[論文レビュー] Flexible Paxos: Quorum intersection revisited

Heidi Howard, Dahlia Malkhi+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2016

Distributed systems and fault tolerance参考文献 27被引用数 47

ひとこと要約

この論文は、同じフェーズ内でのクォーラムが交差する必要がないように緩和した、Paxos共識アルゴリズムの一般化であるFlexible Paxos (FPaxos) を導入する。これにより、フェーズ1とフェーズ2のクォーラムが非交差であっても、フェーズ間で交差する限り、安全を保証しつつ、性能と可用性のトレードオフを改善できる。主な貢献は、この緩和が、レイテンシとスループットを向上させるために第二フェーズのクォーラムサイズを小さくできるようにし、安全を保つために注意深くクォーラム設計を行うことで実現されることである。

ABSTRACT

Distributed consensus is integral to modern distributed systems. The widely adopted Paxos algorithm uses two phases, each requiring majority agreement, to reliably reach consensus. In this paper, we demonstrate that Paxos, which lies at the foundation of many production systems, is conservative. Specifically, we observe that each of the phases of Paxos may use non-intersecting quorums. Majority quorums are not necessary as intersection is required only across phases. Using this weakening of the requirements made in the original formulation, we propose Flexible Paxos, which generalizes over the Paxos algorithm to provide flexible quorums. We show that Flexible Paxos is safe, efficient and easy to utilize in existing distributed systems. We conclude by discussing the wide reaching implications of this result. Examples include improved availability from reducing the size of second phase quorums by one when the number of acceptors is even and utilizing small disjoint phase-2 quorums to speed up the steady-state.

研究の動機と目的

• 伝統的なPaxosが、安全に必要な場合でさえも、各フェーズ内でクォーラムが交差する必要があるという保守的な制約を緩和すること。
• クォーラムの交差はフェーズ間でのみ必要であり、フェーズ内では不要であることを示し、Paxosにおける長年の仮定を緩和すること。
• 第二フェーズのクォーラムを小さく、非交差にすることで、レイテンシとネットワーク負荷を低減し、分散システムにおける実用的な性能向上を実現すること。
• 安全で効率的かつ後方互換性を持つPaxosの一般化を提供し、既存システムへの段階的導入を可能にすること。
• 動的かつ柔軟なクォーラム選択を通じて、グリッドクォーラムやシンプルクォーラムシステムを含む、新たなシステム設計の機会を模索すること。

提案手法

• フェーズ1とフェーズ2のクォーラム間でのみ交差が必要であり、各フェーズ内では不要であるという条件で、Paxosの一般化としてFlexible Paxos (FPaxos) を提唱すること。
• フェーズ1とフェーズ2のクォーラムが非交差であっても、フェーズ間で交差することで安全を保証するクォーラムシステムを定義すること。
• 第二フェーズのクォーラムサイズを小さくする代わりに第一フェーズのクォーラムサイズを増やす「シンプルクォーラム」の概念を導入し、定常状態でのレイテンシを低減すること。
• TLA+を用いた形式仕様とモデル検査により、新しいクォーラム交差ルール下でのFPaxosの安全を検証すること。
• 実際のワークロードにおける実用的利点を示すために、FPaxosのナイーブな実装を設計・評価すること。
• システム状態や障害耐性の要件に応じてクォーラムサイズを動的に変更する戦略を提案すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じフェーズ内でのクォーラムが非交差であっても、異なるフェーズのクォーラムが交差する限り、Paxosの安全性が保たれるか？
• RQ2 共識プロトコルにおいて第二フェーズのクォーラムサイズを小さくした場合、どのような性能と可用性のトレードオフが生じるか？
• RQ3 分散共識において、障害耐性と安全性を維持しながら、クォーラムサイズを最小限に抑えるクォーラムシステムはどのように設計できるか？
• RQ4 既存のPaxosベースのシステムは、安全性を損なわずに、FPaxosをどの程度拡張して定常状態での性能を向上できるか？
• RQ5 動的クォーラム選択戦略を用いることで、生産環境システムにおける可用性と性能のバランスをどの程度改善できるか？

主な発見

• TLA+によるモデル検査を用いた形式的証明により、FPaxosが安全であることが確認され、クォーラムの交差はフェーズ間でのみ必要であり、フェーズ内では不要であることが示された。
• 10ノードのシステムでは、FPaxosにより第二フェーズのクォーラムサイズをわずか3ノードにまで小さくでき、レイテンシとスループットが向上するが、リーダー回復時には第一フェーズに8ノードが必要となる。
• アクセプタ数が偶数の場合、FPaxosは従来のPaxosと比較して第二フェーズのクォーラムサイズを1つ小さくでき、障害耐性を増加させることなく性能を向上できる。
• グリッドクォーラムシステムを用いることで、両フェーズのクォーラムサイズを小さくでき、障害耐性と安全性を維持しながらより小さなクォーラムを実現できる。
• 非交差な第二フェーズクォーラムの使用により、参加者の効率的利用とネットワーク負荷の低減が可能となり、定常状態でのスループットが向上する。
• 提案された一般化は、既存のPaxos変種と直交しており、生産環境システムに統合することでさらなる性能向上とスケーラビリティ向上が可能である。