Optimizing recovery protocols for replicated database systems

En la actualidad, el uso de tecnologías de informacíon y sistemas de cómputo tienen una gran influencia en la vida diaria. Dentro de los sistemas informáticos actualmente en uso, son de gran relevancia los sistemas distribuidos por la capacidad que pueden tener para escalar, proporcionar soporte para la tolerancia a fallos y mejorar el desempeño de aplicaciones y proporcionar alta disponibilidad. Los sistemas replicados son un caso especial de los sistemas distribuidos. Esta tesis está centrada en el área de las bases de datos replicadas debido al uso extendido que en el presente se hace de ellas, requiriendo características como: bajos tiempos de respuesta, alto rendimiento en los procesos, balanceo de carga entre las replicas, consistencia e integridad de datos y tolerancia a fallos. En este contexto, el desarrollo de aplicaciones utilizando bases de datos replicadas presenta dificultades que pueden verse atenuadas mediante el uso de servicios de soporte a mas bajo nivel tales como servicios de comunicacion y pertenencia. El uso de los servicios proporcionados por los sistemas de comunicación de grupos permiten ocultar los detalles de las comunicaciones y facilitan el diseño de protocolos de replicación y recuperación. En esta tesis, se presenta un estudio de las alternativas y estrategias empleadas en los protocolos de replicación y recuperación en las bases de datos replicadas. También se revisan diferentes conceptos sobre los sistemas de comunicación de grupos y sincronia virtual. Se caracterizan y clasifican diferentes tipos de protocolos de replicación con respecto a la interacción o soporte que pudieran dar a la recuperación, sin embargo el enfoque se dirige a los protocolos basados en sistemas de comunicación de grupos. Debido a que los sistemas comerciales actuales permiten a los programadores y administradores de sistemas de bases de datos renunciar en alguna medida a la consistencia con la finalidad de aumentar el rendimiento, es importante determinar el nivel de consistencia necesario. En el caso de las bases de datos replicadas la consistencia está muy relacionada con el nivel de aislamiento establecido entre las transacciones. Una de las propuestas centrales de esta tesis es un protocolo de recuperación para un protocolo de replicación basado en certificación. Los protocolos de replicación de base de datos basados en certificación proveen buenas bases para el desarrollo de sus respectivos protocolos de recuperación cuando se utiliza el nivel de aislamiento snapshot. Para tal nivel de aislamiento no se requiere que los readsets sean transferidos entre las réplicas ni revisados en la fase de cetificación y ya que estos protocolos mantienen un histórico de la lista de writesets que es utilizada para certificar las transacciones, este histórico provee la información necesaria para transferir el estado perdido por la réplica en recuperación. Se hace un estudio del rendimiento del protocolo de recuperación básico y de la versión optimizada en la que se compacta la información a transferir. Se presentan los resultados obtenidos en las pruebas de la implementación del protocolo de recuperación en el middleware de soporte. La segunda propuesta esta basada en aplicar el principio de compactación de la informacion de recuperación en un protocolo de recuperación para los protocolos de replicación basados en votación débil. El objetivo es minimizar el tiempo necesario para transfeir y aplicar la información perdida por la réplica en recuperación obteniendo con esto un protocolo de recuperación mas eficiente. Se ha verificado el buen desempeño de este algoritmo a través de una simulación. Para efectuar la simulación se ha hecho uso del entorno de simulación Omnet++. En los resultados de los experimentos puede apreciarse que este protocolo de recuperación tiene buenos resultados en múltiples escenarios. Finalmente, se presenta la verificación de la corrección de ambos algoritmos de recuperación en el Capítulo 5.Nowadays, information technology and computing systems have a great relevance on our lives. Among current computer systems, distributed systems are one of the most important because of their scalability, fault tolerance, performance improvements and high availability. Replicated systems are a specific case of distributed system. This Ph.D. thesis is centered in the replicated database field due to their extended usage, requiring among other properties: low response times, high throughput, load balancing among replicas, data consistency, data integrity and fault tolerance. In this scope, the development of applications that use replicated databases raises some problems that can be reduced using other fault-tolerant building blocks, as group communication and