2018-03-25

CAP theorem

CAP theorem은 분산 스토리지는 consistency(a.k.a. C), availability(a.k.a A), partition tolerance(a.k.a. P)를 동시에 만족시킬 수 없다는 것이다. 여기서 C, A, P는 각자 일반적으로 사용되는 용어와 다른 용어로 사용되기 때문에 CAP theorem을 이해하려면 각자가 정의하는 것을 이해하는 것이 중요하다.

C는 모든 read operation이 최신 데이터를 받는 것을 보장하는 것이다. C를 보장하는 시스템은 만약 최신 데이터를 돌려줄 것을 보장하지 못한다면 에러를 돌려줘야 한다. 개인적으로 분산 스토리지를 구현할 때 C, A, P 중 가장 구현하기 어려운 특성은 C라고 생각한다.

A는 모든 operation이 에러가 아닌 데이터를 돌려주는 것이다. 이때 돌려주는 값은 최신 값이 아니어도 상관없다. 심지어 eventual consistencyA를 보장하는 시스템에서는 실제로 존재할 수 없는 데이터 조합이 생길 수도 있다.

P는 partition 상황에서도 시스템이 정상 동작해야 한다는 것이다. 여기서 시스템이 정상 동작한다는 것이 언제나 최신 데이터를 보장하거나 에러가 아닌 값을 준다는 것이 아니다. 그것은 CA가 보장하는 것이고 partition 상황에서도 partition이 아닌 상황과 같은 것을 보장하면 P를 보장한다고 할 수 있다.

근데 여기서 partition은 정말 네트워크 레이어에 문제가 생겨 물리적으로 다른 망이 구성되는 상황을 말하는 것이 아니다. partition은 일부 메시지가 전달되지 않는 상황도 포함된다. 이는 분산환경에서 매우 흔히 발생하는 일이고 P를 포기한다는 것은 결국, 분산 환경을 포기한다는 말이 되기 때문에 분산 데이터 스토리지를 만들 때는 결국 CPAP 중 하나를 선택해야 한다.

개인적으로 생각하기에 CPAP 중 구현하기 더 어려운 것은 CP라고 생각된다. 모든 노드가 언제나 같은 상태를 유지하게 하는 것은 생각보다 어렵고 비싸다. 게다가 CP는 근본적으로 AP보다 latency와 throughput이 떨어진다.

하지만 이런 문제에도 불구하고 데이터 스토리지를 사용하는 application을 선택하는 입장에서는 AP보다 CP를 선호해야 한다고 생각한다. CP 대신 AP를 선택하는 이유는 가용성 때문이다. 가용성은 분명 중요하다. 하지만 스토리지의 가용성과 application 전체의 가용성은 다른 말이다. 데이터 스토리지가 정상적으로 동작하고 있다고 하더라도, 데이터의 일관성이 보장되지 못해서 잘못된 값을 돌려주었다면 이 application은 정상적으로 동작했다고 말할 수 있을까.

이런 일을 방지하기 위해서 AP인 스토리지를 사용하는 로직에는 데이터를 체크하는 복잡한 로직이 들어간다. 복잡한 로직은 높은 버그 가능성과 같은 의미이다. application 로직이 복잡해져서 버그가 발생했고 이를 고치기 위해 서비스를 종료했다면 이 application의 가용성은 떨어지게 된다. 게다가 버그로 인해 잘못된 응답을 준 경우는 오히려 처리하기 쉽다. 만약 버그로 인해 잘못된 데이터가 스토리지에 저장됐다면 이는 잡기도 어려울뿐더러, 고치기도 어렵다.

APCP보다 latency와 throughput이 떨어지기 때문에 성능이 필요한 application을 위해서는 AP인 스토리지를 선택해야 주장하는 사람들도 있다. 하지만 성능도 가용성과 마찬가지로 스토리지의 성능은 스토리지를 사용하는 application의 성능과는 별개다. AP인 스토리지를 사용하여 CP인 스토리지를 사용할 때보다 높은 성능을 보여준다는 것을 주장하기 위해서는 데이터 스토리지의 처리 시간이 application 처리 시간의 대부분을 차지한다는 것을 증명해야 한다. 여기서 측정하는 시간은 단순히 데이터 스토리지에 요청한 operation의 처리속도가 아니라, 네트워크 전송 속도를 제외한 데이터 스토리지 내부의 소요 시간이어야 한다.

설령 스토리지가 처리 속도에 충분한 영향을 준다고 하더라도 AP인 데이터 스토리지를 선택하기 전에 중요한 것이 처리 속도인지, 스토리지를 바꾸지 않으면 처리 속도를 올릴 방법이 없는지 고민해봐야 한다.

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