Adaptation through replica-group reconfiguration in NoSQL data stores (Master thesis)

Βαλεκάρδας, Δημήτριος


Modern stateful services are able to adapt by dynamically adjusting the level of fault tolerance and performance to ensure that their service characteristics closely match user requirements, which may change over time. In this thesis we focus on adaptive stateful services using replicated NoSQL (key-value) stores for maintaining state, and on replica-group reconfiguration as the primary way to adjust the level of fault tolerance and performance delivered by each replica group in the system. We extend the state of the art in this field by considering the pros and cons of different ways to reconfigureareplicagroupandbyexperimentallyevaluatingreconfigurationvariants in the context of the Etcd key-value store, based on the Raft algorithm. We experimentally study the costs and benefits of replica-group reconfiguration in various adaptation scenarios of practical interest, using an implementation of Etcd extended with the joint-consensus reconfiguration method, as well as the default single-server reconfiguration offered in the publicly available implementation. Our results demonstrate that the main adaptation costs incurred in both reconfiguration variants are transferring state and electing a new leader. Reconfiguration actions may be scheduled to reduce either the duration or the performance impact of reconfiguration. In both cases the two variants perform comparably, differing only in qualitative aspects such as implementation complexity.
Institution and School/Department of submitter: Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής
Subject classification: Data storage
Keywords: Data storage
URI: http://olympias.lib.uoi.gr/jspui/handle/123456789/29259
Item type: masterThesis
Subject classification: Data storage
Submission Date: 2019-02-07T11:02:18Z
Item language: en
Item access scheme: free
Institution and School/Department of submitter: Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής
Publication date: 2018
Bibliographic citation: Βιβλιογραφία: σ. 66-69
Abstract: Modern stateful services are able to adapt by dynamically adjusting the level of fault tolerance and performance to ensure that their service characteristics closely match user requirements, which may change over time. In this thesis we focus on adaptive stateful services using replicated NoSQL (key-value) stores for maintaining state, and on replica-group reconfiguration as the primary way to adjust the level of fault tolerance and performance delivered by each replica group in the system. We extend the state of the art in this field by considering the pros and cons of different ways to reconfigureareplicagroupandbyexperimentallyevaluatingreconfigurationvariants in the context of the Etcd key-value store, based on the Raft algorithm. We experimentally study the costs and benefits of replica-group reconfiguration in various adaptation scenarios of practical interest, using an implementation of Etcd extended with the joint-consensus reconfiguration method, as well as the default single-server reconfiguration offered in the publicly available implementation. Our results demonstrate that the main adaptation costs incurred in both reconfiguration variants are transferring state and electing a new leader. Reconfiguration actions may be scheduled to reduce either the duration or the performance impact of reconfiguration. In both cases the two variants perform comparably, differing only in qualitative aspects such as implementation complexity.