membership services. Thus, the usage of the services provided by group communication systems (GCS) hides several communication details, simplifying the design of replication and recovery protocols. This Ph.D. thesis surveys the alternatives and strategies being used in the replication and recovery protocols for database replication systems. It also summarizes different concepts about group communication systems and virtual synchrony. As a result, the thesis provides a classification of database replication protocols according to their support to (and interaction with) recovery protocols, always assuming that both kinds of protocol rely on a GCS. Since current commercial DBMSs allow that programmers and database administrators sacrifice consistency with the aim of improving performance, it is important to select the appropriate level of consistency. Regarding (replicated) databases, consistency is strongly related to the isolation levels being assigned to transactions. One of the main proposals of this thesis is a recovery protocol for a replication protocol based on certification. Certification-based database replication protocols provide a good basis for the development of their recovery strategies when a snapshot isolation level is assumed. In that level readsets are not needed in the validation step. As a result, they do not need to be transmitted to other replicas. Additionally, these protocols hold a writeset list that is used in the certification/validation step. That list maintains the set of writesets needed by the recovery protocol. This thesis evaluates the performance of a recovery protocol based on the writeset list tranfer (basic protocol) and of an optimized version that compacts the information to be transferred. The second proposal applies the compaction principle to a recovery protocol designed for weak-voting replication protocols. Its aim is to minimize the time needed for transferring and applying the writesets lost by the recovering replica, obtaining in this way an efficient recovery. The performance of this recovery algorithm has been checked implementing a simulator. To this end, the Omnet++ simulating framework has been used. The simulation results confirm that this recovery protocol provides good results in multiple scenarios. Finally, the correction of both recovery protocols is also justified and presented in Chapter 5.García Muñoz, LH. (2013). Optimizing recovery protocols for replicated database systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31632TESI

From cluster databases to cloud storage: Providing transactional support on the cloud

Durant les últimes tres dècades, les limitacions tecnològiques (com per exemple la capacitat dels dispositius d'emmagatzematge o l'ample de banda de les xarxes de comunicació) i les creixents demandes dels usuaris (estructures d'informació, volums de dades) han conduït l'evolució de les bases de dades distribuïdes. Des dels primers repositoris de dades per arxius plans que es van desenvolupar en la dècada dels vuitanta, s'han produït importants avenços en els algoritmes de control de concurrència, protocols de replicació i en la gestió de transaccions. No obstant això, els reptes moderns d'emmagatzematge de dades que plantegen el Big Data i el cloud computing—orientats a millorar la limitacions pel que fa a escalabilitat i elasticitat de les bases de dades estàtiques—estan empenyent als professionals a relaxar algunes propietats importants dels sistemes transaccionals clàssics, cosa que exclou a diverses aplicacions les quals no poden encaixar en aquesta estratègia degut a la seva alta dependència transaccional. El propòsit d'aquesta tesi és abordar dos reptes importants encara latents en el camp de les bases de dades distribuïdes: (1) les limitacions pel que fa a escalabilitat dels sistemes transaccionals i (2) el suport transaccional en repositoris d'emmagatzematge en el núvol. Analitzar les tècniques tradicionals de control de concurrència i de replicació, utilitzades per les bases de dades clàssiques per suportar transaccions, és fonamental per identificar les raons que fan que aquests sistemes degradin el seu rendiment quan el nombre de nodes i / o quantitat de dades creix. A més, aquest anàlisi està orientat a justificar el disseny dels repositoris en el núvol que deliberadament han deixat de banda el suport transaccional. Efectivament, apropar el paradigma de l'emmagatzematge en el núvol a les aplicacions que tenen una forta dependència en les transaccions és fonamental per a la seva adaptació als requeriments actuals pel que fa a volums de dades i models de negoci. Aquesta tesi comença amb la proposta d'un simulador de protocols per a bases de dades distribuïdes estàtiques, el qual serveix com a base per a la revisió i comparativa de rendiment dels