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분산 브로커의 가용성 향상을 위한 메시지 레플리카 액티브-액티브 구조 기법
Active-Active Message Replica Scheme for Enhancing Performance of Distributed Message Broker 원문보기

정보처리학회논문지. KIPS transactions on computer and communication systems 컴퓨터 및 통신 시스템, v.7 no.6, 2018년, pp.145 - 154  

서경희 ((주) NHN) ,  여상호 (아주대학교 컴퓨터공학과) ,  오상윤 (아주대학교 소프트웨어학과)

초록
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다양한 분산 소프트웨어 컴포넌트들의 정보 교환을 위해 비동기, 다대다 메시지 교환이 가능한 브로커 구조가 보편적으로 사용되고 있다. 특별히 많은 사용자 및 메시지를 지원하기 위해 높은 확장성의 분산 메시지 브로커가 제안되었다. 브로커의 가용성 및 장애 극복 능력을 향상시키기 위해 메시지 레플리카를 사용하여 액티브-스탠바이 혹은 액티브-액티브 구조를 사용하게 된다. 그러나, 액티브-스탠바이의 경우 낮은 가용성의 문제, 그리고 액티브-액티브의 경우 동기화 오버헤드가 전체 성능을 낮추는 문제를 가진다. 본 논문에서는 장애 상황의 극복이 가능하면서도 분산 메시지 브로커의 가용성을 향상시키기 위해 메시지 레플리카를 액티브-액티브 구조로 구성하여 분산 브로커의 요청 부하를 분산시키는 기법을 제안하였다. 스탠바이 레플리카들이 액티브 레플리카로부터 요청을 전달받아 나누어 처리함으로써 브로커를 구성하는 노드 수의 증가 없이 요청 부하를 분산시킬 수 있었다. 이때 메시지 동기화 과정은 분산 코디네이터를 이용, 분산 락을 구현함으로써 모든 액티브 레플리카들이 한 때에 동기화를 진행하도록 하였고 각 액티브 레플리가 동기화를 할 때보다 추가적인 오버헤드를 적게 하였다. 본 제안의 성능을 평가하기 위해 제안 기법과 기존의 액티브-스탠바이 기법을 기반으로 브로커 프로토타입을 구현하고 메시지의 생산, 소비 및 전체 생산-소비 구간 처리 성능을 측정 비교하였고, 분산 락으로 인한 오버헤드 수식을 제시하였다. 실험 결과에서 본 제안 기법이 더 높은 확장성과 메시지 처리성능을 보임을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A loosely coupled message broker system is a popular method for integrating distributed software components. Especially, a distributed broker structure with multiple brokers with active-standby or active-active message replicas are used to enhance availability as well as message processing performan...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • (2) Broker3은 syncEnd의 값을 자신이 가진 마지막 메시지 오프셋 값인 103으로 업데이트함으로써 분산 락이 생성된다. lock 노드에 자식 노드가 생성되면 오리지널 레플리카는 해당 자식 노드 값을 통해 어떤 레플리카가 살아있는지 확인한다. ‘lock’노드에 자식 노드가 생기고 ‘syncEnd’노드 값이 변경되면 락이 걸리며, 등록한 watcher를 통해 모든 레플리카에 분산 락이 생성되었음이 전달된다.
  • 본 논문에서는 높은 장애 극복 능력을 가지지만 제한적으로만 확장되어 높은 처리성능을 달성하기 어려운 액티브-스탠바이 구조의 제한점을 극복하기 위해 변형 액티브-액티브 구조를 제안하여 레플리카를 액티브로 활용하는 기법을 제안한다. 본 제안에서는 액티브-액티브 구조를 달성하기 위해 필요한 복잡한 동기화 과정을 분산 코디네이터에 의한 분산 락을 구현으로 단순화하였으며, 높은 처리 성능의 달성을 위해서 original 액티브 노드에 로드 밸런서 기능을 추가하여 다수의 레플리카-액티브 노드에 사용자 요청을 분산하도록 설계하였다.
