Tese de doutoramento em InformáticaSoftware-based replication is a cost-effective approach for fault-tolerance when combined with
commodity hardware. In particular, shared-nothing database clusters built upon commodity machines
and synchronized through eager software-based replication protocols have been driven by
the distributed systems community in the last decade.
The efforts on eager database replication, however, stem from the late 1970s with initial
proposals designed by the database community. From that time, we have the distributed locking
and atomic commitment protocols. Briefly speaking, before updating a data item, all copies
are locked through a distributed lock, and upon commit, an atomic commitment protocol is
responsible for guaranteeing that the transaction’s changes are written to a non-volatile storage
at all replicas before committing it. Both these processes contributed to a poor performance.
The distributed systems community improved these processes by reducing the number of interactions
among replicas through the use of group communication and by relaxing the durability
requirements imposed by the atomic commitment protocol. The approach requires at most two
interactions among replicas and disseminates updates without necessarily applying them before
committing a transaction. This relies on a high number of machines to reduce the likelihood of
failures and ensure data resilience. Clearly, the availability of commodity machines and their
increasing processing power makes this feasible.
Proving the feasibility of this approach requires us to build several prototypes and evaluate
them with different workloads and scenarios. Although simulation environments are a good starting
point, mainly those that allow us to combine real (e.g., replication protocols, group communication)
and simulated-code (e.g., database, network), full-fledged implementations should be
developed and tested. Unfortunately, database vendors usually do not provide native support for
the development of third-party replication protocols, thus forcing protocol developers to either
change the database engines, when the source code is available, or construct in the middleware
server wrappers that intercept client requests otherwise. The former solution is hard to maintain
as new database releases are constantly being produced, whereas the latter represents a strenuous
development effort as it requires us to rebuild several database features at the middleware.
Unfortunately, the group-based replication protocols, optimistic or conservative, that had
been proposed so far have drawbacks that present a major hurdle to their practicability. The
optimistic protocols make it difficult to commit transactions in the presence of hot-spots, whereas
the conservative protocols have a poor performance due to concurrency issues.
In this thesis, we propose using a generic architecture and programming interface, titled
GAPI, to facilitate the development of different replication strategies. The idea consists of providing key extensions to multiple DBMSs (Database Management Systems), thus enabling a
replication strategy to be developed once and tested on several databases that have such extensions,
i.e., those that are replication-friendly. To tackle the aforementioned problems in groupbased
replication protocols, we propose using a novel protocol, titled AKARA. AKARA guarantees
fairness, and thus all transactions have a chance to commit, and ensures great performance
while exploiting parallelism as provided by local database engines. Finally, we outline a simple
but comprehensive set of components to build group-based replication protocols and discuss key
points in its design and implementation.A replicação baseada em software é uma abordagem que fornece um bom custo benefício para
tolerância a falhas quando combinada com hardware commodity. Em particular, os clusters de
base de dados “shared-nothing” construídos com hardware commodity e sincronizados através de
protocolos “eager” têm sido impulsionados pela comunidade de sistemas distribuídos na última
década.
Os primeiros esforços na utilização dos protocolos “eager”, decorrem da década de 70 do
século XX com as propostas da comunidade de base de dados. Dessa época, temos os protocolos
de bloqueio distribuído e de terminação atómica (i.e. “two-phase commit”). De forma sucinta,
antes de actualizar um item de dados, todas as cópias são bloqueadas através de um protocolo
de bloqueio distribuído e, no momento de efetivar uma transacção, um protocolo de terminação
atómica é responsável por garantir que as alterações da transacção são gravadas em todas as
réplicas num sistema de armazenamento não-volátil. No entanto, ambos os processos contribuem
para um mau desempenho do sistema.
A comunidade de sistemas distribuídos melhorou esses processos, reduzindo o número de
interacções entre réplicas, através do uso da comunicação em grupo e minimizando a rigidez
os requisitos de durabilidade impostos pelo protocolo de terminação atómica. Essa abordagem
requer no máximo duas interacções entre as réplicas e dissemina actualizações sem necessariamente
aplicá-las antes de efectivar uma transacção. Para funcionar, a solução depende de um
elevado número de máquinas para reduzirem a probabilidade de falhas e garantir a resiliência de
dados. Claramente, a disponibilidade de hardware commodity e o seu poder de processamento
crescente tornam essa abordagem possível.
Comprovar a viabilidade desta abordagem obriga-nos a construir vários protótipos e a avaliálos
com diferentes cargas de trabalho e cenários. Embora os ambientes de simulação sejam um
bom ponto de partida, principalmente aqueles que nos permitem combinar o código real (por
exemplo, protocolos de replicação, a comunicação em grupo) e o simulado (por exemplo, base
de dados, rede), implementações reais devem ser desenvolvidas e testadas. Infelizmente, os
fornecedores de base de dados, geralmente, não possuem suporte nativo para o desenvolvimento
de protocolos de replicação de terceiros, forçando os desenvolvedores de protocolo a mudar o
motor de base de dados, quando o código fonte está disponível, ou a construir no middleware
abordagens que interceptam as solicitações do cliente. A primeira solução é difícil de manter já
que novas “releases” das bases de dados estão constantemente a serem produzidas, enquanto a
segunda representa um desenvolvimento árduo, pois obriga-nos a reconstruir vários recursos de
uma base de dados no middleware. Infelizmente, os protocolos de replicação baseados em comunicação em grupo, optimistas ou
conservadores, que foram propostos até agora apresentam inconvenientes que são um grande obstáculo
à sua utilização. Com os protocolos optimistas é difícil efectivar transacções na presença
de “hot-spots”, enquanto que os protocolos conservadores têm um fraco desempenho devido a
problemas de concorrência.
Nesta tese, propomos utilizar uma arquitetura genérica e uma interface de programação, intitulada
GAPI, para facilitar o desenvolvimento de diferentes estratégias de replicação. A ideia
consiste em fornecer extensões chaves para múltiplos SGBDs (Database Management Systems),
permitindo assim que uma estratégia de replicação possa ser desenvolvida uma única vez e testada
em várias bases de dados que possuam tais extensões, ou seja, aquelas que são “replicationfriendly”.
Para resolver os problemas acima referidos nos protocolos de replicação baseados
em comunicação em grupo, propomos utilizar um novo protocolo, intitulado AKARA. AKARA
garante a equidade, portanto, todas as operações têm uma oportunidade de serem efectivadas,
e garante um excelente desempenho ao tirar partido do paralelismo fornecido pelos motores
de base de dados. Finalmente, propomos um conjunto simples, mas abrangente de componentes
para construir protocolos de replicação baseados em comunicação em grupo e discutimos pontoschave
na sua concepção e implementação
