[논문 리뷰] Observable atomic consistency for CvRDTs

Xin Zhao, Philipp Haller|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 26.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 충돌 없는 복제 데이터 유형(CvRDTs)을 위한 관찰 가능한 원자 일致성(OAC)을 제안하며, 공통 연산과 신뢰할 수 있는 총순서 브로드캐스트를 조합한 새로운 프로토콜(OACP)을 통해 수요에 따라 강한 일치성을 실현한다. OACP는 이전의 프로토콜(GSP 등)에 비해 조정 오버헤드와 메시지 교환을 감소시키면서도 상태 수렴과 비단조화 연산을 지원한다.

ABSTRACT

The development of distributed systems requires developers to balance the need for consistency, availability, and partition tolerance. Conflict-free replicated data types (CRDTs) are widely used in eventually consistent systems to reduce concurrency control. However, due to the lack of consistent non-monotonic operations, the usage of CRDTs can be difficult. In this paper, we propose a new consistency protocol, the observable atomic consistency protocol (OACP). OACP enables a principled relax- ation of strong consistency to improve performance in specific scenarios. OACP combines the advantages of mergeable data types, specifically, convergent replicated data types, and reliable total order broadcast to provide on-demand strong consistency. By providing observable atomic consistency, OACP avoids the anomalies of related protocols. We provide a distributed, cluster-enabled implementation of OACP based on Akka, a widely-used actor-based middleware. Our experimental evaluation shows that OACP can reduce the coordination between replicas compared to other protocols providing atomic consistency in several bench- marks. Our results also suggest that OACP gains availability through mergeable data types and provides acceptable latency for achieving strong consistency.

연구 동기 및 목표

• 비단조화 연산을 지원하지 못하는 CvRDTs의 한계를 해결하여 오래된 읽기와 복잡한 애플리케이션 로직을 방지한다.
• 강한 일치성을 원칙적으로 완화하여 분산 시스템에서 성능을 향상시키되 정확성을 훼손하지 않는다.
• 원자 연산 후 모든 레플리카가 일致적으로 수렴하는 것을 보장하는 관찰 가능한 원자 일치성 일치 모델을 설계한다.
• Akka를 사용하여 실세계 배포 환경을 위한 클러스터 기반, 액터 기반 OACP 시스템을 구현하고 평가한다.
• OACP가 GSP와 같은 기존 프로토콜에 비해 특히 공통 연산 워크로드가 높을 경우 조정과 메시지 교환을 감소시킴을 입증한다.

제안 방법

• CvRDTs에서 수요에 따라 강한 일치성을 실현할 수 있도록 하는 형식적 일치 추상화인 관찰 가능한 원자 일치성(OAC) 모델을 정의한다.
• 두 가지 연산 유형을 도입한다: 공통 연산(CvOps, 상태 기반 업데이트)과 총순서 연산(TOps, 원자 연산)으로 상태 수렴을 조율한다.
• 모든 레플리카가 TOp 실행 시 상태를 원자적으로 동기화하고 잠금을 거는 것을 보장하기 위해 관찰 가능한 원자 일치 프로토콜(OACP)을 설계한다.
• 신뢰할 수 있는 총순서 브로드캐스트(RTOB)를 사용하여 TOps의 전역 순서를 강제함으로써 모든 레플리카가 동일한 순서로 적용하도록 보장한다.
• 장애 내성과 확장성을 지원하는 분산 클러스터 기반 배포를 위해 Akka 액터 위에 OACP를 구현한다.
• 잠금 단계 동안 메시지 배치와 상태 버퍼링을 통해 오버헤드를 줄여 OACP를 O²ACP로 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CvRDTs에서 수렴성이나 일치성 보장을 훼손하지 않으면서도 비단조화 연산을 지원할 수 있는 일치 모델을 설계할 수 있는가?
• RQ2 기본적으로 최종 일치성인 시스템에서 조정 오버헤드를 최소화하면서도 수요에 따라 강한 일치성을 제공할 수 있는가?
• RQ3 메시지 교환, 지연 시간, 처리량 측면에서 OACP는 GSP와 같은 기존 프로토콜에 비해 어떤 성능 영향을 미치는가?
• RQ4 공통 연산 비율이 OACP 및 최적화된 O²ACP에서 조정 비용에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 OACP는 트위터 유사 마이크로블로깅 서비스와 같은 실세계 분산 애플리케이션에 효과적으로 배포될 수 있는가?

주요 결과

• 마이크로벤치마크에서 CvOps 비율이 0%에서 95%로 증가할 경우, OACP는 교환되는 프로토콜 메시지 수를 최대 57% 감소시켜 약 1400개에서 약 600개로 줄였다.
• 최적화된 O²ACP 버전은 다양한 워크로드에서도 메시지 수가 안정적으로 유지되어 혼합된 연산 패턴에서 OACP보다 더 뛰어난 성능 안정성을 보였다.
• OACP는 수용 가능한 지연 시간으로 강한 일치성을 달성하여 고가용성과 낮은 조정이 분산 시스템에서 공존할 수 있음을 입증했다.
• OACP를 사용하는 시스템은 상태 수렴을 보여주었으며, 이는 OAC 모델이 제안된 프로토콜 하에서 형식적으로 정확하고 일관된 것을 증명한다.
• 트위터 유사 마이크로블로깅 사례 연구에서 OACP의 최적화(O²ACP)는 조정 비용을 크게 감소시키면서도 일관성을 유지했다.
• 실험적 평가 결과, OACP는 특히 공통 연산이 풍부한 워크로드에서 처리량과 조정 효율성 측면에서 기준선 GSP 프로토콜을 뛰어넘었다.