Cassandra是一款分布式的結構化數據存儲方案(NoSql數據庫)，存儲結構比Key-Value數據庫（像Redis）更豐富，但是比Document數據庫（如Mongodb）支持度有限；適合做數據分析或數據倉庫這類需要迅速查找且數據量大的應用.
Cassandra 集群特性比較豐富，考慮場景也比較多，如果想用好集群，集群本很多概念都要能夠了解，下面對相關概念進行簡介；

與關系數據庫相關概念：

keyspace -> table –> column，對應關系型數據庫 database -> table -> column

集群主要配置：

cluster_name:集群名，同一集群的多個節點，集群名要一致；
seeds: 種子節點，集群中的全部機器的ip，以逗號隔開；
storage_port: Cassandra服務器與服務器之間連接的端口號，一般不需要修改，但要保證此端口上沒有防火墻；
listen_address: Cassandra集群中服務器與服務器之間相互通信的地址。如果留空，將默認使用服務器的機器名；
native_transport_port: 默認的CQL本地服務端口，本地的cql客戶端與服務器交互的端口；

默認Cassandra使用端口

7000作為集群通信端口（如果開啟了SSL就是7001端口）。
9042端口用于native協議的客戶端連接。
7199端口用于JMX，
9160端口用于廢棄的Thrift接口

集群主要配置文件目錄

data_file_directories: 數據文件存放的目錄，一個或多個
commitlog_directory: 提交信息的日志文件存放的目錄
saved_caches_directory: 緩存存放的目錄

集群相關概念：

Data Center

有多個Rack組成的邏輯集合。比如同一棟樓里互相連接的機器

Rack

一個邏輯集合，有多個彼此臨近node的組成。比如一個機架上的所有物理機器。

Gossip and Failure Detection

Gossip是一種p2p協議,用于failure detection,跟蹤其他節點的狀態，每秒運行一次。
運用Phi Accrual Failure Detection實現failure detection
計算出一個結果level of suspicion,表示節點失敗的可能性。
具有靈活性,同時也避免了傳統heartbeat的不可靠。應為可能只是短暫的網絡擁塞,尤其是在公有云上。

Snitches

snitch定義了集群中每個節點相對其他節點的鄰近度, 以此來確定從哪個節點讀取和寫入。
一般采用手動定義的模式,在cassandra.yaml配置為endpoint_snitch: GossipingPropertyFileSnitch
同時在cassandra-rackdc.properties配置當前節點的dc和rack，比如

Rings and Tokens

Cassandra表示由集群管理的數據作為一個環。環中的每個節點被分配一個或多個由token描述的數據范圍，確定在環中的位置。token是用于標識每個分區的64位整數ID,范圍是-2^63 -- 2^63-1
通過hash算法計算partition key的hash值，以此確定存放在哪個節點

Virtual Nodes

virtual node的概念簡稱vnode,原先的token范圍被縮減為多個更小的token范圍。每個節點包含多個token范圍。默認每個節點產生256個token范圍（通過num_tokens調節），也就是256個vnode。在2.0以后默認開啟。在性能差的節點上,可以適當減少num_tokens的值。

Partitioners

partitioners決定數據存放在哪個vnode上。它是一個hash函數，計算每行的partition key的hash值。
代碼在org.apache.cassandra.dht包里,目前主要用Murmur3Partitioner、DHT即為distributed hash table。

Replication Strategies

第一份復制存在對應的vnode中。其他復制的存放位置由replica strategy(或叫replica placement strategy)決定
主要有兩種策略：
SimpleStrategy
將副本放置在環上的連續節點處，從分區器指示的節點開始。
NetworkTopologyStrategy
允許為每個數據中心指定不同的復制因子。在數據中心內，它將副本分配給不同的rack，以大限度地提高可用性

