[論文レビュー] The Weakest Failure Detector for Eventual Consistency

Swan Dubois, Rachid Guerraoui+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2015

Distributed systems and fault tolerance参考文献 23被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、メッセージパッシングシステムにおける最終的整合性を実装するために必要な最小限の障害検出器を同定する：最終的リーダー障害検出器 Ω である。論文は、Ω が最終的総順序ブロードキャストおよび最終的コンセンサスの両方に対して必要かつ十分であることを証明し、強い整合性と最終的整合性の間の計算的差異は、Ω ではなく、強い整合性に追加で必要となる quorum 障害検出器 Σ に起因することを示している。この結果は、多数の正しく動作するプロセスを仮定しない環境を含め、あらゆる障害仮定に対して普遍的に成り立つ。

ABSTRACT

In its classical form, a consistent replicated service requires all replicas to witness the same evolution of the service state. Assuming a message-passing environment with a majority of correct processes, the necessary and sufficient information about failures for implementing a general state machine replication scheme ensuring consistency is captured by the Ω failure detector. This paper shows that in such a message-passing environment, Ω is also the weakest failure detector to implement an eventually consistent replicated service, where replicas are expected to agree on the evolution of the service state only after some (a priori unknown) time. In fact, we show that Ω is the weakest to implement eventual consistency in any message-passing environment, i.e., under any assumption on when and where failures might occur. Ensuring (strong) consistency in any environment requires, in addition to Ω, the quorum failure detector Σ. Our paper thus captures, for the first time, an exact computational difference be- tween building a replicated state machine that ensures consistency and one that only ensures eventual consistency.

研究の動機と目的

• 分散システムにおける最終的整合性を実装するために必要な最小限の障害検出器情報を特定すること。
• メッセージパッシング環境における強い整合性と最終的整合性の間の計算的要件を正式に区別すること。
• Ω が最終的整合性のための最小障害検出器であることを、正しく動作するプロセスが多数存在するという仮定なしに確立すること。
• 強い整合性と最終的整合性の間の唯一の差異が、quorum 障害検出器 Σ の必要性にあることを示すこと。

提案手法

• 著者らは、最終的合意が得られるメッセージ順序付けを許容する総順序ブロードキャストの一般化である最終的総順序ブロードキャスト（ETOB）の抽象化を導入する。
• 彼らは、安定化期間が有限かつ未知である間は合意が得られないが、その後に合意に至るという、コンセンサスの緩和版としての最終的コンセンサス（EC）を定義する。
• CHT 証明技法の一般化を用いて、局所的にシミュレートされた実行におけるバリエンシーを分析し、EC に対して Ω の必要性を証明する。
• ETOB と EC の同等性を証明し、ETOB が最終的整合性を実現するレプリカ状態機械を実装するために十分であることを示す。
• 線形化可能性と最終的線形化可能性を正式に比較し、Ω がメッセージパッシングシステムにおける最終的線形化可能性に対しても最小障害検出器であることを示す。
• 時間計算量のギャップを分析し、ETOB は2ステップの通信で完了するが、強い整合性は3ステップを要することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メッセージパッシングシステムにおける最終的整合性を実装するために必要な最小障害検出器は何か？
• RQ2 障害検出器要件という観点から、最終的整合性の計算コストは強い整合性と比べてどの程度か？
• RQ3 多数の正しく動作するプロセスを仮定しないシステムでも、Ω は最終的整合性に十分か？
• RQ4 障害検出の仮定という観点から、強い整合性と最終的整合性の正確な差異は何か？
• RQ5 最終的線形化可能性は、最終的整合性と同一の障害検出器で達成可能か？

主な発見

• Ω は、メッセージ順序付けに関する最終的合意を保証する最終的総順序ブロードキャスト（ETOB）を実装するために必要な最小障害検出器である。
• 論文は、Ω が最終的コンセンサス（EC）に対して必要かつ十分であることを証明しており、多数の正しく動作するプロセスを仮定しない任意の障害環境でも成り立つ。
• 強い整合性に追加で必要な唯一の障害検出器は Σ であり、これは交差するクォーラムを提供し、最終的に正しいプロセスのみを含むようになる。
• 強い整合性と最終的整合性の間の計算的ギャップは、まさに Σ によって特定される：Ω だけでは最終的整合性が達成可能であり、強い整合性には Ω+Σ が必要である。
• 通信複雑度の観点から、ETOB は2ステップのメッセージ送信で完了するが、強い整合性は3ステップを要するため、最終的整合性には1ステップの利点がある。
• 結果として、Ω がメッセージパッシングシステムにおける最終的線形化可能性に対しても最小障害検出器であることが示唆され、共有メモリモデルにおける先行研究を補完する。