[論文レビュー] GentleRain+: Making GentleRain Robust on Clock Anomalies

Mohammad Roohitavaf, Sandeep S. Kulkarni|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2016

Distributed systems and fault tolerance参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、物理時計をハイブリッド論理時計（HLC）に置き換えることで、時計の異常に対する感受性を排除する、GentleRainプロトコルの拡張版であるGentleRain+を提案する。HLCを活用することで、時計が逆走したりスケューを示しても、因果的整合性を維持でき、元のGentleRainプロトコルと比較して、書き込み遅延が低く、性能のオーバーヘッドがない。

ABSTRACT

Causal consistency is in an intermediate consistency model that can be achieved together with high availability and high performance requirements even in presence of network partitions. There are several proposals in the literature for causally consistent data stores. Thanks to the use of single scalar physical clocks, GentleRain has a throughput higher than other proposals such as COPS or Orbe. However, both of its correctness and performance relay on monotonic synchronized physical clocks. Specifically, if physical clocks go backward its correctness is violated. In addition, GentleRain is sensitive on the clock synchronization, and clock skew may slow write operations in GenlteRain. In this paper, we want to solve this issue in GenlteRain by using Hybrid Logical Clock (HLC) instead of physical clocks. Using HLC, GentleRain protocl is not sensitive on the clock skew anymore. In addition, even if clocks go backward, the correctness of the system is not violated. Furthermore, by HLC, we timestamp versions with a clock very close to the physical clocks. Thus, we can take causally consistency snapshot of the system at any give physical time. We call GentleRain protocol with HLCs GentleRain+. We have implemented GentleRain+ protocol, and have evaluated it experimentally. GentleRain+ provides faster write operations compare to GentleRain that rely solely on physical clocks to achieve causal consistency. We have also shown that using HLC instead of physical clock does not have any overhead. Thus, it makes GentleRain more robust on clock anomalies at no cost.

研究の動機と目的

• 物理時計の異常（時計の逆走やスケューなど）によるGentleRainの脆弱性を是正すること。
• GentleRainにおける時計スケューに起因する書き込み操作の遅延を解消するため、より耐障害性の高い時計メカニズムを採用すること。
• 物理時刻の任意の時点で因果的整合性のあるシステムスナップショットを効率的にサポートしつつ、低遅延と高スループットを維持すること。
• 物理時計と比較して、HLCベースのタイムスタンプ処理が追加の処理、メモリ、ストレージのオーバーヘッドを発生させないことを実証すること。
• ネットワークパーティション下で常に利用可能な因果的整合性を持つデータストアを実現するため、トラフィックの局所性が必須であることを証明すること。

提案手法

• 物理時計をハイブリッド論理時計（HLC）に置き換え、物理時刻と論理的増分を組み合わせることで、単調性と因果的順序を保証する。
• HLCタイムスタンプを用いてバージョンメタデータを割り当て、時計のずれや逆走があっても、因果的に依存する更新が正しい順序で可視化されることを保証する。
• 物理時計と同等のストレージおよびメモリ効率を維持するため、HLCのコンact表現を導入する。
• 物理時計の単調性に依存せず、HLCの性質に依存することで、書き込み処理の遅延を回避するようにロジックを変更する。
• 分散キー値ストア（MSU-DB）にGentleRain+を実装・評価し、元のGentleRainと比較してパフォーマンスと正しさを検証する。
• 不可能性結果を形式的に定式化・証明する：ネットワークパーティション下で常に利用可能な因果的整合性を持つシステムには、トラフィックの局所性が必須である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理時計が逆走したりスケューを示しても、GentleRainで因果的整合性を維持できるか？
• RQ2 物理時計をHLCに置き換えることで、時計スケューに起因する書き込み操作の遅延が解消されるか？
• RQ3 因果的整合性を持つデータストアでHLCを物理時計と比較して使用した場合のパフォーマンスオーバーヘッドはどれほどか？
• RQ4 HLCベースのバージョニングを用いて、任意の物理時刻でのシステムスナップショットを効率的にサポートできるか？
• RQ5 ネットワークパーティション下で常に利用可能な因果的整合性を持つデータストアを実現するため、トラフィックの局所性は必須条件か？

主な発見

• GentleRain+は、物理時計が逆走しても因果的整合性を維持でき、元のGentleRainプロトコルにおける重大な正しさの欠陥を是正する。
• GentleRain+における書き込み操作は、時計スケューの影響を受けることなく、応答時間が低く、より予測可能になる。
• HLCの使用は、物理時計と比較して測定可能な処理オーバーヘッドを発生させず、パフォーマンス面での変更が透明である。
• HLCベースのバージョニングにより、任意の所望する物理時刻での効率的なシステムスナップショットが可能となり、物理時計ではネイティブにサポートされない機能を実現する。
• HLCのメモリおよびストレージオーバーヘッドは、物理時計と同一である（コンact表現のおかげで）、システムリソースの肥大化を防ぐ。
• 本論文では、不可能性結果を証明している：ネットワークパーティション下で常に利用可能な因果的整合性を持つデータストアを実現するには、トラフィックの局所性が必須条件である。