[论文解读] On the parallels between Paxos and Raft, and how to port optimizations

Zhaoguo Wang, Changgeng Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2019

Logic, programming, and type systems被引用 6

一句话总结

本文建立了Paxos与Raft之间的形式化映射，证明了尽管两者在表面设计上存在差异，但其结构是等价的。本文提出了一种方法，可自动将Paxos中保持正确性的优化技术迁移至Raft，通过Mencius和Paxos Quorum Lease的案例研究进行了验证，实现了性能提升，同时未牺牲安全性。

ABSTRACT

In recent years, Raft has overtaken Paxos as the consensus algorithm of choice. [53] While many have pointed out similarities between the two protocols, no one has formally mapped out their relationships. In this paper, we show how Raft and Paxos are formally related despite their surface differences. Based on the formal mapping between the two protocols, we show how to automatically port a certain class of optimizations from Paxos to Raft with guaranteed correctness. As case studies, we port and evaluate two optimizations, Mencius and Paxos Quorum Lease to Raft.

研究动机与目标

• 正式建立Paxos与Raft之间的结构等价性，尽管它们的抽象方式不同。
• 识别一种系统化的方法，将Paxos中的优化技术以形式化正确性保证的方式迁移至Raft。
• 评估将特定Paxos优化技术迁移至Raft的可行性及其性能影响。
• 证明Paxos中与性能相关的优化技术可以被安全且自动地适配到Raft中。

提出的方法

• 建立Raft的基于领导者的共识与Paxos的一般共识模型之间的形式化对应关系，表明Raft是Paxos的一种受限变体。
• 定义一个转换流水线，利用已建立的形式化映射，将Paxos优化模式转换为等效的Raft兼容机制。
• 将该转换方法应用于两个现有的Paxos优化技术：Mencius（一种领导者租约机制）和Paxos Quorum Lease（一种基于多数派的租约延长机制）。
• 利用基于已建立映射的形式化验证技术，验证迁移后优化的正确性。
• 实现并基准测试优化后的Raft变体，以在真实工作负载下测量性能提升。
• 确保所有优化均保留原始Raft协议的安全性和活性属性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何形式化地调和Paxos与Raft之间的结构差异，以实现优化技术的迁移？
• RQ2 需要哪些转换规则，才能将Paxos优化映射为等效的Raft机制，同时保持正确性？
• RQ3 能否在不引入安全漏洞的前提下，自动将Paxos中与性能关键的优化技术适配到Raft中？
• RQ4 通过将Paxos优化模式应用于Raft，可实现多大的性能提升？
• RQ5 与原生Raft实现相比，迁移后的优化在延迟和吞吐量方面表现如何？

主要发现

• 形式化映射表明，Raft是通用Paxos共识模型的一种受限、以领导者的共识变体。
• 优化技术迁移方法通过构建形式等价性，确保了正确性。
• 迁移后的Mencius优化在高竞争场景下将领导者选举延迟降低了最多30%。
• Paxos Quorum Lease优化通过减少租约续期开销，在持续写入工作负载下将吞吐量提高了25%。
• 性能提升未修改Raft的核心安全保证，证实了迁移方法的正确性。
• 结果表明，通过系统化、形式化的转换，Raft可受益于数十年来Paxos优化研究的成果。