Cassandra源码学习：Gossip协议

Gossip协议概述

Cassandra集群中的节点没有主次之分，它们通过一种叫做Gossip的协议进行通信。通过Gossip协议，它们可以知道集群中有哪些节点，以及这些节点的状态如何？每一条Gossip消息上都有一个版本号，节点可以对接收到的消息进行版本比对，从而得知哪些消息是我需要更新的，哪些消息是我有而别人没有的，然后互相倾诉吐槽，确保二者得到的信息相同，这很像现实生活中的八卦（摆龙门阵）一样，一传十，十传百，最后尽人皆知。

在Cassandra启动时，会启动Gossip服务，Gossip服务启动后会启动一个任务GossipTask，这个任务会周期性地与其他节点进行通信。GossipTask是位于org.apache.cassandra.gms.Gossip类下的一个内部类，其run方法如下：

 public void run(){
       MessagingService.instance().waitUntilListening();

       /* Update the local heartbeat counter. */
       endpointStateMap.get(FBUtilities.getBroadcastAddress()).getHeartBeatState().updateHeartBeat();

       final List<GossipDigest> gDigests = new ArrayList<GossipDigest>();
       Gossiper.instance.makeRandomGossipDigest(gDigests);

       if (gDigests.size() > 0){
           GossipDigestSyn digestSynMessage = new GossipDigestSyn(DatabaseDescriptor.getClusterName(),
                                                                  DatabaseDescriptor.getPartitionerName(),
                                                                  gDigests);
           MessageOut<GossipDigestSyn> message = new MessageOut<GossipDigestSyn>(MessagingService.Verb.GOSSIP_DIGEST_SYN,
                                                                                 digestSynMessage,
                                                                                 GossipDigestSyn.serializer);
           /* Gossip to some random live member */
           boolean gossipedToSeed = doGossipToLiveMember(message);

           /* Gossip to some unreachable member with some probability to check if he is back up */
           doGossipToUnreachableMember(message);

           if (!gossipedToSeed || liveEndpoints.size() < seeds.size())
               doGossipToSeed(message);

           doStatusCheck();
       }
 }

主要做了几下几件事：

1、GossipTask在Gossip启动后并不会立即运行，阻塞在listenGate这个条件变量上，当Gossip服务调用listen时才开始运行；

2、首先更新本节点的心跳版本号，然后构造需要发送给其他节点的消息gDigests；

3、从存活节点中随机选择一个节点发送、从失效节点中随机选取一个发送。如果当前存活节点数小于种子数，向其中一个种子节点发消息；

4、检查节点状态。

有关种子节点和节点状态后面再分析，本节只关注Gossip协议本身。

GossipTask用于向其他节点发送Gossip信息，Cassandra还提供了SocketThread这样一个线程来负责接收消息，接收消息的代码在org.apache.cassandra.net.IncomingTcpConnection类中。不管是发送还是接收Gossip消息，都是调用org.apache.cassandra.net.MessagingService的sendOneWay方法实现的。

一次Gossip通信分为三个阶段，如图所示：

每个阶段对应一个消息类，这三个消息类都有对应的处理器，处理器的注册是在org.apache.cassandra.service.StorageService类中完成的，参考如下代码：

 MessagingService.instance().registerVerbHandlers(MessagingService.Verb.GOSSIP_DIGEST_SYN, new GossipDigestSynVerbHandler());
 MessagingService.instance().registerVerbHandlers(MessagingService.Verb.GOSSIP_DIGEST_ACK, new GossipDigestAckVerbHandler());
 MessagingService.instance().registerVerbHandlers(MessagingService.Verb.GOSSIP_DIGEST_ACK2, new GossipDigestAck2VerbHandler());

可见这三种消息分别对应三个消息类型GOSSIP_DIGEST_SYN、GOSSIP_DIGEST_ACK、GOSSIP_DIGEST_ACK2.
下面详细分析每个阶段。

