خوشه چهارگره‌ای تاب‌آوری بیشتری نسبت به سه گره ندارد: چرا سیستم‌های توزیع‌شده به حدنصاب‌های فرد وابسته‌اند؟

سرنوشت و بقای یک پایگاه داده توزیع‌شده در همان میلی‌ثانیه‌ای تعیین می‌شود که کابل شبکه قطع می‌گردد. هنگامی که ارتباط سرورهای یک خوشه با یکدیگر قطع می‌شود، سیستم بلافاصله باید برای انتخاب راهبر جدید و ادامه پذیرش داده‌ها، آرا را بشمارد.[3]

این سازوکار شمارش آرا، گلوگاه مطلق قابلیت اطمینان در سامانه‌های توزیع‌شده است. سیستمی که نتواند اکثریت قاطع گره‌های باقی‌مانده را گرد هم آورد، برای جلوگیری از مخدوش شدن داده‌ها باید کاملاً متوقف شود و از کار افتادن کامل را به ثبت رکوردهای متناقض ترجیح دهد.[3]

در مهندسی سنتی، افزونگی معمولاً رشدی خطی دارد: دو موتور ایمن‌تر از یکی است و چهار پایه استوارتر از سه پایه عمل می‌کند. با این حال، الگوریتم‌های اجماع توزیع‌شده خلاف این شهود فیزیکی رفتار می‌کنند؛ زیرا افزودن گره چهارم به یک خوشه سه‌گره‌ای، به‌هیچ‌وجه تاب‌آوری سیستم را بالا نمی‌برد.[5]

در واقع، آن گره چهارم از نظر ریاضی پایداری و در دسترس بودن خوشه را در زمان وقوع قطعی شبکه کاهش می‌دهد. این گره تعداد آرای لازم برای رسیدن به اکثریت را بالا می‌برد، بدون آنکه ظرفیت سیستم برای جذب خطای سرورها را سرسوزنی افزایش دهد.[5]

ریاضیات اکثریت

برای درک چراییِ بدتر بودن چهار گره نسبت به سه گره، باید فرمول حدنصاب را بررسی کرد. حدنصاب، حداقل تعداد گره‌هایی است که پیش از ثبت نهایی یک تراکنش روی دیسک، باید با آن موافقت کنند.[3]

در سیستم‌های مقاوم در برابر خطای از کار افتادگی، حدنصاب همواره به عنوان اکثریت مطلق تعریف می‌شود: نصف تعداد کل گره‌ها به‌علاوه یک. در یک خوشه سه‌گره‌ای، این اکثریت مطلق برابر با دو است.[3]

این یعنی سیستم سه‌گره‌ای تا زمانی که دو گره با هم در ارتباط باشند، می‌تواند با اطمینان داده‌ها را ذخیره کند. در نتیجه، این سامانه می‌تواند دقیقاً از کار افتادن یا قطع ارتباط یک گره را بدون توقف در عملیات تاب بیاورد.[1][3]

هنگامی که تیم مهندسی گره چهارمی به این خوشه اضافه می‌کند، تعداد کل گره‌ها به چهار می‌رسد. اکثریت مطلق عدد چهار، سه است؛ به این معنی که خوشه برای هر تراکنش اکنون نیازمند موافقت سه گره است.[5]

از آنجا که خوشه چهارگره‌ای برای فعالیت به سه گره نیاز دارد، همچنان فقط می‌تواند دقیقاً خرابی یک گره را تحمل کند. اگر دو گره از کار بیفتند، دو گره باقی‌مانده نمی‌توانند اکثریت سه‌تایی را تشکیل دهند و کل پایگاه داده ناچار به توقف می‌شود.[5]

چرا گره چهارم یک نقطه ضعف است؟

گره چهارم هیچ تاب‌آوری مازادی برای سیستم به ارمغان نیاورده است. سازمان برای سرور چهارم هزینه کرده، مصرف برق را افزایش داده، اما عملاً همان شکنندگی سیستم سه‌سروری را به ارث برده است.[5]

مشکل گره چهارم فراتر از اتلاف سخت‌افزار است. این گره مستقیماً کارایی پایگاه داده را افت می‌دهد؛ زیرا هر عملیات نوشتن، اکنون نیازمند یک تأییدیه شبکه اضافی است تا به کاربر گزارش موفقیت داده شود.[3]

دیه‌گو اونگارو و جان اوسترهوت، پژوهشگران دانشگاه استنفورد، در مقاله سال ۲۰۱۴ خود هنگام معرفی الگوریتم اجماع رَفْت (Raft)، قاعده‌ای بنیادین وضع کردند: «یک خوشه باید بتواند خرابی هر بخش اقلیتی از سرورهایش را تاب بیاورد.»[1]

یک سیستم چهارگره‌ای احتمال وقوع خرابی در بخش اقلیت را افزایش می‌دهد. با داشتن چهار ماشین مستقل، از نظر آماری احتمال بروز نقص فنی، خرابی نرم‌افزاری یا قطعی شبکه در هر لحظه روی حداقل یکی از آنها بیشتر می‌شود.[5]

از آنجا که خوشه با خرابی گره دوم همچنان از کار می‌افتد، پیکربندی چهارگره‌ای از دیدگاه ریاضی در مقایسه با سه‌گره‌ای پایداری کمتری دارد. سطح بروز نقص فنی در آن وسیع‌تر شده، اما تحمل آن در برابر خطا تغییر نکرده است.[5]

