基于RDMA的内存解耦架构高性能分布式事务系统HDTX的学术报告
一、作者与发表信息
本研究的核心团队来自华中科技大学（Huazhong University of Science and Technology），包括Haodi Lu、Haikun Liu（通讯作者）、Yujian Zhang、Zhuohui Duan、Xiaofei Liao、Hai Jin和Yu Zhang。研究成果发表于2025年USENIX年度技术会议（USENIX Annual Technical Conference 2025），会议于2025年7月7日至9日在美国波士顿举行，论文标题为《Fast Distributed Transactions for RDMA-based Disaggregated Memory》。
二、学术背景
科学领域：本研究属于分布式系统与高性能计算交叉领域，聚焦于内存解耦架构（Disaggregated Memory, DM）下的分布式事务（Distributed Transactions, DTXNs）优化。
研究动机：
内存解耦架构通过将计算节点与内存节点分离，显著提升了数据中心的资源利用率和可扩展性。然而，传统基于远程直接内存访问（Remote Direct Memory Access, RDMA）的分布式事务系统（如FARM和FORD）在DM架构中面临三大挑战：
1. 多阶段事务处理的高延迟（C1）：传统协议需5次网络往返（Round-Trip Time, RTT），即使优化后仍需3-4次RTT；
2. 数据同步效率低下（C2）：内存节点计算资源有限，无法高效完成日志与数据同步；
3. 关键任务调度困难（C3）：内存节点缺乏全局调度能力，难以保障低延迟事务。
研究目标：
提出HDTX系统，通过三项创新设计解决上述问题：（1）快速提交协议（Fast Commit Protocol, FCP）；（2）基于RDMA的数据同步卸载；（3）去中心化优先级锁机制，最终实现高性能分布式事务处理。
三、研究流程与方法
1. 快速提交协议（FCP）
- 设计原理：通过合并验证（Validation）与提交（Commit）阶段，将事务提交所需的RTT从5次降至2次。
- 日志机制：采用重做日志（Redo Log）而非撤销日志（Undo Log），避免额外数据同步开销。
- 可见性控制：通过原子操作标记数据可见性，确保一致性。
- 实验验证：在TPC-C、SmallBank和TATP基准测试中，HDTX的事务延迟降低72.1%~88.3%，吞吐量提升84.7%~2.08倍。
2. RDMA数据同步卸载
- 技术实现：利用RDMA的等待-启用（Wait/Enable）原语，将数据同步操作卸载至内存节点的网络接口控制器（RNIC），避免CPU干预。
- 工作队列设计：内存节点初始化两个工作队列，通过RDMA写和原子操作自主完成数据更新。
- 性能提升：在对象大小为1KB时，RDMA带宽消耗减少19.1%，吞吐量提升18.5%。
3. 去中心化优先级锁
- 锁结构：64位锁对象分为高优先级队列（PC/PM）和普通队列（NC/NM），支持Lamport面包店算法实现无冲突调度。
- 动态优先级：关键事务可动态提升优先级，减少锁竞争。实验显示，关键事务平均延迟降低57.1%，尾延迟降低50.2%。
实验设置
- 硬件环境：5台服务器，配备128GB DRAM、1TB Intel Optane DCPMM及56GbE RDMA网卡。
- 基准测试：TPC-C（20仓库）、SmallBank和TATP，对比FARM和FORD系统。
- 参数配置：默认超时1毫秒，每个计算节点启动140个协程（Coroutine）。
四、主要结果
1. 性能对比
- 吞吐量：HDTX在TPC-C中吞吐量达FORD的1.84倍、FARM的2.08倍；
- 延迟：平均延迟降低72.1%（对比FORD）和88.3%（对比FARM），尾延迟降低60.9%~82.7%。
2. 扩展性：在3计算节点（420协程）下，HDTX仍保持高吞吐，而FORD因锁竞争性能下降。
3. 高冲突场景：TPC-C仓库数降至8时，HDTX延迟仅增加9.8%，验证其鲁棒性。
五、结论与价值
科学价值：
1. 提出首个针对DM架构的分布式事务优化框架，理论证明合并事务阶段的可行性；
2. 创新性利用RDMA原语实现计算-内存节点协同，为异构资源调度提供新思路。
应用价值：
1. 适用于金融、电信等低延迟要求的在线服务；
2. 开源代码（GitHub）促进工业界落地，支持灵活的任务优先级配置。
六、研究亮点
1. 协议创新：FCP通过阶段合并与重做日志，突破传统OCC（乐观并发控制）的RTT限制；
2. 硬件协同：RDMA卸载技术首次实现内存节点无CPU干预的数据同步；
3. 动态调度：去中心化锁机制兼顾公平性与关键任务优先，优于CAS（Compare-And-Swap）盲重试方案。
七、其他贡献
- 容错机制：基于租约（Lease）的故障检测算法，支持计算节点与内存节点故障恢复；
- 持久性保障：RDMA写后读（Read-After-Write）确保日志持久化，满足数据中心级可靠性要求。
本研究为内存解耦架构下的分布式事务处理树立了新标杆，其方法论可扩展至其他资源解耦场景（如存储解耦）。