面试题：分布式系统中领导选举在云计算故障恢复场景下如何保障一致性

Question

假设在云计算环境中，部分节点出现故障，领导选举过程需要重新进行。在此场景下，如何通过领导选举机制确保数据和系统状态的一致性，详细说明涉及的技术要点和流程。

Answer 1

技术要点

1. 故障检测：
   • 采用心跳检测机制，节点定期向其他节点发送心跳消息。若在一定时间内未收到某节点心跳，判定该节点故障。
   • 例如使用 TCP 心跳包，节点间每隔固定时间（如 1 秒）发送一个简单的 TCP 探测包，若连续多次（如 3 次）未收到响应，则认为该节点故障。
2. 选举算法：
   • Raft 算法：
     • 节点有三种状态：领导者（Leader）、候选者（Candidate）、跟随者（Follower）。
     • 选举触发：当 Follower 在选举超时时间内未收到 Leader 心跳，转为 Candidate 并发起选举。
     • 投票过程：Candidate 向其他节点发送 RequestVote 消息，其他节点根据先来先服务原则（或其他规则）投票。获得多数（超过一半）选票的 Candidate 成为 Leader。
   • Paxos 算法：
     • 包含提议者（Proposer）、接受者（Acceptor）、学习者（Learner）角色。
     • 提议过程：Proposer 提出提议，Acceptor 决定是否接受。通过多轮交互，最终达成一致提议。
     • 一致性保证：通过 Phase1（Prepare 阶段）和 Phase2（Accept 阶段）确保提议的一致性。
3. 日志复制：
   • 领导者接收客户端请求并将其追加到自己的日志中。
   • 领导者通过 AppendEntries 消息将日志条目复制到跟随者节点。
   • 跟随者接收到日志条目后，先持久化日志，再回复 ACK 给领导者。
   • 只有当多数节点确认日志已复制，领导者才会将该日志条目应用到状态机，并向客户端返回响应。
4. 数据同步：
   • 新选举出的领导者需要确保所有节点的数据状态一致。
   • 可以采用增量同步方式，领导者根据节点日志的差异，发送缺失的日志条目。
   • 例如，领导者记录每个跟随者的日志最新索引，通过对比索引找出需要同步的日志范围并发送。

流程

1. 故障检测与感知：
   • 节点按固定周期发送心跳消息，若某个节点一段时间内未收到其他节点心跳，标记该节点故障。
   • 故障信息在集群内广播，使其他节点知晓故障情况。
2. 选举启动：
   • 当节点感知到 Leader 故障（如未收到 Leader 心跳），从 Follower 转变为 Candidate 状态。
   • Candidate 增加自己的任期号，向集群内其他节点发送 RequestVote 消息。
3. 投票与选举：
   • 其他节点（Follower 或 Candidate）收到 RequestVote 消息后，检查 Candidate 的任期号和日志情况。
   • 如果 Candidate 的任期号大于自身且日志至少和自身一样新，节点会投票给该 Candidate，并在一段时间内不再接受其他 RequestVote 消息。
   • Candidate 收到多数节点的选票后，成为新的 Leader。
4. 数据与状态同步：
   • 新 Leader 确定后，向所有节点发送心跳消息，表明自己的领导地位。
   • 新 Leader 根据各节点日志情况，通过 AppendEntries 消息向跟随者节点同步数据，确保所有节点数据一致。
   • 跟随者节点接收并应用日志条目，使自身状态与领导者一致。
5. 恢复服务：
   • 当所有节点数据和状态同步完成，集群恢复正常服务，新 Leader 开始处理客户端请求。