Consistency Levels

根據CAP理論,一致性，可用性和分區容忍性不可兼得，cassandra通過設置讀寫時最少響應節點的數量，實現了可調的一致性。
可選的一致性級別：ANY, ONE, TWO,THREE, QUORUM, ALL，其中QUORUM,ALL是強一致性。強一致性公式：R+W>N R:讀復制數， W:寫復制數，N:復制因子

Queries and Coordinator Nodes

可以連接任一節點來執行讀寫操作，被連接的節點叫做Coordinator Nodes,需要處理讀寫一致性。比如：寫到多個節點，從多個節點讀取

寫操作執行過程

當執行一個寫操作時，數據被直接寫到commit log文件,并將設置commit log中的dirty flag為1。然后將數據寫到內存memtable,每個memtable對應一個表，當memtable的大小達到一個限值后會被寫入磁盤SSTable,然后將commit log中的dirty flag設為0

Caching

有三種cache：
key cache
緩存partiton keys到row index entries的映射，存在jvm heap
row cache
緩存常用的row,存在off heap
counter cache
提升counter性能

Hinted Hando

一種寫入高可用特性，當寫入請求發給coordinator是，replica節點可能因為種種原因不可用(網絡、硬件等)，此時coordinator會臨時保存寫請求,等到replica節點重新上線時再寫入。默認保留兩個小時

Tombstones

SStables文件是不可修改的。刪除數據被當做一個update,會被更新為tombstone。在compact運行之前，它可以抑制原來的值。
設置中：Garbage Collection Grace Seconds(GCGraceSeconds),默認864,000,10天。
會清理超過這個時間的tombstones。當節點不可用時間超過這個這個時間，會被替換

Bloom Filters

是個快速的、非確定性算法，用于確定測試元素是否在集合中。以此降低不必要的磁盤讀取。可能得到一個false-positive結果。通過將數據集映射到bit array上,一種特殊的緩存。

Compaction

SSTables是不可變的，通過compaction。重新生成一個新的SSTable文件(此文件中不包含不需要的數據，比如被刪除的數據)
三種策略：
SizeTieredCompactionStrategy (STCS)
默認的策略，寫密集型
LeveledCompactionStrategy (LCS)
讀密集型
DateTieredCompactionStrategy (DTCS)
用于基于時間或日期的數據

Anti-Entropy, Repair

assandra使用Anti-Entropy協議，這是一種用于修復復制集數據的gossip協議
有兩種情況
read repair
讀取時發現有不是最新的數據。此時開始修復
Anti-Entropy repair
通過nodetool手動運行修復

Merkle Trees

Merkle Trees來源于Ralph Merkle,也叫做hash tree,是一種二叉樹。每個父節點是它直接子節點的hash值，用于減少網絡I/O。

Staged Event-Driven Architecture (SEDA)

cassandra采用分階段事件驅動架構,SEDA: An Architecture for Well-Conditioned, Scalable Internet Services
一個stage由事件隊列、事件處理器和線程池組成
controller決定stage的調度和線程申請。主要代碼在org.apache.cassandra.concurrent.StageManager
以下操作都是作為stage來執行的
Read (local reads)
Mutation (local writes)
Gossip
Request/response (interactions with other nodes)
Anti-entropy (nodetool repair)
Read repair
Migration (making schema changes)
Hinted handoff

System Keyspaces

system_traces
system_schema
keyspaces
tables
columns
存儲kespace,table,column的定義
- materialized_views
存儲可用的view
- functions
  用戶定義函數
- types
  用戶自定義類型
- triggers
  每個表的觸發配置
- aggregates
  聚合定義
system_auth
system
local
peers
存儲節點信息
available_ranges
range_xfers
存儲token范圍
materialized_ views_builds_in_progres
built_materialized_views
跟蹤view的構建
paxos
存儲paxos狀態
batchlog
存儲 atomic batch操作的狀態
size_estimates
存儲每個表的分區的估計數量,用于hadoop集成

參考文檔：

https://www.2cto.com/database/201802/717564.html
https://blog.csdn.net/zhuwinmin/article/details/76066642
https://segmentfault.com/a/1190000015610357

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