面试题：CouchDB备份恢复策略的故障容错与优化

Question

在分布式CouchDB集群环境下，网络故障、节点故障等情况时有发生。设计一套具备高度故障容错能力的备份与恢复策略，确保在各种故障场景下数据的完整性和可用性。请详细描述策略中如何检测故障、处理故障期间的备份与恢复操作，以及如何验证恢复后数据的一致性。

Answer 1

故障检测

1. 心跳检测机制：
   • 集群内各节点定期（例如每5秒）向其他节点发送心跳消息。若在一定时间（如15秒，可根据网络情况调整）内未收到某个节点的心跳，则初步判定该节点可能发生故障。
   • 可以使用专门的心跳守护进程来负责此项工作，它持续监控各节点的心跳状态，并将状态信息记录在本地日志文件或共享的监控数据库中。
2. 网络连通性检测：
   • 采用ping命令或更高级的网络诊断工具（如traceroute）定期检测节点间的网络连接。若ping不通某个节点或者traceroute发现网络路径中断，说明存在网络故障。
   • 例如，每隔1分钟对所有节点进行一次ping检测，对于检测到的网络故障及时记录并触发相应的故障处理流程。
3. 数据库服务状态检测：
   • 定期尝试从每个节点读取特定的元数据或执行简单的查询操作，若操作失败，表明该节点的数据库服务可能存在问题。
   • 比如，每10分钟从每个节点读取数据库的版本信息或某个固定文档，若读取失败则标记该节点的数据库服务异常。

故障期间备份与恢复操作

1. 网络故障备份：
   • 本地缓存：当检测到网络故障时，每个节点将自身未同步的数据（如最近写入但尚未复制到其他节点的数据）缓存在本地的临时存储中。这可以使用本地文件系统或内存缓存（如Redis），确保数据不会因网络故障丢失。
   • 备份队列：将待同步的数据放入备份队列，队列可以基于消息队列系统（如RabbitMQ）实现。一旦网络恢复，从队列中依次取出数据进行同步。
2. 节点故障备份：
   • 数据复制：CouchDB本身支持多节点数据复制。在正常运行时，数据会在多个节点间复制，当某个节点发生故障时，其他节点上的数据副本可作为备份。
   • 增量备份：为了减少备份数据量，故障节点的相邻节点（根据网络拓扑确定）可以在故障发生后，对故障节点最近一次同步后新增或修改的数据进行增量备份。这些增量数据可以存储在专门的备份存储设备（如网络附加存储NAS）上。
3. 恢复操作：
   • 网络恢复：网络恢复后，节点首先从本地缓存中读取未同步的数据，并按照备份队列的顺序将数据发送到目标节点进行同步。同时，检查之前因网络故障导致的未完成的复制任务，重新启动这些任务。
   • 节点恢复：若故障节点恢复，它首先从其他节点（选择数据版本最新的节点）拉取全部数据进行初始化。然后，从增量备份存储中获取增量数据，并应用这些增量数据，以确保与其他节点数据一致。

数据一致性验证

1. 哈希校验：
   • 在数据写入时，为每个文档生成一个哈希值（如MD5或SHA - 256），并将哈希值与文档一起存储。在恢复数据后，重新计算每个文档的哈希值，并与原始存储的哈希值进行比对。若哈希值一致，则说明文档数据未发生改变。
   • 可以编写一个专门的脚本，在数据恢复完成后遍历所有文档，计算并比对哈希值。
2. 版本比对：
   • CouchDB使用版本号来跟踪文档的修改。恢复数据后，比较各节点上相同文档的版本号。若版本号一致，且文档内容经哈希校验也一致，则说明数据在各节点间是一致的。
   • 可以通过CouchDB的API获取每个文档的版本信息，并进行批量比对。
3. 数据完整性检查：
   • 恢复后，检查数据库的元数据，如数据库的文档总数、索引状态等，确保与故障前保持一致。同时，对一些关键的系统文档（如CouchDB的配置文档）进行单独验证，确保其正确性。
   • 例如，通过查询CouchDB的_all_docs端点获取文档总数，并与故障前记录的文档总数进行比较。对于索引，可以通过重新构建索引并检查索引构建过程中是否有错误来验证其完整性。