Gossip算法学习

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/

原文地址：http://blog.csdn.net/yfkiss/article/details/6943682