[논문 리뷰] Brief Announcement: Update Consistency in Partitionable Systems

Matthieu Perrin, Achour Mostéfaoui외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 09.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 분할 가능한 분산 시스템을 위한 새로운 일致성 기준인 업데이트 일치성(UC)을 제안한다. UC는 각 프로세스의 순차적 순서를 유지하면서 업데이트의 총순서(total ordering)로부터 유도된 상태로 복제본이 수렴하도록 보장한다. UC는 최종 일치성보다 엄격히 강력하며, 모든 곳에서 구현 가능하므로 순차적 사양과 업데이트의 총순서를 통해 모듈형, 조합형, 공식적으로 검증 가능한 분산 객체 구현이 가능하다.

ABSTRACT

Data replication is essential to ensure reliability, availability and fault-tolerance of massive distributed applications over large scale systems such as the Internet. However, these systems are prone to partitioning, which by Brewer's CAP theorem [1] makes it impossible to use a strong consistency criterion like atomicity. Eventual consistency [2] guaranties that all replicas eventually converge to a common state when the participants stop updating. However, it fails to fully specify shared objects and requires additional non-intuitive and error-prone distributed specification techniques, that must take into account all possible concurrent histories of updates to specify this common state [3]. This approach, that can lead to specifications as complicated as the implementations themselves, is limited by a more serious issue. The concurrent specification of objects uses the notion of concurrent events. In message-passing systems, two events are concurrent if they are enforced by different processes and each process enforced its event before it received the notification message from the other process. In other words, the notion of concurrency depends on the implementation of the object, not on its specification. Consequently, the final user may not know if two events are concurrent without explicitly tracking the messages exchanged by the processes. A specification should be independent of the system on which it is implemented. We believe that an object should be totally specified by two facets: its abstract data type, that characterizes its sequential executions, and a consistency criterion, that defines how it is supposed to behave in a distributed environment. Not only sequential specification helps repeal the problem of intention, it also allows to use the well studied and understood notions of languages and automata. This makes possible to apply all the tools developed for sequential systems, from their simple definition using structures and classes to the most advanced techniques like model checking and formal verification. Eventual consistency (EC) imposes no constraint on the convergent state, that very few depends on the sequential specification. For example, an implementation that ignores all the updates is eventually consistent, as all replicas converge to the initial state. We propose a new consistency criterion, update consistency (UC), in which the convergent state must be obtained by a total ordering of the updates, that contains the sequential order of each

연구 동기 및 목표

• 분할 가능한 시스템에서 공유 객체를 명세화하는 데 있어 최종 일치성의 한계를 해결하기 위해.
• 메시지 전달 동시성과 같은 구현 세부 사항에 종속되지 않는 일치성 기준을 제공하기 위해.
• 시스템 수준의 동시성과 분리함으로써 공식적 검증 및 모델 체킹을 가능하게 하기 위해.
• 모듈형 프로그래밍을 지원하는 보편적이고 조합 가능한 일치성 모델을 제안하기 위해.
• 동시 명세의 복잡성을 줄이기 위해 순차적 명세와 총 업데이트 순서에 기반하기 위해.

제안 방법

• 모든 복제본이 각 프로세스의 로컬 순서를 존중하는 업데이트의 총순서로부터 파생된 상태로 수렴하도록 요구하는 일치성 기준으로 업데이트 일치성(UC)을 정의한다.
• Lamport 타임스탬프와 프로세스 ID를 조합하여 업데이트에 대한 결정적 총순서를 구성함으로써 복제본 간의 일致를 확보한다.
• 총순서에 따라 업데이트를 재생함으로써 이력 기록을 후행적으로 재구성하여 일致한 상태 수렴을 달성한다.
• 객체 사양을 추상 자료형(순차적 동작)과 일치성 기준(분산 동작)으로 분리하여 공식적 검증을 가능하게 한다.
• 총순서 기반 메커니즘을 사용하여 분할 가능한 시스템에서 임의의 크래시 장애가 발생하더라도 어떤 객체도 UC로 구현 가능하다는 것을 증명함으로써 UC의 보편성을 입증한다.
• 책임 분리를 활용하여 자동 컴파일과 분산 명세의 조합 가능성을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 메시지 전달 동시성과 시스템 수준의 구현 세부 사항에 종속되지 않는 일치성 기준을 정의할 수 있는가?
• RQ2 순차적 의미론과 일치성 기준만을 사용하여 분산 객체를 어떻게 명세화하고 검증할 수 있는가?
• RQ3 최종 일치성보다 강력하면서도 예측 가능한 상태로 수렴을 보장하는 일치성 기준이 존재하는가?
• RQ4 분할 가능한 시스템에서 임의의 크래시 장애가 발생하더라도 어떤 객체도 업데이트 일치성 하에 구현할 수 있는 보편적 구성법을 개발할 수 있는가?
• RQ5 업데이트 일치성이 분산 시스템에서 조합 가능성을 보장하여 복잡한 조합적 구현 기법의 필요성을 대체할 수 있는가?

주요 결과

• 업데이트 일치성(UC)은 최종 일치성(EC)보다 엄격히 강력하며, 각 프로세스의 로컬 순서를 존중하는 업데이트의 총순서로부터 파생된 상태로 수렴함을 보장한다.
• 이력이 업데이트 일치성일 조건은, 그림 1(c)에서 보여지듯이 삭제가 삽입 이후에 나타나지 않도록 선형화될 수 있을 때에만 성립한다.
• 논문은 분할 가능한 시스템에서 임의의 크래시 장애가 발생하더라도 모든 객체가 업데이트 일치성으로 구현 가능하다는 것을 증명함으로써 UC가 보편 일치성 기준임을 입증한다.
• Lamport 타임스탬프와 프로세스 ID의 사용은 업데이트에 대한 결정적 총순서를 가능하게 하며, 이는 복제본 간에 일致한 상태를 재구성하는 데 사용될 수 있다.
• 업데이트 일치성은 실체적 실행 구현이 아닌 사양의 자동 컴파일을 가능하게 하여 조합 가능성과 순차적 사양을 통한 공식적 검증을 가능하게 한다.
• 이 접근법은 사양과 시스템 수준의 동시성 간의 분리를 통해 모델 체킹 및 공식적 검증 기법을 분산 객체에 적용할 수 있도록 한다.