台 Compaction 会持续选择若干较小的 Part，将其合并成更大的 Part。

当合并结果超过 small Part 的规模阈值时，输出进入 big。因此，big 中的数据主要来自 small 中 Part 的后台合并，而不是直接写入。

两级目录使用不同强度的压缩策略：

• small 面向近期、经常查询的数据，使用较低级别的通用压缩，以降低解压成本；
• big 面向较老、较少查询的数据，使用较高级别的压缩，以节省磁盘空间。

这种设计在近期数据查询性能与长期存储压缩率之间取得平衡。

6.3 索引目录

indexdb 保存指标名称、标签、MetricID 和 TSID 之间的映射。索引同样采用 Table、Part 和后台 Merge 的组织方式。

会结合数据保留周期滚动索引 Table。旧索引到期后，系统切换到新的索引目录进行写入。

7. Part 与后台 Merge

Part 是数据和索引的基本持久化单元。它具有两个重要特征：

1. 刷盘或合并会生成新的 Part；
2. 已生成的 Part 基本保持不可变。

后台 Merge 的主要作用包括：

• 减少 Part 和文件数量；
• 降低查询时需要扫描的文件数量；
• 将小块数据整理为连续的大块数据；
• 提高压缩效果；
• 将满足条件的数据从 small 整理到 big。

这种模式类似 LSM Tree 的追加写入与后台归并：前台写入避免频繁随机修改已有文件，后台再以顺序读写的方式完成整理。

8. 索引文件格式

一次索引刷盘或合并产生的 Part 主要包含四类文件：

它们形成分层定位关系：

1
2
3
4
5
6

metaindex.bin
      │
      ▼
  index.bin
    ├──────► lens.bin
    └──────► items.bin

8.1 metaindex.bin

metaindex.bin 保存一组按首个 Item 字典序排列的元索引记录。每条记录包含：

• 当前范围的最小 Item；
• 对应索引块的位置和大小；
• 索引块所含 Block Header 的数量。

文件会被压缩，并在打开 Part 时加载到内存。查询可先对元索引进行二分查找，从而减少需要从磁盘读取的 index.bin 范围。

8.2 index.bin

index.bin 包含多个索引块，每个索引块又包含多个 Block Header。Block Header 记录：

• Item 的公共前缀；
• 当前块的最小 Item；
• Item 数量；
• Item 数据的位置；
• 序列化或压缩类型。

公共前缀只保存一次，items.bin 中的 Item 会去掉这部分前缀，从而减少冗余。

8.3 items.bin 与 lens.bin

items.bin 保存编码后的索引 Item。系统会根据 Item 数量、数据长度和压缩收益决定是否压缩，避免对很小或压缩收益很低的数据强行压缩。

lens.bin 保存每个 Item 的长度，使系统能够从 items.bin 中切分并解析变长 Item。长度数据会先使用面向整数序列的编码，再视情况进行通用压缩。

9. 数据文件格式

一次数据刷盘或合并产生的 Part 主要包含：

分层关系如下：

1
2
3
4
5
6

metaindex.bin
      │
      ▼
  index.bin
    ├──────► timestamps.bin
    └──────► values.bin

9.1 数据组织

数据首先按 TSID 分组；同一 TSID 下的数据点再按时间组织。每个数据块只保存一条时间序列的一段数据。

这种组织方式具有明显的局部性：查询某条时间序列时，可以快速跳过其他 TSID 的数据；查询指定时间范围时，也可以通过块的最小、最大时间戳排除无关块。

9.2 列式存储

时间戳和值分别写入 timestamps.bin 和 values.bin。两者的数据特征不同，分开存储后可以使用不同的编码方式：

• 时间戳通常具有固定或近似固定的采样间隔，适合 Delta、Delta-of-Delta 等编码；
• 浮点值在相邻采样之间往往只有少量二进制位变化，适合 XOR 类编码；
• 整数差值可结合 ZigZag 等方式编码；
• 完成时序特征编码后，再根据收益决定是否追加 ZSTD 压缩。

这种“专用时序编码 + 通用压缩”的组合，是 VictoriaMetrics 获得高压缩比的关键。

10. 查询路径

一个典型的标签查询可分为两个阶段。

10.1 索引阶段

1. 将查询中的指标名称和标签条件编码为索引 Key；
2. 在 indexdb 中分别获得对应的 MetricID 集合；
3. 对集合执行交集或其他过滤；
4. 将命中的 MetricID 转换为 TSID。

10.2 数据阶段

1. 根据时间范围选择相关月份分区；
2. 在分区内检查相关 Part；
3. 使用 metaindex.bin 粗定位；
4. 使用 index.bin 找到匹配 TSID 和时间范围的数据块；
5. 从 timestamps.bin 和 values.bin 读取并解压数据；
6. 合并多个 Part 的结果并返回。

11. 设计优势

VictoriaMetrics 的优势并非来自某个单独优化，而是写入、压缩、查询和扩展机制共同作用的结果。

整体来看，这套机制尤其适合写多读多、数据保留时间较长，并且需要按标签筛选时间序列的监控指标场景。

12. 存在的的限制

这些优势也伴随着相应的取舍。主要限制（基于 v1.45.0 ）如下：

因此，VictoriaMetrics 的设计重点是以较低资源成本保存和查询大规模数值指标，而不是提供通用数据类型、强事务语义或任意维度分析。选型时需要用实际基数、查询模式和可靠性目标验证这些取舍是否能够接受。

13. 总结

VictoriaMetrics 的核心思路是：

使用标签索引找到时间序列，再使用 TSID 定位按列压缩的时间戳和值；通过不可变 Part、按月分区和后台 Merge，实现高吞吐写入、高压缩率及可扩展查询。

从存储引擎视角看，它主要围绕四个目标进行权衡：

1. 通过追加写和后台合并提升写入吞吐；
2. 通过索引与数据分离支持标签检索；
3. 通过时序专用编码和分层压缩降低长期存储成本；
4. 通过组件解耦和 Shared-Nothing 架构实现水平扩展。

相应代价是后台合并带来的资源消耗、高基数场景的索引压力，以及未刷盘数据的可靠性窗口。评估 VictoriaMetrics 时，应结合时间序列基数、标签变化率、查询跨度、磁盘余量和可接受的数据丢失窗口进行容量规划。

Ps ， 单样本能压缩到 1 byte 以下， 真的厉害～