Cassandra ユーザー向け Bigtable

このドキュメントは、データストアとして Bigtable を使用するために、既存のアプリケーションの移行や新しいアプリケーションの設計を行うソフトウェア デベロッパーとデータベース管理者を対象としています。このドキュメントでは、Cloud Bigtable の使用のために Apache Cassandra の知識を適用します。

Bigtable と Cassandra は、分散型のデータベースです。この 2 つには、1 秒あたり数万のクエリ(QPS)をサポートできる多次元の Key-Value ストア、ペタバイト規模のデータまでスケールできるストレージ、ノード障害に対する耐性が実装されています。

両データベースの機能全体は、概念レベルでは類似していますが、基盤とするアーキテクチャおよびインタラクションの詳細は異なり、それを理解することが重要です。このドキュメントでは、2 つのデータベース システムの類似点と相違点について説明します。

このドキュメントの使用方法

このドキュメントは、初めから終わりまで読む必要はありません。このドキュメントでは 2 つのデータベースを比較していますが、ユースケースや関心に適しているトピックに絞って確認することもできます。

発達しきった 2 つのデータベースを比較することは、簡単ではありません。この目的を達成するために、このドキュメントでは次のことを行います。

  • 2 つのデータベース間で異なる場合がある用語を比較します。
  • 2 つのデータベース システムの概要を説明します。
  • 各データベースがデータ モデリングをどのように処理するかを検討して、設計に関するさまざまな考慮事項を理解します。
  • 書き込みと読み取りでのデータの経路を比較します。
  • 物理データ レイアウトを検証し、データベース アーキテクチャの側面を理解します。
  • 要件を満たすように地理的レプリケーションを構成する方法と、クラスタのサイズ設定にアプローチする方法について説明します。
  • クラスタの管理、モニタリング、セキュリティの詳細を確認します。

用語の比較

Bigtable と Cassandra で使用されているコンセプトの多くは類似していますが、それぞれにデータベースにはわずかに異なる命名規則とわずかな違いがあります。

両方のデータベースの中核となる構成要素の 1 つに、ソートされた文字列テーブル(SSTable)があります。どちらのアーキテクチャでも、SSTables は、読み取りクエリへのレスポンスに使用するデータを保持するために作成されます。

ブログ投稿(2012)で、Ilya Grigorik は次のように述べています。「SSTable は、高スループットの順次読み取り / 書き込みワークロードを最適化しながら、大量の Key-Value ペアを効率的に保存するシンプルな抽象化です。」

次の表で、各プロダクトに使用されている共有コンセプトと対応する用語を示し、説明します。

Cassandra Bigtable

主キー: データの配置と順序を決定する一意の単一値またはマルチフィールド値。

パーティション キー: コンシステント ハッシュによってデータの配置を決定する単一値またはマルチフィールド値。

クラスタリング列: パーティション内の辞書データの並べ替えを決定する単一のフィールドまたはマルチフィールドの値。

行キー: 辞書順で並べ替えられたデータの配置を決定する、一意の単一バイト文字列。複合キーは、共通の区切り文字(例: ハッシュ(#)やパーセント(%)記号)を使用して複数の列のデータを結合することで模倣されます。
ノード: 一連の主キー パーティション ハッシュ範囲に関連付けられたデータを読み取り / 書き込みするマシン。Cassandra では、ノードサーバーにアタッチされているブロックレベルのストレージにデータが保存されます。 ノード: 一連の行キー範囲に関連付けられたデータを読み取り / 書き込みする仮想コンピューティング リソース。Bigtable では、データがコンピューティング ノードと同じ場所には配置されません。代わりに、Google の分散ファイル システム Colossus に保存されます。ノードには、オペレーション負荷とクラスタ内の他のノードの正常性に基づいてさまざまなデータを提供する一時的な役割が与えられます。

データセンター: Bigtable クラスタに似ていますが、Cassandra でトポロジとレプリケーション戦略のいくつかの要素は構成可能です。

ラック: データセンター内のノードをグループ化したもので、レプリカの配置に影響を与えます。

クラスタ: レイテンシとレプリケーションの問題に対応するために、同じ地理的 Google Cloud ゾーンに配置されているノードのグループ。
クラスタ: データセンターの集合で構成される Cassandra デプロイメント。 インスタンス: レプリケーションや接続ルーティングが相互間で発生するさまざまな Google Cloud ゾーンまたはリージョンの Bigtable クラスタのグループ。
vnode: 特定の物理ノードに割り当てられたハッシュ値の固定範囲。vnode のデータは、一連の SSTable の Cassandra ノードに物理的に格納されます。 tablet: 辞書順で並べ替えられた、連続する行キー範囲のすべてのデータが含まれる SSTable。タブレットは Bigtable のノードには格納されませんが、Colossus 上の一連の SSTable に保存されます。
レプリケーション係数: データセンター内のすべてのノードで維持される vnode のレプリカの数。レプリケーション係数は、データセンターごとに個別に構成されます。 レプリケーション: Bigtable に保存されたデータをインスタンス内のすべてのクラスタに複製するプロセス。ゾーンクラスタ内のレプリケーションは Colossus ストレージ レイヤによって処理されます。
table(旧列ファミリー): 一意の主キーによってインデックス付けされた値の論理構成。 table: 一意の行キーによってインデックス付けされた値の論理構成。
keyspace: 対象テーブルに含まれるテーブルのレプリケーション係数を定義する論理テーブル名前空間。 該当なし。Bigtable では、キースペースに関する懸念事項は透過的に処理されます。
該当なし 列修飾子: テーブルに保存されている、一意の行キーによってインデックス付けされた値のラベル。
不適用 列ファミリー: 読み取り / 書き込みを効率化するために列修飾子をグループ化するユーザー指定の名前空間。
column: テーブルに保存されている、一意の主キーによってインデックス付けされた値のラベル。 column: テーブルに保存されている、一意の行キーによってインデックス付けされた値のラベル。列名は、列ファミリーと列修飾子を組み合わせて作られます。
cell: 列と主キーの交差に関連付けられたテーブル内のタイムスタンプ値。 cell: 列名と行キーの交差に関連付けられたテーブル内のタイムスタンプ値。各セル用に複数のタイムスタンプ付きのバージョンを保存したり、取得したりできます。
負荷分散ポリシー: オペレーションをクラスタ内の適切なノードにルーティングするようにアプリケーション ロジックで構成するポリシー。このポリシーでは、データセンターのトポロジと vnode トークンの範囲が考慮されます。 アプリケーション プロファイル: クライアント API 呼び出しをインスタンス内の適切なクラスタに転送する方法を Bigtable に指示する設定。タグとして使用することで、指標をセグメント化することもできます。アプリケーション プロファイルは、サービスに対して構成します。
CQL: Cassandra のクエリ言語。テーブルの作成、スキーマの変更、行ミューテーション、クエリに使用される SQL などの言語。 Bigtable API: インスタンスとクラスタの作成、テーブルと列ファミリーの作成、行ミューテーション、クエリに使用されるクライアント ライブラリと gRPC API。

