面试题：ElasticSearch在分片副本管理中，如何处理脑裂问题？

Question

详细说明ElasticSearch在分片与副本管理架构下，脑裂问题产生的原因、可能导致的后果，以及ElasticSearch是通过哪些机制来预防和处理脑裂问题的，结合底层原理和具体配置参数进行分析。

Answer 1

脑裂问题产生原因

1. 网络分区：Elasticsearch 集群节点间通过网络进行通信。当网络出现分区情况，例如部分节点间网络连接中断，集群会被分割成多个子网段。不同子网段内的节点都认为自己是集群的“主”部分，从而各自选举出不同的主节点，导致脑裂。
2. 节点响应延迟：某些节点由于硬件性能问题、负载过高或 GC 频繁等，导致响应延迟。在选举主节点的过程中，其他节点等待响应超时，会认为该节点已失效，进而开始新的选举。而延迟的节点恢复正常后，可能会与新选举出的主节点形成脑裂。

可能导致的后果

1. 数据不一致：不同“脑”中的节点可能会独立进行索引、删除等操作。例如，一个“脑”中的节点删除了某个文档，而另一个“脑”中的节点却可能还在对该文档进行更新操作，最终导致数据不一致。
2. 索引操作异常：由于多个“主节点”的存在，索引操作可能会在不同“脑”中并行执行，导致索引结构损坏，影响查询性能和数据完整性。
3. 集群状态混乱：集群状态信息在不同“脑”中不一致，可能导致新节点加入集群时出现异常，或者已存在节点无法正常与其他节点同步状态信息。

ElasticSearch预防和处理脑裂问题的机制

1. 选举机制（底层原理）：Elasticsearch 使用基于 Bully 算法的选举机制。节点通过比较节点 ID、版本号等信息来选举主节点。具有最高版本号和最高节点 ID 的节点会被选举为主节点。当网络分区或节点响应延迟等问题出现时，该机制可以在一定程度上保证只有一个主节点最终生效。只有满足法定人数（quorum）的节点集合才能选举出主节点，这有助于防止脑裂。
2. 配置参数：
   • discovery.zen.minimum_master_nodes：这个参数定义了选举主节点时需要的最少主节点数（法定人数）。计算公式为 (master_eligible_nodes / 2) + 1。例如，有 5 个主节点候选节点，那么 discovery.zen.minimum_master_nodes 应设置为 3。当节点集合达不到这个法定人数时，无法选举出主节点，从而避免脑裂。如果网络分区导致两个子网段，子网段 1 有 2 个节点，子网段 2 有 3 个节点，子网段 1 由于达不到法定人数 3，无法选举主节点，子网段 2 可以正常选举主节点，避免了脑裂。
   • gateway.expected_nodes：指定集群中期望的节点数。如果实际节点数与该值相差较大，可能触发集群的一些自我保护机制，减少脑裂风险。但该参数自 Elasticsearch 7.0 后已被弃用，由 discovery.zen.minimum_master_nodes 替代其部分功能。
   • discovery.zen.ping_timeout：定义节点间 Ping 操作的超时时间。如果节点在这个时间内没有收到其他节点的响应，会认为该节点无响应。适当调整这个参数，可以避免因短暂的网络延迟导致误判节点失效而引发脑裂。例如，在网络不稳定但延迟时间相对固定的环境中，可以适当调大该值。