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Chord算法

1.Chord 概念

• Chrod算法是P2P中的四大算法之一，是有MIT（麻省理工学院）于2001年提出 。
• Chord的目的是提供一种能在P2P网络快速定位资源的的算法，Chord并不关心资源是如何存储的，只是从算法层面研究资源的取得，因此Chord的API只有两个set、get。

Chord是什么

​- Chord是一个算法，也是一个协议。作为一个算法，Chord可以从数学的角度严格证明其正确性和收敛性；作为一个协议，Chord详细定义了每个环节的消息类型。
Chord还可以被作为一个一致性哈希、分布式哈希（DHT）的实现。

覆盖网络（overlaynetwork）

​- 构建在其他网络之上、网络节点之间通过虚拟或逻辑连接在一起，比如云计算、分布式系统都是覆盖网络，因为其都构建于TCP/IP之上，且节点之间有联系。Chord也是构建于覆盖网络

分布式哈希表（DHT）

• DHT的主要想法是把网络上资源的存取像Hashtable一样，可以简单而快速地进行put、get 。与一致性哈希相比，DHT更强调的是资源的存取，而不管资源是否是一致性的。 [^ 哈希一致性是指任何一条相同的字段，无论在何时，何地用何种设备进行hash计算后得到的hash值不变]

Chord实现原理

• Chord通过把Node和Key映射到相同的空间而保证一致性哈希 ;
• 为了保证哈希的非重复性，Chord选择SHA-1作为哈希函数，SHA-1会产生一个2^160的空间;每项为一个16字节（160bit）的大整数
• 整数首尾相连形成一个环，称之为Chord环,整数在Chord环上按大小顺时针排列
• Node（机器的IP地址和Port）与Key（资源标识）都被哈希到Chord环上
• 整个P2P网络的状态为一个虚拟的环，因此我们说Chord是结构化的P2P网络

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2.Chord里面的基本要素

• 节点ID：NID（node identifier），表示一个物理机器，m位的一个数字（m要足够大以保证不同节点的NID相同的几率小的可以忽略不计），由节点机器的IP地址通过哈希操作得到。

• 资源ID: KID（key identifiers），原为键ID，其实际表示一个资源（因为Key与一个资源value哈希绑定），故在本文中统称资源ID（这样比较直观），m位的一个数字（m要足够大以保证不同资源的KID相同的几率小的可以忽略不计），由Key通过哈希操作得到。

• Chord环：Chord Ring，NID和KID被分配到一个大小为2^m的环上， 用于资源分配（给某一个节点）和节点分布 ,以及资源定位

• 什么是资源分配：资源（k）被分配到NID（节点ID）上，这个节点成为k的后继节点 , 是环上从k(假如同样存在一个NID，n=k)起顺时针方向的第一个节点，记为successor(k)。

  • 例如下边这幅图： 红色表示（N1, N18, N25,N26, N45,N53 ） 就是节点ID，蓝色为标志符。
  • 而节点分布则顺时针将节点N由小到到放在这个环上。下图是一个m=6的环，其中有10个节点，5个资源，K10的后继节点为N14，也就是说K10被分配给了N14。

    

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3. Chord资源定位（Key Location)

循环查找 :

• 过程 ： 节点N8寻找K54这个资源，N8.find_successor(K54)发现下一个节点N14不合符54є (8; 14]，于是N14发起同样的搜索，然后一跳一跳后直到节点N56满足54є (51; 56]，于是得知资源K54在N56这个节点上。
        

缺点 : 效率不给力

可伸缩方法：

• 原理 ： 每个节点N上都维护了最多有m项 （m为ID的位数 ）的路由表，称为finger table, 用来定位资源 (KID).

      

路由表是如何生成：

a . 已知chord环的大小为 2^6 = 64(标识符)， 已知NID (节点) N1,N8, N14, N21,N32,N38,N42,N48,N51

b. 图展示的N8节点的是finger table的过程

1.  m =6 , 所以每个节点最多维护了6个的资源ID (kID)；

2.  K=8为起始位置， KID(8+2^0) = KID9 —->NID14

3.  KID(8+2^1) =KID11 —–> NID14

4.  KID(8+2^2) =KID12 —–> NID14

5.  KID(8+2^3) =KID16 —–> NID21

…

好处：

• 每个节点只包含全网中一小部分节点的信息
• 每个节点对于临近节点负责的位置知道的更多，比如N8节点对于N14负责的位置知道3处

资源查找

​- 某个节点上查找资源时，首先判断其后继节点是不是就持有该资源，若没有则直接从该节点的路由表从最远处开始查找，看哪一项离持有资源的节点最近（发现后跳转），若没有则说明本节点自身就有要寻找的资源。如此迭代下去。

• 如 ：节点N8寻找K54这个资源

      

• 首先，在N8上查找后继节点为N14，发现K54并不符合要求，那么直接在N8的路由表（finger table）上查找符合这个要求的节点（由远及近查找），此时N8的路由表为：

      

• 路由表中最远的一项N8+32--N42满足 NID42—>KID54最近（因为N42在该路由表中离N8这个节点最远 ）， 此时跳到N42这个节点上继续查找 ，N42的后继节点为N48 ，

      

• 在NID42路由表上由远及近开始查找，发现N42+8--N51满足，则说明N51这个点离持有K54这个资源的节点最近，那么此时跳到N51这个节点上继续查找。N51节点的后继节点为N56 。

      

经证明，最多经过O(log N)次查找就能找到一个资源。

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4. Chord的节点加入

• Chord通过在每个节点的后台周期性的进行stabilization询问后继节点的前序节点是不是自己来更新后继节点以及路由表中的项

1. 原始 chord 环的部分已知节点N21， N32, 资源KID24,KID30的后继节点为N32

      

2. 新节点N26节点要加入系统（Chord），首先它指向其后继N32，然后通知N32，N32接到通知后将N26标记为它的前序节点（predecessor）。

     

3. 然后修改N32节点的finger table ,由新节点N26接管资源K24, 即 资源K24的后继节点变为N26

      

4. 于是N21就将后继节点修改为N26，并通知N26自己已经将其设置为后继节点，N26接到通知后将N21设置为自己的前序节点

新节点的加入有两方面的影响：

• 正确性方面 :当 一个节点加入系统，而一个查找发生在stabilization结束前，那么此时系统会有三个状态

​ A.所有后继指针和路由表项都正确时：对正确性没有影响

​ B.后继指针正确但表项不正确：查找结果正确，但速度稍慢（在目标节点和目标节点的后继处加入非常多个节点时）。如下图：

      

​ C.后继指针和路由表项都不正确：此时查找失败，Chord上层的软件会发现数据查找失败，在一段时间后会进行重试。

总结一下：节点加入对数据查找没有影响

• 效率方面 : 当stabilization完成时，对查找效率的影响不会超过O(log N) 的时间。当stabilization未完成时，在目标节点和目标节点的后继处加入非常多个节点时才会有性能影响。可以证明，只要路由表调整速度快于网络节点数量加倍的速度，性能就不受影响

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5. 应用

• 特征：去中心化，高可用度，高伸缩性，负载平衡，命名灵活。
• 应用：全球文件系统、命名服务、数据库请求处理、互联网级别的数据结构、通信服务、事件通知、文件共享。