プロダクトの概要

以降のセクションでは、Bigtable と Cassandra の設計思想と主な属性について概説します。

Bigtable

Bigtable は、Bigtable: 構造化データ向けの分散ストレージ システムの論文で説明されているさまざまな核となる機能を備えています。Bigtable では、クライアント リクエストを処理するコンピューティング ノードが、基盤となるストレージ管理から分離されています。データは、Colossus に保存されます。ストレージ レイヤでは、データが自動的に複製され、標準的な Hadoop 分散ファイル システム(HDFS)の 3way レプリケーションで提供されるレベルを超える耐久性を実現できます。

このアーキテクチャでは、クラスタ内で読み取りと書き込みが一貫して行われ、ストレージの再分配コストなしでスケールアップとスケールダウンが行われます。また、クラスタやスキーマを変更せずにワークロードを再調整できます。データ処理ノードで障害が発生した場合、Bigtable サービスにより透過的に置き換えられます。Bigtable では、地理的に分散されたクラスタ間での非同期レプリケーションもサポートされます。これは、世界中の異なる Google Cloud ゾーンまたはリージョンにある最大 4 つのクラスタのトポロジで行われます。

gRPC とさまざまなプログラミング言語のクライアント ライブラリに加えて、Bigtable は、オープンソースの Apache HBase Java クライアント ライブラリ(Bigtable 論文の代替オープンソース データベース エンジン実装)との互換性を維持します。

次の図は、Bigtable が処理ノードとストレージ レイヤを物理的に分離する方法を示しています。

クライアントはルーティング レイヤを介して処理ノードと通信し、処理ノードがストレージ レイヤと通信します。

上図において、内側の処理ノードは、ストレージ レイヤ内の C データセットのデータ リクエストを処理することのみを受け持っています。Bigtable によってデータセットに対する範囲割り当ての再調整が必要と判断された場合、ストレージ レイヤが処理レイヤから分離されているため、処理ノードのデータ範囲は簡単に変更できます。

次の図は、キー範囲の再調整とクラスタのサイズ変更を簡略化して示しています。

再調整を行うと処理は複数のノードに分散され、サイズ変更すると処理ノードが追加されます。

Rebalancing」のイメージは、左端の処理ノードが A のデータセット向けに増加したリクエスト数を受信した後の Bigtable クラスタの状態を示しています。再調整が行われた後、左端のノードではなく中央のノードが、B のデータセット向けのデータ リクエストを処理します。左端のノードは、引き続き A のデータセット向けのリクエストを処理します。

Bigtable は、数を増やした使用可能な処理ノード全体でデータセットの範囲を再調整するために、行キーの範囲を並べ替えます。Resizing のイメージは、ノードを追加した後の Bigtable クラスタの状態を示します。

Cassandra

Apache Cassandra は、Bigtable の論文のコンセプトから部分的に影響を受けているオープンソース データベースです。分散型ノード アーキテクチャが使用され、ストレージがデータ操作に応答するサーバーと同じ場所に配置されます。一連の仮想ノード(vnode)が、クラスタ キースペースの一部を提供するために、各サーバーにランダムに割り当てられます。

データは、パーティション キーに基づいて vnode に保存されます。通常は、コンシステント ハッシュ関数を使用してトークンが生成され、データの配置が決まります。Bigtable と同様、順序保持パーティショナーはトークンの生成、さらにはデータの配置にも使用できます。ただし、クラスタが不均衡になる可能性があり、その状況の解決が困難なため、Cassandra のドキュメントではこのアプローチは推奨されていません。そのため、このドキュメントでは、複数のノードにわたってデータを分散させるトークンを生成するコンシステント ハッシュ方式の使用を前提としています。

Cassandra は、調整可能な整合性レベルに関連のある可用性レベルによってフォールト トレランスを提供し、1 つ以上のノードで障害が発生しても、クラスタはクライアントに対応できます。地理的なレプリケーションは、構成可能なデータ レプリケーション トポロジ戦略で定義します。

