Penerapan Algoritma Konsensus dalam Sistem Terdistribusi: Raft vs. Paxos

Pendahuluan

Dalam sistem terdistribusi, memastikan konsistensi data di seluruh node adalah tantangan besar, terutama ketika node tersebar secara geografis dan rentan terhadap kegagalan. Untuk mencapai konsistensi dan membuat keputusan bersama di seluruh sistem terdistribusi, algoritma konsensus digunakan. Dua algoritma konsensus yang paling dikenal adalah Paxos dan Raft. Artikel ini akan menjelaskan penerapan kedua algoritma ini dalam sistem terdistribusi, perbandingan antara keduanya, dan kapan sebaiknya memilih salah satu dari mereka.

1. Algoritma Konsensus dalam Sistem Terdistribusi

Konsensus adalah proses yang memungkinkan semua node dalam sistem terdistribusi untuk mencapai kesepakatan mengenai nilai tertentu, meskipun beberapa node mungkin gagal atau mengalami masalah jaringan. Algoritma konsensus digunakan untuk memastikan bahwa semua node memiliki salinan data yang sama atau menyetujui satu keputusan tunggal, meskipun mereka mungkin berada di lokasi yang berbeda.

Pentingnya Konsensus dalam Sistem Terdistribusi:

• Konsistensi Data: Algoritma konsensus membantu memastikan bahwa semua node memiliki data yang konsisten dan mencegah terjadinya konflik antara salinan data yang berbeda.
• Ketahanan terhadap Kegagalan: Sistem terdistribusi yang menggunakan algoritma konsensus tetap dapat berfungsi meskipun ada kegagalan pada beberapa node. Ini penting untuk menjaga keandalan sistem dan ketersediaan data.

Algoritma konsensus digunakan dalam berbagai aplikasi, mulai dari sistem basis data terdistribusi hingga blockchain, untuk memastikan bahwa keputusan yang dibuat adalah sah dan diterima oleh mayoritas node.

2. Pengenalan Algoritma Paxos

Paxos adalah algoritma konsensus yang pertama kali diusulkan oleh Leslie Lamport pada tahun 1990-an. Algoritma ini dirancang untuk sistem yang toleran terhadap kegagalan, dan tujuannya adalah untuk mencapai konsensus meskipun ada node yang gagal.

Cara Kerja Paxos:

Paxos terdiri dari tiga peran utama:

1. Proposer: Node yang mengusulkan nilai atau keputusan kepada jaringan.
2. Acceptor: Node yang menerima proposal dari Proposer dan memberikan persetujuan (accept) atau penolakan (reject).
3. Learner: Node yang belajar tentang keputusan akhir setelah konsensus tercapai.

Proses Paxos dapat dibagi menjadi dua fase utama:

• Fase Persiapan (Prepare Phase): Proposer mengirimkan proposal kepada Acceptors, meminta mereka untuk berjanji tidak menerima proposal dengan nomor yang lebih rendah.
• Fase Akseptasi (Accept Phase): Jika sebagian besar Acceptors menyetujui proposal, Proposer kemudian meminta mereka untuk menerima proposal tersebut, dan jika mayoritas menerima, konsensus tercapai.

Keunggulan Paxos:

• Toleransi Kegagalan: Paxos dirancang untuk menghadapi kegagalan sebagian dari node tanpa mengorbankan konsistensi sistem.
• Matematis Terbukti: Paxos secara matematis terbukti menghasilkan konsensus yang benar dalam sistem terdistribusi.

Namun, Paxos juga terkenal sulit untuk diimplementasikan dan dipahami dengan benar, karena kompleksitas protokolnya.

3. Pengenalan Algoritma Raft

Raft adalah algoritma konsensus yang diperkenalkan oleh Diego Ongaro dan John Ousterhout pada tahun 2014, dengan tujuan membuat proses konsensus lebih mudah dipahami dan diimplementasikan daripada Paxos. Raft membagi proses konsensus menjadi beberapa tugas yang lebih mudah dikelola.

Cara Kerja Raft:

Raft terdiri dari tiga peran utama:

1. Leader: Node yang bertanggung jawab untuk mengusulkan dan mengomunikasikan keputusan kepada node lain.
2. Follower: Node yang menerima keputusan dari Leader dan mereplikasi data.
3. Candidate: Follower yang mencalonkan diri untuk menjadi Leader saat tidak ada Leader yang aktif.

