gossip：一致性协议（P2P网络核心）

悠悠 2022-09-15 13:58 302阅读 0赞

# 背景 #

> Gossip协议是一个通信协议，一种传播消息的方式，灵感来自于：瘟疫、社交网络等。使用Gossip协议的有：Redis Cluster、Consul、Apache Cassandra等。

Gossip protocol 也叫 Epidemic Protocol （流行病协议），实际上它还有很多别名，比如：“流言算法”、“疫情传播算法”等。

这个协议的作用就像其名字表现的一样，非常容易理解，它的方式其实在我们日常生活中也很常见，比如电脑病毒的传播，森林大火，细胞扩散等等。

Gossip protocol 最早是在 1987 年发表在 ACM 上的论文 《Epidemic Algorithms for Replicated Database Maintenance》中被提出。主要用于在分布式数据库系统中各个副本节点同步数据之用，这种场景的一个最大特点是**组成的网络的节点都是对等节点，是非结构化网络**

## 六度分隔理论 ##

说到社交网络，就不得不提著名的六度分隔理论。1967年，哈佛大学的心理学教授Stanley Milgram想要描绘一个连结人与社区的人际连系网。做过一次连锁信实验，结果发现了“六度分隔”现象。简单地说：“你和任何一个陌生人之间所间隔的人不会超过六个，也就是说，最多通过六个人你就能够认识任何一个陌生人。

数学解释该理论：若每个人平均认识260人，其六度就是260↑6 =1,188,137,600,000。消除一些节点重复，那也几乎覆盖了整个地球人口若干多多倍，这也是Gossip协议的雏形。

# 原理 #

Gossip 过程是由种子节点发起，当一个种子节点有状态需要更新到网络中的其他节点时，它会随机的选择周围几个节点散播消息，收到消息的节点也会重复该过程，直至最终网络中所有的节点都收到了消息。这个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。

# 用途 #

Gossip协议的主要用途就是信息传播和扩散：即把一些发生的事件传播到全世界。它们也被用于数据库复制，信息扩散，集群成员身份确认，故障探测等。

# 图解 #

如下图所示，Gossip协议是周期循环执行的。图中的公式表示Gossip协议把信息传播到每一个节点需要多少次循环动作，需要说明的是，公式中的20表示整个集群有20个节点，4表示某个节点会向4个目标节点传播消息：  
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如下图所示，红色的节点表示其已经“受到感染”，即接下来要传播信息的源头，连线表示这个初始化感染的节点能正常连接的节点（其不能连接的节点只能靠接下来感染的节点向其传播消息）。并且N等于4，我们假设4根较粗的线路，就是它第一次传播消息的线路：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAT2NlYW4mJlN0YXI_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]  
第一次消息完成传播后，新增了4个节点会被“感染”，即这4个节点也收到了消息。这时候，总计有5个节点变成红色：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAT2NlYW4mJlN0YXI_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]  
那么在下一次传播周期时，总计有5个节点，且这5个节点每个节点都会向4个节点传播消息。最后，经过3次循环，20个节点全部被感染（都变成红色节点），即说明需要传播的消息已经传播给了所有节点：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAT2NlYW4mJlN0YXI_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]  
需要说明的是，20个节点且设置fanout=4，公式结果是2.16，这只是个近似值。真实传递时，可能需要3次甚至4次循环才能让所有节点收到消息。这是因为每个节点在传播消息的时候，是随机选择N个节点的，这样的话，就有可能某个节点会被选中2次甚至更多次。

# 优点 #

## 可扩展 ##

Gossip协议是可扩展的，因为它只需要O(logN) 个周期就能把消息传播给所有节点（其中N代表节点的个数）。某个节点在往固定数量节点传播消息过程中，并不需要等待确认(ack)，并且，即使某条消息传播过程中丢失，它也不需要做任何补偿。

如下表格所示，假定fanout=4，那么在节点数分别是20、40、80、160时，消息传播到所有节点需要的循环次数对比，在节点成倍扩大的情况下，循环次数并没有增加很多。所以，Gossip协议具备可扩展性：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAT2NlYW4mJlN0YXI_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]

## 失败容错 ##

gossip也具备失败容错的能力，即使网络故障等一些问题，gossip不能连通某个节点，其他被感染的节点也会尝试向这个节点传播信息。

## 健壮性 ##

Gossip协议下，没有任何扮演特殊角色的节点（比如leader等）。任何一个节点无论什么时候下线或者加入，并不会破坏整个系统的服务质量。

然而，Gossip协议也有不完美的地方，例如，拜占庭问题（Byzantine）。即，如果有一个恶意传播消息的节点，Gossip协议的分布式系统就会出问题。

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