各操作の整合性レベルを指定します。一般的な設定は QUORUM(または複数のデータセンター トポロジの LOCAL_QUORUM)です。この整合性レベルの設定では、オペレーションが成功したと見なされるには、レプリカノードの大半がコーディネーター ノードに応答する必要があります。クラスタ内の各データセンターに保存されるデータレプリカの数は、すべてのキースペースに対して構成するレプリケーション係数によって決まります。たとえば、一般的には、レプリケーション係数の値に 3 を使用して、耐久性とストレージ容量の実用的なバランスを実現します。

次の図は、各ノードのキー範囲が 5 つの vnode に分割された 6 つのノードのクラスタを簡略化して示しています。実際には、さらにノードを追加でき、vnodeを追加できる可能性が高くなります。

コーディネーター ノード、ローカル ノード ストレージ、その他のノードを含むアーキテクチャ。各ノードに vnode がある。

上図では、書き込みオペレーションのパスの整合性レベルが QUORUM で、クライアント アプリケーションまたはサービス(Client)から発信されています。この図において、キー範囲は、アルファベットの範囲で示されています。実際には、主キーのハッシュによって生成されるトークンは、非常に大きな符号付き整数です。

この例では、キーのハッシュは M で、M の vnode はノード 2、4、6 にあります。コーディネーターは、キーのハッシュ範囲がローカルに格納されている各ノードにコンタクトし、書き込みを処理できるようにする必要があります。整合性レベルは QUORUM であるため、書き込みが完了したことをクライアントに通知する前に、2 つのレプリカ(マジョリティ)がコーディネーター ノードに応答する必要があります。

Bigtable とは異なり、Cassandra のキー範囲を移動または変更するには、ノード間でデータを物理的にコピーする必要があります。特定のトークン ハッシュ範囲に対するリクエストによって 1 つのノードが過負荷状態になった場合、そのトークン範囲に対する処理の追加は、Bigtable ほど簡単ではありません。

地理的レプリケーションと整合性

Bigtable と Cassandra では、地理的(マルチリージョン)レプリケーションと整合性の扱いが異なります。Cassandra クラスタは、ラックにグループ分けされた処理ノードで構成され、ラックはデータセンターにグループ分けされています。Cassandra では、構成したネットワーク トポロジ戦略を使用して、データセンターの複数のホストに vnode レプリカをどのように分散するかを決定します。この戦略では、Cassandra のルートを物理的なオンプレミス データセンターに当初デプロイされたデータベースとして明らかにします。また、この構成では、クラスタ内の各データセンターのレプリケーション係数も指定します。

Cassandra は、データセンターとラックの構成を使用して、データレプリカのフォールト トレランスを向上させます。読み取り / 書き込みオペレーション中は、トポロジにより、整合性の保証に必要な関与ノードが決まります。クラスタを作成または拡張する場合は、ノード、ラック、データセンターを手動で構成する必要があります。クラウド環境では、通常の Cassandra のデプロイメントは、クラウドゾーンをラック、クラウド リージョンをデータセンターとして扱います。

Cassandra のクォーラム コントロールを使用すると、読み取りまたは書き込みオペレーションごとに整合性の保証を調整できます。結果整合性の強度はオプションにより異なります。単一のレプリカノード(ONE)、単一データセンター レプリカノード マジョリティ(LOCAL_QUORUM)、またはすべてのデータセンターのすべてのレプリカノードのマジョリティ(QUORUM)を必要とする各オプションなどがあります。

Bigtable では、クラスタはゾーンリソースです。Bigtable インスタンスには、単一のクラスタ、または最大 4 つの完全に複製されたクラスタのグループを含めることができます。インスタンス クラスタは、Google Cloud が提供するすべてのリージョンにまたがる複数のゾーンにに配置できます。クラスタは、インスタンスの他のクラスタへの影響を最小限に抑えながら追加や削除ができます。

Bigtable では、書き込みは(書き込み後読み取りの一貫により)単一クラスタで実行され、最終的に他のインスタンス クラスタで整合性が保たれます。個々のセルはタイムスタンプでバージョニングされるため、書き込みが失われることはなく、各クラスタは利用可能な最新のタイムスタンプを持つセルを提供します。

このサービスでは、クラスタの整合性ステータスが公開されます。テーブルレベルの整合性トークンを取得するメカニズムが、Cloud Bigtable API によって提供されます。このトークンを使用して、トークンが作成される前にそのテーブルに対して行われたすべての変更が完全にレプリケートされたかどうかを確認できます。

トランザクション サポート

どちらのデータベースも複雑な複数行トランザクションをサポートしませんが、どちらにもトランザクション サポートがあります。

Cassandra の軽量トランザクション(LWT)メソッドでは、1 つのパーティションの列の値の更新に対してアトミック性が提供されます。Cassandra には、書き込みが開始される前に、行の読み取りオペレーションと値比較を完了するコンペア アンド セットセマンティクスもあります。

Bigtable は、クラスタ内で完全に一貫した単一行の書き込みをサポートします。単一行トランザクションは、読み取り - 変更 - 書き込みオペレーションと確認 - 変更オペレーションを通じてさらに有効にします。複数クラスタ ルーティング アプリケーション プロファイルは、単一行トランザクションをサポートしていません。

データモデル

Bigtable と Cassandra のどちらも、行の一意の識別子を使用してルックアップと範囲スキャンをサポートするテーブルにデータを整理します。両システムは、NoSQL のワイドカラム型ストアに分類されます。

