Cassandraのしくみデータの読み書き編

- データ読み書き編 - 2010/4/28 Cassandra 勉強会 @yukim の仕組み

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= Bigtable + Dynamo + α

Bigtable + α のリッチなデータモデル Keyspace ColumnFamily Column Column Column Column Column Column Column Column Column Key Key Key ColumnFamily Column Column Column Key Key SuperColumn Column Column Column SuperColumn Column Column Column SuperColumn Column Column Column SuperColumn

Dynamo をベースとした P2P の分散ハッシュテーブルキーを元に計算されたトークンがどのレンジに属するかによって、データを保持するノードが決まる。 A D G K O C

Dynamo をベースとした P2P の分散ハッシュテーブルレプリケーション戦略に基づいたデータのレプリカを保持する。 Eventual Consistent A D G K O C

Cassandra はどのノードに対しても読み書き可能。 SPoF なし。 Dynamo をベースとした P2P の分散ハッシュテーブル

操作ごとに制御可能な一貫性レベル W + R > N W: 書き込み時のレベル R: 読み込み時のレベル N: レプリカ数強い一貫性が得られる ZERO ANY ONE QUORUM (N/2 + 1) ALL ZERO ANY ONE QUORUM (N/2 + 1) ALL Read Write

現時点で最新の 0.6.1 をベースに今日は書き込みと読み込みの話 Cassandra の読み書きの仕組みを紐解いてみる

書き込み編

クライアントは一貫性レベルを指定して、データの書き込み ( 登録 / 更新 / 削除 ) 要求をクラスタ内のノードに送信。要求を受けたノードは、どのノードにデータを保持するかを決定し、要求をフォワードする。 insert batch_mutate remove 書き込み要求データを保持するノードへ要求をフォワード

書き込み要求
トークンを計算し、データを保持するノードを決定
レプリケーションを保持するノードを決定
Hinted Handoff の必要性を検証
一貫性レベルに応じて挙動がかわる。を行い書き込み要求をフォワードするノードを決定。 ( ローカルの場合もある )
ZERO
非同期でフォワードを行う。クライアントにすぐ返るが、何も保証されない。
ANY 以上
指定された一貫性レベルの数だけフォワード先からレスポンスが返った場合のみクライアントにレスポンスを返す。どこかでエラーが発生したら TimeoutException 。

1. トークンを計算し、データを保持するノードを決定 <Partitioner> org.apache.cassandra.dht.RandomPartitioner </Partitioner> プラッガブルパーティショニング方法 (IPartitioner の実装 ) に基づいてどのノードに属するデータかを決定
RandomPartitioner
キーの MD5 ハッシュを元にトークン生成。
OrderingPreservedPartitioner
CollatingOrderPreservingPartitioner

2. レプリケーションを保持するノードを決定レプリケーション戦略
RackUnawareStrategy
RackAwareStrategy
DatacenterShardStrategy
こちらもプラッガブル <ReplicaPlacementStrategy> org.apache.cassandra.locator.RackUnawareStrategy </ReplicaPlacementStrategy>

3. Hinted Handoff の必要性を判定ノード故障の判定
本来そのデータを保持するはずだったノードの情報（ Hint) をつけて、別のノードにそのデータを格納しておく。
Hinted Handoff を受けとったノードは本来保持するノードのアドレスを SYSTEM テーブルへ保持。
Hinted Handoff
“ ϕ accrual failure detector” - ϕ 漸増型故障検出器

書き込み要求を受け取ったノードでは… CommitLog Memtable SSTable フラッシュ (flush) => 非同期メモリ上ディスク上

設定 ( デフォルト :128MB) されたサイズに到達するとログがローテートされるコミットログヘッダ RowMutation + チェックサム (CRC32) CF ごとのダーティフラグ CF ごとのファイルポジションリプレイを開始するポジションリプレイが必要か CommitLog セグメント CommitLog
すべての書き込み操作 (RowMutation) を記録。
すべての ColumnFamiliy の Memtable が SSTable に書き込まれたら削除される。
ノード起動時に CommitLog があればリカバリーが実行される。リカバリー後は強制フラッシュされ、一旦 CommitLog はクリア。
RowMutation + チェックサム (CRC32) RowMutation + チェックサム (CRC32)

periodic ( デフォルト )
CommitLog への書き込みは待たず、 Memtable へ書き込みに行く。
< CommitLogSyncPeriodInMS > で指定されたミリ秒ごとに CommitLog への書き込みバッファをデバイスへ書き込み。
batch
CommitLog への書き込み完了を待ってから、 Memtable へ書き込みに行く。
< CommitLogSyncBatchWindowInMS > ???
<CommitLogSync> CommitLog <CommitLogDirectory> <CommitLogRotationThresholdInMB>
CommitLog をローテートする閾値
CommitLog を保持するディレクトリ

