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面试题:分布式系统中领导选举的常见容错机制有哪些

请列举并简要说明分布式系统中领导选举过程中常用的几种容错机制,比如在节点故障、网络分区等情况下如何保证领导选举的正确性和可用性。
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基于心跳检测的容错机制

  • 原理:领导者定期向其他节点发送心跳消息,其他节点若在规定时间内未收到心跳,则判定领导者可能故障。
  • 应对节点故障:当某个节点未收到领导者心跳,它会发起新一轮选举,选出新的领导者。
  • 应对网络分区:在网络分区时,可能部分节点仍能收到心跳,而另一部分收不到。收不到心跳的节点发起选举,若网络分区恢复,可通过一定规则(如比较领导者任期号等)来确定最终领导者。

多数派投票机制

  • 原理:选举过程中,节点通过投票选出领导者,只有获得超过半数(多数派)选票的节点才能成为领导者。
  • 应对节点故障:即使部分节点发生故障,只要剩余正常节点能组成多数派,就可以正常选举领导者。例如,5个节点的系统,若2个节点故障,剩余3个节点组成多数派仍可完成选举。
  • 应对网络分区:在网络分区情况下,只有包含多数派节点的分区能选举出领导者,避免了脑裂问题。较小分区因无法形成多数派,不能选出领导者,待网络恢复后,再进行协调统一。

领导者任期机制

  • 原理:每个领导者都有一个任期号,每次选举任期号递增。节点只接受任期号大于当前已知领导者任期号的选举请求。
  • 应对节点故障:当领导者故障,新选举产生的领导者任期号更大,其他节点会认可新领导者,即使旧领导者短暂恢复也不会影响新领导者地位。
  • 应对网络分区:在网络分区中,不同分区可能各自选举出领导者,但由于任期号不同,当网络恢复时,任期号大的领导者被认可,保证了系统一致性。

故障检测与隔离机制

  • 原理:节点通过互相监控状态(如资源使用情况、响应时间等)来检测故障。一旦检测到某个节点故障,将其隔离出选举过程。
  • 应对节点故障:快速隔离故障节点,防止其干扰选举过程,保证选举在正常节点间顺利进行。
  • 应对网络分区:在网络分区时,隔离掉与本分区失联的节点,避免因等待失联节点响应而影响选举,在分区内尽快完成选举,待网络恢复后重新整合。