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弱数据一致性协议的TLA+描述与验证

弱数据一致性协议的TLA+描述与验证

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作者：纪业南京大学

学位级别：硕士

分布式系统为了保证高可用性与高容错性,通常采用数据副本技术,将数据的不同副本存放在不同的物理节点上。根据CAP定理,任何一个分布式数据副本系统都无法同时满足(强)数据一致性、可用性及网络分区容忍性这三种特性。因此,在存在网络... 详细信息

分布式系统为了保证高可用性与高容错性,通常采用数据副本技术,将数据的不同副本存放在不同的物理节点上。根据CAP定理,任何一个分布式数据副本系统都无法同时满足(强)数据一致性、可用性及网络分区容忍性这三种特性。因此,在存在网络分区的情况下,分布式系统必须在可用性和数据一致性之间做出权衡。很多分布式系统选择提供较弱的数据一致性。本文中,我们研究了两类典型系统中的典型弱一致性协议:·无冲突复制数据类型(Conflict-free Replicated Data Types,即CRDT)中的强最终一致性协议:CRDT是一种封装了冲突消解策略的分布式复制数据类型。它能保证分布式系统中副本节点间的强最终一致性,即执行了相同更新操作的副本节点具有相同的状态。CRDT协议设计精巧,不易保证其正确性。·MongoDB实现的可调一致性(Tunable Consistency)协议:MongoDB是一个开源非关系型数据库系统,它具有高可用性、高性能和高可扩展性等特性。面对数据副本技术带来的数据一致性问题,MongoDB通过read Concern和write Concern的不同等级组合提供了可调一致性。本文旨在使用TLA+形式化规约语言和TLC模型检验工具来验证这两类弱数据一致性协议的正确性。具体而言,本文的主要贡献如下:·我们构建了一个可复用的CRDT协议描述与验证框架,包括网络通信层、协议接口层、具体协议层与规约层。网络通信层描述副本节点之间的通信模型,实现了多种类型的通信网络。协议接口层为已知的CRDT协议(分为基于操作的协议与基于状态的协议)提供了统一的接口。在具体协议层,用户可以根据协议的需求选用合适的底层通信网络。规约层则描述了所有CRDT协议都需要满足的强最终一致性与最终可见性(所有的更新操作最终都会被所有的副本节点接收并处理)。我们使用TLA+形式化规约语言实现了该框架,然后以Add-Wins Set复制数据类型为例展示了如何使用框架描述具体协议并使用TLC模型检验工具验证协议的正确性。·我们研究了MongoDB中的可调一致性协议。具体而言,我们根据读写操作参数read Concern和write Concern的不同等级给出了相应的协议实现的伪代码,包括混合逻辑时钟、数据快照、客户端操作、服务端操作、日志复制、心跳机制和提交点更新等多个模块。然后,给出了形式化的TLA+规约。最后,我们整理了各种参数组合下MongoDB满足的一致性模型,并且以单调读一致性为例,使用TLC模型检验工具验证各种参数组合是否满足目标一致性的要求。

关键词：弱数据一致性无冲突复制数据类型 MongoDB 强最终一致性可调一致性 TLA+

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