9、分布式系统中的全局状态收集算法

分布式系统中的全局状态收集算法

1. 引言

在分布式系统里，每个进程依据本地信息执行操作，这些信息包括自身状态、邻居状态或通过输入通道接收的消息。众多应用需要收集各组件进程的本地状态，以此来确定系统的全局状态，具体应用场景如下：
- 网络拓扑计算
- 分布式系统中进程数量统计
- 终止检测
- 死锁检测
- 协调丢失检测

分布式快照算法阐明了一致全局状态的概念，有助于将一致全局状态的片段记录到各个进程的本地状态空间中，但未涉及收集这些片段的任务。本文将探讨该问题，并介绍几种全局状态收集算法。

全局状态收集算法可分为多种类型，如探测 - 回声算法、波算法和心跳算法等。分类依据是收集状态所采用的机制。例如，波算法是一类计算，其特点如下：
- 一个或多个发起者启动计算。
- 非发起者节点的计算由相邻节点的计算触发。
- 每个节点在达到预定义的本地目标时实现本地终止。
- 系统范围的计算在启动后的有限步骤内终止。

所产生的事件因果链类似于平静池塘中波浪的起伏，因此得名波算法。接下来将研究几种遵循不同范式的算法，而不过多关注它们所属的类别。首先介绍一种基本广播算法的描述和正确性证明，该算法的底层消息传递模型仅支持点对点通信。

2. 基本广播算法

考虑一个由编号为 0 到 N - 1 的 N 个进程组成的强连通网络。每个进程 i 都有一个关联的稳定值 s(i)。目标是设计一种算法，使每个进程 i 能将其值 s(i) 广播给系统中的其他所有进程。最终，每个进程 i 将拥有一个集合 V.i = {∀k : 0 ≤ k ≤ N - 1 : s(k