[论文解读] Oze: Decentralized Graph-based Concurrency Control for Long-running Update Transactions (Extended Version)

Jun Nemoto, Takashi Kambayashi+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2022

Distributed systems and fault tolerance被引用 4

一句话总结

Oze 是一种去中心化的基于图的并发控制协议，通过使用精确的多版本可串行化图（MVSG），在异构工作负载下实现长事务更新的零回滚率，同时短事务的吞吐量高达每分钟170万次（1.7Mtpm）。其通过在核心之间去中心化管理图结构，并利用广阔的调度空间来最小化可串行化检查中的误报，从而实现这一目标。

ABSTRACT

This paper proposes Oze, a concurrency control protocol that handles heterogeneous workloads, including long-running update transactions. Oze explores a large scheduling space using a multi-version serialization graph to reduce false positives. Oze manages the graph in a decentralized manner to exploit many cores in modern servers. We further propose an OLTP benchmark, BoMB (Bill of Materials Benchmark), based on a use case in an actual manufacturing company. BoMB consists of one long-running update transaction and five short transactions that conflict with each other. Experiments using BoMB show that Oze can handle the long-running update transaction while achieving four orders of magnitude higher throughput than state-of-the-art optimistic and multi-version protocols and up to five times higher throughput than pessimistic protocols. We also show Oze performs comparably with existing techniques even in a typical OLTP workload, TPC-C, thanks to a protocol switching mechanism.

研究动机与目标

• 解决在高并发的真实 OLTP 工作负载中支持长事务更新的挑战。
• 降低在动态环境中，与高频短事务冲突的长事务的回滚率。
• 设计一种在现代多核服务器上高效可扩展的并发控制协议，同时不牺牲可串行化性。
• 提出一个真实的 OLTP 基准测试 BoMB，反映涉及物料清单（BoM）更新和成本计算的真实制造工作负载。
• 证明现有协议在该类工作负载下无法提交长事务，或导致短事务性能显著下降。

提出的方法

• Oze 使用完全精确的多版本可串行化图（MVSG）来探索广阔的调度空间，从而减少可串行化检查中的误报。
• 它将 MVSG 管理去中心化到多个核心，以适应现代硬件并避免瓶颈。
• 该协议以分布式方式执行循环检测和版本排序，最大限度减少争用并提高吞吐量。
• Oze 采用传播机制来跟踪事务之间的写依赖关系，确保长事务与短事务之间的可串行化。
• 它集成了垃圾回收机制以管理图的膨胀问题，但高偏斜情况下的图大小增长仍是性能瓶颈。
• 该系统通过一个新基准测试 BoMB 进行评估，该基准模拟了包含一个长事务更新和五个冲突短事务的真实制造工作负载。

实验结果

研究问题

• RQ1 并发控制协议是否能在异构 OLTP 工作负载中实现长事务更新的零回滚率，同时保持短事务的高吞吐量？
• RQ2 与集中式或乐观方法相比，多版本可串行化图的去中心化管理在提升可扩展性和减少误报方面有何优势？
• RQ3 在具有动态数据依赖关系的真实工作负载中，现有协议在多大程度上无法提交长事务更新？
• RQ4 工作负载偏斜如何影响基于图的并发控制系统（如 Oze）的性能和图大小？
• RQ5 像 BoMB 这样的新基准测试是否能有效捕捉涉及长事务成本计算和频繁组件更新的真实制造工作负载特征？

主要发现

• 在 BoMB 基准测试中，Oze 实现了长事务更新（L1）的零回滚率，即使在高竞争环境下也保持稳定。
• Oze 在多核环境下实现了高达每分钟 170 万次（1.7Mtpm）的短事务吞吐量，并展现出接近线性的可扩展性。
• Silo、TicToc、MOCC、ERMIA 和 Cicada 等现有协议无法提交 L1 事务，其回滚率低于 1%。
• 在高偏斜（超过 0.7）情况下，Oze 的图大小急剧增加，导致吞吐量下降一个数量级。
• 随着图规模增大，传播开销成为 Oze 的主要性能瓶颈，凸显了未来工作中高级垃圾回收机制的必要性。
• BoMB 基准测试成功捕捉了真实制造工作负载的特征，包括动态 BoM 更新和相互依赖的成本计算。