从新冠疫情出发,漫谈 Gossip 协议

百家 作者:又拍云 2020-06-11 20:51:07 阅读:426


众所周知周知,疫情仍然在全球各地肆虐。据最新数据统计,截至北京时间 2020-05-28,全球累计确诊 5698703 例,累计死亡 352282 例,累计治愈 2415237 例。



从上面的统计数据,我们可以看出,新冠病毒在人与人之间的传播是极其高效的,且影响范围广。如果我们把「新冠病毒」想象成一小段数据,将「人与人之间传播」想象成数据交换,那么,我们可以得出结论,在不考虑免疫系统和人为干预等一些因素,经过反复迭代,数据(新冠病毒)可以被发送(感染)到每个节点(人)上。

这个就是今天要介绍的 Gossip 协议,该协议早在 1987 年就被发表在 ACM 上的论文《Epidemic Algorithms for Replicated Database Maintenance》中。当时主要用在分布式数据库系统中各个副本节点间同步数据。



Gossip 协议简介


Gossip 协议分为 Push-based 和 Pull-based 两种模式,具体工作流程如下:

Push-based 的 Gossip 协议:

  • 网络中的某个节点随机选择N个节点作为数据接收对象

  • 该节点向其选中的N个节点传输相应数据

  • 接收到数据的节点对数据进行存储

  • 接收到数据的节点再从第一步开始周期性执行

Pull-based 的 Gossip 协议,正好相反:

  • 集群内的所有节点,随机选择其它 k 个节点询问有没有新数据

  • 接收到请求的节点,返回新数据



如何实现 Gossip


https://github.com/hashicorp/memberlist

这边简单分析下 HashiCorp 公司的 Serf 的核心库 Memberlist。这家公司研发了 Consul(基于 raft 实现的分布式存储)Vagrant(声明式虚拟机编排)等优秀的产品。最近由于中美矛盾升级,也陷入到了舆论的漩涡中,爆出禁止在中国使用他们的产品的传闻。不过,这是题外话。
Memberlist 这个 Golang 的代码库,基于 Gossip 协议,实现了集群内节点发现、 节点失效探测、节点故障转移、节点状态同步等。
其核心实现的大致如下:
  • newMemberlist():初始化 Memberlist 对象,根据配置监听 TCP/UDP 端口,用于之后通信。这边需要注意一点,虽然是基于 Gossip 协议实现的,但是并不是所有信息都采用 Gossip 进行数据交换。比如节点加入集群的时候,为了尽快的让集群内所有节点感知到,采用遍历当前已知的所有节点并通过 TCP 连接发送并接收数据的方式,来确保跟所有节点完成数据交换。
  • gossip():Memberlist 对象启动之后,会定期使用 Gossip 协议,随机选择集群内的节点,采用 UDP 传输方式发送当前节点状态以及用户自定义的数据。
  • pushPull():还会定期随机选择一个节点,通过 TCP 传输方式与其做全量数据交换,加速集群内数据一致性收敛。
  • probe():还会定期轮训集群内的一个节点,通过 UDP 方式发送心跳探测包,做到节点感知。


深入 Gossip 核心代码



发送端处理流程:
  • 周期性地随机选择 m.config.GossipNodes 个节点,然后广播正在等待发送的信息

// Create a gossip ticker if neededif m.config.GossipInterval > 0 && m.config.GossipNodes > 0 {    t := time.NewTicker(m.config.GossipInterval)    go m.triggerFunc(m.config.GossipInterval, t.C, stopCh, m.gossip)    m.tickers = append(m.tickers, t)}
// gossip is invoked every GossipInterval period to broadcast our gossip// messages to a few random nodes.func (m *Memberlist) gossip() { defer metrics.MeasureSince([]string{"memberlist", "gossip"}, time.Now())
// Get some random live, suspect, or recently dead nodes m.nodeLock.RLock() kNodes := kRandomNodes(m.config.GossipNodes, m.nodes, func(n *nodeState) bool { if n.Name == m.config.Name { return true } switch n.State { case StateAlive, StateSuspect: return false case StateDead: return time.Since(n.StateChange) > m.config.GossipToTheDeadTime default: return true } }) m.nodeLock.RUnlock()
// ...
for _, node := range kNodes { // Get any pending broadcasts msgs := m.getBroadcasts(compoundOverhead, bytesAvail) if len(msgs) == 0 { return }
addr := node.Address() if len(msgs) == 1 { // Send single message as is if err := m.rawSendMsgPacket(node.FullAddress(), &node.Node, msgs[0]); err != nil { m.logger.Printf("[ERR] memberlist: Failed to send gossip to %s: %s", addr, err) } } else { // Otherwise create and send a compound message compound := makeCompoundMessage(msgs) if err := m.rawSendMsgPacket(node.FullAddress(), &node.Node, compound.Bytes()); err != nil { m.logger.Printf("[ERR] memberlist: Failed to send gossip to %s: %s", addr, err) } } }}

接收端:

  • 接收数据报文,然后解析报文信息,并将信息记录下来

// packetListen is a long running goroutine that pulls packets out of the// transport and hands them off for processing.func (m *Memberlist) packetListen() {    for {        select {        case packet := <-m.transport.PacketCh():            m.ingestPacket(packet.Buf, packet.From, packet.Timestamp)
case <-m.shutdownCh: return } }}
func (m *Memberlist) ingestPacket(buf []byte, from net.Addr, timestamp time.Time) { // ...
// See if there's a checksum included to verify the contents of the message if len(buf) >= 5 && messageType(buf[0]) == hasCrcMsg { crc := crc32.ChecksumIEEE(buf[5:]) expected := binary.BigEndian.Uint32(buf[1:5]) if crc != expected { m.logger.Printf("[WARN] memberlist: Got invalid checksum for UDP packet: %x, %x", crc, expected) return } m.handleCommand(buf[5:], from, timestamp) } else { m.handleCommand(buf, from, timestamp) }}



Gossip 协议的优缺点


看了 Memberlist 的实现,难免会有这样的疑问,为什么要使用 Gossip 协议,直接在集群内广播不香么?接下来,我们可以通过 Gossip 协议的优缺点来分析,使用 Gossip 协议的意义。

优点:

  • 协议简单,实现起来很方便

  • 扩展性强,可以允许集群内节点任意增加或者减少,新增节点最终会与其他节点一致

  • 去中心化,节点之间是完全对等的

  • 最终一致性

缺点:

  • 数据同步延迟,因为只保证最终一致性,所以会出现某个时间点,部分节点数据不同步的情况

  • 传输数据冗余,相同数据在节点间会反复被传输

今天对 Gossip 的协议就简单介绍到这里,如果有同学对内容感兴趣,可以回复评论,我们私下多多探讨和交流。

 


参考资料


https://en.wikipedia.org/wiki/Gossip_protocol

https://github.com/hashicorp/serf

https://github.com/hashicorp/memberlist

https://zhuanlan.zhihu.com/p/41228196

https://www.jianshu.com/p/de7b026f4997



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