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Scalable state machine replication

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Scalable state machine replication

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Título Scalable state machine replication
Outro título Replicação escalável de máquina de estados
Autor Bezerra, Carlos Eduardo Benevides
Orientador Geyer, Claudio Fernando Resin
Co-orientador Pedone Junior, Fernando Lopes
Data 2016
Nível Doutorado
Instituição Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Instituto de Informática. Programa de Pós-Graduação em Computação.
Assunto Escalonamento
Replicacao : Dados
Tolerancia : Falhas
[en] Atomic multicast
[en] Scalability
[en] State machine replication
Abstract Redundancy provides fault-tolerance. A service can run on multiple servers that replicate each other, in order to provide service availability even in the case of crashes. A way to implement such a replicated service is by using techniques like state machine replication (SMR). SMR provides fault tolerance, while being linearizable, that is, clients cannot distinguish the behaviour of the replicated system to that of a single-site, unreplicated one. However, having a fully replicated, linearizable system comes at a cost, namely, scalability—by scalability we mean that adding servers will always increase the maximum system throughput, at least for some workloads. Even with a careful setup and using optimizations that avoid unnecessary redundant actions to be taken by servers, at some point the throughput of a system replicated with SMR cannot be increased by additional servers; in fact, adding replicas may even degrade performance. A way to achieve scalability is by partitioning the service state and then allowing partitions to work independently. Having a partitioned, yet linearizable and reasonably performant service is not trivial, and this is the topic of research addressed here. To allow systems to scale, while at the same time ensuring linearizability, we propose and implement the following ideas: (i) Scalable State Machine Replication (S-SMR), (ii) Optimistic Atomic Multicast (Opt-amcast), and (iii) Fast S-SMR (Fast-SSMR). S-SMR is an execution model that allows the throughput of the system to scale linearly with the number of servers without sacrificing consistency. To provide faster responses for commands, we developed Opt-amcast, which allows messages to be delivered twice: one delivery guarantees atomic order (conservative delivery), while the other is fast, but not always guarantees atomic order (optimistic delivery). The implementation of Opt-amcast that we propose is called Ridge, a protocol that combines low latency with high throughput. Fast-SSMR is an extension of S-SMR that uses the optimistic delivery of Opt-amcast: while a command is atomically ordered, some precomputation can be done based on its fast, optimistically ordered delivery, improving response time.
Resumo Redundância provê tolerância a falhas. Um serviço pode ser executado em múltiplos servidores que se replicam uns aos outros, de maneira a prover disponibilidade do serviço em caso de falhas. Uma maneira de implementar um tal serviço replicado é através de técnicas como replicação de máquina de estados (SMR). SMR provê tolerância a falhas, ao mesmo tempo que é linearizável, isto é, clientes não são capazes de distinguir o comportamento do sistema replicado daquele de um sistema não replicado. No entanto, ter um sistema completamente replicado e linearizável vem com um custo, que é escalabilidade – por escalabilidade, queremos dizer que adicionar servidores ao sistema aumenta a sua vazão, pelo menos para algumas cargas de trabalho. Mesmo com uma configuração cuidadosa e usando otimizações que evitam que os servidores executem ações redundantes desnecessárias, em um determinado ponto a vazão de um sistema replicado com SMR não pode ser mais aumentada acrescentando-se servidores; na verdade, adicionar réplicas pode até degradar a sua performance. Uma maneira de conseguir escalabilidade é particionar o serviço e então permitir que partições trabalhem independentemente. Por outro lado, ter um sistema particionado, porém linearizável e com razoavelmente boa performance não é trivial, e esse é o tópico de pesquisa tratado aqui. Para permitir que sistemas escalem, ao mesmo tempo que se garante linearizabilidade, nós propomos as seguinte ideias: (i) Replicação Escalável de Máquina de Estados (SSMR), (ii) Multicast Atômico Otimista (Opt-amcast) e (iii) S-SMR Rápido (Fast-SSMR). S-SMR é um modelo de execução que permite que a vazão do sistema escale de maneira linear com o número de servidores, sem sacrificar consistência. Para reduzir o tempo de resposta dos comandos, nós definimos o conceito de Opt-amcast, que permite que mensagens sejam entregues duas vezes: uma entrega garante ordem atômica (entrega atômica), enquanto a outra é mais rápida, mas nem sempre garante ordem atômica (entrega otimista). A implementação de Opt-amcast que nós propomos nessa tese se chama Ridge, um protocolo que combina baixa latência com alta vazão. Fast-SSMR é uma extensão do S-SMR que utiliza a entrega otimista do Opt-amcast: enquanto um comando é ordenado de maneira atômica, pode-se fazer alguma pré-computação baseado na entrega otimista, reduzindo assim tempo de resposta.
Tipo Tese
URI http://hdl.handle.net/10183/148568
Arquivos Descrição Formato
001002754.pdf (824.4Kb) Texto completo Adobe PDF Visualizar/abrir

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