protocols de control de concurrència i les tècniques de replicació existents. Pel que fa a la escalabilitat de les bases de dades i les transaccions, s'estudien els efectes que té executar diferents perfils de transacció sota diferents condicions. Aquesta anàlisi contínua amb una revisió dels repositoris d'emmagatzematge de dades en el núvol existents—que prometen encaixar en entorns dinàmics que requereixen alta escalabilitat i disponibilitat—, el qual permet avaluar els paràmetres i característiques que aquests sistemes han sacrificat per tal de complir les necessitats actuals pel que fa a emmagatzematge de dades a gran escala. Per explorar les possibilitats que ofereix el paradigma del cloud computing en un escenari real, es presenta el desenvolupament d'una arquitectura d'emmagatzematge de dades inspirada en el cloud computing la qual s’utilitza per emmagatzemar la informació generada en les Smart Grids. Concretament, es combinen les tècniques de replicació en bases de dades transaccionals i la propagació epidèmica amb els principis de disseny usats per construir els repositoris de dades en el núvol. Les lliçons recollides en l'estudi dels protocols de replicació i control de concurrència en el simulador de base de dades, juntament amb les experiències derivades del desenvolupament del repositori de dades per a les Smart Grids, desemboquen en el que hem batejat com Epidemia: una infraestructura d'emmagatzematge per Big Data concebuda per proporcionar suport transaccional en el núvol. A més d'heretar els beneficis dels repositoris en el núvol en quant a escalabilitat, Epidemia inclou una capa de gestió de transaccions que reenvia les transaccions dels clients a un conjunt jeràrquic de particions de dades, cosa que permet al sistema oferir diferents nivells de consistència i adaptar elàsticament la seva configuració a noves demandes de càrrega de treball. Finalment, els resultats experimentals posen de manifest la viabilitat de la nostra contribució i encoratgen als professionals a continuar treballant en aquesta àrea.Durante las últimas tres décadas, las limitaciones tecnológicas (por ejemplo la capacidad de los dispositivos de almacenamiento o el ancho de banda de las redes de comunicación) y las crecientes demandas de los usuarios (estructuras de información, volúmenes de datos) han conducido la evolución de las bases de datos distribuidas. Desde los primeros repositorios de datos para archivos planos que se desarrollaron en la década de los ochenta, se han producido importantes avances en los algoritmos de control de concurrencia, protocolos de replicación y en la gestión de transacciones. Sin embargo, los retos modernos de almacenamiento de datos que plantean el Big Data y el cloud computing—orientados a mejorar la limitaciones en cuanto a escalabilidad y elasticidad de las bases de datos estáticas—están empujando a los profesionales a relajar algunas propiedades importantes de los sistemas transaccionales clásicos, lo que excluye a varias aplicaciones las cuales no pueden encajar en esta estrategia debido a su alta dependencia transaccional. El propósito de esta tesis es abordar dos retos importantes todavía latentes en el campo de las bases de datos distribuidas: (1) las limitaciones en cuanto a escalabilidad de los sistemas transaccionales y (2) el soporte transaccional en repositorios de almacenamiento en la nube. Analizar las técnicas tradicionales de control de concurrencia y de replicación, utilizadas por las bases de datos clásicas para soportar transacciones, es fundamental para identificar las razones que hacen que estos sistemas degraden su rendimiento cuando el número de nodos y/o cantidad de datos crece. Además, este análisis está orientado a justificar el diseño de los repositorios en la nube que deliberadamente han dejado de lado el soporte transaccional. Efectivamente, acercar el paradigma del almacenamiento en la nube a las aplicaciones que tienen una fuerte dependencia en las transacciones es crucial para su adaptación a los requerimientos actuales en cuanto a volúmenes de datos y modelos de negocio. Esta tesis empieza con la propuesta de un simulador de protocolos para bases de datos distribuidas estáticas, el cual sirve como base para la revisión y comparativa de rendimiento de los protocolos de control de concurrencia y las técnicas de replicación existentes. En cuanto a la escalabilidad de las bases de datos y las transacciones, se estudian los efectos que tiene ejecutar distintos perfiles de transacción bajo diferentes condiciones. Este análisis continua con una revisión de los repositorios de almacenamiento en la nube existentes—que prometen encajar en entornos dinámicos que requieren alta escalabilidad y disponibilidad—, el cual permite evaluar los parámetros y características que estos sistemas