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聊聊SWIM Protocol

序

本文主要研究一下SWIM Protocol

SWIM Protocol

SWIM的全称是Scalable, Weakly-Consistent, Infection-Style, Processes Group Membership Protocol

heartbeats

传统的诸如heartbeats这种membership protocols，每个node周期性地向网络中的所有其他节点发送heartbeat来表示自己是alive的，如果peer超过指定interval没有收到node的heartbeart则该node被认定为dead。这种方式适用于小型网络，其发送的heartbeart数量为O(n^2)，当网络中有成千上万的node时则会造成巨大的网络负担；SWIM采用Infection-Style dissemination来解决这个问题

tasks

与传统的heartbeats相比，SWIM将整个过程分为Failure Detection及Membership update Dissemination两个task

Completeness与Accuracy

对于failure detection来，有几个衡量标准：

  • Completeness
是否每个failed node最终都会被检测到
  • Speed of failure detection
一个node从failed到被检测到failed的平均耗时
  • Accuracy
false positive rate，即一个node被误判为failed的概率
  • Message Load
在检测中每个node的network load是多少，是否均匀分布

Unreliable Failure Detectors for Reliable Distributed Systems一文中指出对于异步的网络来说，100%的Completeness与Accuracy无法同时保证，因而SWIM权衡之下选择了Completeness，同时尽可能减少false positive rate以提升Accuracy

Failure Detection


SWIM的failure detection过程分为两个部分，一个是direct ping，一个是indirect ping

  • direct ping
local node从alive nodes中随机选择N个node来进行detect；如果direct ping中有的node没有在timeout时间内返回ack则会进行indirect ping
  • indirect ping
local node从alive nodes中随机选择K个node来对direct ping目标node进行indetect ping，这K个node会把结果forwards给这个local node，最后local node检查如果这个K个node没有一个返回ack，则将该目标node标记为failed，然后通过Membership update Dissemination将该node的FAILED信息传播到网络中的其他node

Membership update Dissemination

Membership update Dissemination可以将messages分为JOINED、FAILED两类：

  • JOINED
当一个node加入到该网络时，需要通知其他node更新local membership新增该node
  • FAILED
当一个node被检测为failed时，需要通知其他node更新local membership移除该node

这个过程可以使用multicast来实现

改进

  • Infection-Style Dissemination

multicast实现的Dissemination是不可靠的而且低效的，一个更加robust版本的SWIM采用Infection-Style的方式进行dissemination，即利用Failure Detection的ping机制，将需要dissemination的消息piggyback在ping/ack上，来实现类似gossip的消息传播，从而减少额外的单独信息传递开销

  • Suspicion Mechanism

为了更好地减少false positive rate以提升Accuracy，可以引入Suspicion Mechanism，即当local node检测到该node failed时将其标记为suspected；被标记为suspected的node在最终被确认为failed之前被当做是alive；其他node如果检测到该node是alive则对该node取消suspected，恢复alive；如果在指定时间该node没有被恢复为alive则被标记为failed

  • Time bound failure detection

随机选择node进行ping可能会造成一定的延时，可以使用round robin的方式来取代随机选择,当所有node都选择过了之后再重新shuffle该node list

小结

  • SWIM的全称是Scalable, Weakly-Consistent, Infection-Style, Processes Group Membership Protocol；与传统的heartbeats相比，SWIM将整个过程分为Failure Detection及Membership update Dissemination两个task
  • SWIM的failure detection过程分为两个部分，一个是direct ping，一个是indirect ping
  • Infection-Style的方式进行dissemination，即利用Failure Detection的ping机制，将需要dissemination的消息piggyback在ping/ack上，来实现类似gossip的消息传播，从而减少额外的单独信息传递开销

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