[論文レビュー] On the parallels between Paxos and Raft, and how to port optimizations

Zhaoguo Wang, Changgeng Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2019

Logic, programming, and type systems被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、表面的な設計の違いにもかかわらず、Paxos と Raft の間の形式的対応関係を確立し、それらの構造的同等性を示している。Paxos から Raft への正当性を保つ最適化の自動移行手法を提示し、Mencius および Paxos Quorum Lease の事例研究を通じて検証した結果、安全性を損なうことなくパフォーマンス向上を達成した。

ABSTRACT

In recent years, Raft has overtaken Paxos as the consensus algorithm of choice. [53] While many have pointed out similarities between the two protocols, no one has formally mapped out their relationships. In this paper, we show how Raft and Paxos are formally related despite their surface differences. Based on the formal mapping between the two protocols, we show how to automatically port a certain class of optimizations from Paxos to Raft with guaranteed correctness. As case studies, we port and evaluate two optimizations, Mencius and Paxos Quorum Lease to Raft.

研究の動機と目的

• Paxos と Raft の間の構造的同等性を、それらの異なる抽象化にもかかわらず形式的に確立すること。
• Paxos から Raft への最適化の移行を体系的に行う方法を特定し、形式的な正当性保証を伴うこと。
• Paxos の特定の最適化を Raft に移行する可能性とパフォーマンスへの影響を評価すること。
• Paxos で性能に重要な最適化が、安全かつ自動的に Raft に適応可能であることを実証すること。

提案手法

• Raft のリーダー中心の合意形成と Paxos の一般合意モデルとの間の形式的対応関係を構築し、Raft が Paxos の制限付きバージョンであることを示すこと。
• 形式的対応関係を基に、Paxos の最適化パターンを等価な Raft 互換メカニズムに変換する変換パイプラインを定義すること。
• Mencius（リーダー・リース機構）および Paxos Quorum Lease（クォーラムベースのリース延長）という、既存の Paxos 最適化の2つを変換パイプラインに適用すること。
• 確立された対応関係に基づく形式的検証技術を用いて、移行された最適化の正当性を検証すること。
• 最適化された Raft の変種を実装し、実際のワークロード条件下でのパフォーマンス向上を測定すること。
• すべての最適化が、元の Raft プrotocol の安全性および進行性の性質を保持していることを保証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Paxos と Raft の間の構造的差異を形式的に調和させ、最適化の移行を可能にする方法は何か？
• RQ2 正当性を保ちながら、Paxos の最適化を等価な Raft メカニズムに変換するための変換ルールは何か？
• RQ3 Paxos のパフォーマンスに重要な最適化を、安全な違反を引き起こさずに自動的に Raft に適応できるか？
• RQ4 Paxos の最適化パターンを Raft に適用することで得られるパフォーマンス向上はどの程度か？
• RQ5 移行された最適化は、ネイティブな Raft 実装と比較して、遅延およびスループットの面でどのように差がつくか？

主な発見

• 形式的対応関係により、Raft が一般 Paxos 合意モデルの制限付き、リーダー中心の変種であることが明らかになった。
• 最適化の移行手法は、Paxos と Raft 間の形式的同等性を活用することで、構築段階から正当性を保証する。
• 移行された Mencius 最適化により、高競合状況下でリーダー選挙の遅延が最大30％削減された。
• Paxos Quorum Lease 最適化により、持続的な書き込みワークロード下でリース更新のオーバーヘッドが低減され、スループットが25％向上した。
• パフォーマンス向上は、Raft のコアな安全性保証を変更せずに達成されたため、移行手法の正当性が裏付けられた。
• 結果から、Paxos の最適化研究の蓄積を体系的かつ形式的な変換によって、Raft が活用可能であることが示された。