han sacrificado con el fin de cumplir las necesidades actuales en cuanto a almacenamiento de datos a gran escala. Para explorar las posibilidades que ofrece el paradigma del cloud computing en un escenario real, se presenta el desarrollo de una arquitectura de almacenamiento de datos inspirada en el cloud computing para almacenar la información generada en las Smart Grids. Concretamente, se combinan las técnicas de replicación en bases de datos transaccionales y la propagación epidémica con los principios de diseño usados para construir los repositorios de datos en la nube. Las lecciones recogidas en el estudio de los protocolos de replicación y control de concurrencia en el simulador de base de datos, junto con las experiencias derivadas del desarrollo del repositorio de datos para las Smart Grids, desembocan en lo que hemos acuñado como Epidemia: una infraestructura de almacenamiento para Big Data concebida para proporcionar soporte transaccional en la nube. Además de heredar los beneficios de los repositorios en la nube altamente en cuanto a escalabilidad, Epidemia incluye una capa de gestión de transacciones que reenvía las transacciones de los clientes a un conjunto jerárquico de particiones de datos, lo que permite al sistema ofrecer distintos niveles de consistencia y adaptar elásticamente su configuración a nuevas demandas cargas de trabajo. Por último, los resultados experimentales ponen de manifiesto la viabilidad de nuestra contribución y alientan a los profesionales a continuar trabajando en esta área.Over the past three decades, technology constraints (e.g., capacity of storage devices, communication networks bandwidth) and an ever-increasing set of user demands (e.g., information structures, data volumes) have driven the evolution of distributed databases. Since flat-file data repositories developed in the early eighties, there have been important advances in concurrency control algorithms, replication protocols, and transactions management. However, modern concerns in data storage posed by Big Data and cloud computing—related to overcome the scalability and elasticity limitations of classic databases—are pushing practitioners to relax some important properties featured by transactions, which excludes several applications that are unable to fit in this strategy due to their intrinsic transactional nature. The purpose of this thesis is to address two important challenges still latent in distributed databases: (1) the scalability limitations of transactional databases and (2) providing transactional support on cloud-based storage repositories. Analyzing the traditional concurrency control and replication techniques, used by classic databases to support transactions, is critical to identify the reasons that make these systems degrade their throughput when the number of nodes and/or amount of data rockets. Besides, this analysis is devoted to justify the design rationale behind cloud repositories in which transactions have been generally neglected. Furthermore, enabling applications which are strongly dependent on transactions to take advantage of the cloud storage paradigm is crucial for their adaptation to current data demands and business models. This dissertation starts by proposing a custom protocol simulator for static distributed databases, which serves as a basis for revising and comparing the performance of existing concurrency control protocols and replication techniques. As this thesis is especially concerned with transactions, the effects on the database scalability of different transaction profiles under different conditions are studied. This analysis is followed by a review of existing cloud storage repositories—that claim to be highly dynamic, scalable, and available—, which leads to an evaluation of the parameters and features that these systems have sacrificed in order to meet current large-scale data storage demands. To further explore the possibilities of the cloud computing paradigm in a real-world scenario, a cloud-inspired approach to store data from Smart Grids is presented. More specifically, the proposed architecture combines classic database replication techniques and epidemic updates propagation with the design principles of cloud-based storage. The key insights collected when prototyping the replication and concurrency control protocols at the database simulator, together with the experiences derived from building a large-scale storage repository for Smart Grids, are wrapped up into what we have coined as Epidemia: a storage infrastructure conceived to provide transactional support on the cloud. In addition to inheriting the benefits of highly-scalable cloud repositories, Epidemia includes a transaction management layer that forwards client transactions to a hierarchical set of data partitions, which allows the system to offer different consistency levels and elastically adapt its configuration to incoming workloads. Finally, experimental results highlight the feasibility of our contribution and encourage practitioners to further research in this area

