[论文解读] A FaaS File System for Serverless Computing

Johann Schleier-Smith, Leonhard Holz+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2020

Distributed systems and fault tolerance参考文献 45被引用 10

一句话总结

本文提出 FaaSFS，一种用于无服务器计算的共享 POSIX 兼容文件系统，通过利用细粒度容错机制和乐观事务语义，实现可扩展、高性能的状态管理。通过将云函数边界视为自然的事务提交点，并结合本地缓存与冲突解决机制，FaaSFS 在保持 POSIX 一致性的同时实现接近本地的性能，使未经修改的状态化应用程序能够无服务器运行。

ABSTRACT

Serverless computing with cloud functions is quickly gaining adoption, but constrains programmers with its limited support for state management. We introduce a shared file system for cloud functions. It offers familiar POSIX semantics while taking advantage of distinctive aspects of cloud functions to achieve scalability and performance beyond what traditional shared file systems can offer. We take advantage of the function-grained fault tolerance model of cloud functions to proceed optimistically using local state, safe in the knowledge that we can restart if cache reads or lock activity cannot be reconciled upon commit. The boundaries of cloud functions provide implicit commit and rollback points, giving us the flexibility to use transaction processing techniques without changing the programming model or API. This allows a variety of stateful sever-based applications to benefit from the simplicity and scalability of serverless computing, often with little or no modification.

研究动机与目标

• 为了解决无服务器计算中缺乏原生状态管理的问题，该问题迫使开发人员使用专有且不可移植的存储 API。
• 在无服务器环境中实现熟悉的 POSIX 文件系统语义，而无需修改应用程序。
• 利用云函数的固有特性——有限的执行时长和幂等重试机制——实现事务一致性与容错能力。
• 证明在无服务器模型中，具备 POSIX 语义的共享文件系统可以实现与传统 NFS 竞争力的性能。
• 探索事务隔离与缓存是否能在无服务器环境中有效结合，以确保一致性与可扩展性。

提出的方法

• FaaSFS 将函数边界用作自然的事务提交与回滚点，实现无需更改编程模型的透明事务管理。
• 采用乐观并发控制结合本地缓存，支持快速的本地文件操作，并仅在提交时解决冲突。
• 系统将所有文件系统操作封装在事务机制中，确保在缓存读取或锁操作发生冲突时仍能保证一致性。
• 采用细粒度缓存更新机制，以处理并发修改，特别是文件长度变更，从而提升并发性能。
• 通过依赖幂等函数执行和重试语义，实现与现有无服务器平台的集成，以实现容错能力。
• 将 POSIX 语义映射到事务性数据库模型，仔细对齐内存一致性保证与事务隔离级别。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无状态函数的无服务器环境中高效且一致地实现符合 POSIX 的文件系统？
• RQ2 如何高效地将事务语义与本地缓存结合，以在无服务器工作负载中实现高性能？
• RQ3 在文件系统中，能多大程度上利用云函数固有的容错性和幂等性来简化一致性和恢复机制？
• RQ4 FaaSFS 是否能实现与传统 NFS 相当的性能，同时支持未经修改的应用程序？
• RQ5 在无服务器文件系统的背景下，强一致性（可串行化）与较弱一致性模型之间的权衡是什么？

主要发现

• FaaSFS 可成功运行未经修改的真实世界应用程序，包括一个全栈博客系统，证明了其与现有软件的实际兼容性。
• 在 Filebench 和 TPC-C 等合成基准测试中，系统性能可与基于传统 NFS 的文件系统相媲美。
• 采用乐观并发控制结合本地缓存，即使在并发访问下也能实现高吞吐量和低延迟。
• 利用函数边界作为事务边界，可实现无需修改应用程序编程模型的透明事务管理。
• 提交时的冲突解决机制有效且高效，确保一致性的同时保持高可扩展性。
• 原型证明了在无服务器环境中实现共享、符合 POSIX 的文件系统是可行的，为无服务器计算的更广泛应用铺平了道路。