Cassandra では、CQL を使用して、主キーの定義および列の名前と型などの完全なテーブル スキーマをあらかじめ作成しておく必要があります。Cassandra の主キーは、必須のパーティション キーとオプションのクラスタキーで構成される一意の複合値です。パーティション キーは行のノード配置を決定し、クラスタキーはパーティション内の並べ替え順序を決定します。スキーマを作成する際は、単一パーティション内の効率的なスキャンの実行と、大規模なパーティションの維持に関するシステムコストの間で起こり得るトレードオフを考慮する必要があります。

Bigtable では、テーブルを作成し、その列ファミリーを事前に定義することだけが必要です。テーブルの作成時には列が宣言されませんが、アプリケーション API 呼び出しでテーブルの行にセルを追加すると作成されます。

行キーは、Bigtable クラスタ全体で辞書順に並べられます。Bigtable 内のノードは、キー範囲のノーダル レスポンシビリティ(多くの場合はタブレット、時にはスプリットとも呼ばれる)を自動的に調整します。Bigtable の行キーは、一般的に使用されている選択した区切り文字(パーセント記号など)を使用して結合される複数のフィールド値で多くの場合構成されます。分離する場合、個々の文字列コンポーネントは Cassandra 主キーのフィールドに似ています。

行キーの設計

Bigtable では、テーブル行の一意の識別子は行キーです。行キーは、テーブル全体で唯一の値にする必要があります。共通の区切り文字で区切られた、異なる要素を結合することで、マルチパート キーを作成できます。行キーにより、テーブル内でのグローバルなデータの並び順が決まります。Bigtable サービスは、各ノードに割り当てられるキー範囲を動的に決定します。

パーティション キーのハッシュが行の配置を決定し、クラスタリング列が順序を決定する Cassandra とは異なり、Bigtable の行キーには、ノードの割り当てと順序付けの両方が用意されています。Cassandra と同様、Bigtable においても、行キーを設計して、一緒に取得する行が一緒に保存されるようにする必要があります。ただし、Bigtable では、テーブルを使用する前に行キーの配置と順序付けを設計する必要はありません。

データ型

Bigtable サービスは、クライアントが送信した列データ型を適用しません。クライアント ライブラリには、バイト、UTF-8 エンコード文字列、ビッグ エンディアンのエンコードされた 64 ビット整数 としてセル値を記述するヘルパー メソッドが用意されています(アトミックなインクリメント演算には、ビッグ エンディアンのエンコードされた整数が必要です)。

列ファミリー

Bigtable では、列ファミリーにより、テーブル内のまとめて保存および取得される列が決まります。各テーブルには少なくとも 1 つの列ファミリーが必要です(テーブルには多くの場合もっと多くの列ファミリーがあります。各テーブルの上限は 100 列ファミリーです)。アプリケーションで列ファミリーをオペレーションで使用できるようにするには、明示的に列ファミリーを作成しておく必要があります。

列修飾子

行キーでテーブルに保存される個々の値は、列修飾子と呼ばれるラベルに関連付けられます。列修飾子はラベルにすぎないため、列ファミリー内の列の数に実際の上限はありません。列修飾子は、Bigtable でアプリケーション データを表すためによく使用されます。

セル

Bigtable では、セルは行キーと列名の交差(列ファミリーと列修飾子を組み合わせた部分)です。各セルには、クライアントによって提供されるか、サービスによって自動的に適用される、タイムスタンプ付きの 1 つ以上の値が含まれます。古いセルの値は、列ファミリー レベルで構成されたガベージ コレクション ポリシーに基づいて再利用されます。

セカンダリ インデックス

Bigtable では、セカンダリ インデックスをサポートしていません。インデックスが必要な場合は、異なる行キーを持つ 2 番目のテーブルを使用するテーブル設計を採用することをおすすめします。

クライアントの負荷分散とフェイルオーバー

Cassandra では、クライアントがリクエストの負荷分散を制御します。クライアント ドライバは、セッションの作成時に構成の一部、またはプログラムで指定されるポリシーを設定します。クラスタは、アプリケーションに最も近いデータセンターをポリシーに伝えます。クライアントは、これらのデータセンターからノードを特定して、オペレーションを実行します。

Bigtable サービスは、各オペレーションで提供されるパラメータ(アプリケーション プロファイル ID)に基づいて、宛先クラスタへの API 呼び出しを転送します。アプリケーション プロファイルは、Bigtable サービス内で維持され、プロファイルを選択していないクライアント オペレーションでは、デフォルトのプロファイルが使用されます。

Bigtable には、単一クラスタとマルチクラスタの 2 種類のアプリケーション プロファイル ルーティング ポリシーがあります。マルチクラスタ プロファイルは、最も近い使用可能なクラスタにオペレーションを転送します。オペレーション ルーターの観点から、同じリージョン内のクラスタは、等距離とみなされます。リクエストされたキー範囲を受け持つノードが過負荷になっている場合や、クラスタで一時的に利用できない場合、このプロファイル タイプにより自動フェイルオーバーが行われます。

Cassandra については、マルチクラスタ ポリシーにより、データセンターで認識されている負荷分散ポリシーのフェイルオーバーが提供されます。

単一クラスタ ルーティングを持つアプリケーション プロファイルは、すべてのトラフィックを 1 つのクラスタに転送します。強い行整合性と単一行トランザクションは、単一クラスタ ルーティングを使用するプロファイルでのみ使用できます。

単一クラスタ アプローチの欠点は、フェイルオーバーにおいて、アプリケーションが別のアプリケーション プロファイル ID を使用して再試行する必要があること、または影響を受ける単一クラスタ ルーティング プロファイルのフェイルオーバーを手動で実行する必要があることです。

