Konsistenzmodelle

Konsistenzmodelle beschreiben die Garantien, die ein verteiltes System hinsichtlich der Sichtbarkeit und der Reihenfolge von Updates über mehrere Replikate hinweg bietet. Sie legen fest, wann Änderungen für Clients sichtbar werden, wie Konflikte behandelt werden und welche Reihenfolge von Operationen konsistent erscheint. Die Wahl eines Modells beeinflusst Latenz, Verfügbarkeit und Fehlertoleranz sowie das Anwendungsdesign.

Starke Konsistenz umfasst Modelle wie Linearizability. Linearizability bedeutet, dass jeder Aufruf so erscheint, als ob er zu einem bestimmten Zeitpunkt zwischen Anfrage und Antwort stattgefunden hätte und es eine globale, zeitunabhängige Reihenfolge aller Operationen gibt. Solche Systeme bieten einfache Programmiermodelle, erfordern jedoch oft Synchronisation über mehrere Knoten. Eine verwandte Stufe ist die sequentielle Konsistenz, bei der alle Prozesse dieselbe totale Reihenfolge der Operationen sehen, die Reihenfolge muss aber nicht mit der realen Zeit übereinstimmen.

Kausale Konsistenz sorgt dafür, dass kausale Beziehungen zwischen Operationen respektiert werden: Wenn eine Operation B von A abhängt, erscheint B erst, nachdem A sichtbar geworden ist. Unabhängige Operationen können in unterschiedlicher Reihenfolge auftreten. Mechanismen wie Vector Clocks erfassen solche Abhängigkeiten.

Eventual Consistency ist ein eher schwaches Modell: Replikate werden nach Updates irgendwann konsistent, sofern keine neuen Updates auftreten. Es reduziert Latenz und erhöht Verfügbarkeit, birgt aber das Risiko vorübergehender Inkonsistenzen. Anti-Entropie-/Gossip-Protokolle oder CRDTs helfen bei Konfliktlösung und Rekonkiliation.

Praktisch bieten viele verteilte Datenbanken tunbare Konsistenz: Cassandra, DynamoDB oder CockroachDB erlauben eine Stufenauswahl pro Operation (z. B. ONE, QUORUM, ALL). Spanner erreicht starke globale Konsistenz durch TrueTime, eine verteilte Uhr, die Zeitstempel für Transaktionen bereitstellt. Die CAP-Theorie besagt, dass in verteilten Systemen oft nur zwei der drei Eigenschaften Konsistenz, Verfügbarkeit und Partitionstoleranz gleichzeitig garantiert werden können.