Accord 協議協議：全球規模 ACID 交易的實現

引言

在分散式系統領域，實現跨分區、跨表的 ACID 交易一直是技術難題。傳統資料庫透過領導者架構（leader-based）或無領導者協議（leaderless）解決一致性與可擴展性之間的矛盾，但均存在明顯限制。Accord 協議作為 Apache Foundation 下的創新項目，透過結合動態多數決與時間戳協議，成功突破這些瓶頸，為全球規模的 ACID 交易提供新解。本文將深入解析 Accord 協議的核心技術與應用價值。

技術與架構解析

1. Accord 協議的背景與目標

Accord 協議由 Apple 與密歇根大學於 2021 年 9 月啟動，2023 年 5.1 版本正式推出。其核心目標為：

• 支援跨分區、跨表的 ACID 交易
• 實現嚴格串行化（strict serializability）
• 無需專用硬體，使用普通時鐘
• 支援單次往返（single roundtrip）完成交易

Cassandra 5.1 版本的更新進一步整合 Accord 協議，透過交易元數據（Transactional Cluster Metadata, TCM）提升集群協調機制的靈活性，朝向「彈性」（elasticity）取代傳統「線性可擴展性」（linear scalability）。

2. 分佈式數據的挑戰與現有方案

現代應用需複製與分片數據以實現容錯與可擴展性，但導致協調問題。傳統資料庫多採用領導者架構（如 Raft、Paxos），但存在以下限制：

• 領導者故障需重新選舉，導致短暫中斷
• 跨區域擴展困難
• 多分區交易瓶頸

Cassandra 則採用「請求分片」（petitioning）方式，而非自然分片，但其最終一致性模型無法滿足多表交易的強一致性需求。

3. Accord 協議的核心創新

Accord 協議透過以下技術突破解決傳統協議的瓶頸：

快速路徑選舉（Fast Path Electorates）

• 動態調整超多數（super majority）節點數量，優化初始通信效率
• 可根據需求調整至簡單多數（simple majority），降低故障容忍度
• 系統預設配置包含 1-2 個冗餘節點，確保節點故障時交易仍可執行

重排序緩衝區（Reorder Buffer）

• 結合 Lamport 時鐘與節點唯一識別符，解決時間戳衝突
• 透過合成時間戳預先排序交易，避免時鐘偏移與網路延遲導致的衝突
• 支援單一輪通信完成交易，避免多重輪次

性能優化機制

• 無需中斷交易，確保資料一致性與可用性
• 支援交易重放（replay transactions），無需依賴日誌文件
• 自動協調機制處理交易恢復，分為快速路徑（處理正常交易流）與慢速路徑（處理異常情況）

4. Cassandra 集成與技術挑戰

Accord 協議在 Cassandra 中的實現涉及以下技術細節：

• 交易語法結構：
  • let：指定條件變數或欄位
  • select：指定返回欄位
  • condition：交易條件
  • update：更新操作
• 技術挑戰：
  • 升級與遷移的兼容性
  • Paxos 協議變體的集群管理
  • 讀取修復機制的穩定性
  • 交易與非交易模式的 Hint 處理
  • 多種邊界案例的處理

5. 優勢與挑戰

優勢：

• 實現跨分區、跨表的 ACID 交易，支援嚴格串行化
• 無需專用硬體，降低基礎設施成本
• 單次往返完成交易，提升處理效率
• 自動協調機制確保資料一致性與可用性

挑戰：

• 無領導者架構在故障時可能導致非二元的降級（degradation），影響容量規劃
• 需平衡單一輪通信的低延遲與多輪通信的可靠性
• 資源需求根據故障容忍度配置，需避免過度設計

總結

Accord 協議透過快速路徑選舉與重排序緩衝區，解決傳統領導者與無領導者協議的瓶頸，實現跨分區、跨表的 ACID 交易。其核心創新在於結合動態多數決與時間戳協議，無需專用硬體即可達成嚴格串行化，為分散式資料庫提供新的擴展與一致性解決方案。對於需要全球規模 ACID 交易的應用場景，Accord 協議提供了兼具性能與可靠性的技術選擇。