  • 그러나, 액티브-액티브 구조가 액티브-스탠바이 구조 대비 가지는 우수한 장애 극복 성능 및 요청 처리 능력에도 불구하고 액티브-액티브를 달성하기 위해 필요한 동기화 오버헤드 및 동기화 과정의 복잡도로 인해 일부 시스템에서만 제한적인 목적으로 사용되어 왔다. 본 논문에서는 분산 메시지 브로커에 액티브-액티브 구조의 레플리카를 적용하는 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 브로커를 구성하는 노드 수의 증가 없이 부하를 분산시키는 것을 목표로 하며, 분산 코디네이터를 이용한 분산 락을 통해 각 액티브 레플리카들의 메시지 동기를 맞추었다.
  • 본 실험에서는 레플리카의 동기화의 시기를 일치시켜서 모든 레플리카들이 같은 주기에서 동기화를 수행하도록 하였다. 이 동기화 주기 자유도 여부는 3장에서 설명한 바와 같이 성능에는 큰 차이가 없지만, 액티브-스탠바이와 액티브-액티브를 동일한 환경에서 비교 평가하는 실험을 진행하기 위해서이다.
  • 본 연구에서는 장애 상황의 극복이 가능하면서도 분산 메시지 브로커의 가용성을 향상시키기 위해 메시지 레플리카를 액티브-액티브 구조로 구성하여 분산 브로커의 요청 부하를 분산시키는 기법을 제안하였다. 스탠바이 레플리카들이 액티브 레플리카로부터 요청을 전달받아 나누어 처리함으로써 브로커를 구성하는 노드 수의 증가 없이 요청 부하를 분산시킬 수 있었다.
  • 본 장에서는 액티브-액티브 구조를 효과적으로 적용하여 장애 극복 능력을 유지하면서도 높은 가용성을 얻을 수 있는 제안 기법의 효과를 평가하기 위해 액티브-스탠바이 구조를 활용하고 있는 대표적인 분산 메시지 브로커인 아파치 카프카에 대한 프로토타입 시스템과 제안 기법의 핵심 기능을 갖는 시스템을 구현하였으며, 이를 통해 분산 브로커에 사용자의 요청 부하가 발생했을 때 제안 기법의 효과를 알아보고자 하였다. 성능 평가에서는 메시지 처리 성능, 즉 각 사용자의 요청이 브로커에게 전달되어 처리된 후 응답을 받기까지의 처리 시간을 측정하여 비교하였으며, 처리 시간은 각각 메시지의 생산, 메시지의 소비 및 메시지의 생산과 소비의 세 실험 결과에 대해 각각 비교하였다.
  • 본 절에서는 오리지널 레플리카가 사용자의 요청을 수용하고, 요청이 다른 세컨더리 레플리카들에 분산되어 처리되는 과정에 관해서 설명한다. 오리지널 레플리카를 통해 라운드 로빈하게 분산되는 요청은 오리지널 레플리카 또는 세컨더리 레플리카가 처리하게 된다.
  • 본 실험에서는 레플리카의 동기화의 시기를 일치시켜서 모든 레플리카들이 같은 주기에서 동기화를 수행하도록 하였다. 이 동기화 주기 자유도 여부는 3장에서 설명한 바와 같이 성능에는 큰 차이가 없지만, 액티브-스탠바이와 액티브-액티브를 동일한 환경에서 비교 평가하는 실험을 진행하기 위해서이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
분산되어 있는 소프트웨어 컴포넌트 간의 정보교환을 위해 어떤 메시징 방식들이 제안됐었는가? 네트워크 상에 분산되어 있는 소프트웨어 컴포넌트들 간의 정보교환을 위해서 다양한 메시징 방식이 제안되어 왔다. 초기에 두 컴포넌트의 동기적 연결을 통한 메시징을 가능하게 하는 원격 프로시저 호출(Remote Procedure Call, RPC)과 같이 시간 및 공간적 동기를 요구하는 방식으로부터, 동기화의 제한점을 극복하기 위해 비동기 방식의 메시지 큐(message queue)나 메시지 브로커(message broker)와 같은 다양한 패러다임이 등장하였다. 이러한 비동기 방식의 메시징에서 사용하는 메시징 패러다임으로 점대점 패러다임(point-to-point)이나 발행/구독 패러다임(publish/subscribe) 등이 사용된다[1-3].
분산 브로커 구조가 제안된 계기는 무엇인가? 다양한 분산 소프트웨어 컴포넌트들의 정보 교환을 위해 비동기, 다대다 메시지 교환이 가능한 브로커 구조가 보편적으로 사용되고 있다. 특별히 많은 사용자 및 메시지를 지원하기 위해 높은 확장성의 분산 메시지 브로커가 제안되었다. 브로커의 가용성 및 장애 극복 능력을 향상시키기 위해 메시지 레플리카를 사용하여 액티브-스탠바이 혹은 액티브-액티브 구조를 사용하게 된다.
브로커의 가용성 및 장애 극복 능력을 향상시키기 위해 무엇을 사용하는가? 특별히 많은 사용자 및 메시지를 지원하기 위해 높은 확장성의 분산 메시지 브로커가 제안되었다. 브로커의 가용성 및 장애 극복 능력을 향상시키기 위해 메시지 레플리카를 사용하여 액티브-스탠바이 혹은 액티브-액티브 구조를 사용하게 된다. 그러나, 액티브-스탠바이의 경우 낮은 가용성의 문제, 그리고 액티브-액티브의 경우 동기화 오버헤드가 전체 성능을 낮추는 문제를 가진다.
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참고문헌 (14)

