[논문 리뷰] Exploiting Commutativity For Practical Fast Replication

Seo Jin Park, John K. Ousterhout|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 26.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 CURP를 제안하며, 교환법칙을 활용하여 1 RTT 내에 선형화 가능한 업데이트를 가능하게 하는 복제 프로토콜이다. 클라이언트는 주 서버 실행과 병행하여 워치독 복제본에 운영을 복제할 수 있다. RAMCloud에서 이는 왈지 지연을 2배 감소시키고 처리량을 4배 증가시키며, 3중 복제 시 비복제 성능 대비 단지 0.4 µs의 오버헤드만 추가한다.

ABSTRACT

Traditional approaches to replication require client requests to be ordered before making them durable by copying them to replicas. As a result, clients must wait for two round-trip times (RTTs) before updates complete. In this paper, we show that this entanglement of ordering and durability is unnecessary for strong consistency. Consistent Unordered Replication Protocol (CURP) allows clients to replicate requests that have not yet been ordered, as long as they are commutative. This strategy allows most operations to complete in 1 RTT (the same as an unreplicated system). We implemented CURP in the Redis and RAMCloud storage systems. In RAMCloud, CURP improved write latency by ~2x (13.8 us -> 7.3 us) and write throughput by 4x. Compared to unreplicated RAMCloud, CURP's latency overhead for 3-way replication is just 0.4 us (6.9 us vs 7.3 us). CURP transformed a non-durable Redis cache into a consistent and durable storage system with only a small performance overhead.

연구 동기 및 목표

• 강한 일致성의 손실 없이 일致한 스토리지 시스템에서의 복제 지연을 줄이기 위해.
• 기존의 2-RTT 프로토콜에서 뒤엉킨 순서 지정 및 내구성 단계를 분리하기 위해.
• 키-값 스토리지 및 분산 스토리지와 같이 대부분의 운영이 교환법칙을 만족하는 시스템에서 빠르고 내구성 있는 복제를 가능하게 하기 위해.
• 최소한의 성능 비용으로 로컬 일致성 읽기와 지리적 복제 일치성을 모두 지원하기 위해.

제안 방법

• 클라이언트는 주 서버에 요청을 전송하는 것과 병행하여 하나 이상의 워치독 복제본에 각 운영을 복제한다.
• 주 서버는 운영을 실행하고 클라이언트에 응답하며 전체 복제 완료를 기다리지 않으며, 내구성 확보는 워치독 복제본에 의존한다.
• 운영은 교환법칙을 만족하고 성공적으로 워치독에 의해 확인된 경우에만 내구성 있는 것으로 간주된다; 비교환법칙 운영은 여전히 2 RTT가 필요하다.
• 주 서버 장애 발생 시, 워치독 정보와 정상 복제본을 조합하여 일관된 상태를 복구한다.
• 이 프로토콜은 상태 기계 복제 및 네트워크 연결 스토리지와 같은 어떤 백업 메커니즘과도 작동하며, Raft 및 Viewstamped Replication과 같은 공의성 프로토콜과 통합된다.
• 로컬 워치독 복제본과의 교환법칙 확인을 통해 로컬 백업에서 강력한 일致성 읽기를 가능하게 하여 로컬 읽기 시 0 RTT를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 일치성을 유지하면서 복제 지연을 2 RTT에서 1 RTT로 줄일 수 있는가?
• RQ2 복제 프로토콜에서 순서 지정과 내구성 단계를 분리하기 위해 교환법칙을 활용할 수 있는가?
• RQ3 이 접근법은 RAMCloud 및 Redis와 같은 고성능 시스템에서 효율적으로 확장 가능한가?
• RQ4 성능이나 정확성의 손실 없이 주-백업 및 공의성 기반 시스템에 모두 적용 가능한가?
• RQ5 광역망 지연이 있는 지리적 복제 환경에서 이 프로토콜의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• RAMCloud에서 CURP는 왈지 지연을 13.8 µs에서 7.3 µs로 줄여 2배 향상시켰다.
• CURP는 RAMCloud에서 왈지 처리량을 3.8배 증가시켜 뚜렷한 확장성 향상을 보였다.
• 3중 복제 시, CURP는 비복제 RAMCloud(6.9 µs 대비 7.3 µs)에 비해 단지 0.4 µs의 오버헤드만 추가하였다.
• Redis에서는 CURP가 원래 비내구성 Redis와 유사한 성능을 유지하면서도 내구성 있고 일치하는 스토리지를 가능하게 하였다.
• 비동기 네트워크에서 CURP는 업데이트 운영에 대해 1 RTT 지연을 달성하였으며, 이를 실현한 최초의 프로토콜이다.
• Speculative Paxos 및 NOPaxos와 비교할 때, CURP는 오직 0.4 µs의 오버헤드만 추가하였으며, 이는 그들의 16–25 µs 오버헤드에 비해 상당히 낮은 수준이었다.