[論文レビュー] The Performance of Paxos and Fast Paxos

Gustavo M. D. Vieira, Luiz Eduardo Buzato|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2013

Distributed systems and fault tolerance参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、Treplicaツールキットを用いてLAN環境下でのPaxosとFast Paxosの実験的比較を行い、Paxosが小規模なレプリカ数において、衝突ではなくネットワーク負荷の低減とタイムアウトエラーの減少による性能優位性を示した。Paxosの単一コordinaterは安定性を提供するが、Fast Paxosは理論的な低レイテンシ設計にもかかわらず、タイミングへの感受性と高い協調処理オーバーヘッドを抱える。

ABSTRACT

Paxos and Fast Paxos are optimal consensus algorithms that are simple and elegant, while suitable for efficient implementation. In this paper, we compare the performance of both algorithms in failure-free and failure-prone runs using Treplica, a general replication toolkit that implements these algorithms in a modular and efficient manner. We have found that Paxos outperforms Fast Paxos for small number of replicas and that collisions are not the cause of this performance difference.

研究の動機と目的

• 理論的仮定を越えて、実際のLAN環境下でのPaxosとFast Paxosの性能を実証的に評価すること。
• PaxosとFast Paxosの性能差の根本的原因を、障害なしと障害ありの両状況において特定すること。
• Fast Paxosの理論的利点（例：低レイテンシ）が、現実のネットワーク条件下で実用的利点に転化するかどうかを評価すること。
• quorumサイズ、メッセージ衝突、コordinater行動がコンセンサス性能に与える影響を調査すること。
• 特にコordinater役割におけるレプリカ障害を想定した、システムのレジリエンスと回復行動を評価すること。

提案手法

• PaxosとFast Paxosを、パフォーマンスのインSTRUMENTATIONと測定を目的としたモジュラーなレプリケーションツールキットTreplicaに実装した。
• 制御された条件下でプロトコルの挙動を観察するための実験を設計し、メッセージ順序、レイテンシ、quorumサイズ、衝突に注目した。
• コンセンサスレイテンシ、交換されたメッセージ数、タイムアウトによるリトライ回数といったパフォーマンス指標を測定した。
• 障害注入実験を実施し、特にコordinaterおよび非コordinaterレプリカの回復時間とシステムレジリエンスを評価した。
• 実世界のネットワーク特性を再現し、パフォーマンスボトルネックを特定するためにLANベースのテストベッドを用いた。
• 理論的予測と実際の挙動を対比させ、理論と実際の乖離を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的に予測されるように、Fast Paxosは実際のLAN環境下でPaxosよりも低いコンセンサスレイテンシを達成するのか？
• RQ2 実際の運用において、PaxosとFast Paxosの性能差を引き起こす主な要因は何か？
• RQ3 ネットワークタイミングの変動やメッセージ損失は、Fast Paxosの性能にPaxosと比較してどのように影響するか？
• RQ4 quorumサイズとメッセージ衝突は、両アルゴリズムの相対的性能にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 コordinaterレプリカの障害と回復行動は、PaxosとFast Paxosの両方において、全体のシステム性能にどのように影響するか？

主な発見

• 理論的にはFast Paxosに有利であるにもかかわらず、レプリカ数が少ない場合にはPaxosがコンセンサスレイテンシにおいてFast Paxosを上回った。
• Paxosの性能優位性は、メッセージ衝突によるものではなく、単一コordinaterがもたらす安定性によるものであり、タイムアウトエラーとリトライ率の低下が要因である。
• Fast Paxosは、調整のないプロポーザーによるタイミング感受性と高いネットワーク負荷を抱え、楽観的設計にもかかわらずメッセージ量とレイテンシが増加している。
• Paxosのコordinaterは障害によるリトライの発生が少なく、一貫したパフォーマンスを維持するが、Fast Paxosは変動するネットワーク条件下でより高い不安定性を示す。
• 障害レプリカの回復時間は、コordinaterのほうが通常のレプリカよりも顕著に長く、コordinaterのより大きなメモリ内状態が回復レイテンシを増加させている。
• より大きなquorumを必要としているにもかかわらず、Fast Paxosは故障耐性において実用的利点を提供しない。Paxosは、たとえば3故障耐性を実現するのに7レプリカで十分であり、Fast Paxosの12レプリカに比べて効率的である。