Proses Raft dapat dibagi menjadi tiga fase utama:

• Pemilihan Leader (Leader Election): Ketika sistem dimulai atau Leader yang ada gagal, proses pemilihan Leader dimulai, di mana Candidate meminta suara dari Follower lain untuk menjadi Leader baru.
• Replikasi Log (Log Replication): Setelah Leader terpilih, ia mengusulkan keputusan dan mereplikasi log di seluruh Follower. Follower menyalin log dan mengonfirmasi bahwa mereka telah menyimpan keputusan.
• Konsistensi dan Komitmen (Commitment): Setelah mayoritas Follower mengonfirmasi bahwa mereka telah menerima log, keputusan tersebut dianggap “committed” dan diterapkan oleh semua node.

Keunggulan Raft:

• Kesederhanaan: Raft dirancang dengan fokus pada kemudahan pemahaman dan implementasi. Ini menjadikannya pilihan yang lebih populer di kalangan pengembang.
• Pembagian Tugas yang Jelas: Raft memisahkan tugas menjadi beberapa fase, seperti pemilihan Leader dan replikasi log, yang membuatnya lebih modular dan mudah dikelola.

Raft telah menjadi pilihan populer dalam berbagai sistem terdistribusi modern seperti Consul, Etcd, dan TiDB, karena kemudahan penggunaannya.

4. Perbandingan Raft dan Paxos

Meskipun Raft dan Paxos dirancang untuk mencapai tujuan yang sama—yaitu konsensus di sistem terdistribusi—keduanya memiliki perbedaan dalam pendekatan dan implementasi.

Perbandingan Utama:

• Kompleksitas: Paxos dikenal lebih kompleks dan sulit untuk diimplementasikan dengan benar dibandingkan Raft, yang dirancang untuk lebih mudah dipahami dan diimplementasikan.
• Struktur Pemilihan Leader: Raft memiliki proses pemilihan Leader yang eksplisit, sedangkan Paxos tidak memiliki Leader yang tetap, yang membuat proses konsensus dalam Raft lebih sederhana dan lebih jelas diikuti.
• Replikasi Log: Raft mengintegrasikan replikasi log dalam protokolnya, yang memudahkan implementasi konsistensi data. Paxos membutuhkan tambahan mekanisme untuk melakukan replikasi log yang sama.
• Popularitas: Karena kesederhanaan dan struktur yang lebih jelas, Raft telah menjadi lebih populer dalam implementasi sistem terdistribusi modern. Di sisi lain, Paxos tetap digunakan dalam situasi di mana ketahanan yang lebih tinggi diperlukan dan kompleksitas dapat diabaikan.

5. Kapan Menggunakan Raft atau Paxos?

Pemilihan antara Raft dan Paxos bergantung pada kebutuhan spesifik dari sistem terdistribusi yang sedang dikembangkan.

Gunakan Raft jika:

• Kesederhanaan Implementasi: Anda membutuhkan algoritma yang lebih mudah diimplementasikan dan dipahami oleh tim pengembang.
• Sistem Modern: Raft telah menjadi standar dalam sistem terdistribusi modern yang digunakan oleh berbagai perangkat lunak open-source dan layanan cloud.

Gunakan Paxos jika:

• Ketahanan Maksimal: Anda membutuhkan algoritma dengan ketahanan tinggi dan telah terbukti secara matematis.
• Toleransi Kegagalan yang Kuat: Sistem Anda memerlukan toleransi terhadap kegagalan yang lebih canggih, di mana ketepatan konsensus adalah prioritas utama.

Kesimpulan

Algoritma konsensus seperti Raft dan Paxos memainkan peran penting dalam memastikan konsistensi dan keandalan dalam sistem terdistribusi. Sementara Paxos menawarkan ketahanan yang sangat kuat, Raft memberikan kesederhanaan yang memudahkan pengembangan dan implementasi. Memahami kebutuhan spesifik sistem Anda adalah kunci dalam memilih algoritma konsensus yang tepat untuk mencapai performa dan keandalan optimal dalam lingkungan terdistribusi.