[논문 리뷰] Bipartisan Paxos: A Modular State Machine Replication Protocol

Michael Whittaker, Neil Giridharan외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 29.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

Bipartisan Paxos (BPaxos)는 고성능 요소인 리더와 프로포저의 독립적 확장이 가능한 모듈식 다중 리더 상태 기계 복제 프로토콜이다. 프로토콜 구성 요소를 분리함으로써, EPaxos의 약 두 배 수준의 최고 성능를 달성하면서도 모듈식 정확성 증명을 통해 프로토콜의 단순성을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

There is no shortage of state machine replication protocols. From Generalized Paxos to EPaxos, a huge number of replication protocols have been proposed that achieve high throughput and low latency. However, these protocols all have two problems. First, they do not scale. Many protocols actually slow down when you scale them, instead of speeding up. For example, increasing the number of MultiPaxos acceptors increases quorum sizes and slows down the protocol. Second, they are too complicated. This is not a secret; state machine replication is notoriously difficult to understand. In this paper, we tackle both problems with a single solution: modularity. We present Bipartisan Paxos (BPaxos), a modular state machine replication protocol. Modularity yields high throughput via scaling. We note that while many replication protocol components do not scale, some do. By modularizing BPaxos, we are able to disentangle the two and scale the bottleneck components to increase the protocol's throughput. Modularity also yields simplicity. BPaxos is divided into a number of independent modules that can be understood and proven correct in isolation.

연구 동기 및 목표

• 기존의 MultiPaxos나 EPaxos와 같은 상태 기계 복제 프로토콜에 내재된 확장성과 복잡성 문제를 해결하기 위해.
• 특히 리더와 프로포저와 같이 고성능이지만 간단히 병렬화 가능한 요소들을 독립적으로 확장함으로써 고성능을 달성하기 위해.
• 시스템을 독립적이고 정확성 증명이 가능한 모듈로 분해함으로써 프로토콜의 이해 가능성 향상.
• 모듈성 덕분에 단단히 결합된 프로토콜들(예: EPaxos, GPaxos)에 비해 성능 확장성과 구현 복잡성 감소를 동시에 달성할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 리더, 프로포저, 어셉터, 레플리카, 그리고 의존성 서비스로 구성된 상태 기계 복제 프로토콜을 모듈식 구성 요소로 분해하기.
• 안전성 성질을 그대로 물려받기 위해 Paxos를 블랙박스 공산 모듈로 사용하여 공산 로직을 재구현하지 않기.
• 리더와 프로포저의 수평적 독립 확장을 가능하게 하여, 이들이 주요 성능 병목이 되는 문제를 해결하기.
• 리더와 프로포저를 통해 오버헤드를 분산시키기 위해 클라이언트 명령어를 단일 정점으로 묶는 배치 처리 활용하기.
• 레플리카가 더 작은 배치된 그래프를 처리하도록 프로토콜 설계하여, 위상 정렬 시간을 단축하고 실행 효율성을 향상시키기.
• 구성 요소를 분리함으로써 독립적 배포와 확장을 가능하게 하여, EPaxos와 같은 단일 설계의 성능 병목을 피하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상태 기계 복제 프로토콜에서 모듈성이 고성능 구성 요소의 독립적 확장이 가능하게 하되 정확성에 영향을 주지 않는가?
• RQ2 단단히 결합된 프로토콜들(예: EPaxos, GPaxos)에 비해 모듈적 분해가 프로토콜의 복잡성에 상당한 감소 효과를 미치는가?
• RQ3 모듈적 프로토콜이 고성능 구성 요소 배포를 통해 EPaxos 수준의 최첨단 프로토콜보다 더 높은 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 배치 처리가 모듈적 설계와 어떻게 상호작용하여 성능 향상과 지연 감소에 기여하는가?
• RQ5 Paxos와 같은 잘 알려진 프로토콜을 모듈식 구성 요소로 재사용하여 안전성을 보장하고 검증을 단순화할 수 있는가?

주요 결과

• BPaxos는 리더와 프로포저를 독립적으로 확장함으로써 EPaxos의 약 두 배 수준의 최고 성능를 달성한다.
• 배치 크기가 1000일 경우, BPaxos는 최적 조건에서 약 500,000 commands per second의 최고 성능와 약 200 ms의 중앙값 지연 시간을 기록한다.
• 모듈식 설계 덕분에 공산 모듈, 의존성 서비스, 레플리카와 같은 각 구성 요소를 별도로 이해하고 검증할 수 있어 프로토콜의 유지보수성과 정확성이 향상된다.
• BPaxos는 단일 리더 아키텍처로 인해 성능이 제한되는 MultiPaxos나 Raft보다 다중 리더 아키텍처 덕분에 단일 리더 병목을 제거함으로써 뛰어난 성능을 보인다.
• 프로토콜의 분리된 설계 덕분에 효율적인 배치 처리가 가능해져 오버헤드가 리더와 프로포저에 걸쳐 분산되며, 더 적은 수의 더 큰 정점 덕분에 레플리카 그래프 처리 속도가 빨라진다.
• BPaxos는 EPaxos나 Caesar에서 볼 수 있는 빠른 경로 최적화 기법의 복잡성을 피함으로써, 6년이 지난 후에 발견된 EPaxos 공산 구현의 미묘한 버그와 같은 위험을 줄였다.