[论文解读] The Weakest Failure Detector for Eventual Consistency

Swan Dubois, Rachid Guerraoui+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2015

Distributed systems and fault tolerance参考文献 23被引用 8

一句话总结

本文确定了在消息传递系统中实现最终一致性的最弱故障检测器：最终领导者故障检测器 Ω。它证明了 Ω 对最终全序广播和最终一致性而言既是必要也是充分的，从而确立了强一致性和最终一致性之间的唯一计算差异在于实现强一致性所需的额外 Σ 故障检测器，而非 Ω。该结论在所有故障假设下均成立，不仅限于存在多数正确进程的系统。

ABSTRACT

In its classical form, a consistent replicated service requires all replicas to witness the same evolution of the service state. Assuming a message-passing environment with a majority of correct processes, the necessary and sufficient information about failures for implementing a general state machine replication scheme ensuring consistency is captured by the Ω failure detector. This paper shows that in such a message-passing environment, Ω is also the weakest failure detector to implement an eventually consistent replicated service, where replicas are expected to agree on the evolution of the service state only after some (a priori unknown) time. In fact, we show that Ω is the weakest to implement eventual consistency in any message-passing environment, i.e., under any assumption on when and where failures might occur. Ensuring (strong) consistency in any environment requires, in addition to Ω, the quorum failure detector Σ. Our paper thus captures, for the first time, an exact computational difference be- tween building a replicated state machine that ensures consistency and one that only ensures eventual consistency.

研究动机与目标

• 确定实现分布式系统中最终一致性所需的最小故障检测信息。
• 在消息传递环境中，正式区分强一致性与最终一致性之间的计算需求差异。
• 确立 Ω 是最终一致性的最弱故障检测器，即使在不假设存在多数正确进程的情况下也成立。
• 表明强一致性与最终一致性之间的唯一区别在于对多数故障检测器 Σ 的需求。

提出的方法

• 作者引入了最终全序广播（ETOB）的抽象，该抽象将全序广播推广至允许最终就消息顺序达成一致。
• 他们将最终一致性（EC）定义为共识的一种弱化形式，其中一致性仅在有限但未知的稳定期后达成。
• 使用广义化的 CHT 证明技术，通过分析本地模拟运行中的有效性状态，证明了 Ω 对 EC 的必要性。
• 他们证明了 ETOB 与 EC 的等价性，表明 ETOB 足以实现最终一致的复制状态机。
• 他们正式比较了 ETOB 和 EC 与线性化及最终线性化的关系，表明 Ω 也是消息传递系统中最终线性化所需的最弱故障检测器。
• 他们分析了时间复杂度的差距，表明 ETOB 在两步通信内完成，而强一致性需要三步。

实验结果

研究问题

• RQ1 在消息传递系统中，实现最终一致性所需的最弱故障检测器是什么？
• RQ2 在故障检测器需求方面，最终一致性的计算成本与强一致性的比较如何？
• RQ3 Ω 在没有多数正确进程的系统中是否仍足以实现最终一致性？
• RQ4 在故障检测假设方面，强一致性与最终一致性之间的确切差异是什么？
• RQ5 最终线性化能否与最终一致性使用相同的故障检测器实现？

主要发现

• Ω 是实现最终全序广播（ETOB）所必需的最弱故障检测器，可确保最终就消息顺序达成一致。
• 本文证明，即使在不假设存在多数正确进程的任意故障环境中，Ω 对最终一致性（EC）而言也是必要且充分的。
• 实现强一致性所需的唯一额外故障检测器是 Σ，它提供最终仅包含正确进程的相交多数。
• 强一致性与最终一致性之间的计算差距恰好由 Σ 所体现：仅凭 Ω 即足以实现最终一致性，而强一致性则需要 Ω+Σ。
• 在通信复杂度方面，ETOB 仅需两步消息传递即可完成，而强一致性需要三步，凸显了最终一致性在一步上的优势。
• 结果表明，Ω 同样也是消息传递系统中最终线性化的最弱故障检测器，与共享内存模型中的先前结果相辅相成。