[論文レビュー] Non-Monotonic Snapshot Isolation

Masoud Saeida Ardekani, Pierre Sutra+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2013

Distributed systems and fault tolerance参考文献 15被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、非単調スナップショット隔離（NMSI）を提案する。NMSIは、スナップショット隔離（SI）の主な利点（読み取り専用トランザクションのコミット、競合する書き込みの回避）を維持しながら、分散トランザクショナルシステムにおける真正の部分複製（GPR）を可能にする一貫性モデルである。本稿では、依存ベクトルとアトミックマルチキャストを用いることで、従来の手法よりも低いメッセージコストと高速なコミットを達成するGPRプロトコル「Jessy」を提案する。これにより、非同期システムにおけるSIとGPRの併用が不可能であるという課題を克服する。

ABSTRACT

Many distributed applications require transactions. However, transactional protocols that require strong synchronization are costly in large scale environments. Two properties help with scalability of a transactional system: genuine partial replication (GPR), which leverages the intrinsic parallelism of a workload, and snapshot isolation (SI), which decreases the need for synchronization. We show that, under standard assumptions (data store accesses are not known in advance, and transactions may access arbitrary objects in the data store), it is impossible to have both SI and GPR. To circumvent this impossibility, we propose a weaker consistency criterion, called Non-monotonic Snapshot Isolation (NMSI). NMSI retains the most important properties of SI, i.e., read-only transactions always commit, and two write-conflicting updates do not both commit. We present a GPR protocol that ensures NMSI, and has lower message cost (i.e., it contacts fewer replicas and/or commits faster) than previous approaches.

研究の動機と目的

• 大規模分散トランザクショナルシステムにおける強力な同期のスケーラビリティ制限を解決すること。
• 非同期メッセージパッシングシステムにおけるスナップショット隔離（SI）と真正の部分複製（GPR）の不適合性を特定すること。
• SIの基本的特性を保持しつつGPRと互換性を持つ新しい一貫性モデル（非単調スナップショット隔離：NMSI）を設計すること。
• NMSIを保証する実用的で効率的なGPRプロトコル（Jessy）を設計すること。これにより、メッセージ複雑性を低減し、コミット時間を短縮する。

提案手法

• スナップショット隔離（SI）を4つの同等な性質に分解する：伝搬中止の回避、厳密なスナップショット、競合する書き込みの回避、スナップショットの単調性。
• 真正の部分複製を伴う非同期システムにおいて、スナップショットの単調性と厳密な一貫性が同時に達成できないことを示し、GPRとSIの不適合性を証明する。
• 単調性と厳密な一貫性を緩和することで、一貫性と競合解決の保証を維持するSIの弱化版としてNMSIを提案する。
• 依存ベクトル（バージョンベクトルの一種）を用いて、非同期的に一貫性のある部分スナップショットを計算するGPRプロトコル「Jessy」を設計する。
• コミット調整に1つのアトミックマルチキャストを用いることで、複数段階のプロトコルに比べて通信オーバーヘッドを低減する。
• Jessyのメッセージ複雑性（$O(w_r^2)$）とレイテンシを、従来のプロトコルと分析・比較し、リモート読み取り/書き込みおよびコミットフェーズの両方で改善を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な非同期メッセージパッシング仮定下で、真正の部分複製（GPR）システムにおいてスナップショット隔離（SI）を達成できるか？
• RQ2 分散システムにおけるSIとGPRの根本的な不適合性は何か？
• RQ3 SIより弱いが、その主な利点を保持しつつGPRと互換性を持つ一貫性モデルは存在するか？
• RQ4 既存の手法よりも低いメッセージコストと高速なコミットを実現しつつ、強い一貫性保証を維持できるGPRプロトコルを設計できるか？
• RQ5 グローバルなコンセンサスや完全な複製を必要とせずに、分散システムで効率的に一貫性のある部分スナップショットを計算する方法は何か？

主な発見

• 非同期メッセージパッシングシステムにおいて、SIとGPRは根本的に不適合であり、真正の部分複製下ではスナップショットの単調性と厳密な一貫性を保証できない。
• NMSIはSIの代替として実用的であり、読み取り専用トランザクションのコミットと競合する書き込みの回避を維持しながら、単調性と厳密な一貫性を緩和する。
• 提案されたプロトコル「Jessy」は、P-Store や GMU といった従来のGPRプロトコル（$O(n^2)$の複雑性）よりも低いメッセージ複雑性（$O(w_r^2)$）を達成する。
• 更新トランザクションの調整に1つのアトミックマルチキャストを用いることで、Jessyは複数段階のコンセンサスやロックに依存するプロトコルよりもコミットレイテンシを低減する。
• SIPRe や Serrano と比較して、Jessyは開始時ブロードキャストやダミートランザクションの必要性を排除することで、読み取り専用トランザクションのメッセージコストを削減する。
• ローカルおよびグローバルな更新シナリオにおいて、リモート読み取りのレイテンシが低く、更新トランザクションのコミットが高速であることが実証された。