Apache Cassandra としてのトランザクション機能の進化と実裝

引言

Apache Cassandra は、高可用性と水平スケーラビリティを重視した分散型データベースとして知られています。しかし、従來はトランザクション処理をサポートしていないため、複雑なビジネスロジックやデータ整合性を保証するアプリケーションには不向きとされていました。近年、Cassandra はトランザクション機能を強化し、PB 級のデータを扱う分散型データベースとして新たな可能性を開きました。本記事では、Cassandra がトランザクションデータベースとして進化した背景、主要な機能、実裝例、および課題について詳しく解説します。

主要內容

技術の定義と基本概念

Apache Cassandra は、分散型データベースであり、ノード間でデータを複製して高可用性を実現します。トランザクション機能の導入により、Cassandra は以下のような特性を持つようになりました：

• トランザクション性：ACID（原子性、一貫性、孤立性、永続性）を満たす操作をサポート。
• 分散型トランザクション：複數のノードやテーブルを跨ぐ操作を安全に実行。
• トランザクションメタデータ：クラスタ狀態の同期を保証するため、Paxos 協議と Epoch 値を採用。

重要な特性と機能

1. トランザクションメタデータ

• Gossip 協議の代替：Paxos 協議を用いてシリアル化ログ（Serialized Log）を管理し、クラスタ狀態の順序性と一貫性を確保。
• Epoch 値の導入：クラスタ狀態変更時に Epoch 値を更新し、ノード間の狀態不一致を防ぐ。
• 性能向上：Taxus B2 による実裝で、従來の LWT（Lightweight Transaction）実裝の 2 倍の性能を達成。

2. 分散型トランザクション

• 厳格なシリアル化隔離：Strict Serializable Isolation を実裝し、複數のテーブルや分片を跨ぐトランザクションをサポート。
• マルチリージョン対応：トランザクションを任意のリージョンで開始可能で、単一の主リージョン指定を不要に。
• リーダーレスアーキテクチャ：単一のボトルネックを迴避し、大規模クラスタでの性能を向上。

3. ストレージアタッチドインデックス（SII）

• 列インデックスと前綴検索：ファイルタイプなどの構造化データを効率的に検索可能。
• データとインデックスの共存：同一ノードにデータとインデックスを配置し、分散型インデックスの複雑さを迴避。

実際の応用例

ファイルシステムのようなデータベースの設計

• データモデル：users、folders、files の 3 つのテーブルを設計し、transactional_mode = 'f' でトランザクションモードを有効化。
• トランザクション操作：
  • 挿入：BEGIN TRANSACTION でトランザクションを開始し、IF 條件でユーザーの存在を確認。存在しない場合、ユーザー、フォルダ、ファイルを一括で挿入。
  • 削除：ユーザー、フォルダ、ファイルをトランザクションで削除し、參照整合性を保証。
• 検索：file_type に SII インデックスを設定し、SELECT * FROM files WHERE file_type = 'jpeg' などの検索を効率化。

トランザクション機能の利點と課題

利點

• 高スケーラビリティ：PB 級のデータを扱う分散型アーキテクチャを維持。
• 高可用性：リーダーレスアーキテクチャにより、単一ノードの障害に強い。
• 複雑なビジネスロジックのサポート：トランザクションによるデータ整合性を保証し、アプリケーション層の狀態機械を簡略化。

課題

• トランザクションの性能：大規模なトランザクションや高衝突率のケースでは、パフォーマンスが低下する可能性。
• インデックス機能の制限：二次インデックスの不完全な実裝により、特定のクエリが効率的でない。
• DDL の制限：従來のスキーマ変更が困難な點を改善するが、完全な線形収束を実現するにはさらなる改善が必要。

今後の方向性

• トランザクション DDL の強化：CREATE TABLE や DROP TABLE が線形収束を保証し、Liquibase などのツールとの互換性を高める。
• 參照整合性の実裝：今後、自動化された外鍵制約（Foreign Key Constraint）の導入が検討されている。
• パフォーマンス最適化：トランザクションの遅延を 50% 減少させ、複數條件のトランザクション処理をサポート。

總結

Apache Cassandra は、トランザクション機能の導入により、従來の非トランザクションデータベースとしての制限を大幅に克服しました。トランザクションメタデータ、分散型トランザクション、ストレージアタッチドインデックスなどの技術革新により、PB 級のデータを扱う高可用性・高スケーラビリティなデータベースとしての可能性が広がりました。今後は、參照整合性や複雑なトランザクションロジックのサポートが進むことで、さらなる幅広いアプリケーション領域での利用が期待されます。