[논문 리뷰] Efficient and Modular Consensus-Free Reconfiguration for Fault-Tolerant Storage

Eduardo Alchieri, Alysson Bessani외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 18.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 뷰 생성기(visual generators)를 사용하여 읽기/쓰기 작업과 재구성 프로토콜을 분리함으로써 공인 없이도 동적 장애 내성 스토리지에 적합한 모듈러 프레임워크인 FREESTORE를 제안한다. 이는 이전 연구 대비 읽기/쓰기 작업에서 최대 66% 감소한 통신 단계와 재구성에서 최대 90% 감소한 통신 단계를 달성하면서도 이국적 환경에서도 정확성을 유지한다.

ABSTRACT

Quorum systems are useful tools for implementing consistent and available storage in the presence of failures. These systems usually comprise a static set of servers that provide a fault-tolerant read/write register accessed by a set of clients. We consider a dynamic variant of these systems and propose FreeStore, a set of fault-tolerant protocols that emulates a register in dynamic asynchronous systems in which processes are able to join/leave the servers set during the execution. These protocols use a new abstraction called view generators, that captures the agreement requirements of reconfiguration and can be implemented in different system models with different properties. Particularly interesting, we present a reconfiguration protocol that is modular, efficient, consensus-free and loosely coupled with read/write protocols, improving the overall system performance.

연구 동기 및 목표

• 재구성과 읽기/쓰기 작업이 밀접하게 연결되어 있는 동적 쿼럼 기반 스토리지 시스템에서 발생하는 성능 저하 문제를 해결한다.
• 비용이 많이 들고 이국적 환경에서 해결할 수 없는 공인 기반 재구성 프로토콜의 한계를 극복한다.
• 재구성 프로토콜을 읽기/쓰기 프로토콜에서 분리하여 기존 정적 스토리지 프로토콜의 재사용과 시스템의 모듈성 향상을 가능하게 한다.
• 효율적이고 공인 없이도 동작하는 재구성 프로토콜을 설계하여 동적 환경에서의 통신 오버헤드를 줄인다.
• 뷰 생성기를 통해 동적 스토리지 시스템에서 합의 로직을 모듈화하는 추상화를 도입함으로써 탄력적이고 조합 가능한 시스템 설계를 가능하게 한다.

제안 방법

• 재구성의 합의 요구사항을 포괄하는 추상화로 뷰 생성기를 도입하여 읽기/쓰기 로직에서 이를 분리한다.
• 두 가지 뷰 생성기 유형을 구현: 공인 기반(P)과 공인 없음(L)으로, 다양한 시스템 모델에 유연하게 적용 가능하도록 한다.
• 서버 구성 전환을 관리하기 위해 동적 뷰 그래프를 사용하여 재구성 중에도 일관성을 유지한다.
• 모든 읽기/쓰기 작업을 최신 설치된 뷰로 직접 지정함으로써 보조적 또는 확립되지 않은 뷰를 거치지 않도록 한다.
• 읽기/쓰기 작업 중에 다중 SWMR 레지스터에 접근하는 대신 국소적 뷰 검사를 요구하여 통신 비용을 최소화한다.
• 재구성 과정을 최적화하여 통신 단계 수를 줄임: 공인 없음 유형(L)의 경우 최선의 경우 4단계이며, DynaStore의 18|v|+5에 비해 현저히 감소한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정확성과 효율성을 유지하면서도 공인 없이도 장애 내성 스토리지의 재구성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 읽기/쓰기 작업을 재구성 프로토콜에서 분리하여 모듈성과 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 공인 없음 재구성의 성능 영향은 최선 및 최악의 경우에서 공인 기반 접근 방식과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 뷰 생성기가 동적 스토리지 시스템에서 합의 로직을 모듈화하는 조합 가능한 추상화로 기능할 수 있는가?
• RQ5 보조 데이터 구조에 의존하지 않고도 재구성 중에도 정적 프로토콜과 유사한 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 공인 없음 유형(FREESTORE with L)은 재구성에 대해 최선의 경우 단 4단계의 통신 단계만 필요하며, DynaStore(23단계)와 기타 공인 없음 프로토콜보다 거의 한 단계 높은 성능을 보인다.
• 최악의 경우 FREESTORE with L은 7|v| − 2v.q − 1단계를 요구하며, 이는 DynaStore의 18|v| + 5단계보다 현저히 적다.
• FREESTORE의 읽기/쓰기 작업은 최대 4/6단계의 통신 단계를 요구하며, 오래된 뷰를 사용할 경우 쓰기 작업에선 6단계로, DynaStore 및 SpSn 대비 오버헤드를 최대 66%까지 감소시킨다.
• 재구성 없이 존재할 경우 FREESTORE는 정적 프로토콜(예: ABD)과 동일한 성능을 달성하여 안정된 기간 동안 최적의 효율성을 확보한다.
• 공인 기반 유형(P)은 최선 및 최악의 경우 모두 5단계의 통신 단계로 줄여 RAMBO(7단계)보다 2단계 우수하다.
• 뷰 생성기의 사용은 재구성 프로토콜과 r/w 프로토콜 간 완전한 분리를 가능하게 하여, ABD와 같은 기존 정적 프로토콜을 수정 없이 재사용할 수 있도록 한다.