Protocolos multicoordenados de acordo e o serviço de log
Lasaro Jonas Camargos
TESE
Português
T/UNICAMP C14p
[Multicoordinated agreement problems and the log service]
Campinas, SP : [s.n.], 2008.
248 p. : il.
Orientador: Edmundo R. M. Madeira, Fernando Pedone
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação
Resumo: Problemas de acordo, como Consenso, Terminação Atômica e Difusão Atômica, são abstrações comuns em sistemas distribuídos. Eles ocorrem quando os componentes do sistema precisam concordar em reconfigurações, mudanças de estado ou em linhas de ação em geral. Nesta tese, investigamos estes...
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Resumo: Problemas de acordo, como Consenso, Terminação Atômica e Difusão Atômica, são abstrações comuns em sistemas distribuídos. Eles ocorrem quando os componentes do sistema precisam concordar em reconfigurações, mudanças de estado ou em linhas de ação em geral. Nesta tese, investigamos estes problemas no contexto do ambiente e aplicações em que serão utilizados. O modelo geral é o assíncrono sujeito a quebras com possível posterior recuperação. Nossa meta é desenvolver protocolos que explorem esta informação contextual para prover maior disponibilidade, e que se mantenham corretos mesmo que algumas das prerrogativas do contexto tornem-se inválidas. Na primeira parte da tese, exploramos a seguinte propriedade: mensagens difundidas em pequenas redes tendem a ser entregues ordenada e confiavelmente. Nós fazemos três contribuições nesta parte da tese. A primeira é a transformação de algoritmos conhecidos para o modelo quebra-e-pára, que utilizam a propriedade de ordenação mencionada, em protocolos práticos. Isto é, protocolos que toleram perda de mensagens e recuperação após a quebra. Nossos protocolos garantem progresso na presença de falhas, contanto que mensagens sejam espontaneamente ordenadas freqüentemente. Na ausência de ordenação expontânea, outras prerrogativas são necessárias para contornar falhas. A segunda contribuição é a generalização de um dos algoritmos citados acima em um modo de execução "multi-coordenado" em um protocolo híbrido de consenso, que usa ou ordenação expontânea ou detecção de falhas para progredir. Em comparação a outros protocolos, o nosso provê maior disponibilidade sem comprometer resiliência. A terceira contribuição é a utilização do modo multi-coordenado para resolver Consenso Generalizado, um problema que generaliza uma série de outros e que, portanto, é de grande interesse prático. Além disso, fizemos diversas considerações sobre aspectos práticos da utilização deste protocolo. Como resultado, nosso protocolo perde desempenho gradualmente no caso de condições desfavoráveis, permite o balanceamento de carga sobre os coordenadores, e acessa a memória estável parcimoniosamente. Na segunda parte da tese, consideramos problemas de acordo no contexto de redes organizadas hierarquicamente. Em específico, nós consideramos uma topologia usada nos data centers de grandes cooporações: grupos de máquinas conectadas internamente por links de baixa latência, mas por links mais lentos entre grupos. Em tais cenários, latência é claramente um fator importante e reconfigurações, onerosas aos protocolos, devem ser evitadas tanto quanto possível. Nossa contribuição neste tópico está em evitar reconfigurações e melhorar a disponibilidade de um protocolo de acordo que é rápido a despeito de colisões. Isto é, um protocolo que consegue chegar a uma decisão em dois passos inter-grupos mesmo quando várias propostas são feitas concorrentementes. Além do uso da técnica de multicoordenação, nós usamos primitivas de multicast e consenso para conter algumas reconfigurações dentro dos grupos, onde seus custos são menores. Na última parte da tese nós estudamos o problema de terminação de transações distribuídas. O problema consiste em garantir que os vários participantes da transação concordem em aplicar ou cancelar de forma consistente as suas operações no contexto da transação. Além disso, é necessário garantir a durabilidade das alterações feitas por transações terminadas com sucesso. Nossa contribuição neste tópico é um serviço de log que abstrai e desassocia a terminação de transações dos processos que executam tais transações. O serviço funciona como uma caixa preta e permite que resource managers lentos ou falhos sejam reiniciados em servidores diferentes, sem dependências na memória estável do servidor em que executava anteriormente. Nós apresentamos e avaliamos experimentalmente duas implementações do serviço.
