Consensus protocols are a cornerstone of distributed systems. They enable multiple, independent nodes to reach an agreement that cannot be overturned. This is fundamental in building replicated services that appear as a single system with strong consistency and high availability guarantees. Today, consensus protocols are central to many critical services, from cluster orchestration systems to global-scale distributed databases. However, despite their widespread adoption across diverse systems, the consensus protocols used in practice typically adhere to a general-purpose design that is agnostic to the execution environment in which they operate. As a result, significant optimization opportunities are left unexploited across the network, workload, and storage layers. These opportunities have become increasingly important to leverage as modern applications and infrastructures demand higher performance, stronger resilience, and more flexibility than a one-size-fits-all design can provide.

This dissertation explores how consensus protocols can be made context-aware to derive optimizations from their execution environment that improve resilience, performance, and adaptability. We present four such mechanisms, each addressing a different layer of the consensus stack. Omni-Paxos provides a principled approach to handling partial connectivity failures at the network layer. UniCache reduces redundant communication by learning from recurring patterns in the application workload. Metronome leverages the characteristics of persistent storage to expose a fine-grained trade-off between runtime and recovery performance. AutoQ continuously adapts critical configuration parameters to sustain high performance under changing workloads in multi-region deployments. Crucially, these improvements are realized as bolt-on mechanisms that attach to protocols commonly used in practice, avoiding the burden of designing a new protocol from scratch. Together, these contributions demonstrate that embedding context-awareness into consensus allows established protocols to effectively meet the performance and resilience demands of modern distributed systems.

Konsensusprotokoll spelar en avgörande roll i distribuerade system. De möjliggör för flera oberoende noder att nå en oåterkallelig överenskommelse. Detta är grundläggande för att bygga replikerade tjänster som framstår som ett enda system med stark konsekvens och hög tillgänglighet. Idag är konsensusprotokoll centrala för en rad kritiska mjukvarutjänster, från orkestreringssystem till distribuerade databaser på global skala. Trots deras utbredda användning i diverse olika typer av system, följer konsensusprotokollen som används i praktiken en generell design som är oberoende av den exekveringsmiljö de verkar i. Betydande optimeringsmöjligheter förblir därmed outnyttjade på nätverks-, arbetsbelastning-, och lagringsnivån. Dessa möjligheter har blivit allt viktigare att utnyttja i takt med att moderna applikationer och infrastrukturer kräver högre prestanda, starkare feltolerans och mer flexibilitet än vad en allmän design medger.

Denna avhandling undersöker hur konsensusprotokoll kan göras kontextmedvetna för att förbättra deras feltolerans, prestanda och anpassningsförmåga. Vi presenterar fyra lösningar som utnyttjar egenskaperna hos det underliggande nätverket, arbetsbelastningen och lagringslagret. Omni-Paxos erbjuder ett principiellt sätt för att hantera partiella nätverksfel. UniCache minskar nätverkstrafiken genom att utnyttja återkommande mönster i applikationers arbetsbelastning. Metronome använder egenskaperna hos permanent lagring för att möjliggöra finjustering av avvägningen mellan prestandan under körtid och återhämtning från fel. AutoQ justerar kontinuerligt kritiska konfigurationsparametrar för att upprätthålla hög prestanda under dynamiska arbetsbelastningar i nätverk som sträcker sig över flera regioner. En kritisk aspekt är att dessa förbättringar implementeras som mekanismer som kan läggas till på befintliga protokoll, vilket undviker svårigheter med att skapa och implementera ett nytt protokoll från grunden. Sammantaget visar dessa bidrag att inbyggd kontextmedvetenhet möjliggör för etablerade konsensusprotokoll att möta de prestanda- och feltoleranskrav som moderna distribuerade system ställer.