مسئله دوگانگی مغزی

الزام سخت‌گیرانه برای تشکیل حدنصاب اکثریت، به منظور جلوگیری از خطای فاجعه‌باری موسوم به دوگانگی مغزی پدید آمده است. اگر یک قطعی شبکه خوشه را دقیقاً به دو نیم تقسیم کند، سیستم باید مطمئن شود که هر دو نیمه به‌طور مستقل برای خود راهبر انتخاب نکنند.[3][4]

در یک خوشه چهارگره‌ای، خرابی سوییچ شبکه می‌تواند سامانه را به آسانی به دو جفت مجزا تفکیک کند. هیچ‌یک از این دو جفت اکثریت سه‌تایی لازم را در اختیار ندارند؛ در نتیجه هر دو بخش از پردازش تراکنش‌ها خودداری می‌کنند و با ایجاد وقفه در سرویس، یکپارچگی داده حفظ می‌شود.[4]

خوشه‌های با تعداد گره فرد، به‌طور طبیعی جلوی مساوی شدن آرا را می‌گیرند. اگر قطعی شبکه یک خوشه سه‌گره‌ای را دوپاره کند، یک سو دارای دو گره و سوی دیگر یک گره خواهد بود. سمتی که دو گره دارد اکثریت را داراست و به کار ادامه می‌دهد.[3]

همان‌طور که لزلی لمپورت، دانشمند علوم رایانه، در مقاله بنیادین سال ۲۰۰۱ خود با نام «پکسوس ساده‌شده» توضیح داد، اشتراک اکثریت‌ها شالوده حقیقت توزیع‌شده است: «اگر باید اکثریتی از عامل‌ها انتخاب شوند، آنگاه هر دو اکثریت حداقل در یک عامل با یکدیگر اشتراک خواهند داشت.»[2]

مقیاس‌بندی به پنج گره و بیشتر

هنگامی که یک سیستم واقعاً نیاز به تاب‌آوری در برابر خرابی هم‌زمان دو ماشین دارد، ریاضیات حکم می‌کند که مستقیماً به سمت پنج گره جهش کنیم. در یک خوشه پنج‌گره‌ای، اکثریت مطلق برابر با سه است.[1][3]

چون برای ثبت یک تراکنش سه گره کافی است، خوشه می‌تواند با خیال آسوده دو گره را از دست بدهد و به کار خود ادامه دهد. این رابطه در مهندسی سیستم‌های توزیع‌شده در قالب معادله 2f + 1 بیان می‌شود؛ جایی که f تعداد خطاهای قابل‌تحمل است.[1]

برای تاب‌آوری یک خطا، خوشه به سه گره نیاز دارد. برای دو خطا، پنج گره لازم است و برای سه خطا، به هفت گره نیاز خواهیم داشت. اعداد زوج اصلاً جایی در مسیر بهینه مقیاس‌پذیری پایگاه‌های داده مبتنی بر اجماع ندارند.[1][5]

ارائه‌دهندگان بزرگ زیرساخت ابری این منطق ریاضی را در سطح معماری پیاده کرده‌اند. برای نمونه، آپاچی زوکیپر که سرویسی متمرکز برای نگهداری اطلاعات پیکربندی است، در مستندات رسمی خود صراحتاً به مدیران هشدار می‌دهد که از استقرار مجموعه‌هایی با تعداد گره زوج بپرهیزند.[4]

استثناهای این قاعده

البته الگوهای معماری خاصی وجود دارند که در آنها گره چهارم پیاده‌سازی می‌شود، اما هرگز به عنوان عضو صاحب رأی در حدنصاب اجماع شرکت نمی‌کند. بسیاری از پایگاه‌های داده از نسخه‌های رونوشت خواندنی استفاده می‌کنند؛ سرورهایی که جریانی از داده‌های ثبت‌شده را دریافت می‌کنند اما نقشی در انتخاب راهبر ندارند.[3]

یک خوشه اجماع سه‌گره‌ای می‌تواند ده‌ها نسخه رونوشت خواندنی را پشتیبانی کند. اگر یک نسخه خواندنی خراب شود، به محاسبات حدنصاب خدشه‌ای وارد نمی‌شود؛ زیرا هسته اصلی خوشه برای تصمیم‌گیری همچنان به موافقت دو عضو از سه عضو دارای حق رأی نیاز دارد.[3][5]

استثنای دیگر مربوط به تحمل خطای بیزانسی است؛ مدل پیچیده‌تری از اجماع که در شبکه‌های بلاک‌چین و سیستم‌های هوافضا به کار می‌رود. این سیستم‌ها نه تنها باید در برابر از کار افتادن گره‌ها، بلکه باید در مقابل گره‌هایی که دروغ می‌گویند یا داده‌های مخرب می‌فرستند نیز مقاومت کنند.[5]

ریاضیات خطاهای بیزانسی به فرمول متفاوتی متکی است: 3f + 1. برای تاب‌آوری در برابر یک گره مخرب، یک سیستم بیزانسی به چهار گره نیاز دارد. اما در مراکز داده سازمانی متداول که سرورها صرفاً خاموش می‌شوند و توطئه نمی‌کنند، قانون حدنصاب فرد، حاکم بلامنازع است.[5]