[논문 리뷰] Quantifying and Generalizing the CAP Theorem

Edward A. Lee, Soroush Bateni외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 16.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 35인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 브루어의 CAP 정리에서 이진적 '분할 내성'을 연속적인 지연 측도(L)로 대체함으로써 이를 일반화한다. 이는 비일관성, 가용성, 지연 간의 정량적 관계를 제시하는 CAL 정리로 이어지며, Lingua Franca 조율 언어를 사용하여 형식화된 트레이드오프를 제공한다. 중심화된 조율을 통해 비일관성을 제한하거나 탈중앙화된 조율을 통해 가용성을 제한할 수 있으며, 네트워크 장애 상황에서 유연한 장애 복구를 위한 장애 처리기 기능도 포함한다.

ABSTRACT

In distributed applications, Brewer's CAP theorem tells us that when networks become partitioned, there is a tradeoff between consistency and availability. Consistency is agreement on the values of shared variables across a system, and availability is the ability to respond to reads and writes accessing those shared variables. We quantify these concepts, giving numerical values to inconsistency and unavailability. Recognizing that network partitioning is not an all-or-nothing proposition, we replace the P in CAP with L, a numerical measure of apparent latency, and derive the CAL theorem, an algebraic relation between inconsistency, unavailability, and apparent latency. This relation shows that if latency becomes unbounded (e.g., the network becomes partitioned), then one of inconsistency and unavailability must also become unbounded, and hence the CAP theorem is a special case of the CAL theorem. We describe two distributed coordination mechanisms, which we have implemented as an extension of the Lingua Franca coordination language, that support arbitrary tradeoffs between consistency and availability as apparent latency varies. With centralized coordination, inconsistency remains bounded by a chosen numerical value at the cost that unavailability becomes unbounded under network partitioning. With decentralized coordination, unavailability remains bounded by a chosen numerical quantity at the cost that inconsistency becomes unbounded under network partitioning. Our centralized coordination mechanism is an extension of techniques that have historically been used for distributed simulation, an application where consistency is paramount. Our decentralized coordination mechanism is an extension of techniques that have been used in distributed databases when availability is paramount.

연구 동기 및 목표

• 이진적 CAP 트레이드오프를 넘어서 분산 시스템에서 일관성과 가용성 간의 트레이드오프를 형식화하는 것.
• CAP의 모든 또는 없음 방식의 네트워크 분할(P)을 네트워크 지연, 실행 오버헤드, 시계 오차를 통합한 연속적 지연 측도(L)로 대체하여 정량적 분석을 가능하게 하는 것.
• 다양한 지연 조건 하에서 비일관성 또는 가용성의 경계를 설정할 수 있도록 프로그래머가 지정할 수 있는 조율 메커니즘을 개발하는 것.
• 브루어의 CAP 정리와 아바디의 일관성-지연 트레이드오프를 통합하기 위해 분산 시스템 설계를 위한 수치적 프레임워크를 도입하는 것.

제안 방법

• CAP의 P를 네트워크 지연, 실행 오버헤드, 시계 오차를 통합한 수치적 지연 측도인 L로 대체한다.
• 비일관성은 일관된 공유 상태에서의 최대 편차로 정의하고, 가용성은 사용자가 인지하는 최대 응답 지연으로 정의한다.
• Lingua Franca 언어에서 두 가지 조율 메커니즘을 구현한다: 시간 이동 알림(TAN)과 임시 시간 이동 승인(PTAG)을 사용한 중심화된 조율로 비일관성을 제한한다.
• 안전하게 부재로 간주할 수 있는(STAA) 오프셋을 사용한 탈중앙화된 조율로 가용성을 제한하면서도 고지연 상황에서는 비일관성이 무제한이 될 수 있도록 허용한다.
• 마감 시간과 장애 처리기 의미 체계를 갖춘 Lingua Franca의 반응 모델을 사용하여 가용성 위반을 감지하고 대응한다.
• 비일관성 또는 가용성 위반 발생 시 트리거되는 장애 처리기를 통합하여 애플리케이션 고유의 복구 전략을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CAP 정리는 이진적 서술 방식을 넘어서 일관성과 가용성 간의 연속적 트레이드오프를 허용하도록 어떻게 일반화할 수 있는가?
• RQ2 분산 시스템에서 비일관성, 가용성, 지연 측도(L) 간의 정확한 수학적 관계는 무엇인가?
• RQ3 다양한 네트워크 지연 조건 하에서 비일관성 또는 가용성의 경계를 보장하는 조율 메커니즘을 설계할 수 있는가?
• RQ4 기존의 분산 시뮬레이션 및 데이터베이스 기반 조율 기법은 어떻게 비동기 이벤트 주입과 순환 통신 구조를 지원하도록 확장할 수 있는가?
• RQ5 장애 처리기는 일관성 또는 가용성 경계 위반 시 예측 가능한 장애 복구를 위해 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• CAL 정리는 비일관성, 가용성, 지연 측도(L) 간의 정량적이고 대수적 관계를 수립하며, 지연이 무한해질 경우 CAP 정리가 특수한 경우로 포함된다.
• Lingua Franca에서 중심화된 조율은 TAN 및 PTAG 메커니즘을 통해 비일관성을 제한하지만, 네트워크 분할 상황에서는 가용성이 무한해진다.
• STAA 오프셋을 사용한 탈중앙화된 조율은 가용성을 제한하지만, 지연 측도(L)가 임계값을 초과하면 비일관성이 무한해진다.
• Lingua Franca 프레임워크는 장애 조건 하에서도 일관성과 가용성에 대한 형식적 보장을 갖는 실행 가능하고 예측 가능하며 반복 가능한 분산 프로그램을 가능하게 한다.
• 모든 조율 모드에서 장애 처리기는 비일관성 또는 가용성 경계 위반 발생 시 애플리케이션에서 유연하게 대응할 수 있도록 하며, 실세계 배포를 지원한다.
• CAL 정리는 아바디의 일관성-지연 트레이드오프와 CAP 트레이드오프를 통합하여, 분산 시스템에서 가용성과 지연이 본질적으로 상호 연관되어 있음을 보여준다.