Cohérence de données répliquées partagées adaptative pour architectures de stockage à fort degré d’élasticité.

par Sathiya Prabhu Kumar

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Eric Gressier-Soudan.

Soutenue le 15-03-2016

à Paris, CNAM , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Centre d'Etude et De Recherche en Informatique et Communications / CEDRIC (laboratoire) .

Le président du jury était Daniel Hagimont.

Le jury était composé de Eric Gressier-Soudan, Raja Chiky, Sylvain Lefebvre, Claudia Rocancio, Sophie Chabridon.

Les rapporteurs étaient Bruno Defude.


  • Résumé

    Les principales contributions de cette thèse sont au nombre de trois. La première partie de cette thèse concerne le développement d’un nouveau protocole de réplication nommé LibRe, permettant de limiter le nombre de lectures obsolètes dans un système de stockage distribué. LibRe est un acronyme signifiant "Library for Replication". Le principal objectif de LibRe est d’assurer la cohérence des données en contactant un minimum de répliques durant les opérations de lectures où d’écritures. Dans ce protocole, lors d’une opération d’écriture, chaque réplique met à jour un registre (la "librairie"), de manière asynchrone, avec l’identifiant de version de la donnée modifiée. Lors des opérations de lecture, la requête est transférée au réplica le plus approprié en fonction de l’information figurant dans le registre. Ce mécanisme permet de limiter le nombre de lectures obsolétes. L’évaluation de la cohérence d’un système reste un problème difficile à resoudre, que ce soit par simulation ou par évaluation en conditions réelles. Par conséquent nous avons développé un simulateur appelé Simizer, qui permet d’évaluer et de comparer la performance de différents protocoles de cohérence. Le système d’évaluation de bases de données YCSB a aussi été étendu pour évaluer l’échange entre cohérence et latence dans les systèmes de stockage modernes. Le code du simulateur et les modifications apportées à l’outil YCSB sont disponibles sous licence libre.Bien que les systèmes de bases de données modernes adaptent les garanties de cohérence à la demande de l’utilisateur, anticiper le niveau de cohérence requis pour chaque opération reste difficile pour un développeur d’application. La deuxième contribution de cette thèse cherche à résoudre ce problème en permettant à la base de données de remplacer le niveau de cohérence défini par défaut par d’autres règles définies à partir d’informations externes. Ces informations peuvent être fournies par l’administrateur ou un service extérieur. Dans cette thèse, nous validons ce modèle à l’aide d’une implémentation au sein du système de bases de données distribué Cassandra. La troisième contribution de cette thèse concerne la résolution des conflits de mise à jour. La résolution de ce type de conflits nécessite de retenir toutes les valeurs possibles d’un objet pour permettre la résolution du conflit grâce à une connaissance spécifique côté client. Ceci implique des coûts supplémentaires en termes de débit et de latence. Dans cette thèse nous discutons le besoin et la conception d’un nouveau type d’objet distribué, le registre à priorité, qui utilise une stratégie de détection et de résolution de conflits spécifique au domaine, et l’implante côté serveur. Notre approche utilise la notion d’ordre de remplacement spécifique. Nous montrons qu’un type de donnée paramètrée par un tel ordre peut fournir une solution efficace pour les applications demandant des solutions spécifiques à la résolution des conflits. Nous décrivons aussi l’implémentation d’une preuve de concept au sein de Cassandra.

  • Titre traduit

    Adaptive Consistency Protocols for Replicated Data in Modern Storage Systems with a High Degree of Elasticity


  • Résumé

    The main contributions of this thesis are three folds. The first contribution of the thesis focuses on an efficient way to control stale reads in modern database systems with the help of a new consistency protocol called LibRe. LibRe is an acronym for Library for Replication. The main goal of the LibRe protocol is to ensure data consistency by contacting a minimum number of replica nodes during read and write operations with the help of a library information. According to the protocol, during write operations each replica node updates a registry (library) asynchronously with the recent version identifier of the updated data. Forwarding the read requests to a right replica node referring the registry information helps to control stale reads during read operations. Evaluation of data consistency remains challenging both via simulation as well as in a real world setup. Hence, we implemented a new simulation toolkit called Simizer that helps to evaluate the performance of different consistency policies in a fast and efficient way. We also extended an existing benchmark tool YCSB that helps to evaluate the consistency-latency tradeoff offered by modern database systems. The codebase of the simulator and the extended YCSB are made open-source for public access. The performance of the LibRe protocol is validated both via simulation as well as in a real setup with the help of extended YCSB.Although the modern database systems adapt the consistency guarantees of the system per query basis, anticipating the consistency level of an application query in advance during application development time remains challenging for the application developers. In order to overcome this limitation, the second contribution of the thesis focuses on enabling the database system to override the application-defined consistency options during run time with the help of an external input. The external input could be given by a data administrator or by an external service. The thesis validates the proposed model with the help of a prototype implementation inside the Cassandra distributed storage system.The third contribution of the thesis focuses on resolving update conflicts. Resolving update conflicts often involve maintaining all possible values and perform the resolution via domain-specific knowledge at the client side. This involves additional cost in terms of network bandwidth and latency, and considerable complexity. In this thesis, we discuss the motivation and design of a novel data type called priority register that implements a domain-specific conflict detection and resolution scheme directly at the database side, while leaving open the option of additional reconciliation at the application level. Our approach uses the notion of an application-defined replacement ordering and we show that a data type parameterized by such an order can provide an efficient solution for applications that demand domain-specific conflict resolution. We also describe the proof of concept implementation of the priority register inside Cassandra. The conclusion and perspectives of the thesis work are summarized at the end.


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