Gossip协议

1、概念

        Gossip 协议也叫 Epidemic 协议 （流行病协议）。原本用于分布式数据库中节点同步数据使用， 后被广泛用于数据库复制、信息扩散、集群成员身份确认、故障探测等。

        Gossip 协议利用一种随机的方式将信息传播到整个网络中，并在一定时间内使得系统内的所有节点数据一致。Gossip 其实是一种去中心化思路的分布式协议，解决状态在集群中的传播和状态一致性。

        Gossip 算法又被称为反熵（Anti-Entropy），最早是在 1987 年发表在 ACM 上的论文 《Epidemic Algorithms for Replicated Database Maintenance》中被提出，特点是：在一个有界网络中，每个节点都随机地与其它节点通信，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。

        Gossip 算法源自流行病学的研究，经过不断的发展演化，作为一种分布式一致性协议而得到广泛应用，如 Cassandra、Akka、Redis 都有用到。

2、原理

        Gossip协议的消息传播主要有两种：反熵（Anti-Entropy）和谣言传播（Rumor-Mongering）。

2.1 反熵传播

        节点相对固定，节点数量不多，以固定概率传播所有的数据。

        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)。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。

2.2 谣言传播

        节点动态变化，节点数量较多，仅传播新到达的数据。

        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)。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。

3、通信方式

节点间的交互主要有三种方式：推、拉和推/拉

节点A

key	value	version
Tom	10	10
Tina	20	11
Bob	30	12

节点B

key	value	version
Tom	8	9
Tina	30	12
Bob	5	10

3.1 推送模式（push）

         节点A随机选择联系节点B，并向其发送自己的信息，节点B在收到信息后比较（version）/更新自己的数据。

        更新后的B节点，红色的为变更数据：

key	value	version
Tom	10	10
Tina	30	12
Bob	30	12

 3.2 拉取模式（pull）

        节点A随机选择联系节点B，从对方获取信息，节点A在收到信息后比较/更新自己的数据。

        更新后的A节点，红色的为变更数据：

key	value	version
Tom	10	10
Tina	30	12
Bob	30	12

3.3 推/拉模式（push/pull）

        节点A向选择的节点B发送信息，同时从对方获取信息，节点A和节点B在收到信息后各自比较/更新自己的数据。 

        更新后的A节点，红色的为变更数据：

key	value	version
Tom	10	10
Tina	30	12
Bob	30	12

        更新后的B节点，红色的为变更数据： 

key	value	version
Tom	10	10
Tina	30	12
Bob	30	12

4、优缺点 

4.1 优点

• 可扩展性（Scalable）: Gossip协议是可扩展的，一般需要 O(logN) 轮就可以将信息传播到所有的节点，其中N代表节点的个数。每个节点仅发送固定数量的消息，并且与网络中节点数目无关。在数据传送时，节点并不会等待消息的Ack，所以消息传送失败也没有关系，因为可以通过其他节点将消息传递给之前传送失败的节点。允许节点的任意增加和减少，新增节点的数据最终会与其他节点一致。
• 容错（Fault-tolerance）: 网络中任何节点的重启或者宕机都不会影响 Gossip 消息的传播，具有天然的分布式系统容错特性。
• 健壮性（Robust）: Gossip协议是去中心化的协议，集群中的所有节点都是对等的，没有特殊的节点，所以任何节点出现问题都不会阻止其他节点继续发送消息。任何节点都可以随时加入或离开，而不会影响系统的整体服务质量。
• 最终一致性（Convergent consistency）: Gossip协议实现信息指数级的快速传播，因此在有新信息需要传播时，消息可以快速地发送到全局节点，在有限的时间内能够做到所有节点都拥有最新的数据。

4.2 缺点

• 消息延迟：节点随机向少数几个节点发送消息，消息最终是通过多个轮次的散播而到达全网，不可避免的造成消息延迟。
• 消息冗余：节点定期随机选择周围节点发送消息，而收到消息的节点也会重复该步骤，不可避免地引起同一节点消息多次接收，增加消息处理压力。