[论文解读] Highly Available Transactions: Virtues and Limitations (Extended Version)

Peter Bailis, Aaron Davidson+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2013

Distributed systems and fault tolerance参考文献 52被引用 10

一句话总结

本文提出了高可用事务（HATs），一种事务语义的分类法，可在网络分区期间保持系统可用性并降低延迟。研究表明，尽管可串行化和某些隔离级别（如快照隔离）由于需要冲突检测而不符合HAT要求，但诸如读已提交和带幻象防止的因果一致性等模型可通过多版本控制和客户端缓存实现，其延迟相比传统协议可降低多达三个数量级。

ABSTRACT

To minimize network latency and remain online during server failures and network partitions, many modern distributed data storage systems eschew transactional functionality, which provides strong semantic guarantees for groups of multiple operations over multiple data items. In this work, we consider the problem of providing Highly Available Transactions (HATs): transactional guarantees that do not suffer unavailability during system partitions or incur high network latency. We introduce a taxonomy of highly available systems and analyze existing ACID isolation and distributed data consistency guarantees to identify which can and cannot be achieved in HAT systems. This unifies the literature on weak transactional isolation, replica consistency, and highly available systems. We analytically and experimentally quantify the availability and performance benefits of HATs--often two to three orders of magnitude over wide-area networks--and discuss their necessary semantic compromises.

研究动机与目标

• 解决分布式系统中长期存在的高可用性与事务一致性之间的矛盾。
• 明确哪些ACID隔离级别和一致性模型与高可用性兼容，尤其是在网络分区期间。
• 识别为实现高可用性而不牺牲实际可用性所需做出的语义折衷。
• 证明许多广泛使用的隔离级别（如读已提交）可作为HAT实现，从而带来显著的性能优势。
• 提供HAT兼容系统的正式分类法及概念验证算法，区分完全可用与粘性可用模型。

提出的方法

• 提出高可用系统的分类法，根据其与高可用性的兼容性对隔离和一致性模型进行分类。
• 分析现有ACID隔离级别和分布式一致性模型，以确定哪些可实现高可用性。
• 利用不可能性结果证明，可串行化、快照隔离和可重复读因需要冲突检测而无法满足HAT要求。
• 设计基于多版本控制和有限客户端缓存的构造性、概念验证算法，以实现HAT兼容语义。
• 引入“粘性可用性”概念，即客户端与单个服务器保持亲和关系，从而在完全分区容错之上提供更强保证。
• 在现代云基础设施上对HAT系统进行实验评估，将延迟和可用性与传统分布式可串行化协议进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在网络分区的情况下，哪些ACID隔离级别可实现高可用性？
• RQ2 为何某些隔离级别（如快照隔离和可重复读）与高可用性不兼容？
• RQ3 能否在广域网中实现高可用性且低延迟的实用、有用事务语义？
• RQ4 在优先考虑可用性和低延迟而非强一致性保证时，语义上需要做出哪些必要权衡？
• RQ5 客户端亲和性（粘性可用性）如何提供比完全分区容错更强的HAT兼容保证？

主要发现

• HAT兼容系统在广域网中实现的延迟比传统分布式可串行化协议低一到三个数量级。
• 可串行化、快照隔离和可重复读不满足HAT要求，因其需要冲突检测，而网络分区期间无法实现。
• 读已提交隔离、事务原子性以及带幻象防止的因果一致性是HAT兼容的，可通过多版本控制和客户端缓存实现。
• 现代数据库中的许多默认隔离级别（如读已提交）已天然支持HAT，表明可用性与实用事务语义并非互斥。
• “粘性可用性”概念可提供强于完全高可用性的保证，且在实践中被广泛采用，但其约束性弱于传统高可用性。
• HAT代表了分布式系统中一个庞大且实用的设计空间，可在保持许多应用所需有用语义保证的同时，实现低延迟的“始终可用”操作。