[論文レビュー] Antidote SQL: Relaxed When Possible, Strict When Necessary

Pedro Miguel Sousa Lopes, João Sousa+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2019

Distributed systems and fault tolerance参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

Antidote SQL は、安全な場合に SQL の整合性を緩和できるようにアプリケーション開発者を支援すると同時に、リリースされた意味論下でも主キー、外部キー、チェック制約を強制することで正しさを保証する。これはスキーマ駆動型の並行処理モデルと CRDT に基づく競合解決を用い、協調を最小限に抑え、地理的に分散されたシステムにおいても高い可用性と低レイテンシーを達成しながら、データ整合性を損なわない。

ABSTRACT

Geo-replication poses an inherent trade-off between low latency, high availability and strong consistency. While NoSQL databases favor low latency and high availability, relaxing consistency, more recent cloud databases favor strong consistency and ease of programming, while still providing high scalability. In this paper, we present Antidote SQL, a database system that allows application developers to relax SQL consistency when possible. Unlike NoSQL databases, our approach enforces primary key, foreign key and check SQL constraints even under relaxed consistency, which is sufficient for guaranteeing the correctness of many applications. To this end, we defined concurrency semantics for SQL constraints under relaxed consistency and show how to implement such semantics efficiently. For applications that require strict SQL consistency, Antidote SQL provides support for such semantics at the cost of requiring coordination among replicas.

研究の動機と目的

• 地理的に分散されたデータベースにおける低レイテンシー、高可用性、強力な整合性のトレードオフを解消すること。
• アプリケーション開発者が安全な場合に SQL の整合性を緩和可能にしつつ、制約を通じてデータベースの整合性を維持すること。
• 複雑な静的解析やランタイムインストルメンテーションを必要とせず、スキーマ駆動型のアプローチで並行処理の意味論を制御すること。
• 緩和された整合性下でもアプリケーションの正しさを保証するため、主キー、外部キー、チェック制約を強制すること。
• 必要最小限の協調のみを適用し、安全な状況では高い並行性を維持すること。

提案手法

• AQL（Antidote SQL の SQL に類似したインタフェース）に DDL 拡張を追加し、並行処理の意味論と制約強制ポリシーを指定可能にする。
• 整合性インvariants を用いた並列スナップショット隔離（PSI）を採用し、地理的に分散されたサイト間で因果的に順序付けられたトランザクションを並列処理可能にする。
• 競合を避けるレプリカ型データ型（CRDT）を活用し、ユーザー定義のマージポリシーを用いて同時に発生した更新の安全なマージを可能にする。
• 分散シャーディングおよびレプリカ間の参照整合性を維持するための協調なしアルゴリズムを設計する。
• 競合する更新のみを制限する制約強制の意味論を実装し、可能な限り高い並行性を維持する。
• ネイティブに CRDT およびエスコウデータ型をサポートする AntidoteDB を基盤のキーレコードストアとして統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地理的に分散されたデータベースにおいて、データ整合性を損なわずに SQL の整合性を緩和する方法は何か？
• RQ2 弱い整合性下でも、主キー、外部キー、チェック制約を効率的かつ安全に強制するための並行処理の意味論は何か？
• RQ3 スキーマ駆動型のアプローチによって、複雑な静的解析やランタイムインストルメンテーションの必要性を排除できるか？
• RQ4 レプリカ間の協調を必要とせずに、分散ノード間で参照整合性を維持する方法は何か？
• RQ5 従来の強力な整合性モデルと比較して、緩和された整合性下での制約強制に伴う性能オーバーヘッドはどの程度か？

主な発見

• Antidote SQL は、スキーマレベルでの並行処理の意味論を指定することで、開発者がいつ、どのように SQL の整合性を緩和できるかを制御でき、協調のオーバーヘッドを低減する。
• システムは、緩和された整合性下でも主キー、外部キー、チェック制約を強制し、多くの実世界のアプリケーションで正しさを保証する。
• CRDT を用いた競合解決により、ユーザー定義ポリシーを用いて安全に同時更新をマージでき、高可用性と低レイテンシーを実現する。
• 参照整合性の実装は、協調なしアルゴリズムを用いて分散シャーディングおよびレプリカ間で一貫性を維持する。
• 予備評価では、楽観的外部キー強制下での挿入および更新操作に顕著なオーバーヘッドは認められなかったが、削除操作には測定可能なコストが生じた。
• 必要最小限の協調のみを適用する一方で、安全な状況では高い並行性を維持することで、性能と正しさのバランスを達成している。