オペレーション ルーティング

Cassandra と Bigtable では、読み取り / 書き込みオペレーションの処理ノードを選択するために異なるメソッドが使用されます。Cassandra ではパーティション キーが特定され、Bigtable では行キーが使用されます。

Cassandra では、クライアントはまず負荷分散ポリシーを検査します。このクライアント側オブジェクトにより、オペレーションがルーティングされるデータセンターが決まります。

データセンターが特定されると、Cassandra はコーディネーター ノードに連絡してオペレーションを管理します。ポリシーがトークンを認識した場合、コーディネーターはターゲット vnode パーティションからデータを提供するノードです。それ以外の場合は、コーディネーターはランダムなノードです。コーディネーター ノードは、オペレーション パーティション キーのデータ レプリカが存在するノードを識別し、そのオペレーションを実行するようにそれらのノードに指示します。

前述のように、Bigtable では各オペレーションにアプリケーション プロファイル ID が含まれています。アプリケーション プロファイルは、サービスレベルで定義されます。Bigtable ルーティング レイヤは、プロファイルを検査して、オペレーションに適した宛先クラスタを選択します。つづいて、オペレーションの行キーを使用してオペレーションが正しい処理ノードに到達するためのパスを提供します。

データの書き込みプロセス

どちらのデータベースも高速書き込み用に最適化されており、同様のプロセスを使用して書き込みを完了します。ただし、データベースでの手順は若干異なります。特に Cassandra のオペレーションの整合性レベルによっては、追加のパーティシパント ノードとの通信が必要になる場合があります。

書き込みリクエストが適切な複数のノード(Cassandra)またはノード(Bigtable)にルーティングされると、書き込みはまず commit ログ(Cassandra)または共有ログ(Bigtable)内のディスクに順次保持されます。次に、書き込みは、SSTable のように順序付けられたメモリ内テーブル(memtable とも呼ばれます)に挿入されます。

上述の 2 つの手順の後、ノードは書き込みが完了したことを示すレスポンスを返します。Cassandra では、コーディネーターが書き込みが完了したことをクライアントに通知する前に、複数のレプリカが(各オペレーションで指定された整合性レベルに応じて)応答する必要があります。Bigtable では、各行のノードが一度に 1 つのノードのみに割り当てられるため、書き込みが成功したかどうかを確認するのに必要なのは、ノードからのレスポンスのみになります。

必要であれば、後で memtable を新しい SSTable の形式でディスクにフラッシュできます。Cassandra では、commit ログが最大サイズに達するか、memtable が構成したしきい値を超えるとフラッシュが発生します。Bigtable では、memtable がサービスで指定された最大サイズに到達すると、新しい不変の SSTable の作成を行うためのフラッシュが開始されます。定期的に、コンパクション プロセスで、指定したキー範囲の SSTable が 1 つの SSTable にマージされます。

データの更新

どちらのデータベースでも、データの更新は同じように処理されます。ただし、Cassandra は各セルに対して 1 つの値しか使用できない一方、Bigtable は各セルに対してバージョニングされた値を大量に保持できます。

一意の行識別子と列が交差する値が変更されると、データ書き込みプロセスセクションで説明したように、更新が保持されます。書き込みタイムスタンプは、SSTable 構造内の値と一緒に保存されます。

更新されたセルを SSTable にフラッシュしていない場合は、memtable にセル値のみを保存できますが、データベースは保存されている内容によって異なります。Cassandra は memtable の最新値のみを保存しますが、Bigtable では memtable のすべてのバージョンが保存されます。

また、別の SSTable で 1 つ以上のバージョンのセル値をディスクにフラッシュした場合、データベースではそのデータのリクエストの処理方法が異なります。セルが Cassandra からリクエストされた場合は、タイムスタンプに従って最新の値のみが返されます。つまり、最後の書き込みが優先されます。Bigtable では、フィルタを使用して、読み取りリクエストで返されるセルのバージョンを制御します。

行の削除

どちらのデータベースも、不変の SSTable ファイルを使用してディスクにデータを保持しているため、すぐに行を削除することはできません。行が削除された後にクエリが正しい結果を返すようにするには、両方のデータベースが同じメカニズムを使用して削除を処理するようにします。マーカー(Cassandra では tombstone と呼ばれます)が先に memtable に追加されます。最終的に、新しく書き込まれた SSTable には、一意の行識別子が削除され、クエリ結果で返されないことを示すタイムスタンプ付きのマーカーが含まれます。

有効期間

2 つのデータベースの有効期間(TTL)機能は、1 つの相違を除いて類似しています。Cassandra では、列またはテーブルに TTL を設定できますが、Bigtable では TTL は列ファミリーに対してのみ設定できます。セルレベルの TTL をシミュレートできる Bigtable のメソッドが存在します。

ガベージ コレクション

前述したように、変えることのできない SSTable では、即時データの更新や削除ができないため、「コンパクション」と呼ばれるプロセス中にガベージ コレクションが行われます。このプロセスでは、クエリ結果に対応しないセルや行が削除されます。

ガベージ コレクション プロセスでは、SSTable をマージするときに、行やセルを除外します。行にマーカーや tombstone がある場合、その行は結果の SSTable には含まれません。どちらのデータベースでも、マージされた SSTable からセルを除外できます。セルのタイムスタンプが TTL 条件を満たしている場合、データベースはそのセルを除外します。特定のセルにタイムスタンプ付きのバージョンが 2 つある場合、Cassandra では、マージされた SSTable 内の最新の値のみが含まれます。

