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Gossip算法学习

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1. 概述
gossip,顾名思义,类似于流言传播的概念,是一种可以按照自己的期望,自行选择与之交换信息的节点的通信方式
gossip, or anto-entropy,  is an attractive way of replicating state that does not have strong consistency requirements

2. 算法描述

假设有 {p, q, ...} 为协议参与者。 每个参与者都有关于一个自己信息的表。
用编程语言可以描述为:
记 InfoMap = Map<Key, (Value, Version)>, 那么每个参与者要维护一个 InfoMap 类型的变量 localInfo。 同时每一个参与者要知道所有其他参与者的信息, 即要维护一个全局的表,即 Map<participant, InfoMap> 类型的变量 globalMap。 每个参与者更新自己的 localInfo, 而由 Gossip 协议负责将更新的信息同步到整个网络上
每个节点和系统中的某些节点成为 peer (如果系统的规模比较小,和系统中所有的其他节点成为 peer)。 有三种不同的同步信息的方法:
1)push-gossip: 最简单的情况下, 一个节点 p 向 q 发送整个 GlobalMap
2)pull-gossip: p 向 q 发送 digest, q 根据 digest 向 p 发送 p 过期的 (key, (value, version)) 列表
3)push-pull-gossip:与pull-gossip类似,只是多了一步,A再将本地比B新的数据推送给B,B更新本地

3. 特点
gossip不要求节点知道所有其他节点,因此具有去中心化的特点,节点之间完全对等,不需要任何的中心节点。
gossip算法又被称为反熵(Anti-Entropy),熵是物理学上的一个概念,代表杂乱无章,而反熵就是在杂乱无章中寻求一致,这充分说明了Gossip的特点:
在一个有界网络中,每个节点都随机地与其他节点通信,经过一番杂乱无章的通信,最终所有节点的状态都会达成一致。每个节点可能知道所有其他节点,也可能仅知道几个邻节点,只要这些节可以通过网络连通,最终他们的状态都是一致的
gossip算法是一个最终一致性算法,其无法保证在某个时刻所有节点状态一致,但可以保证在”最终“所有节点一致,”最终“是一个现实中存在,但理论上无法证明的时间点

4. 协调机制
协调机制是讨论在每次2个节点通信时,如何交换数据能达到最快的一致性,也即消除两个节点的不一致性。
协调所面临的最大问题是,因为受限于网络负载,不可能每次都把一个节点上的数据发送给另外一个节点,也即每个Gossip的消息大小都有上限。在有限的空间上有效率地交换所有的消息是协调要解决的主要问题。
“Efficient Reconciliation and Flow Control for Anti-Entropy Protocols”中描述了两种同步机制
1)precise reconciliation
precise reconciliation希望在每次通信周期内都非常准确地消除双方的不一致性,具体表现为相互发送对方需要更新的数据,因为每个节点都在并发与多个节点通信,理论上很难做到。precise reconciliation需要给每个数据项独立地维护自己的version,在每次交互是把所有的(key,value,version)发送到目标进行比对,从而找出双方不同之处从而更新。但因为Gossip消息存在大小限制,因此每次选择发送哪些数据就成了问题。当然可以随机选择一部分数据,也可确定性的选择数据。对确定性的选择而言,可以有最老优先(根据版本)和最新优先两种,最老优先会优先更新版本最新的数据,而最新更新正好相反,这样会造成老数据始终得不到机会更新,也即饥饿。
2)Scuttlebutt Reconciliation
Scuttlebutt Reconciliation 与precise reconciliation不同之处是,Scuttlebutt Reconciliation不是为每个数据都维护单独的版本号,而是为每个节点上的宿主数据维护统一的version。比如节点P会为(p1,p2,...)维护一个一致的全局version,相当于把所有的宿主数据看作一个整体,当与其他节点进行比较时,只需比较这些宿主数据的最高version,如果最高version相同说明这部分数据全部一致,否则再进行precise reconciliation。

5. Merkle tree
信息同步无疑是gossip的核心,Merkle tree(MT)是一个非常适合同步的数据结构。
简单来说 Merkle tree就是一颗hash树,在这棵树中,叶子节点的值是一些hash值、非叶节点的值均是由其子节点值计算hash得来的,这样,一旦某个文件被修改,修改时间的信息就会迅速传播到根目录。需要同步的系统只需要不断查询跟节点的hash,一旦有变化,顺着树状结构就能够在logN级 别的时间找到发生变化的内容,马上同步。
在Dynamo中,每个节点保存一个范围内的key值,不同节点间存在有相互交迭的key值范围。在去熵操作中,考虑的仅仅是某两个节点间共有的key值范围。MT的叶子节点即是这个共有的key值范围内每个key的hash,通过叶子节点的hash自底向上便可以构建出一颗MT。Dynamo首先比对MT根处的hash,如果一致则表示两者完全一致,否则将其子节点交换并继续比较的过程。

6.总结
Gossip常见于大规模、无中心的网络系统,可以用于众多能接受“最终一致性”的领域:失败检测、路由同步、Pub/Sub、动态负载均衡。

7.参考文献
paper: Efficient Reconciliation and Flow Control for Anti-Entropy Protocols
http://tianya23.blog.51cto.com/1081650/530743
http://ultimatearchitecture.net/index.php/2010/09/12/merkle-tree/

转载于:https://my.oschina.net/zipu888/blog/549665


转载:https://blog.csdn.net/chushang0934/article/details/100825847
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