首页 > 其他 > 详细

Chord算法实现详细

时间:2014-06-05 11:12:04      阅读:1581      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

背景

Chord算法DHT(Distributed Hash Table)的一种经典实现,以下从网上无节操盗了一段介绍性文字


Chord是最简单,最精确的环形P2P模型。“Chord”这个单词在英文中是指“弦”,在分布式系统中指“带弦环”,在P2P领域则指基于带弦环拓扑结构的分布式散列表(DHT)或者构建与其上的P2P网络。虽然MIT和UC Berkeley的研究早在2001年之前就开发了Chord及其应用系统,但有关Chord的正式论文[Stoica et al., 2001]发表在计算机通信领域著名会议ACM SIGCOMM’01 上,其他刊物和会议后来也有刊登Chord的论文的,如[Stoica et al., 2003]。Chord是结构化的P2P领域最著名的理论模型,到2006年已经被引用超过3000次,可以说,凡是研究过P2P的人,没有不知道Chord的。
如果仅仅将Chord看成一个分布式散列表,那么它只支持结构化P2P最简单的功能:将节点和数据对象映射到覆盖网中。Chord基于安全的一致性散列函数来分配节点ID和对象ID。在一个有N个节点的网路中,每个Chord节点保存O(logN)个其他节点的信息,查询数据对象需要的覆盖网络的路由跳数也是O(logN),当节点离开或者加入网络时,为了维持网络结构,保持自适应性所需要的的消息数在O(log2N)。作为分布式的散列表,Chord具有几乎最优的路由效率,确定性的对象查询,负载均衡,高可扩展性以及良好的容错性与自适应性;但最重要的一点是:Chord简单,优美,这是它最为经典的直接原因。


Chord算法原理介绍可以先了解下,本文侧重Chord的实现,具体是构造Chord环的实现,即如何初始化和新增节点。其他对环的操作都可以类比,而且实现会更简单。

Chord的开源实现主要有两个,一个是单机版的jchord,另一个是集群形式的open chord项目。以下描述都是参考开源项目代码展开的。


单线程版

在单个线程里,Chord环类似是一个内存数据结构。Chord环的节点上可以存储数据,也可以起服务,这取决于你利用Chord来做什么。以下的实现主要侧重于新建Chord环,并可以增加节点,在增加节点的过程中,按照Chord的算法描述,怎么样影响相关节点,怎么维护Finger表内容。

 

首先,Chord类维护ChordNode的一个List,createNode方法根据nodeId创建一个新的ChordNode,为其生成好NodeKey,为所有的ChordNode排好序(TreeMap)。

 

ChordNode表示环上的节点,包含这些元素:

nodeId, ChordKey,successor, predecessor和 FingerTable。

根据nodeId在生成ChordKey,即环上的位置,然后赋予后继和前继(顺时针方向为向后)。

FingerTable维护的是m个<index, ChordNode>,m为所选hash函数的hash值位数(比如选择SHA1,m等于hash位数160,即hash环最大值为2160-1),index为key+2i,i取0, 1, … ,m-1。对于小型p2p网络来说,m的取值还是比较大的,导致节点的finger表冗余度可能会有90%以上(可能前50个值都指向N1,后100个都指向N2,最后的10个指向N5),不过这部分冗余倒不会对查找/路由性能带来什么明显影响。


FingerTable可以形象理解为,以本节点出发,将整个环切为m份,切的方式是按2的等比增长切,即1,2,4,8,…,2159,每个index值为finger表里的一条记录的key,选择该index值为起点顺时针最近的后继节点作为该finger项的value。如此的话,每个环上的节点都维护了一张全局的二分节点路由表。


然后,在建立新的Chord哈希环的时候,

1. 生成Chord,并创建若干个节点。每个节点在创建的时候,都相当于以自身为第一个节点创建了环。

2. 把创建好的节点逐个加入到某个节点的环上,加入过程只会影响某几个节点

     2.1 在指定的节点N0上join新节点Nk。join过程是借助已有节点N0的finger表为新的节点Nk找到后继Nsuc =N0.findSuccessor(Nk.key),此时Nk的前继为null

     2.2  确认新节点Nk与后继节点Nsuc的相互关系。需要注意的是,这个确认过程指的是待确认节点的后继是不是现在的后继,以及,后继节点的前继

             会不会因待确认节点的加入而更新。

             因为可能后继节点Nsuc和新节点Nk之间还有节点Nbet,则需要更新Nk的后继节点为Nbet,且后继节点Nsuc和原前继之间加入了Nk之后,

             原前继的后继要改变。

     2.3  确认刚刚的后继节点Nsuc的原前继节点Npre =Nsuc.getPre()的后继节点。因后继节点Nsuc的原前继节点Npre可能会因为新节点Nk的加入

