图解Gossip协议

Gossip是什么

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。

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协议基本思想就是：一个节点想要分享一些信息给网络中的其他的一些节点。于是，它周期性的随机选择一些节点，并把信息传递给这些节点。这些收到信息的节点接下来会做同样的事情，即把这些信息传递给其他一些随机选择的节点。一般而言，信息会周期性的传递给N个目标节点，而不只是一个。这个N被称为fanout（这个单词的本意是扇出）。

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。

基于Gossip协议的一些有名的系统：Apache Cassandra，Redis（Cluster模式），Consul等。

图解

接下来通过多张图片剖析Gossip协议是如何运行的。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：

Gossip Protocol

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：

first infected node

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：

infected nodes

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：

infected all nodes

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。

发送消息

由前面对Gossip协议图解分析可知，节点传播消息是周期性的，并且每个节点有它自己的周期。另外，节点发送消息时的目标节点数由参数fanout决定。至于往哪些目标节点发送，则是随机的。

一旦消息被发送到目标节点，那么目标节点也会被感染。一旦某个节点被感染，那么它也会向其他节点传播消息，试图感染更多的节点。最终，每一个节点都会被感染，即消息被同步给了所有节点：

infected

可扩展性

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。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措施。大哥比方，某个节点本来需要将消息传播给4个节点，但是由于网络或者其他原因，只有3个消息接收到消息，即使这样，这对最终所有节点接收到消息是没有任何影响的。

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：

可扩展性

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协议依然能很好的运行。因为一个节点会多次分享某个需要传播的信息，即使不能连通某个节点，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。