[论文解读] MDCC: Multi-Data Center Consistency

Tim Kraska, Gene Pang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2012

Scientific Computing and Data Management被引用 4

一句话总结

MDCC 提出了一种无主节点、乐观的多数据中心一致性提交协议，通过广义 Paxos 和法定人数协调机制，在常见情况下仅需一次往返消息延迟即可实现强一致性。该协议在五个地理分布的数据中心上运行 TPC-W 基准测试时，将事务延迟降低 50%（至 234 毫秒），吞吐量提升一倍，优于 2PC，同时在数据中心故障期间仍能保持一致性。

ABSTRACT

Replicating data across multiple data centers not only allows moving the data closer to the user and, thus, reduces latency for applications, but also increases the availability in the event of a data center failure. Therefore, it is not surprising that companies like Google, Yahoo, and Netflix already replicate user data across geographically different regions. However, replication across data centers is expensive. Inter-data center network delays are in the hundreds of milliseconds and vary significantly. Synchronous wide-area replication is therefore considered to be unfeasible with strong consistency and current solutions either settle for asynchronous replication which implies the risk of losing data in the event of failures, restrict consistency to small partitions, or give up consistency entirely. With MDCC (Multi-Data Center Consistency), we describe the first optimistic commit protocol, that does not require a master or partitioning, and is strongly consistent at a cost similar to eventually consistent protocols. MDCC can commit transactions in a single round-trip across data centers in the normal operational case. We further propose a new programming model which empowers the application developer to handle longer and unpredictable latencies caused by inter-data center communication. Our evaluation using the TPC-W benchmark with MDCC deployed across 5 geographically diverse data centers shows that MDCC is able to achieve throughput and latency similar to eventually consistent quorum protocols and that MDCC is able to sustain a data center outage without a significant impact on response times while guaranteeing strong consistency.

研究动机与目标

• 解决在跨广域网、多数据中心数据库中实现强一致性所面临的挑战，尤其是在跨数据中心延迟高且波动大的环境中。
• 消除对中心协调器或主节点的依赖，提升对故障的容错能力。
• 设计一种提交协议，其性能成本与最终一致系统相当，同时保证强一致性。
• 提供一种编程模型，可在不可预测的延迟波动下仍保持用户体验不下降。
• 在无主的分布式环境中，支持具有冲突检测和值约束的原子性、多键事务。

提出的方法

• MDCC 以广义 Paxos 为基础构建其乐观提交协议，使正常情况下可实现一次往返提交。
• 通过要求每个提交必须获得跨数据中心多数副本的确认，确保基于法定人数的提交。
• 协议将提交状态通知附加到后续事务中，避免额外的往返通信，提升效率。
• 采用分界机制检测写写冲突，防止更新丢失。
• 通过法定人数读写操作，强制执行一致性，支持具有值约束的可交换更新。
• 系统引入一种与服务级别目标（SLO）对齐的编程模型，通过回调通知应用程序事务状态，即使在高延迟条件下也能保持响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在广域网、多数据中心部署中，无主节点、乐观的提交协议能否仅通过一次网络往返实现强一致性？
• RQ2 如何高效地将冲突检测与解决机制集成到基于法定人数的无主提交协议中，以支持多键事务？
• RQ3 能否设计一种编程模型，使应用在面对不可预测的跨数据中心延迟波动时，仍能提供及时的用户反馈？
• RQ4 通过根据冲突可能性动态选择快速 Paxos 模式与经典 Paxos 模式，性能可优化到何种程度？
• RQ5 该协议在数据中心故障期间，如何在不牺牲低延迟性能的前提下，维持强一致性和可用性？

主要发现

• MDCC 在五个亚马逊数据中心的 TPC-W 基准测试中，与 2PC 相比，单事务延迟降低 50%（降至 234 毫秒）。
• MDCC 的事务吞吐量是 2PC 的两倍，性能达到与最终一致的法定人数协议相当的水平。
• MDCC 在数据中心故障期间仍能保持强一致性和可用性，对响应时间影响极小。
• 该协议在正常情况下可实现一次往返提交，与传统两阶段提交相比显著降低了延迟。
• SLO 感知的编程模型使应用即使在事务因高延迟消息而挂起时，也能向用户提供及时反馈。
• MDCC 在完全分布式的无主架构中，成功支持了具有冲突检测和值约束的原子性多键事务。