[논문 리뷰] A Coded Shared Atomic Memory Algorithm for Message Passing Architectures

Viveck R. Cadambe, Nancy Lynch외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 15.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 25인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 메시지 전달 분산 시스템에서 통신 비용을 줄이기 위해 에러 복구 코드를 사용하여 원자적 공유 메모리의 에뮬레이션을 수행하는 Coded Atomic Storage (CAS)를 제안한다. CAS는 $N$台의 서버와 $f$건의 장애가 있는 환경에서 통신 비용 $rac{N}{N-2f}$을 달성하며, CASGC는 쓰레기 수거를 통해 유한한 저장 비용을 제공한다. CCOAS 변형은 통신 비용을 $rac{N}{N-f}$로 최적화하지만, 강력한 채널 신뢰성 가정에 의존한다.

ABSTRACT

This paper considers the communication and storage costs of emulating atomic (linearizable) multi-writer multi-reader shared memory in distributed message-passing systems. The paper contains three main contributions: (1) We present a atomic shared-memory emulation algorithm that we call Coded Atomic Storage (CAS). This algorithm uses erasure coding methods. In a storage system with $N$ servers that is resilient to $f$ server failures, we show that the communication cost of CAS is $\frac{N}{N-2f}$. The storage cost of CAS is unbounded. (2) We present a modification of the CAS algorithm known as CAS with Garbage Collection (CASGC). The CASGC algorithm is parametrized by an integer $δ$ and has a bounded storage cost. We show that in every execution where the number of write operations that are concurrent with a read operation is no bigger than $δ$, the CASGC algorithm with parameter $δ$ satisfies atomicity and liveness. We explicitly characterize the storage cost of CASGC, and show that it has the same communication cost as CAS. (3) We describe an algorithm known as the Communication Cost Optimal Atomic Storage (CCOAS) algorithm that achieves a smaller communication cost than CAS and CASGC. In particular, CCOAS incurs read and write communication costs of $\frac{N}{N-f}$ measured in terms of number of object values. We also discuss drawbacks of CCOAS as compared with CAS and CASGC.

연구 동기 및 목표

• 메시지 전달 분산 시스템에서 원자적 공유 메모리의 에뮬레이션 시 통신 비용과 저장 비용을 줄이기 위해.
• ABD 및 LDR와 같은 복제 기반 알고리즘의 높은 통신 오버헤드를 줄이기 위해 에러 복구 코드를 사용하기 위해.
• 장애 조건 하에서도 원자성과 활성 유지 보장을 유지하면서 저장 비용이 유한한 코딩 메모리의 변형을 설계하기 위해.
• 장애 모델 하에서 정확성과 활성 보장을 확보하면서 통신 비용을 분석하고 최적화하기 위해.
• 코딩 메모리 시스템에서 통신 효율성, 저장 비용, 채널 신뢰성 가정 간의 트레이드오프를 규명하기 위해.

제안 방법

• 데이터 객체의 코딩된 요소를 전체 복제체가 아닌 $N$개의 서버에 분산 저장하기 위해 에러 복구 코드를 사용한다.
• 쓰기 및 읽기 작업이 일致성을 보장하기 위해 사전 쓰기 메시지와 최종화 메시지를 통해 조율하는 쿼orum 기반 프로토콜을 적용한다.
• 오래된 코딩된 요소를 제거하기 위해 쓰레기 수거를 적용하여 저장 비용이 유한해지는 CASGC를 도입한다.
• CCOAS에서 $(N, N-f)$ 최대 거리 분리(MDS) 코드를 사용하여 읽기 시 필요한 코딩된 요소를 $N-f$개로 최소화함으로써 통신 비용을 최소화한다.
• 활성 보장을 위해 신뢰할 수 있는 메시지 채널을 가정하며, 쓰기 종료 후에도 사전 쓰기 메시지가 최종적으로 전달된다고 가정한다.
• 각 서버가 최종화 메시지에 대해 코딩된 요소를 응답함으로써, 독자들이 $N-f$개의 응답에서 값을 재구성할 수 있도록 서버 측 프로토콜을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복제 기반 접근 방식과 비교해 복구 코드가 원자적 공유 메모리 에뮬레이션에서 통신 비용을 줄일 수 있는가?
• RQ2 서버 $f$건의 장애가 발생하는 조건에서 코딩된 원자적 메모리 시스템에서 달성 가능한 최소 통신 비용은 얼마인가?
• RQ3 원자성 또는 활성 보장을 희생시키지 않고 코딩 메모리 시스템에서 저장 비용을 유한하게 유지할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 코딩 메모리 프로토콜에서 통신 효율성과 채널 신뢰성 가정 간의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 코드 구성 최적화 및 운영 조율을 통해 통신 비용을 추가로 줄일 수 있는가?

주요 결과

• CAS는 ABD 및 LDR와 같은 복제 기반 기법보다 낮은 통신 비용 $rac{N}{N-2f}$을 달성한다.
• CAS는 최신 버전의 모든 코딩된 요소를 서버가 유지하기 때문에 저장 비용이 유한하지 않다.
• CASGC는 오래된 코딩된 요소를 쓰레기 수거함으로써 저장 비용을 유한하게 유지하며, 이 저장 비용은 매개변수 $ olimits$에 명시적으로 의존한다.
• CCOAS는 통신 비용을 $rac{N}{N-f}$로 줄여, 코딩 메모리 알고리즘 중에서 알려진 바 가장 낮은 통신 비용을 달성한다.
• CCOAS는 강력한 채널 신뢰성 가정에 의존한다—특히 쓰기 작업 종료 후에도 사전 쓰기 메시지가 전달된다고 가정한다—이로 인해 실질적으로 낮은 내구성을 가진다.
• CAS와 CASGC는 이 가정에 의존하지 않기 때문에, CCOAS보다 손실이 많은 채널 환경에서 더 강건하다.