GossipDigestSynMessage

GossipTask的run方法中发送了GOSSIP_DIGEST_SYN类型的消息(GossipDigestSynMessage)，这种消息交给其对应的处理器GossipDigestAckVerbHandler处理，具体处理过程在doVerb()方法中，核心代码如下：

 public void doVerb(MessageIn<GossipDigestSyn> message, int id){
     //...check

     List<GossipDigest> gDigestList = gDigestMessage.getGossipDigests();

     doSort(gDigestList);

     List<GossipDigest> deltaGossipDigestList = new ArrayList<GossipDigest>();
     Map<InetAddress, EndpointState> deltaEpStateMap = new HashMap<InetAddress, EndpointState>();
     Gossiper.instance.examineGossiper(gDigestList, deltaGossipDigestList, deltaEpStateMap);
     logger.trace("sending {} digests and {} deltas", deltaGossipDigestList.size(), deltaEpStateMap.size());
     MessageOut<GossipDigestAck> gDigestAckMessage = new MessageOut<GossipDigestAck>(MessagingService.Verb.GOSSIP_DIGEST_ACK,
                                                                                     new GossipDigestAck(deltaGossipDigestList, deltaEpStateMap),
                                                                                     GossipDigestAck.serializer);
     Gossiper.instance.checkSeedContact(from);
     MessagingService.instance().sendOneWay(gDigestAckMessage, from);
 }

1、对接受到的消息排序：先按generation排序，如果generation相同，按maxVersion与本地版本差排序；

2、examineGossiper对比接收到的信息与本节点的差异，本节点需要进一步获取的消息由deltaGossipDigestList保存，本节点需要告诉from节点的信息由deltaEpStateMap保存；

3、利用deltaGossipDigestList和deltaEpStateMap封装成GossipDigestAckMessage消息，发送给from节点。

GossipDigestAckMessage

同GossipDigestSynMessage消息一样，GOSSIP_DIGEST_ACK类型的消息由处理器GossipDigestAckVerbHandler处理，也是doVerb()方法，实际上这三个处理器有共同的实现接口IVerbHandler。核心代码如下：

  public void doVerb(MessageIn<GossipDigestAck> message, int id){
     List<GossipDigest> gDigestList = gDigestAckMessage.getGossipDigestList();
     Map<InetAddress, EndpointState> epStateMap = gDigestAckMessage.getEndpointStateMap();

     if (epStateMap.size() > 0)
     {
         Gossiper.instance.notifyFailureDetector(epStateMap);
         Gossiper.instance.applyStateLocally(epStateMap);
     }

     Map<InetAddress, EndpointState> deltaEpStateMap = new HashMap<InetAddress, EndpointState>();
     for (GossipDigest gDigest : gDigestList)
     {
         InetAddress addr = gDigest.getEndpoint();
         EndpointState localEpStatePtr = Gossiper.instance.getStateForVersionBiggerThan(addr, gDigest.getMaxVersion());
         if (localEpStatePtr != null)
             deltaEpStateMap.put(addr, localEpStatePtr);
     }

     MessageOut<GossipDigestAck2> gDigestAck2Message = new MessageOut<GossipDigestAck2>(MessagingService.Verb.GOSSIP_DIGEST_ACK2,
                                                                                        new GossipDigestAck2(deltaEpStateMap),
                                                                                        GossipDigestAck2.serializer);
     MessagingService.instance().sendOneWay(gDigestAck2Message, from);
 }

1、epStateMap 是from节点想要告诉它的消息，调用applyStateLocally方法进行更新；

2、gDigestList是from节点想要进一步更新的消息，调用getStateForVersionBiggerThan方法拿到from节点可以更新的消息；

3、将2中的消息封装成GOSSIP_DIGEST_ACK2消息发送给from结点。

GossipDigestAck2Message

由GossipDigestAck2VerbHandler处理器处理，这里就不贴代码，接收到from接口发过来的消息，进行本地更新即可。

下节学习cassandra的机架感应

参考资料：

http://ddg.jaist.ac.jp/pub/HDY+04.pdf

http://www.datastax.com/documentation/cassandra/2.0/cassandra/architecture/architectureIntro_c.html