Amazon Aurora 내부 들여다보기(4) – 쿼럼 구성원

KENNETH

7년 ago

Amazon Aurora 내부 들여다보기(4) – 쿼럼 구성원

이 글은 AWS Database Blog의 Amazon Aurora Under the Hood: Quorum Membership 의 한국어 번역으로 AWS코리아의 김일호 솔루션즈 아키텍트가 번역해 주셨습니다.

이 글은 Amazon Aurora 서비스가 어떻게 쿼럼을 사용하는지에 대한 글로 총 네 개의 시리즈 중 마지막 글입니다. 첫 번째 글에서는 쿼럼을 사용하는 이점과 장애 시에 꼭 필요한 최소 쿼럼 수에 대한 이야기를 설명하였습니다 두 번째 글에서는 데이터를 읽고 쓸 때 대량의 네트워크 트래픽이 발생하지 않도록 로깅, 캐쉬 상태, 안전한(non-destructive) 쓰기 기능을 설명하였습니다. 그리고 세 번째 글에서는 복제본을 효과적으로 구성하기 위한 보다 향상된 쿼럼 모델을 사용하는 것을 설명하였습니다. 이제 마지막으로 Amazon Aurora가 쿼럼 구성을 관리하면서 생길 수 있는 문제를 어떻게 피하는지를 설명합니다.

쿼럼 구성원 관리 방법
하드웨어 시스템은 장애가 발생할 수 있습니다. 쿼럼 구성원 중 하나에 장애가 발생하면, 새로운 노드를 생성하여 해당 쿼럼을 구성원을 복구 할 수 있습니다. 이러한 문제 해결 방법은 복잡한 상황을 만들 수 있습니다. 정상인 쿼럼 구성원은 문제가 생긴 쿼럼이 어떠한 상황인지 판단하기 어렵습니다. 문제가 생긴 쿼럼 구성원은 지연 시간이 증가하거나, 일시적 지연이 있는 상태이거나 재가동이 일어나거나, 아니면 완전히 장애 생태일 수도 있습니다. 이 때, 네트워크 파티션을 통해 여러 쿼럼 구성원 모임이 서로를 분리할 수 있습니다.

노드마다 지속적으로 보존해야 하는 상태 정보가 많은 경우, 쿼럼을 복구하기 위해 상태 정보를 재복제(re-replication)하는 데는 시간이 오래 걸릴 수 있습니다. 이런 경우 문제가 생긴 노드가 다시 정상으로 복구 될 수도 있기 때문에 보다 보수적으로 복구 구성을 진행할 수도 있습니다. 또는 복구 시간을 줄이기 위해 상태 정보를 여러 구역으로 분리하여 저장하도록 최적화를 할 수도 있습니다. 하지만, 여전히 장애가 발생할 수 있는 가능성은 증가합니다.

Amazon Aurora는 3의 가용 영역(AZ)에 총 6개의 복제본을 구성하며, 10GB의 청크(Chunk)로 데이터베이스 볼륨을 구성합니다. 현재 최대 데이터베이스 크기는 64 TB이며, 이는 6,400의 보호 그룹과 38,400 의 세그먼트로 구분해 볼 수 있습니다. 이렇게 큰 규모에서는 이슈는 어디서든 발생할 수 있습니다. 쿼럼 멤버구성의 변화를 관리하는 일반적인 방법은 일정 시간을 보류하는 방법과 Paxos와 같은 동기화 프로토콜을 사용합니다. 하지만 Paxos는 무거운 프로토콜이며, 최적화된 버전도 다중 장애에서는 지연이 발생합니다.