             而改变其后继节点。

            2.2和2.3都是确认过程,只是基于的点不一样,可以体会一下,思路是一样的。

3. 刷新每个节点的finger表。该过程可以理解为,在各个节点都更新了各自的前继和后继节点之后,每个节点再把自己的finger表过一遍,更新某些后继节点。

bubuko.com,布布扣

总结来说,如上图,Nk的加入只会影响其后继节点Nx的前继节点选择,及Nx的前继节点Ny的后继节点选择,即这三个节点之间的互相指认可能会变化。

但前提是Nx和Ny必须是最接近Nk的直接前继和直接后继。如右侧图中在Ny前面,会不会有Nz更接近Nk,而应该是Nk的后继呢?答案是否定的。从原理角度看,Chord算法保证了这件事(Finger表和直接前/后继的定义有一定的特殊性)。另一方面,其实上面的图中的N0节点可能并不是处在那个位置。为了帮助理解,下面详细说明当N0在join这步为Nk第一次找后继的过程。


在第一次选择Nx的时候,是通过N0的findSuccessor(key)找的(即2.1步骤做的事)。

给定一个key位置,查找successor:

1.    判断key位置是否在本节点和本节点后继节点之间,如果是,那么就把本节点的后继节点返回。否则进入2。

2.    为该key找本节点最近的前继节点(不一定是本节点的直接后继节点),利用本节点前继节点的findSuccessor方法来找该key的后继节点,即进入递归,回到1。

要注意的是找最近的前继节点这一步,依赖的是本节点的finger表,按finger表倒序找,找到那个节点满足finger节点在目标key位置和本节点之间,就ok。

从直观上理解,finger表里的倒序第一个点距离本节点的距离最多是半个环,即2m-1,倒序第二个的距离是2m-1+2m-2。也就是说,这种倒序找是很大范围的找,以这种方式找到节点再调用findSuccessor方法找key的后继,可以脑补一下这种扫环的方式。(为帮助理解,画了一个饼)

bubuko.com,布布扣


所以N0第一次帮Nk找的后继Nx,以及Nx本身的前驱Ny,它们这四个点之间的位置关系,其实出现情况很复杂,不一定像我上面画的那样分布,我画的图甚至可能是错的,比例也完全不是那样的。如何证明Nz的不存在性,相信在了解Chord数学原理后应该可以比较好地理解。

 

上述描述了Chord环的生成过程和新增节点详细实现。


集群版

集群版指节点之间可能是存在于local的一个JVM内的Chord网络,也可以是存在于多个JVM之间的remote的Chord网络。

如果是Remote情况下的话,对比上述实现,节点的join步骤会增加节点之间通信环节,整体实现思路是一致的,只是集群形式要处理的内容会更丰富些。

针对通信这点,Open chord提供chord node之间的几种通信协议:Local的话是在单个JVM内;Remote的话包括rmi和socket。

Open chord还提供了在每个节点上允许存储序列化后的java对象,实际上是在Chord算法基础上对节点的一种利用,在此不展开。


把Chord放到集群环境里之后,除了对节点进行join来加入已有网络外,许多其他操作都会涉及类似的若干次通信,包括移除节点,展示节点Finger表等操作。

这些操作的实现,通过上述描述的新增节点,实现上应该很好理解。下面列举了open chord的命令行提供的对local或remote chord网络进行的操作列表:

  • CreateNode,创建多个节点
  • Insert,插入数据到local网络里
  • InsertNetwork,插入数据到remote网络里
  • CrashNodes,消灭local网络里的若干个节点
  • JoinNetwork,加入节点到remote网络里
  • LeaveNetwork,离开remote网络
  • Remove,从local网络里删除数据
  • RemoveNetwork,从remote网络里删除数据
  • Retrieve,从local网络里获取数据
  • RetrieveNetwork,从remote网络里获取数据
  • ShowEntries,展示local网络里每个node的entry
  • ShowEntriesNetwork,展示remote网络里每个node的entry
  • ShowFingerTable,展示local网络里指定node的finger table
  • ShowFingerTableNetwork,展示remote网络里指定node的finger table
  • ShowNodes,展示local网络里所有nodes
  • ShowSuccessorList,展示local网络里指定node的后继列表
  • ShutdownNodes,关闭一系列nodes
  • Wait,阻塞console一段时间

也就是说,集群环境下,对Chord的操作会以命令行的方式,操作节点、获取节点信息,从实现原理上,类似上述那样的实现步骤。


总结

下面简单总结我对Chord的理解。Chord这种DHT的实现,本质上是在一致性哈希的基础上,增加了Finger表这种快速路由信息,通过在节点上保存整个网络的部分信息,让节点的查找/路由以O(logN)的代价实现,适合大型p2p网络。所以,我理解的Chord基本就等于一致性哈希+Finger表。

Chord算法实现详细,布布扣,bubuko.com

Chord算法实现详细

原文:http://blog.csdn.net/pelick/article/details/27362771

(0)
(0)
   
举报
评论 一句话评论(0
关于我们 - 联系我们 - 留言反馈 - 联系我们:wmxa8@hotmail.com
© 2014 bubuko.com 版权所有
打开技术之扣,分享程序人生!