CAP, PACELEC

November 29, 2022

CAP Theorem

CAP 정리는 아래 세 가지 항목을 모두 만족하는 분산 시스템을 설계할 수는 없다는 정리이다.

Consistency
일관성은 분산 시스템에 접속하는 모든 클라이언트가 어떤 노드에 접속했느냐에 관계 없이 언제나 같은 데이터를 응답 받아야함을 의미한다.

Availability
가용성은 일부 노드에 장애가 발생하더라도 클라이언트가 응답을 받을 수 있음을 의미한다. 즉 일부 노드가 죽은 것과 상관 없이 살아있는 노드가 있다면 그 노드에 읽기와 쓰기가 가능함을 의미한다.

Partition Tolerance
여기서 파티션은 두 노드 사이에 네트워크 장애가 발생하여서 클러스터가 여러 조각으로 나눠진 것을 의미한다. 이 떄 파티션된 각 클러스터에 접속하더라도 시스템이 이상 없이 동작해야하며 이를 파티션 감내라고 한다.

cap-theorem

분산 시스템은 세 가지 중 오직 두 가지만 선택 가능하다. 세 가지 경우의 수가 존재할 수 있는데 사실 상 CA는 현실적으로 구현하는 것이 어렵다. 일관성과 가용성을 완벽하게 지원하기 위해서는 네트워크 장애가 존재하지 않는 환경이여야 한다.

CA는 분산 시스템이 아닌 단일 서버로 보는 것이 맞다. 단일 서버이기 때문에 네트워크에 관한 걱정은 할 필요 없으며, 노드가 하나이기에 서버가 살아 있다면 가용 가능한 상태로 볼 수 있다. 그리고 이 상태에서 일관성을 유지하게 된다. 대다수의 관계형 데이터베이스 시스템의 모양이다.

이론적으로는 CA 클러스터를 구성하는 것도 가능하다. CA 클러스터에서는 파티션이 발생하면 모든 노드를 내려 어떤 클라이언트도 통신할 수 없도록 만들어야한다. CAP에서 가용성은 ‘살아있는 노드가 받은 요청은 처리되어야 한다’로 볼 수도 있는데 이 같은 경우 모든 노드가 죽어있기 때문에 가용하지 않은 상태라 할 수 없다고도 볼 수 있다. 어쨋든 CA 클러스터에서는 네트워크 장애가 거의 없음을 보장해야하는데 이는 천문학적인 비용이 들 수 있다. 또한, 파티션이 발생하면 모든 노드를 내려야되기에 파티션 발생 여부를 주기적으로 점검해야할 필요가 있는데 이 또한 쉬운 일이 아니다. 통상 네트워크 장애는 피할 수 없는 일로 보기에, 분산 시스템에서는 Partition Tolerance는 선택이 아니라 사실상 기본 전제가 된다.

distribution-system

다음과 같이 파티션이 발생하여 n3와 더 이상 통신할 수 없는 상황을 가정해보자. n1, n2에 기록한 데이터는 n3로 전달되지 않으며, n3에 기록된 데이터는 n1, n2로 전달되지 않는다. 만약 CP라면 불일치를 피하기 위해 n1과 n2에 쓰기 연산을 중단 시키고 가용성을 포기한다. AP라면 일관성을 버리게 된다. n1, n2가 n3에서 전달 받지 못한 데이터가 있을지라도 읽기 연산을 계속해서 허용한다. 그리고 마찬가지로 쓰기 연산도 허용하며 파티션 문제가 허용된 후에 데이터들을 n3에 전달하게 될 것이다.

PACELC

CAP 이론은 많은 오해를 불러 일으킬 수 있다. 일단 분산 시스템을 CA로 설계하는 것은 불가능하며 P를 기본적으로 전제한다. 그리고 C와 A 중 하나를 선택해야하는데 이것도 이분법적으로 나눠지는 것이 아니다. 실제 시스템들은 위 예시처럼 간단하지 않다. 극단적인 CP, AP 시스템은 존재하지 않으며 대부분의 분산 시스템은 어느 정도의 가용성과 어느 정도의 일관성을 제공하며 이는 정도의 차이이다.

이를 보완하기 위한 이론이 PACELC이다. 이는 파티션이 발생한 경우와 아닌 경우를 구분하며, Partition이 발생한 경우에는 Availability와 Consistency 사이를 절충해야하며, 파티션이 발생하지 않은 Else 상황에서는 Latency와 Consistency 사이를 절충해야함을 의미한다.

pacelc


참고

  • 알렉스 쉬, 가상 면접 사례로 배우는 대규모 시스템 설계 기초, 이병준, 인사이트
  • 프라모드 사달게이, 마틴 파울러, 빅데이터 세상으로 떠나는 간결한 안내서 NoSQL, 윤성준, 인사이트
  • System Design Interview Basics: CAP vs. PACELC

songmk 🙁