[論文レビュー] Efficient and Modular Consensus-Free Reconfiguration for Fault-Tolerant Storage

Eduardo Alchieri, Alysson Bessani+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2016

Distributed systems and fault tolerance参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、再構成プロトコルから読み取り/書き込み操作を分離するためにビュー生成子を用いる、コンSENSUSフリーでモジュラーな動的故障耐性ストレージのフレームワークFREESTOREを提案する。非同期システムにおいても正しさを保ちつつ、読み取り/書き込み操作において最大66%、再構成において最大90%の通信ステップを削減し、優れたパフォーマンスを達成する。

ABSTRACT

Quorum systems are useful tools for implementing consistent and available storage in the presence of failures. These systems usually comprise a static set of servers that provide a fault-tolerant read/write register accessed by a set of clients. We consider a dynamic variant of these systems and propose FreeStore, a set of fault-tolerant protocols that emulates a register in dynamic asynchronous systems in which processes are able to join/leave the servers set during the execution. These protocols use a new abstraction called view generators, that captures the agreement requirements of reconfiguration and can be implemented in different system models with different properties. Particularly interesting, we present a reconfiguration protocol that is modular, efficient, consensus-free and loosely coupled with read/write protocols, improving the overall system performance.

研究の動機と目的

• 再構成と読み取り/書き込み操作が密接に結合されている動的クorumベースのストレージシステムにおけるパフォーマンスボトルネックを解消すること。
• 非同期システムで解けない上にコストが高いため、コンセンサスベースの再構成プロトコルの制限を克服すること。
• 再構成プロトコルを読み取り/書き込みプロトコルから分離することで、既存の静的ストレージプロトコルの再利用を可能とし、システムのモularityを向上させること。
• 通信オーバーヘッドを低減する、効率的かつコンセンサスフリーな再構成プロトコルを設計すること。
• 再構成における合意ロジックをモジュラー化するための抽象化としてのビュー生成子を導入すること。

提案手法

• 再構成の合意要件を捉える抽象化としてビュー生成子を導入し、それを読み取り/書き込みロジックから分離する。
• 2種類のビュー生成子のバリエーションを実装：コンセンサスに基づく(P)とコンセンサスフリーの(L)。これにより、異なるシステムモデルに柔軟に適合できる。
• サーバー構成の遷移を管理するために動的ビューのグラフを用いる。再構成中も一貫性を保証する。
• すべての読み取り/書き込み操作を最新のインストール済みビューに直接送信し、補助的または確立されていないビューを経由するのを回避する。
• 読み取り/書き込み操作中に複数のSWMRレジスタにアクセスする代わりに、ローカルビューのチェックのみを要件とすることで、通信コストを最小化する。
• 再構成を最適化し、通信ステップ数を削減：コンセンサスフリーなバージョン(L)では最良ケースで4ステップ。これに比べ、DynaStoreは18|v|+5ステップ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 故障耐性ストレージにおける再構成をコンセンサスなしで実現可能であり、正しさと効率性を維持できるか？
• RQ2 読み取り/書き込み操作を再構成プロトコルから分離することで、モularityとパフォーマンスを向上させられるか？
• RQ3 コンセンサスフリーな再構成とコンセンサスベースのアプローチを比較した場合、最良および最悪ケースにおけるパフォーマンスへの影響は何か？
• RQ4 ビュー生成子は、動的ストレージシステムにおける合意ロジックをモジュラー化するための組み合わせ可能な抽象化として機能できるか？
• RQ5 補助データ構造に依存せずに、再構成中でさえ静的プロトコルと同等のパフォーマンスを達成できるか？

主な発見

• FREESTOREのコンセンサスフリーなバージョン（L）は、再構成において最良ケースでたった4ステップで実現可能であり、DynaStore（23ステップ）および他のコンセンサスフリーなプロトコルを約10倍の速度で上回る。
• 最悪ケースでは、FREESTORE（L）は7|v| − 2v.q − 1ステップを要するが、これに比べDynaStoreは18|v| + 5ステップを要するため、顕著に少ない。
• FREESTOREにおける読み取り/書き込み操作は、読み取りで最大4/6ステップ、書き込みで古いビューを使用する場合に6ステップで実行可能であり、DynaStoreやSpSnに比べて最大66%のオーバーヘッド削減を達成する。
• 再構成がない状態では、FREESTOREは静的プロトコル（例：ABD）と同等のパフォーマンスを発揮し、安定状態では最適な効率性を達成する。
• コンセンサスベースのバージョン（P）では、最良および最悪ケースの両方で5ステップにまで削減可能であり、RAMBO（7ステップ）を2ステップ優まさず、優れた性能を発揮する。
• ビュー生成子の使用により、再構成プロトコルとr/wプロトコルの完全な分離が実現可能となり、ABDのような既存の静的プロトコルを変更せずに再利用可能になる。