쿼럼 집합을 통한 장애 관리
Aurora는 쿼럼 집합이라는 개념과 로깅, 롤백, 그리고 쿼럼 구성원의 변화를 관리하는 것을 사용합니다. 예를 들어 A, B, C, D, E, F와 같이 6개의 세그먼트가 하나의 독립적인 보호 그룹에 속한다고 가정하면, 쓰기 쿼럼은 6개 중 무작위로 선택한 4개의 세그먼트에 해당합니다. 그리고, 읽기 쿼럼은 6개 중 무작위로 선택한 3개의 세그먼트입니다. 이전 글에서 설명한 것처럼, Aurora 쿼럼은 이보다 훨씬 복잡하지만, 위와 같은 간단한 설명 방식을 사용해 봅니다.

Aurora는 읽기 쓰기를 할 때 구성원 시점(epoch) 개념을 사용합니다. 각 구성원의 변화가 있으면 특정 값이 독립적으로 증가합니다. 이는 읽기와 쓰기를 수행할 경우, 만약 이전 시점의 값이면 수행이 거부됩니다. 이 경우 읽기나 쓰기 요청을 한 호출자는 쿼럼 구성원에 대한 정보를 새롭게 갱신해야만 합니다. 이것은 실행 로그에서 사용되는 로그시퀀스번호(LSN)의 개념과 유사합니다. 시점 값과 그에 해당하는 변경 레코드는 구성원 변화을 순서대로 제공해 줍니다. 구성원 시점의 변화는 쓰기가 이뤄졌을 경우 쓰기 쿼럼을 만족해야 하며, 읽기가 이뤄졌을 경우는 현재 읽기 쿼럼을 만족해야만 합니다.

위에서 예를 든 보호 그룹의 경우, 만약 F 세그먼트가 장애가 있다고 가정한다면, 새로운 G 세그먼트를 생성합니다. 아직 F 세그먼트를 제외시키지는 않습니다. 그 이유는 아주 일시적인 장애여서 빠르게 정상화 될 수도 있기 때문입니다. 아니면 요청을 처리 중이지만 잠시 문제가 된 것처럼 보일 수도 있습니다. 하지만, Aurora는 F 세그먼트가 다시 정상화 되었는지 기다리지는 않습니다. 왜냐하면 어떤 쿼럼이 문제가 생겼는지 보는데 시간이 추가되며, 또 다른 장애가 생길 수도 있기 때문입니다.

Aurora는 이 문제를 해결하기 위해 쿼럼 집합 개념을 사용합니다. Aurora는 ABCDEF에서 ABCDEG로 바로 구성원 정보를 변경하지 않습니다. 대신, Aurora는 구성원 시점을 적용하여, 쿼럼 집합을 ‘ABCDEF AND ABCDEG’로 설정합니다. 쓰기가 일어났을 경우, Aurora는 6개 중 4개의 복제본에서 ABCDEF을 응답을 받고 또한 6개 중 4개의 복제본에서 ABCDEG의 응답도 받습니다. 4개 중 어떠한 복제본의 응답에서든 ABCDE의 대해서는 쓰기 쿼럼을 만족합니다. 읽기나 복구 쿼럼은 동일하게 작동하며, ABCDEF와 ABCDEG에서 부터 각각 어떤 세 개의 응답에 대해서 만족하면, 두 경우 ABCDE에 대해서도 만족하게 됩니다.

데이터가 모두 G 세그먼트에 적제를 완료하면, 이제 Aurora는 F 세그먼트를 빼기로 결정합니다. 그룹원 시점에 대한 변경을 진행하며, ABCDEG로 구성원 시점과 쿼럼 집합을 ABCDEG로 변경합니다. 이러한 변경은 유일하게 실행되며, 이는 실행 로그 처리에서 LSN 값을 수행하는 것과 유사합니다. 이러한 시점 값의 변경은 현재의 쓰기 쿼럼을 만족시켜야만 합니다. 이는 ABCDEF에 대한 6개 중 4개의 응답과 ABCDEG에 대해서도 6개 중 4개의 응답이 필요합니다. 만약 G에 모든 적제가 끝나기 전에 F가 다시 돌아온다면, Aurora는 구성원 시점을 변경하여 쉽게 ABCDEF로 롤백할 수 있습니다. Aurora는 모든 쿼럼 상태가 정상으로 돌아올 때 가지 어떠한 상태 정보나 세그먼트를 삭제하지 않습니다.