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Abstract: Agreement problems are a common abstraction in distributed systems. They appear when the components of the system must concur on reconfigurations, changes of state, or in lines of action in general. Examples of agreement problems are Consensus, Atomic Commitment, and Atomic Broadcast. In...
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Abstract: Agreement problems are a common abstraction in distributed systems. They appear when the components of the system must concur on reconfigurations, changes of state, or in lines of action in general. Examples of agreement problems are Consensus, Atomic Commitment, and Atomic Broadcast. In this thesis we investigate these abstractions in the context of the environment in which they will run and the applications that they will serve; in general, we consider the asynchronous crash-recovery model. The goal is to devise protocols that explore the contextual information to deliver improved availability. The correctness of our protocols holds even when the extra assumptions do not. In the first part of this thesis we explore the following property: messages broadcast in small networks tend to be delivered in order and reliably. We make three contributions in this part. The first contribution is to turn known Consensus algorithms that harness this ordering property to reach agreement in the crash-stop model into practical protocols. That is, protocols that tolerate message losses and recovery after crashes, efficiently. Our protocols ensure progress even in the presence of failures, if spontaneous ordering holds frequently. In the absence of spontaneous ordering, some other assumption is required to cope with failures. The second contribution of this thesis is to generalize one of our crash-recovery consensus protocols as a "multicoordinated" mode of a hybrid Consensus protocol, that may use spontaneous ordering or failure detection to progress. Compared to other protocols, ours provide improved availability with no price in resilience. The third contribution is to employ this new mode to solve Generalized Consensus, a problem that generalizes a series of other agreement problems and, hence, is of much practical interest. Moreover, we considered several aspects of solving this problem in practice, which had not been considered before. As a result, our Generalized Consensus protocol features graceful degradation, load balancing, and is parsimonious in accessing stable storage. In the second part of this thesis we have considered agreement problems in wide area networks organized hierarchically. More specifically, we considered a topology that is commonplace in the data centers of large corporations: groups of nodes, with large-bandwidth low-latency links connecting the nodes in the same group, and slow and limited links connecting nodes in different groups. In such environments, latency is clearly a major concern and reconfiguration procedures that render the agreement protocol momentarily unavailable must be avoided as much as possible. Our contribution here is in avoiding reconfigurations and improving the availability of a collision fast agreement protocol. That is, a protocol that can reach agreement in two intergroup communication steps, irrespectively to concurrent proposals. Besides the use of a multicoordinated approach, we employed multicast primitives and consensus to restrict some reconfigurations to within groups, where they are less expensive. In the last part of this thesis we study the problem of terminating distributed transactions. The problem consists of enforcing agreement among the parties on whether to commit or rollback the transaction and ensuring the durability of committed transactions. Our contribution in this topic is an abstract log service that detaches the termination problem from the processes actually performing the transactions. The service works as a black box and abstracts its implementation details from the application utilizing it. Moreover, it allows slow and failed resource managers be re-started on different hosts without relying on the stable storage of the previous host. We provide two implementations of the service, which we evaluated experimentally.
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Madeira, Edmundo Roberto Mauro, 1958-
Orientador
Pedone Junior, Fernando Lopes
Coorientador
Brasileiro, Francisco Vilar
Avaliador
Porto, Ingrid Eleonora Schreiber Jansch
Avaliador
Anido, Ricardo de Oliveira, 1956-
Avaliador
Garcia, Islene Calciolari, 1971-
Avaliador
Protocolos multicoordenados de acordo e o serviço de log
Lasaro Jonas Camargos
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Lasaro Jonas Camargos
Exemplares
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