【ITニュース解説】What Is the Gossip Protocol? day 49 of system design

分散システムでは、複数のコンピューター（ノードと呼ぶ）が連携して一つの目標を達成する。このとき、システムを構成するすべてのノードが、どのノードが正常に稼働しているか、あるいは最新の設定情報がどうなっているかといった「システムの状態」を把握し続けること、そしてノード間で効率的に情報を交換することは、非常に重要な課題となる。

これらの課題に対するアプローチは大きく二つある。一つは、特定のノードがシステムの状態を一元的に管理する「集中型状態管理」と呼ばれる方法で、Apache ZooKeeperなどがこれに該当する。この方式は、データの一貫性を強く保証できる利点がある一方で、中央の管理ノードが処理のボトルネックになりやすく、またそのノードが故障するとシステム全体が停止する「単一障害点」になるリスクを抱えている。

もう一つは、「ピアツーピア（P2P）状態管理」と呼ばれる分散型のアプローチである。この方式では、システム内の各ノードが互いに直接連携し、共同でシステムの状態を維持する。ゴシッププロトコルは、このP2P状態管理の分野で特に有効な技術として注目されている。ゴシッププロトコルは、あたかも人々の間で噂話が広まるかのように、システム内で情報を伝播させる仕組みを持つ。具体的には、各ノードが定期的に、システム内のランダムに選ばれたいくつかのノード（ピア）と、自分が持っている最新の情報を交換する。この情報交換を繰り返すことで、最終的にはシステムを構成するすべてのノードに情報が高確率で伝播する。この特性から、ゴシッププロトコルは特にノード数が非常に多い大規模な分散システムや、一部のノードが故障しても全体の運用に支障が出ないよう設計された、障害に強いシステムにおいて適している。

ゴシッププロトコルは、多岐にわたる目的で利用される。例えば、システムに現在参加しているノードのリストを管理し、新しく参加したノードや故障したノードを検出する「クラスタメンバーシップ管理」や「障害検出」に活用される。また、ノード間でシステム設定などの「メタデータ」を交換したり、複数のノード間で何らかの判断を一致させる「合意形成」の基盤としても利用される。さらには、アプリケーションが扱うデータをノード間で効率的に運ぶ役割も担う。

従来の他の情報伝達方式と比較すると、ゴシッププロトコルの特徴がより際立つ。例えば、あるノードから別のノードへ直接メッセージを送る「ポイントツーポイントブロードキャスト」は、送信元と受信元が同時に故障すると情報が失われる可能性がある。また、メッセージを受け取ったノードが他のすべてのノードにそのメッセージを再送信する「Eager Reliable Broadcast」という方式は、障害には強いが、ノード数の二乗に比例する膨大な数のメッセージがネットワークを飛び交い、過剰な負荷をかける欠点がある。これに対し、ゴシッププロトコルは分散型であるため単一障害点がなく、効率的かつ非常に頑健である。情報がシステム全体に伝わるまでに時間がかかることがあるが、最終的には確実に広がるという特性を持つ。

ゴシッププロトコルには、いくつかの種類と情報伝達戦略がある。情報の同期方法として、「アンチエントロピー」は、ノード間でデータの複製（レプリカ）を比較し、古い情報や欠けている部分を最新の情報で補うことで同期を行う。このとき、データの全体ではなく、変更点だけを効率的に識別する技術（チェックサムなど）が使われることもある。「ルーマーモンガリング」は、最新の更新情報だけを素早く広めることに特化した方式で、一度広まった情報は一定回数伝播するとそれ以上は拡散されなくなることで、ネットワークの負荷を抑える。情報伝達の方向性には「プッシュ」「プル」「プッシュプル」がある。「プッシュ」は、情報を発信したいノードが、ランダムなピアに更新情報を送る方式だ。「プル」は、情報を必要とするノードが、ランダムなピアに対して更新情報を要求する方式。そして「プッシュプル」は、これら両方を組み合わせることで、情報をより迅速にシステム全体に行き渡らせる戦略である。