쿼럼에 읽고 쓰기는 변경 전후와 마찬가지로 구성원 변경 때 이루어집니다. 쿼럼 구성원 변경은 읽기 쓰기 작업을 막지 않습니다. 오히려 최대한 요청자에게 기존 쿼럼 정보를 업데이트 할 수 있도록하여 정확한 쿼럼 정보를 얻게 합니다. 그리고 쿼럼 구성원 변경은 읽기 쓰기에 기다리게하지(non-blocking) 않고 수행됩니다.

물론 G 세그먼트에 데이터를 모두 적제하여 복구하는 과정에서 ABCDEG 역시 문제가 생길 수 있습니다. 많은 구성원 변경 프로토콜은 구성원 변경 중에 생기는 장애를 빠르게 대응하기 어렵습니다. 하지만 쿼럼 집합과 시점 개념은 매우 쉽게 해결 할 수 있습니다. 만약 E 세그먼트 역시 장애가 있다고 가정할 경우, H 세그먼트로 대치될 것입니다. Aurora는 이러한 경우 단지 쿼럽을 ABCDEF AND ABCDEG AND ABCDFH AND ABCDGH로 변경하면 됩니다. 단일 장애 순간에도 ABCD에 대해 쓰기 작업은 쿼럼을 만족하여 쓸 수 있습니다. 이러한 구성원 변화는 읽기 쓰기 모두 동일한 내결함성 수준을 가집니다.

요약
구성원 변경 관리에 대해서 쿼럼 집합을 이용하는 것은 Aurora 서비스가 작은 크기의 세그먼트를 활용할 수 있게 합니다. 이것은 평균 복구 시간 (Mean Time To Repair; MTTR)과 여러 장애가 발생했을 때 피해를 줄여 Aurora의 장애에 대한 내구성을 높힙니다. 이것은 또한 고객의 비용을 줄여줍니다. Aurora의 볼륨은 자동으로 필요할 때 늘어나며, 작은 세그먼트는 적절한 크기만큼만 증가하도록 돕습니다. 쿼럼 집합을 사용하는 것은 읽기 쓰기 작업이 구성원의 변화 중에도 지속적으로 작업을 할 수 있도록 합니다.

구성원의 변화에 대한 결정을 복구할 수 있도록 만든 것은 Aurora가 쿼럼의 변화를 쉽게 할 수 있습니다. – 이것은 장애로 판단된 부분이 바로 돌아오면 언제든 원래로 되돌릴 수 있게합니다. 몇몇 다른 시스템들은 쿼럼 구성원과 재접속을 해야하고 쿼럼 정보를 바로 업데이트 하지 못 해 지연이 발생하기도 합니다. Aurora는 구성원 변경에 따른 지연에 따른 내구성의 문제가 발생하지도 앟으며, 읽기, 쓰기, 또는 쿼럼 구성원 접근과 업데이트에 따른 지연이 발생하지 않습니다.

Aurora는 여러 가지 측면에서 보다 앞선 기술을 제공합니다. – 데이터베이스와 분산 시스템의 구성을 연계한 우리의 접근 방법은 이러한 앞선 기술을 제공하는 핵심입니다. 지금까지 Aurora가 쿼럼을 어떻게 사용하여 문제점들을 피할 수 있는지 알아보았으며, 여러분의 애플리케이션이나 시스템을 디자인하는 데 도움이 되길 희망합니다. 다양한 요소들이 전제되어 있긴 하지만 Aurora가 사용한 기술은 다양한 부분에 충분히 적용할 수 있습니다.

질문이나 블로그에서 다뤄지길 바라는 주제가 있으면 aurora-pm@amazon.com 로 연락을 주십시오.

– Anurag Gupta;

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