[論文レビュー] Brief Announcement: Update Consistency in Partitionable Systems

Matthieu Perrin, Achour Mostéfaoui+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2015

Distributed systems and fault tolerance参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、パーティショニング可能な分散システムにおける更新一貫性（UC）を提案する。UCは、各プロセスの順序を保った更新の全順序に基づいて得られる状態にレプリカが収束することを保証する、新しい一貫性基準である。UCは最終的一貫性よりも厳密に強く、普遍的に実装可能であり、更新の全順序と順序付き仕様を用いることで、モジュラーで合成可能かつ形式的に検証可能な分散オブジェクト実装を可能にする。

ABSTRACT

Data replication is essential to ensure reliability, availability and fault-tolerance of massive distributed applications over large scale systems such as the Internet. However, these systems are prone to partitioning, which by Brewer's CAP theorem [1] makes it impossible to use a strong consistency criterion like atomicity. Eventual consistency [2] guaranties that all replicas eventually converge to a common state when the participants stop updating. However, it fails to fully specify shared objects and requires additional non-intuitive and error-prone distributed specification techniques, that must take into account all possible concurrent histories of updates to specify this common state [3]. This approach, that can lead to specifications as complicated as the implementations themselves, is limited by a more serious issue. The concurrent specification of objects uses the notion of concurrent events. In message-passing systems, two events are concurrent if they are enforced by different processes and each process enforced its event before it received the notification message from the other process. In other words, the notion of concurrency depends on the implementation of the object, not on its specification. Consequently, the final user may not know if two events are concurrent without explicitly tracking the messages exchanged by the processes. A specification should be independent of the system on which it is implemented. We believe that an object should be totally specified by two facets: its abstract data type, that characterizes its sequential executions, and a consistency criterion, that defines how it is supposed to behave in a distributed environment. Not only sequential specification helps repeal the problem of intention, it also allows to use the well studied and understood notions of languages and automata. This makes possible to apply all the tools developed for sequential systems, from their simple definition using structures and classes to the most advanced techniques like model checking and formal verification. Eventual consistency (EC) imposes no constraint on the convergent state, that very few depends on the sequential specification. For example, an implementation that ignores all the updates is eventually consistent, as all replicas converge to the initial state. We propose a new consistency criterion, update consistency (UC), in which the convergent state must be obtained by a total ordering of the updates, that contains the sequential order of each

研究の動機と目的

• パーティショニング可能なシステムにおける共有オブジェクトの仕様を定義する際の最終的一貫性の限界を解決すること。
• メッセージ伝送の並行性などの実装詳細に依存しない一貫性基準を提供すること。
• 仕様とシステムレベルの並行性を分離することで、形式的検証およびモデルチェックの実施を可能にすること。
• モジュラープログラミングを可能にする普遍的で合成可能な一貫性モデルを提案すること。
• 順序付き仕様と全更新順序に依存することで、並行仕様の複雑さを軽減すること。

提案手法

• 更新一貫性（UC）を、全レプリカが各プロセスのローカル順序を尊重する更新の全順序に基づいて得られる状態に収束することを要件とする一貫性基準として定義する。
• ラムポートタイムスタンプとプロセスIDを組み合わせて、更新の全順序を構築し、レプリカ間で合意を得ることを保証する。
• 更新を全順序に再実行することで、事後的に履歴を再構築し、一貫性のある状態収束を達成する。
• オブジェクト仕様を抽象データ型（順序付き動作）と一貫性基準（分散動作）に分離することで、形式的検証を可能にする。
• 全順序化メカニズムを用いることで、任意のクラッシュ故障を伴うパーティショニング可能なシステムにおいて、いかなるオブジェクトも実装可能であることを示し、UCの普遍性を証明する。
• 懸念事項の分離を活用し、分散仕様の自動コンパイルと合成可能性を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メッセージ伝送の並行性やシステムレベルの実装詳細に依存しない一貫性基準を定義可能か？
• RQ2 順序付き意味論と一貫性基準のみを用いて、分散オブジェクトをどのように仕様化・検証できるか？
• RQ3 予測可能な正しい状態への収束を保証する最終的一貫性より強い一貫性基準は存在するか？
• RQ4 任意のクラッシュ故障を伴うパーティショニング可能なシステムにおいて、任意のオブジェクトを更新一貫性下で実装する普遍的構成法は存在するか？
• RQ5 更新一貫性は、複雑な合成実装技術の必要性を排除できるほど、分散システムにおける合成可能性を実現できるか？

主な発見

• 更新一貫性（UC）は最終的一貫性（EC）よりも厳密に強く、収束状態が各プロセスのローカル順序を尊重する更新の全順序に基づくことを保証する。
• 履歴が、図1(c)に示すように、削除が挿入の後に現れるなどして最終状態を無効にしないように線形化可能である場合に限り、更新一貫性を満たす。
• 本稿では、任意のオブジェクトが、任意のクラッシュ故障を伴うパーティショニング可能なシステムにおいても更新一貫性実装可能であることを証明し、UCが普遍的一貫性基準であることを確立した。
• ラムポートタイムスタンプとプロセスIDの使用により、更新の決定的全順序が得られ、レプリカ間で一貫性のある状態を再構築できる。
• 更新一貫性により、実装ではなく仕様の自動コンパイルが可能となり、順序付き仕様を用いた合成可能性と形式的検証が実現される。
• 仕様とシステムレベルの並行性を分離することで、モデルチェックや形式的検証手法を分散オブジェクトに適用可能になる。