[논문 리뷰] Okapi: Causally Consistent Geo-Replication Made Faster, Cheaper and More Available

Diego Didona, Kristina Spirovska외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 14.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 27인용 수 12

한 줄 요약

Okapi는 하이브리드 논리/물리 시계와 새로운 안정화 프로토콜인 Universal Stable Time(UST)를 사용하는 인과적 일致성 있는 지리적으로 복제된 키-값 저장소이다. 이는 시계 오차 지연을 제거하고 메타데이터 오버헤드를 줄인다. Okapi는 Cure보다 최대 3.5배 낮은 지연과 60% 적은 메타데이터 오버헤드를 달성하며, GentleRain보다 최대 두 개의 지수 단위 높은 성능을 제공한다.

ABSTRACT

Okapi is a new causally consistent geo-replicated key- value store. Okapi leverages two key design choices to achieve high performance. First, it relies on hybrid logical/physical clocks to achieve low latency even in the presence of clock skew. Second, Okapi achieves higher resource efficiency and better availability, at the expense of a slight increase in update visibility latency. To this end, Okapi implements a new stabilization protocol that uses a combination of vector and scalar clocks and makes a remote update visible when its delivery has been acknowledged by every data center. We evaluate Okapi with different workloads on Amazon AWS, using three geographically distributed regions and 96 nodes. We compare Okapi with two recent approaches to causal consistency, Cure and GentleRain. We show that Okapi delivers up to two orders of magnitude better performance than GentleRain and that Okapi achieves up to 3.5x lower latency and a 60% reduction of the meta-data overhead with respect to Cure.

연구 동기 및 목표

• 물리 시계를 사용하는 인과적 일관성 있는 지리적으로 복제된 시스템에서 시계 오차로 인한 성능 저하 문제를 해결한다.
• 일관성 또는 가용성 손실 없이 복제된 업데이트에 대한 메타데이터 오버헤드를 줄인다.
• 네트워크 분할 동안도 원격 업데이트가 전역 승인 후에만 노출되도록 보장함으로써 가용성을 향상시킨다.
• 고도의 읽기 집약적인 워크로드에 대해 생산 환경 유사 워크로드에서 일관된 인과적 스냅샷을 기반으로 한 저지연 트랜잭션 읽기를 가능하게 한다.
• 의존성 추적 및 안정화 프로토콜을 재고함으로써 성능, 자원 효율성, 가용성의 균형을 맞춘다.

제안 방법

• 이벤트에 타임스탬프를 할당하기 위해 하이브리드 논리/물리 시계(HLC)를 사용하여 물리 시계 수렴을 기다리지 않고도 즉각적인 타임스탬프 할당을 가능하게 한다.
• 지역적으로 의존성 벡터를 사용하여 일관된 인과적 스냅샷을 지원하는 효율적인 다중 키 트랜잭션 읽기를 가능하게 한다.
• 원격 업데이트에 스칼라 시계를 사용하고 전역 승인 후에만 가시성을 보장하는 Universal Stable Time(UST) 기반의 안정화 프로토콜을 구현한다.
• 의존성 추적과 안정화를 분리하기 위해 로컬 업데이트에는 의존성 벡터만 사용하고 복제된 업데이트에는 스칼라 타임스탬프만 사용한다.
• 정기적이고 비동기적인 통신을 통해 안정화 오버헤드를 분산 처리하여 일관성을 유지하면서 실시간 조율 비용을 줄인다.
• UST 계산을 전역 안정 값(GSV) 계산에 편승시켜 추가 통신 비용을 최소화하도록 시스템을 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 논리/물리 시계가 인과적 일관성 있는 지리적으로 복제된 시스템에서 시계 오차로 인한 지연 오버헤드를 제거할 수 있는가?
• RQ2 원격 업데이트에 스칼라 시계를 사용하는 안정화 프로토콜이 일관성과 가용성 손실 없이 메타데이터 오버헤드를 줄일 수 있는가?
• RQ3 읽기 집약적 및 쓰기 집약적 워크로드에서 업데이트 가시성 지연과 메타데이터 효율성 간의 트레이드오프가 전체 시스템 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 HLC와 의존성 벡터의 조합이 지리적으로 복제된 스토어에서 저지연, 확장 가능한 트랜잭션 읽기를 얼마나 잘 가능하게 하는가?
• RQ5 업데이트의 전역 승인을 요구하는 안정화 프로토콜이 통신 비용이 과도하게 증가하지 않도록 하면서 네트워크 분할 동안 가용성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• Okapi는 하이브리드 논리/물리 시계를 사용함으로써 시계 오차로 인한 대기 시간을 제거함으로써 업데이트 가시성 지연을 줄였다.
• Okapi는 최고 3.5배 낮은 지연과 Cure보다 최대 60% 적은 메타데이터 오버헤드를 달성했다. Cure는 최첨단의 인과적 일관성 시스템이다.
• Okapi는 AWS에서 3개의 지리적으로 분산된 영역을 사용한 다양한 워크로드에서 GentleRain보다 최대 두 개의 지수 단위 높은 성능을 제공했다.
• 읽기 집약적 워크로드에서는 Okapi의 총 통신 비용이 Cure와 유사했고, 쓰기 강도가 증가함에 따라 복제된 업데이트에 대한 메타데이터 감소로 인해 Cure보다 낮아졌다.
• Okapi의 안정화 프로토콜은 Cure와 GentleRain보다 略로 높은 통신 비용을 유발하지만, 훨씬 뛰어난 자원 효율성과 가용성을 달성했다.
• UST의 프로토콜 오버헤드는 감소된 메타데이터 덕분에 분산 처리되었으며, 향후 GSV 계산에 UST 계산을 편승시키는 최적화는 비용을 추가로 낮출 수 있다.