[論文レビュー] Leaderless State-Machine Replication: Specification, Properties, Limits

Tuanir França Rezende, Pierre Sutra|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 18被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、リーダーレス状態機械再現（SMR）の形式的枠組みを導入し、最適遅延および負荷分散を達成するプロトコルにおける、パフォーマンスと信頼性の根本的トレードオフを特定する。R ́OLL最適プロトコル—信頼性、最適遅延、負荷分散を満たすもの—は、不等式 2F + f − 1 ≤ n を満たす必要があることが証明され、これは尾遅延を増加させるチェーン化効果を必然的に引き起こす。これは、EPaxos などのシステムで観察されたパフォーマンス劣化を説明する。

ABSTRACT

Modern Internet services commonly replicate critical data across several geographical locations using state-machine replication (SMR). Due to their reliance on a leader replica, classical SMR protocols offer limited scalability and availability in this setting. To solve this problem, recent protocols follow instead a leaderless approach, in which each replica is able to make progress using a quorum of its peers. In this paper, we study this new emerging class of SMR protocols and states some of their limits. We first propose a framework that captures the essence of leaderless state-machine replication (Leaderless SMR). Then, we introduce a set of desirable properties for these protocols: (R)eliability, (O)ptimal (L)atency and (L)oad Balancing. We show that protocols matching all of the ROLL properties are subject to a trade-off between performance and reliability. We also establish a lower bound on the message delay to execute a command in protocols optimal for the ROLL properties. This lower bound explains the persistent chaining effect observed in experimental results.

研究の動機と目的

• リーダーレス状態機械再現（SMR）プロトコルの設計および動作を形式化すること、これにより地理的に分散されたシステムにおけるリーダーのボトルネックを回避する。
• リーダーレス SMR プロトコルに望ましい特性—信頼性、最適遅延、負荷分散（ROLL）—を特定および定義すること。
• ROLL を達成するプロトコルにおけるパフォーマンスと障害耐性の間の本質的トレードオフを分析すること。
• 実験結果で観察された継続的チェーン化効果を、メッセージ遅延の形式的下界を用いて説明すること。

提案手法

• リーダーレス SMR を二つのコアコンponentに分解するモジュラー枠組みを提案：依存関係発見サービス（DDS）とコンセンサスサービス。
• 競合が存在しない場合に低遅延実行を可能にする「ファストパス・クorum」（サイズ n − F）の概念を導入する。
• ROLL 特性を形式的な望ましいプロトコル特性の集合として定義：信頼性、最適遅延、負荷分散。
• ROLL 定理を導出：2F + f − 1 ≤ n であり、これはすべての ROLL 特性を達成するための必要条件を確立する。
• ROLL 定理の結果として生じるチェーン化効果を分析し、競合状況における尾遅延の増加を示す。
• メッセージ遅延とクォーラム制約の形式的モデルを用いて、ROLL 最適プロトコルにおけるコマンド実行時間の下界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高品質なリーダーレス SMR プロトコルを特徴づける形式的性質は何であり、それらは体系的にどのように特徴付けられるか？
• RQ2 リーダーレス SMR において、信頼性、最適遅延、負荷分散を同時に達成することは可能か？ もしそうなら、どのような制約下で可能か？
• RQ3 リーダーレス SMR プロトコルが ROLL 特性を満たす場合、そのパフォーマンスを制限する根本的トレードオフは何か？
• RQ4 EPaxos のようなプロトコルが、競合率が上昇する際に高い尾遅延を示すのはなぜか？ これは形式的に説明可能か？
• RQ5 ROLL 最適リーダーレス SMR プロトコルにおけるメッセージ遅延の理論的下限は何か？

主な発見

• ROLL 定理は、信頼性、最適遅延、負荷分散を達成する任意のリーダーレス SMR プロトコルが、n（レプリカ総数）、f（耐えられる最大障害数）、F（ファストパス・クォーラムサイズ）を用いて不等式 2F + f − 1 ≤ n を満たす必要があることを確立する。
• ROLL 最適プロトコル—すなわち、ROLL 定理下で F および f を改善できないプロトコル—は、必然的に尾遅延を増加させるチェーン化効果を被る。
• チェーン化効果は、競合するコマンドがネットワーク遅延がなくても、依存関係の鎖を通じて逐次的に順序付けられることに起因する。
• ROLL 最適プロトコルにおけるメッセージ遅延の理論的下限は、最悪ケースで4つのメッセージ遅延であり、これは高競合率下での EPaxos の観察結果と一致する。
• EPaxos における競合率の上昇に伴うパフォーマンス劣化は、ネットワーク遅延の単独の要因ではなく、このチェーン化効果に起因する。
• ROLL 特性を達成しない Mencius は、このチェーン化効果を回避し、理論と一致する低い尾遅延を示す。