データの読み取りパス

読み取りオペレーションが適切な処理ノードに到達すると、クエリ結果を満たすデータを取得するための読み取りプロセスは、両方のデータベースで同じになります。

クエリ結果を含む可能性のあるディスクの各 SSTable で、Bloom フィルタがチェックされ、返される行が各ファイルに含まれているかどうかが判定されます。Bloom フィルタでは偽陰性が提供されないことが保証されているため、すべての適格な SSTable が候補リストに追加され、さらに読み取り結果処理に含まれます。

読み取りオペレーションは、memtable から作成された結合ビューとディスク上の SSTable 候補を使用して実行されます。すべてのキーは辞書順で並べ替えられるため、スキャンされた結合ビューを取得してクエリ結果を取得する方が効率的です。

Cassandra では、オペレーションの整合性レベルによって決定される一連の処理ノードは、オペレーションに参加する必要があります。Bigtable では、キー範囲を担当するノードのみがコンサルトされる必要があります。Cassandra では、それぞれの読み取りは複数のノードで処理される可能性が高いため、コンピューティングのサイズへの影響を考慮する必要があります。

読み取り結果は、処理ノードで若干異なる方法で制限できます。Cassandra では、CQL クエリの WHERE 句によって返される行が制限されます。この制限では、主キーまたはセカンダリ インデックス内の列を使用して結果を制限することがあります。

Bigtable は、読み取りクエリが取得する行またはセルに影響を及ぼすフィルタの豊富なフィルタ品揃えを提供します。

フィルタには、次の 3 つのカテゴリがあります。

  • 制限フィルタ。レスポンスに含める行またはセルを制御します。
  • 変更フィルタ。個別のセルのデータまたはメタデータに影響します。
  • 合成フィルタ。複数のフィルタを 1 つに結合できます。

上限フィルタは最も一般的で、列ファミリーの正規表現列修飾子の正規表現などに使用されます。

物理データ ストレージ

Bigtable と Cassandra は両方とも、コンパクション フェーズで定期的にマージされる SSTable にデータを保存します。SSTable データ圧縮を使用すると、ストレージ サイズの縮小と同様のメリットが得られます。ただし、圧縮は Bigtable では自動的に適用され、Cassandra では構成オプションです。

2 つのデータベースを比較する場合は、次の点において異なった方法で、各データベースでデータが物理的にどのように保存されるかを理解する必要があります。

  • データの分散方法
  • 利用可能なセルバージョンの数
  • ストレージ ディスクタイプ
  • データの耐久性とレプリケーションの仕組み

データの分散

Cassandra では、主キーのパーティション列の一貫したハッシュが、クラスタノードで配信されるさまざまな SSTable 全体でのデータ分散を決定するために推奨される方法です。

Bigtable では、SSTable に辞書順にデータを配置するために、完全な行キーに対する変数の接頭辞を使用します。

セルのバージョン

Cassandra にはアクティブなセル値のバージョンが 1 つだけ保持されます。1 つのセルに対して 2 つの書き込みが行われる場合、最後の書き込みを優先するポリシーによって、1 つの値のみが返されるようになります。

Bigtable では、各セルのタイムスタンプ付きバージョンの数は制限されません。他の行サイズの上限が適用される場合があります。クライアント リクエストで設定しない場合、タイムスタンプは、処理ノードがミューテーションを受け取ったときに Bigtable サービスによって指定されます。セルのバージョンは、各テーブルの列ファミリーごとに異なる可能性のあるガベージ コレクション ポリシーを使用してプルーニングできます。また、API のクエリ結果のセットからフィルタリングすることもできます。

Disk Storage

Cassandra は各クラスタノードにアタッチされているディスクに SSTable を保存します。Cassandra 内のデータを再調整するには、サーバー間でファイルを物理的にコピーする必要があります。

Bigtable は、Colossus を使用して SSTable を保存します。Bigtable では、この分散ファイル システムを使用しているため、SSTables はほとんど瞬時に別のノードに再割り当てされます。

データの耐久性とレプリケーション

Cassandra はレプリケーション係数設定を使用してデータの耐久性を提供します。レプリケーション係数によって、クラスタ内の異なるノードに保存されている SSTable コピーの数が決まります。レプリケーション係数の一般的な設定は 3 です。これにより、ノードに障害が発生した場合でも QUORUMLOCAL_QUORUM とのより強い整合性保証が継続して得られます。

Bigtable では、高いデータ耐久性保証が Colossus が提供するレプリケーションを通じて提供されます。

次の図は、Bigtable の物理データ レイアウト、コンピューティング処理ノード、ルーティング レイヤを示しています。

フロントエンド、Bigtable クラスタ、Colossus を含むデータ レプリケーションのアーキテクチャ。

Colossus ストレージ レイヤでは、一連の SSTable に保存されているデータを処理するように各ノードが割り当てられます。これらの SSTable には、各ノードに動的に割り当てられる行キー範囲のデータが含まれています。この図では、ノードごとに 3 つの SSTable が表示されていますが、ノードがデータに対する新しい変更を受け取るたびに SSTable が継続的に作成されるため、より多くの SSTable が存在する場合があります。

各ノードには共有ログがあります。各ノードで処理された書き込みは、クライアントが書き込み確認応答を受信する前に、直ちに共有ログに保存されます。Colossus への書き込みは繰り返しレプリケートされるため、行範囲の SSTable にデータが保存される前に、ノードのハードウェア障害が発生しても耐久性が保証されます。

アプリケーション インターフェース

もともとは Cassandra データベースへのアクセスは、Thrif API を使用して公開されましたが、この方法のアクセスは非推奨になりました。CQL を通じたクライアント インタラクションを推奨します。