  1. P. T. Eugster, P. A. Felber, and R. Guerraoui, "The many faces of publish/subscribe," ACM Computing Surveys, Vol.35, No.2, pp.114-131, 2003. 

  2. E. Curry, "Message-oriented middleware," in Middleware for communications, John Wiley & Sons, pp.1-28, 2004. 

  3. G. Banavar, T. Chandra, R. Strom, and D. Sturman, "A case for message oriented middleware," In International Symposium on Distributed Computing, pp.1-17, 1999. 

  4. G. Pardo-Castellote, "OMG data-distribution service: Architectural overview," In Proc. IEEE International Conference on Distributed Computing Systems Workshops'03, 2003, pp. 200-206. 

  5. A. Fedoruk and R. Deters, "Improving fault-tolerance by replicating agents," In Proc. 1st International Joint Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems: Part 2, ACM, pp.737-744, 2002. 

  6. The Apache Software Foundation, "Welcome to $Apache^{TM}$ Hadoop!," The Apache Software Foundation, 2014. [Online]. Available: http://hadoop.apache.org. [Accessed Nov. 30, 2017]. 

  7. The Apache Software Foundation, "Apache Hadoop 2.9.0 - HDFS High Availability," The Apache Software Foundation, 2017. [Online]. Available: https://hadoop.apache.org/docs/stable/hadoop-project-dist/hadoop-hdfs/HDFSHighAvailabilityWithNFS.html. [Accessed Nov. 30, 2017]. 

  8. J-H. Hwang, M. Balazinska, and A. Rasin, "High-availability algorithms for distributed stream processing," In Proc. 21st International Conference on Data Engineering'05, pp. 779-790, 2005. 

  9. NGINX Inc., "Load balancing with NGINX Plus," NGINX Inc., 2017. [Online]. Available: https://www.nginx.com/products/nginx/load-balancing/#load-balancing-methods. [Accessed Nov. 30, 2017]. 

  10. P. Hunt, M. Konar, F. P. Junqueira, and B. Reed, "ZooKeeper: Wait-free Coordination for Internet-scale Systems," In Proc. USENIX Annual Technical Conference, Vol. 8, pp.145-158, 2010. 

  11. The Apache Software Foundation, "Samza," The Apache Software Foundation. [Online]. Available: http://samza.apache.org. [Accessed Nov. 30, 2017]. 

  12. The Apache Software Foundation, "Apache Storm," The Apache Software Foundation, 2015. [Online]. Available: http://storm.apache.org. [Accessed Nov. 30, 2017]. 

  13. The Apache Software Foundation, "Spark Streaming $\mid$ Apache Spark," The Apache Software Foundation. [Online]. Available: http://spark.apache.org/streaming. [Accessed Nov. 30, 2017]. 

  14. Project Gutenberg Literary Archive Foundation Inc., "Gutenberg," Project Gutenberg Literary Archive Foundation Inc., 2017. [Online]. Available: https://www.gutenberg.org. [Accessed Nov. 30, 2017]. 

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