ゴシッププロトコルの動作は非常に効率的である。例えば、ノードが1ラウンドで連絡するピアの数（ファンアウト）を適切に設定すれば、数万ものノードが存在する大規模なシステムであっても、わずか十数回の情報交換ラウンドでメッセージがシステム全体に伝播することが期待できる。この高いスケーラビリティは、ノード数が増えても情報伝達にかかる時間が対数的にしか増加しないため、大規模なシステムにとって大きな利点となる。

ゴシッププロトコルには、いくつかの明確な特性がある。情報を交換するピアを常にランダムに選択し、各ノードは自分自身が知っている限られた情報のみに基づいて動作する。ノード間の通信は定期的に行われ、交換されるメッセージのサイズは通常、小さく限定されている。また、すべてのノードが同じプロトコルに従って動作するため、一貫性がある。特に、ネットワークの信頼性が低い環境や、一部のノードが故障してもシステム全体が安定して動作し続ける「耐障害性」に優れている。中央の管理者が存在しない「分散型」であるため、単一障害点のリスクもない。

具体的な仕組みとしては、各ノードはシステム内の他のノードに関する情報（誰がメンバーか、その状態はどうかといったメタデータ）を記録したリストを保持している。定期的に、あるノードはランダムに選んだピアと接触し、互いのリストやメタデータを交換し合う。このとき、各情報には「バージョン番号」が付与されており、ノードはより新しいバージョン番号を持つ情報があれば、それを使って自分の情報を更新する。これにより、システム全体で情報が最新の状態に保たれる。また、ノードが故障していないかを確認するために「ハートビートカウンター」という仕組みが使われる。これはノードが定期的に「私は生きている」という信号を送り合うことで、もし信号が途絶えればそのノードが故障したと判断できる。

ゴシッププロトコルは、すでに多くの実世界のシステムで重要な役割を担っている。例えば、データを分散して保存し、高い可用性を実現するデータベースシステムであるCassandraやDynamo、Riak、CockroachDBなどでその中核をなしている。また、システム内で利用可能なサービスを見つけ出す「サービスディスカバリ」のConsulや、ブロックチェーン技術を用いたHyperledger Fabric、Bitcoinといった分散型台帳システム、さらにはAmazon S3のような大規模なクラウドストレージサービスでも活用されている。これらはすべて、ノード間の効率的で信頼性の高い情報伝達が不可欠なシステムであり、ゴシッププロトコルがその基盤を支えている。

ゴシッププロトコルの主な利点は、その優れた「スケーラビリティ」である。ノード数が増えても情報が広がる時間は対数的にしか伸びず、非常に効率的だ。ノードのクラッシュやネットワークの分断、メッセージの損失にも強い「耐障害性」と「堅牢性」を持つ。中央管理者が不要な「分散型」設計により、システム全体が停止するリスクも低い。シンプルに実装でき、ネットワーク負荷も予測可能で低く抑えられるため、開発者にとっても扱いやすい。

一方で、いくつかの欠点も存在する。情報が最終的には伝わるものの、その伝達は確率的であるため、常にすべてのノードで情報が完全に一致しているわけではない「結果整合性」という性質を持つ。これは、リアルタイムな厳密な整合性が求められる場合には課題となることがある。また、ネットワークが一時的に分断された場合（パーティション）、それぞれの分断されたサブクラスタが独立して情報を交換するため、全体として整合性が損なわれる可能性もある。重複したメッセージの再送信が発生することがあり、ネットワーク帯域を無駄に消費する可能性もある。情報の伝達速度が定期的なゴシップ間隔に依存するため、非常に低いレイテンシ（遅延）が求められる状況には不向きな場合がある。さらに、分散された非決定的な動作が多いため、問題発生時の原因究明（デバッグ）が難しい側面もある。

このように、ゴシッププロトコルは、軽量でありながら非常に弾力性に富み、高いスケーラビリティを持つ通信技術である。Amazon DynamoやCassandra、Bitcoinといった、現代の基幹となる大規模分散システムにおいて、ノードの状態監視、データの複製、メタデータの交換、さらにはノード間の合意形成といった重要な機能を支えるバックボーンとして広く利用されている。