Cassandra の元の Thrift API と同様に、Bigtable データベース アクセスは、指定された行キーに基づいてデータの読み取りと書き込みを行う API によって提供されます。

Cassandra のように、Bigtable には、cbt というコマンドライン インターフェースと、多くの一般的なプログラミング言語をサポートするクライアント ライブラリの両方があります。これらのライブラリは、gRPC API と REST API 上に構築されています。Hadoop 用に記述され、Java 用のオープンソースの Apache HBase ライブラリを使用するアプリケーションは、大きな変更を行わずに Bigtable に接続できます。HBase の互換性が不要なアプリケーションでは、組み込みの Bigtable Java クライアントを使用することをおすすめします。

Bigtable の Identity and Access Management(IAM)制御は Google Cloud に完全に統合されており、BigQuery から外部データソースとしてテーブルを使用することもできます。

データベースの設定

Cassandra クラスタを設定する際には、いくつかの構成に関する意思決定と手順を行う必要があります。まず、サーバーノードを構成して、コンピューティング容量を確保し、ローカル ストレージをプロビジョニングする必要があります。3 つのレプリケーション係数を使用する場合、推奨される最も一般的な設定では、クラスタで保持する想定の 3 倍のデータ量を保存するストレージをプロビジョニングする必要があります。また、vnodes、ラック、レプリケーションの構成を決定し、設定する必要があります。

Bigtable のストレージとコンピューティングが分離されていることにより、Cassandra と比較してクラスタのスケールアップとスケールダウンが簡素化されています。通常運用されているクラスタで一般的に考慮するべきなのは、マネージド テーブルによって使用されている合計ストレージ量です。これにより、最小のノード数が決定され、現在の QPS を維持するのに十分なノードを確保できます。

クラスタのプロビジョニングが過剰や不足の場合、本番環境の負荷に基づいて、Bigtable クラスタのサイズを迅速に調整できます。

Bigtable ストレージ

Bigtable インスタンスを作成する際は、初期クラスタの地理的なロケーションのほか、ストレージ タイプを選択する必要があります。Bigtable のストレージのオプションには、ソリッド ステート ドライブ(SSD)とハードディスク ドライブ(HDD)の 2 つがあります。インスタンス内のすべてのクラスタは、同じストレージ タイプを共有する必要があります。

Bigtable でストレージのニーズを検討する際は、Cassandra クラスタのサイズを設定する場合と同様、ストレージ レプリカを考慮する必要はありません。Cassandra のように、フォールト トレランスを実現するためにストレージの密度が失われることはありません。また、ストレージを明示的にプロビジョニングする必要がないため、使用中のストレージに対してのみ課金されます。

SSD

ほとんどのワークロードで推奨される SSD ノードの容量である 2.5 TB は、各ノードの実効最大ストレージ密度が 2 TB 未満である Cassandra マシンの推奨構成と類似しています。ただし、ストレージ容量のニーズを評価する際は、Bigtable ではデータのコピーが 1 つのみカウントされることに注意してください。これに対して、Cassandra はほとんどの構成でデータのコピー 3 つを考慮する必要があります。

SSD の書き込み QPS は HDD とほぼ同じですが、SSD の方が HDD よりも読み取り QPS が大幅に優れています。SSD ストレージの料金は、プロビジョニングされた SSD 永続ディスクの料金に近い料金設定がされており、リージョンによって異なります。

HDD

HDD ストレージ タイプでは、ノードあたり 8 TB というかなりの密度のストレージを使用できます。そのトレードオフとして、ランダム読み取りが大幅に遅く、ノードごとに 1 秒あたり 500 行の読み取りしかサポートされません。HDD は、読み取りがバッチ処理に関連する範囲スキャンであることが想定される、書き込み頻度が高いワークロードに適しています。HDD ストレージの料金は、Cloud Storage に関連する料金に近い料金設定がされており、リージョンによって異なります。

クラスタサイズに関する考慮事項

Cassandra ワークロードの移行に備えて Bigtable インスタンスのサイズを調整する際には、単一データセンターの Cassandra クラスタを単一クラスタの Bigtable インスタンスと比較する場合、およびマルチデータ センターの Cassandra クラスタをマルチクラスタの Bigtable インスタンスと比較する場合の考慮事項があります。以下のガイドラインでは、移行で重要なデータモデルの変更は不要であり、Cassandra と Bigtable の間で同等のストレージ圧縮が行われていることを前提とします。

単一のデータセンターのクラスタ

単一データセンターのクラスタを単一クラスタの Bigtable インスタンスと比較する場合は、まずストレージの要件を考慮する必要があります。各キースペースの複製されていないサイズを見積もるには、nodetool tablestats コマンドを使用し、フラッシュされた合計ストレージ サイズをキースペースのレプリケーション係数で除算します。次に、すべてのキースペースの複製されていないストレージ量を 1.75 TB(2.5 TB * .70)で割って、ストレージを単独で処理するための SSD ノードの推奨数を決定します。すでに説明したように、Bigtable は、ユーザーにとって透過的な別個の階層内のストレージ レプリケーションと耐久性を処理します。

次に、ノード数のコンピューティング要件を検討する必要があります。Cassandra サーバーとクライアント アプリケーションの指標を調べて、実行された持続的な読み取りと書き込みのおおよその数を取得できます。ワークロードを実行する SSD ノードの最小数を見積もるには、その指標を 10,000 で割ります。低レイテンシ クエリの結果を必要とするアプリケーションでは、より多くのノードが必要になる可能性があります。ワークロードで実現可能なノード単位の QPS の指標を設定するには、代表的なデータとクエリを使って Bigtable のパフォーマンスをテストすることをおすすめします。