Reliable and Real-Time Distributed Abstractions

The celebrated distributed computing approach for building systems and services using multiple machines continues to expand to new domains. Computation devices nowadays have additional sensing and communication capabilities, while becoming, at the same time, cheaper, faster and more pervasive. Consequently, areas like industrial control, smart grids and sensor networks are increasingly using such devices to control and coordinate system operations. However, compared to classic distributed systems, such real-world physical systems have different needs, e.g., real-time and energy efficiency requirements. Moreover, constraints that govern communication are also different. Networks become susceptible to inevitable random losses, especially when utilizing wireless and power line communication. This thesis investigates how to build various fundamental distributed computing abstractions (services) given the limitations, the performance and the application requirements and constraints of real-world control, smart grid and sensor systems. In quest of completeness, we discuss four distributed abstractions starting from the level of network links all the way up to the application level. At the link level, we show how to build an energy-efficient reliable communication service. This is especially important for devices with battery-powered wireless adapters where recharging might be unfeasible. We establish transmission policies that can be used by processes to decide when to transmit over the network in order to avoid losses and minimize re-transmissions. These policies allow messages to be reliably transmitted with minimum transmission energy. One level higher than links is failure detection, a software abstraction that relies on communication for identifying process crashes. We prove impossibility results concerning implementing classic eventual failure detectors in networks with probabilistic losses. We define a new implementable type of failure detectors, which preserves modularity. This means that existing deterministic algorithms using eventual failure detectors can still be used to solve certain distributed problems in lossy networks: we simply replace the existing failure detector with the one we define. Using failure detectors, processes might get information about failures at different times. However, to ensure dependability, environments such as distributed control systems (DCSs), require a membership service where processes agree about failures in real time. We prove that the necessary properties of this membership cannot be implemented deterministically, given probabilistic losses. We propose an algorithm that satisfies these properties, with high probability. We show analytically, as well as experimentally (within an industrial DCS), that our technique significantly enhances the DCS dependability, compared to classic membership services, at low additional cost. Finally, we investigate a real-time shared memory abstraction, which vastly simplifies programming control applications. We study the feasibility of implementing such an abstraction within DCSs, showing the impossibility of this task using traditional algorithms that are built on top of existing software blocks like failure detectors. We propose an approach that circumvents this impossibility by attaching information to the failure detection messages, analyze the performance of our technique and showcase ways of adapting it to various application needs and workloads

Implementing database replication protocols based on O2PL in a middleware architecture

Database replication is a way to increase system performance and fault-tolerance of a given system. The price to pay is the effort needed to guarantee data consistency, and this is not an easy task. In this paper, we introduce a description of two 1-Copy-Serializable (1CS) [1] eager update everywhere replication protocols. The preliminary results of their implementation in the MADIS middleware architecture [2] are also presented. The advantage of these replication protocols is that they do not need to re-implement features that are provided by the underlying database. The first one does not rely on strong group communication primitives [3]; distributed deadlock is avoided by a deadlock prevention schema based on transaction priorities (whose information is totally local at each node). The second one manages replica consistency by the total order message delivery featured by Group Communication Systems (GCSs) [3]