Memtable Key Column Column Column Token でソートカラム名でソート Memtable
メモリ上のデータモデル。 ColumnFamily ごとに保持されている。
(Token, Key) ColumFamily (Token, Key) (Token, Key) OrderPreservingPartitioner のみキーでのソートが保証される

Memtable < MemtableThroughputInMB > < MemtableFlushAfterMinutes > < MemtableOperationsInMillions >
フラッシュされるまでの閾値。保持されるカラム数の最大値 ( デフォルト : 0.3)
フラッシュされるまでの閾値。 Memtable に対して行われた操作の総データ量 ( デフォルト : 64)
フラッシュされるまでの閾値。この時間がたってもまだフラッシュされていなければ強制フラッシュ。本番環境では多めに設定しておいたほうが良い。 ( デフォルト : 60)

Memtable が閾値を超えると、非同期で Memtable の内容がディスクに書き出される。その際 Bloom Filter 、 Index が一緒にディスクに書き出される。
一度書き出したら不変。コンパクション (Compaction) で複数の SSTable を 1 つにまとめられる。
SSTable Bloom Filter Index Data Memtable の内容が格納されたデータファイル。あるキーがデータファイルに存在するか ( ただし偽陽性 ) をコンパクトに知るためのファイル。 ( おそらく ) キーに対応するデータの位置を保存。

マイナーコンパクション
同じ程度のサイズの SSTable を 1 つにまとめる。
メジャーコンパクション
1 つにマージ。
コンパクション (Compaction) 2 種類のコンパクション
ディスクの残りに注意
すべての SSTable ファイルをマージして新しくファイルを作成したあと、元の SSTable ファイルを削除する。
容量が足りない場合はコンパクションが行われない。 ( ログにエラー出力 )
ディスクの残量に注意 !

分散してレプリカを持つため、ノードがダウンしていた場合、削除要求を受け取れない。また、同期をとってすべてのノードからデータを削除するタイミングが難しい。
( 補足 ) データの削除分散環境での削除 Tombstone と <GCGraceSeconds>
すべてのレプリカに Tombstone フラグが行き渡っていればメジャーコンパクション時に削除される。
削除要求を受け取っていないデータがある場合は、 <GCGraceSeconds> で定義された秒数 ( デフォルト :10 日 ) が経過すると削除可能と判断する。

読み込み編

読み込み要求一貫性レベルに応じて挙動がかわる。
ONE
トークンを計算し、データを保持する一番近いノードを決定。
そのノードに読み取り要求を送信。
データを受け取ったらクライアントに返す。
QUORUM 以上
トークンを計算し、データを保持する一番近いノードを決定。
レプリケーションを保持するノードを決定。
一番近いノードにデータの読み取り要求を送信。ほかのノードにはダイジェストのみの読み取り要求を送信。
一貫性レベルで指定された数のレスポンスが返ってくるまで待つ。
ダイジェストが一致していれば、読み取ったデータをクライアントに返す。ダイジェストに不一致があれば実データを読み込みにいき、 Read Repair を実行。

Read Repair
読み込み時、各レプリカに違いがあった場合、最新のデータでレプリカを修復。
修復はバックグラウンドで行われる。
読み込み速度を UP したい場合は off にもできる。 ( <DoConsistencyChecksBoolean>)

読み込み要求を受けたノードでは… Memtable SSTable メモリ上ディスク上読み込み Row Cache

Row Cache
1 行分のデータをキャッシュ。たとえ 1 部のカラムの値のみの問い合わせてもすべてのカラムをキャッシュとして保持する。
デフォルトではオフ。
Key Cache(0.6.0 から )
SSTable 内のデータの位置をキャッシュ。
キャッシュ Cassandra は 2 種類のキャッシュを備える

Bloom Filter 、 Index の活用 Memtable 、 SSTable からの読み込みすべての SSTable ファイルからあるキーを探し出す必要があるため、極力ムダを省きたい。まず Bloom Filter をチェックし、読み込む SSTable のファイルを絞り込む。

まとめ
Cassandra は内部的に CommitLog 、 Memtable 、 SSTable の 3 つの物理的なデータ構造を持っている。
書き込みは CommitLog への追記 + Memtable への書き込みで終了、なので高速。
読み込み時は Memtable と全ての SSTable からデータを探すので若干遅い。けど Bloom Filter 、 Cache 等で工夫して高速化している。
内部構造を知っておいた方が環境構築にもデータモデルの設計にも運用にも役立つはず。

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Cassandraのしくみデータの読み書き編

by Yuki Morishita

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