クラスタに必要なノード数は、ストレージで必要な数とコンピューティングで必要な数のうちの大きい方にする必要があります。保存容量やスループットのニーズが不確かな場合は、Bigtable ノードの数と一般的な Cassandra マシンの数を一致させます。Bigtable クラスタをスケールアップまたはスケールダウンして、ワークロードのニーズが最小限の労力とゼロ ダウンタイムに一致するようにします。

マルチ データセンターのクラスタ

複数データセンターからなるクラスタでは、Bigtable インスタンスの構成を決定することがより難しくなります。Cassandra トポロジ内のすべてのデータセンター用のインスタンスにクラスタを配置することをおすすめします。インスタンスの各 Bigtable クラスタでは、インスタンス内のすべてのデータを保管する必要があり、クラスタ全体の挿入速度を処理できる必要があります。インスタンスは 4 つのクラスタに制限されますが、これらのクラスタは世界中のサポートされているクラウド リージョンに作成される可能性があります。

ストレージのニーズを見積もる手法は、単一データセンター クラスタの手法に似ています。nodetool を使用して、Cassandra クラスタ内の各キースペースのストレージ サイズを取得し、そのサイズをレプリカの数で割ります。テーブルのキースペースでは、データセンターごとにレプリケーション係数が異なる可能性があることに注意してください。

クラスタの停止中にサービスレベル目標(SLO)を維持するためには、インスタンス内の各クラスタのノードの数で、クラスタ全体でのすべての書き込みと、2 つ以上のデータセンターへのすべての読み取りを処理できる必要があります。一般的なアプローチは、Cassandra クラスタ内で最もビジーなデータセンターと同等のノード容量を持つすべてのクラスタで開始することです。インスタンス内の Bigtable クラスタは、ワークロードのニーズをゼロ ダウンタイムに一致させるために、個別にスケールアップまたはスケールダウンできます。

管理

Bigtable は、Cassandra で実行される一般的な管理機能用のフルマネージド コンポーネントを提供します。

バックアップと復元

Bigtable では、Bigtable バックアップとマネージド データ エクスポートという 2 つの一般的なバックアップ ニーズに対応しています。

Bigtable のバックアップは、Cassandra の nodetool スナップショット機能のマネージド バージョンと同じように考えることができます。Bigtable のバックアップでは、クラスタのメンバー オブジェクトとして保存する、テーブルの復元可能なコピーが作成されます。バックアップを開始したクラスタ内の新しいテーブルとしてバックアップを復元できます。このバックアップは、アプリケーション レベルの破損が発生したときに復元ポイントを作成するように設計されています。このユーティリティを使用して作成するバックアップは、ノードリソースを消費せず、Cloud Storage の料金に近い料金設定がされています。Bigtable のバックアップは、プログラムまたは Bigtable の Google Cloud Console から呼び出せます。

Bigtable をバックアップする他の方法には、Cloud Storage へのマネージド データ エクスポートを使用する手法もあります。Avro、Parquet、または Hadoop のシーケンス ファイル形式にエクスポートできます。Bigtable バックアップと異なり、エクスポートでは Dataflow を使用するため、エクスポートの実行に時間がかかり、追加のコンピューティング料金が発生します。ただし、このエクスポートを行うと、オフラインでのクエリ実行や、別のシステムへのインポートができるポータブル データファイルが作成されます。

サイズを変更する

Bigtable ではストレージとコンピューティングが分離されるため、クエリに対する需要に応じて Cassandra におけるよりもシームレスに Bigtable ノードを追加または削除できます。Cassandra の同種のアーキテクチャでは、クラスタ内のマシン間でノード(または vnode)を再調整する必要があります。

クラスタサイズは、Cloud Console からマニュアルで変更するか、Bigtable API を使用してプログラムで変更できます。クラスタにノードを追加すると、数分でパフォーマンスが大きく向上します。一部のお客様において、オープンソースの Spotify が開発したオートスケーラーが適切に使用されています。

内部メンテナンス

Bigtable サービスは、OS のパッチ適用、ノードの復旧、ノードの修復、ストレージ コンパクションのモニタリング、SSL 証明書のローテーションなどの一般的な Cassandra 内部メンテナンス タスクをシームレスに処理します。

モニタリング

Bigtable を指標の可視化やアラートに接続すると、管理や開発の手間がかかりません。Bigtable の Cloud Console のページには、インスタンス、クラスタ、テーブルレベルでスループットと使用率の指標を追跡する事前構築されたダッシュボードが用意されています。カスタムビューとアラートは、Cloud Monitoring ダッシュボードで作成できます。ここでは自動的に指標が利用可能になります。

Cloud Console のモニタリング機能である Bigtable Key Visualizer を使用すると、高度なパフォーマンス チューニングを行えます。

IAM とセキュリティ

Bigtable では、承認は Google Cloud の IAM フレームワークに完全に統合されており、必要な設定とメンテナンスは最小限です。ローカル ユーザー アカウントとパスワードはクライアント アプリケーションと共有されません。代わりに、組織レベルのユーザーとサービス アカウントきめ細かい権限とロールが付与されます。

Bigtable では、保存されているデータと転送中のデータがすべて自動的に暗号化されます。これらの機能は、無効にできません。すべての管理者アクセスは、完全にログに記録されます。VPC Service Controls を使用すると、Bigtable インスタンスへの承認済みネットワークの外部からのアクセスを制御できます。

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