Apache Cassandra 作為交易性資料庫的演進與實踐

引言

Apache Cassandra 作為一種高可用、可擴展的分散式資料庫，長期以來以無領導者架構與強一致性模型著稱。然而，其傳統設計在處理交易性需求時存在諸多限制，例如模式變更困難、跨分片事務限制與參照完整性缺失等。近年來，Apache Foundation 推出 Cassandra Track，透過引入交易性元數據、分佈式事務與存儲附加索引等創新技術，逐步將 Cassandra 擴展為支援嚴格可串行隔離（Strict Serializable Isolation）的交易性資料庫。本文將深入解析其技術演進與應用實踐。

技術定義與核心特性

交易性資料庫的定義

交易性資料庫（Transactional Database）需符合 ACID 屬性：原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔離性（Isolation）與持久性（Durability）。傳統 Cassandra 透過 Lightweight Transactions（LWT）實現部分交易語義，但其跨分片事務限制與缺乏參照完整性機制，使其難以直接支援複雜業務邏輯。Cassandra Track 的目標是透過技術創新，使 Cassandra 支援完整的交易性語義。

核心改進技術

交易性元數據（Transactional Metadata）
- 以 Paxos 協議取代 Gossip 協議，建立串列化日誌（Serialized Log）確保集群狀態變更的順序性與一致性。
- 引入 Epoch 值管理集群狀態，所有節點協調後更新 Epoch，避免狀態分歧。
- 支援交易性 DDL（如 CREATE TABLE、DROP TABLE），確保模式變更快速且同步。
分佈式事務（Distributed Transactions）
- 支援跨表格、跨分片事務，解決單分片事務限制。
- 提供嚴格可串行隔離（Strict Serializable Isolation），允許開發者設計符合業務邏輯的資料模型。
- 支援多區域拓撲（Multi-Region），交易可於任一區域啟動，無需指定主區域。
存儲附加索引（Storage-Attached Indexes, SII）
- 索引與資料共存於同一節點，避免分散式索引的複雜性。
- 支援列索引與前綴查詢，提升結構化資料查詢效率。
- 用於文件類型查詢（如 SELECT * FROM files WHERE file_type = 'text'）。

實際應用案例：類似文件系統的資料庫

資料模型設計

三個表格：users、folders、files，均啟用交易性模式（transactional_mode = 'f'）。
使用 SII 索引 file_type 支援類型查詢。

交易性操作

插入數據：
- 檢查用戶是否存在（SELECT 並存儲至變數 existing_user）。
- 若不存在，插入用戶、文件夾與文件（INSERT）。
- 使用 BEGIN TRANSACTION、條件判斷（IF）與 COMMIT 確保原子性。
刪除數據：
- 交易性刪除用戶、文件夾與文件，確保參照完整性（Referential Integrity）。

查詢驗證

使用 SII 索引查詢特定類型文件（如 SELECT * FROM files WHERE file_type = 'jpeg'）。

技術優勢與挑戰

優勢

提升易用性與安全性：交易性 DDL 與分佈式事務使 Cassandra 更易支援複雜業務邏輯。
產業影響：成為唯一支援 PB 級資料、嚴格可串行隔離、跨雲端部署的分散式資料庫。
性能優化：Taxus B2 實現使交易性元數據性能為原 LWT 實現的兩倍，並支援單回合通信（Single Round Trip）。

挑戰

跨分片事務的協調成本：即使 V2 版本改善至 2 個回合，仍需處理多節點通信與狀態同步。
索引功能的限制：二次索引（Secondary Index）功能不完整，需依賴 SII 來提升查詢效率。
交易模式的選擇：需根據業務需求平衡一致性與效能，例如避免跨分區寫入以降低協調負載。

未來改進方向

交易性 DDL 的線性收斂：確保模式變更（CREATE TABLE、DROP TABLE）支援 Liquibase 等工具，並透過 Epoch 值管理表格版本。
跨表格與分片事務的簡化：減少應用層狀態機（State Machine）的複雜性，提升開發效率。
自動化外鍵約束：未來可能支援自動化外鍵機制，進一步強化參照完整性。
性能優化：測試交易涉及的鍵集合規模，優化多條件（Multiple Predicates）的交易邏輯，並支援多結果集查詢（Multi-Result Select）。

總結

Apache Cassandra 透過交易性元數據、分佈式事務與存儲附加索引等技術，逐步實現從非交易性資料庫向交易性資料庫的轉型。其核心價值在於提供嚴格可串行隔離、跨分片事務支援與高效索引機制，使開發者能以類似 SQL 的資料管理體驗處理 PB 級資料。未來，隨著交易性 DDL 與自動化外鍵約束的完善，Cassandra 將進一步強化其在高一致性場景（如金融交易）的應用價值。