#0607 Serf
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Consul 底层使用 `Serf <https://www.serf.io/>`_ 来实现成员管理、广播消息（gossip protocol）的功能。Serf 又是基于 `SWIM: Scalable Weakly-consistent Infection-style Process Group Membership Protocol <https://www.cs.cornell.edu/projects/Quicksilver/public_pdfs/SWIM.pdf>`_ 实现。

代码：https://github.com/hashicorp/serf/tree/master/serf

SWIM 协议概述
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SWIM 包含两个组件：

1. 故障检测器（Failure Detector），检测集群中某个成员是不是有故障下线了。
2. 广播组件，用于将检测出来有问题的成员广播给其它的成员。

首先，故障检测器。以集群中的任意一台机器 :math:`M_i` 为例，首先检测每 :math:`T'` 周期执行一次，每个周期的开始，:math:`M_i` 从集群的成员列表中随机选择一个非自身的其它成员，比如 :math:`M_j`，给其发送一个 *ping* 消息，如果成功收到 *ack* 消息那 :math:`M_j` 正常，如果超时没有收到消息，那么 :math:`M_i` 另外随机选择 :math:`k` 个其它成员，向他们发送 *ping-req(* :math:`M_j` *)* 消息，让他们 *ping* :math:`M_j` 并将 *ack* 转发给 :math:`M_i`。整个过程中，只要 :math:`M_i` 收到一个 *ack*，那么就认为 :math:`M_j` 正常，否则标识 :math:`M_j` 为可疑，连续多次可疑，则认为该机器故障，就使用广播组件将 :math:`failed(M_j)` 信息发送给其它成员。

.. image:: images/swim-failure-detection.png

广播组件将 *failed* 信息承载在故障检测使用的 *ping*、*ping-req*、*ack* 消息之上（也就是说不主动发送消息，而是接下来故障组件有消息要发送的时候，将要发送的 *failed*  信息包含在内发送出去），将消息 gossip 给其它成员。收到消息的成员通过同样的方法再 gossip 给其它成员，如此这般最终收敛所有的成员获取到该消息。

Serf 和 SWIM 不同的地方
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- https://www.consul.io/docs/architecture/gossip
- https://www.serf.io/docs/internals/gossip.html#swim-modifications

Serf 的实现和 SWIM 有些微差别，首先，为了让 gossip 消息的传播收敛速度更快，Serf：

- 每隔一段时间会整个集群所有成员做一次状态的全同步（full state sync）。
- 有一个独立的 gossip 协议层，并且同时使用 SWIM 的故障检测相关消息来发送 gossip 消息。
- 保留故障成员的信息（*failed* 信息）一段时间，这样全同步的时候可以将 failed 信息同步给其它成员。

另外，还有一个 Lifeguard 机制解决因为 CPU 负载高/网络抖动导致的误识别。详细见：

- `论文 Lifeguard : SWIM-ing with Situational Awareness <https://arxiv.org/abs/1707.00788>`_
- https://www.hashicorp.com/blog/making-gossip-more-robust-with-lifeguard/