Οι σημερινές μοντέρνες διαδικτυακές και μη υπηρεσίες που λειτουργούν ως μηχανές καταστάσεων, έχουν τη δυνατότητα να προσαρμόζουν δυναμικά το επίπεδο ανεκτικότηταςσεσϕάλματαόπωςκαιτοεπίπεδοαπόδοσης.Μεαυτόντοντρόπο,οι υπηρεσίες προσαρμόζονται στις απαιτήσεις και της ανάγκες του χρήστη, οι οποίες μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια της ζωής και εξέλιξης ενός συστήματος. Σε αυτή τη διατριβή, εστιάζουμε στην δυνατότητα προσαρμογής ομάδων-αντιγράϕων που χρησιμοποιούν ως αποθηκευτικό χώρο βάσεις κλειδιού-τιμής (τύπου NoSQL) μέσω χρήσης μηχανισμών αναδιοργάνωσης. Η αναδιοργάνωση (αλλαγή πλήθους αντιγράϕων) είναι ο κύριος τρόπος να τροποποιήσουμε την ανεκτικότητα ενός συστήματος σε σϕάλματα, αλλά και το επίπεδο απόδοσης των ομάδων-αντιγράϕων που ανήκουν σε ένα σύστημα. Συμβαδίζοντας με την τελευταία λέξη τη τεχνολογίας, ερευνήσαμε τις δυνατότητες των μηχανισμών αναδιοργάνωσης σε ομάδες αντιγράϕων, λαμβάνοντας υπόψιν τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των διάϕορων τρόπων προσαρμογής. Μελετήσαμε και υλοποιήσαμε γνωστή παραλλαγή του μηχανισμού αναδιοργάνωσης, στο πλαίσιο κατανεμημένου συστήματος αποθήκευσης κλειδιώντιμών, ονομαζόμενου Etcd, το οποίο βασίζει την αντιγραϕή δεδομένων μεταξύ αντιγράϕων στοναλγόριθμο συμϕωνίας Raft. Μελετήσαμε πειραματικά τα κόστη και τα οϕέλη της αναδιοργάνωσης ομάδων αντιγράϕων σε ποικίλα σενάρια προσαρμογής μεγάλου και πρακτικού ερευνητικού ενδιαϕέροντος. Μελετήσαμε τη δυνατότητα να προσαρμόζουμε την ανεκτικότητα του συστήματος μέσω προσθήκης νέων αντιγράϕων,και τη δυνατότητα βελτίωσης τηςαπόδοσης με αντικατάσταση των αντιγράϕων με αντίγραϕα που χρησιμοποιούν περισσότερους πόρους. Η μελέτη αυτή έγινε με χρήση της τροποποιημένης από εμάς έκδοσης του Etcd,η οποία χρησιμοποιεί την μέθοδο της από κοινού συμϕωνίας αναδιοργάνωσης (joint consensus reconfiguration), με την οποία μπορούμε να αυξομειώσουμε το πλήθος των αντιγράϕων μονομιάς. Η από κοινού συμϕωνία αναδιοργάνωσης είναι ένα εργαλείο που μας επιτρέπει να αλλάξουμε το πλήθος μιας ομάδας αντιγράϕων με μια εντολή, η οποία περιλαμβάνει πολλαπλές ταυτόχρονες προσθήκες/αϕαιρέσεις/αντικαταστάσεις κόμβων. Μας επιτρέπει να μεταβούμε από μια οποιαδήποτε ομάδα αντιγράϕων σε μια εντελώς καινούργια, ανεξαρτήτου πλήθους αντιγράϕων. Μεταβαίνοντας στο νέο σύνολο αντιγράϕων, προστίθεται ενδιάμεσα μια επιπλέον ϕάση στην οποία οι αποϕάσεις λαμβάνονται από κοινού μεταξύ της παλιάς και της διάδοχης ομάδας αντιγράϕων. Μελετήσαμε και αξιολογήσαμε και την προϋπάρχουσα μέθοδο αναδιοργάνωσης, η οποίααυξομειώνειτοπλήθοςτηςομάδας-αντιγράϕων κατά ένα αντίγραϕο τη ϕορά (single server reconfiguration), και είναι διαθέσιμη σε δημόσιο ηλεκτρονικό αποθηκευτικό χώρο. Τα αποτελέσματά μας επιδεικνύουν τα βασικά κόστη αναπροσαρμογής, τα οποία προκαλούνται από τη μεταϕορά της κατάστασης από τον αρχηγό της ομάδας αντιγράϕων προς τους νεοεισερχόμενους κόμβους, και την πιθανή εκλογή νέου αρχηγού της ομάδας αντιγράϕων, και είναι κοινά και στους δυο τρόπους αναδιοργάνωσης των ομάδων. Συμπεραίνουμε πως και οι δυο τρόποι αναδιοργάνωσης έχουν παρόμοια απόδοση, διαϕέροντας μόνο στην πολυπλοκότητα υλοποίησης.
Advisor name: Μαγκούτης, Κωνσταντίνος
Examining committee: Μαγκούτης, Κωνσταντίνος
Δημακόπουλος, Βασίλειος
Πιτουρά, Ευαγγελία
Publishing department/division: Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής
Publishing institution: uoi
Number of pages: 73 σ.
Appears in Collections:Διατριβές Μεταπτυχιακής Έρευνας (Masters)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Μ.Ε. ΒΑΛΕΚΑΡΔΑΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ 2018.pdf779.6 kBAdobe PDFView/Open



 Please use this identifier to cite or link to this item:
http://olympias.lib.uoi.gr/jspui/handle/123456789/29259
  This item is a favorite for 0 people.

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.