分布式共识算法——Gossip协议（图解）

Posted 2022-12-26 杨 戬

文章目录

• Gossip 协议
• • Gossip 协议概念
  • Gossip 协议工作流程图解
  • Gossip 协议原理
  • • 消息类型
    • 通信方式
  • Gossip 协议优点

Gossip 协议

Gossip 协议概念

说到共识算法，大家首先想到的应该都是 Raft、Paxos、Zab 算法这类理解起来比较困难的强一致性算法。

但是还有一个弱一致性的共识算法比较好理解，Gossip 协议。

与 Paxos 和 Raft 目标是强一致性不同，Gossip 达到的是最终一致性

官网的解释是这样的：A gossip protocol is a procedure or process of computer peer-to-peer communication that is based on the way epidemics spread.

翻译过来就是： Gossip 协议是基于流行病传播方式的计算机对等通信的过程或过程

它可以快速地将信息散播给集群中每个成员，散播速度为 $lo{g}_f(N)$ ，其中 f 术语称为 fanout，代表每次随机传播的成员数，而 N 代表总共成员数。例如：

• $lo{g}_4(40)\approx 2.66$ ，也就是大约三轮传播，就可以让集群达到一致
• 实际传播次数可能会高于此结果，因为随机时会随到一些重复的成员

Gossip，单词，意思是“流言蜚语”

Gossip 协议工作流程图解

学习网站：https://flopezluis.github.io/gossip-simulator/# Gossip 可视化

Gossip协议执行过程如下：

• 种子节点周期性的散播消息 【假定把周期限定为 1 秒】。
• 被感染节点随机选择N个邻接节点散播消息【假定fan-out(扇出)设置为6，每次最多往6个节点散播】。
• 节点只接收消息不反馈结果。
• 每次散播消息都选择尚未发送过的节点进行散播。
• 收到消息的节点不再往发送节点散播：A -> B，那么B进行散播的时候，不再发给 A。

1. 例如，图中红色节点有其它节点不知道的信息，它的传播方式如下

2. 在红色节点能连通的节点中随机挑选 fanout 个（粗线所示）

3. 把信息传播给它们（感染）

4. 在这些已被【感染】的节点中，重复 2. 3. 两步，直至全部感染，即达到最终一致性

Gossip 协议原理

Goosip 协议的信息传播和扩散通常需要由种子节点发起。整个传播过程可能需要一定的时间，由于不能保证某个时刻所有节点都收到消息，但是理论上最终所有节点都会收到消息，因此它是一个最终一致性协议。

Gossip协议是一个多主协议，所有写操作可以由不同节点发起，并且同步给其他副本。Gossip内组成的网络节点都是对等节点，是非结构化网络。

消息类型

Gossip 协议的消息传播方式有两种：Anti-Entropy(反熵传播)和Rumor-Mongering(谣言传播)。

反熵传播是以固定的概率传播所有的数据。所有参与节点只有两种状态：Suspective(病原)、Infective(感染)。这种节点状态又叫做simple epidemics(SI model)。过程是种子节点会把所有的数据都跟其他节点共享，以便消除节点之间数据的任何不一致，它可以保证最终、完全的一致。缺点是消息数量非常庞大，且无限制；通常只用于新加入节点的数据初始化。

谣言传播是以固定的概率仅传播新到达的数据。所有参与节点有三种状态：Suspective(病原)、Infective(感染)、Removed(愈除)。这种节点状态又叫做complex epidemics(SIR model)。过程是消息只包含最新 update，谣言消息在某个时间点之后会被标记为 removed，并且不再被传播。缺点是系统有一定的概率会不一致，通常用于节点间数据增量同步。

通信方式

Gossip 协议最终目的是将数据分发到网络中的每一个节点。根据不同的具体应用场景，网络中两个节点之间存在三种通信方式：推送模式、拉取模式、Push/Pull。

• Push: 节点 A 将数据 (key,value,version) 及对应的版本号推送给 B 节点，B 节点更新 A 中比自己新的数据
• Pull：A 仅将数据 key, version 推送给 B，B 将本地比 A 新的数据（Key, value, version）推送给 A，A 更新本地
• Push/Pull：与 Pull 类似，只是多了一步，A 再将本地比 B 新的数据推送给 B，B 则更新本地

如果把两个节点数据同步一次定义为一个周期，则在一个周期内，Push 需通信 1 次，Pull 需 2 次，Push/Pull 则需 3 次。虽然消息数增加了，但从效果上来讲，Push/Pull 最好，理论上一个周期内可以使两个节点完全一致。直观上，Push/Pull 的收敛速度也是最快的。

Gossip 协议优点

• 扩展性高，传播次数不会受集群成员增长而增长过快
  • 例如： $lo{g}_4(80)\approx 3.16$ ，集群实际成员翻了一倍，但传播次数几乎不变
• 容错性好，即使某些节点间发生了故障无法通信，也不会影响最终的一致性
  • 例如：A 与 B 之间发生故障无法通信，但只要 A 与其他能连通 B 的节点通信，那么信息就一定会散播到 B
• Robust（鲁棒性），即皮实，集群中的节点是对等的，即便一些节点挂了，一些节点新添加进来，也不会影响其它节点的信息传播