面试题：ElasticSearch集群状态自动化管理系统中故障转移策略设计

Question

假设ElasticSearch集群中的某个数据节点突然故障，在自动化管理系统中，你会如何设计故障转移策略，以确保数据的可用性和一致性？详细说明涉及到的ElasticSearch原理，以及从发现故障到完成转移过程中的关键步骤和操作。

Answer 1

1. ElasticSearch原理基础

• 副本机制：ElasticSearch 通过将索引数据分成多个主分片（Primary Shard），每个主分片可以有多个副本分片（Replica Shard）。副本分片是主分片的拷贝，用于提供数据冗余和高可用性。当主分片所在节点故障时，副本分片可以提升为主分片继续提供服务。
• 集群状态管理：ElasticSearch 集群有一个主节点（Master Node）负责管理集群状态，包括节点的加入、离开，分片的分配等。集群状态信息在所有节点间同步，每个节点都知道整个集群的状态。

2. 发现故障

• 节点自动检测：ElasticSearch 集群中的节点之间通过定期的心跳机制（基于 TCP 的 Ping 操作）来互相检测存活状态。如果一个节点在一定时间内（默认 discovery.zen.fd.ping_timeout 为 3s，连续 discovery.zen.fd.ping_retries 为 3 次未响应）没有收到来自某个节点的心跳，就会认为该节点故障。
• 监控系统辅助：在自动化管理系统中，可以集成外部监控工具，如 Prometheus + Grafana。通过监控 ElasticSearch 暴露的指标（如节点状态指标 cluster_nodes 等），实时了解集群中各个节点的状态。一旦发现某个数据节点的关键指标异常（如 CPU 使用率持续 100%、网络连接中断等），可以触发报警并进一步确认节点故障。

3. 故障转移关键步骤和操作

• 主节点感知与决策：
  • 主节点接收到其他节点关于故障节点的报告后，更新集群状态，标记故障节点及其上的主分片为不可用。
  • 主节点根据集群状态和副本分片的分布情况，决定将哪些副本分片提升为主分片。决策过程会考虑副本分片所在节点的负载、网络状况等因素，以确保新的主分片分布均匀且能高效提供服务。
• 副本分片提升为主分片：
  • 主节点向包含合适副本分片的节点发送指令，通知其将对应的副本分片提升为主分片。
  • 被选中的副本分片所在节点接收到指令后，将副本分片切换为主分片状态，并开始处理读写请求。这个过程中，节点需要确保数据的一致性，例如从故障主分片最后已知的稳定状态开始继续处理后续操作。
• 重新分配分片：
  • 主节点重新分配剩余的副本分片，以维持集群的冗余度。它会根据集群中各节点的负载情况，选择合适的节点来承载新分配的副本分片。
  • 主节点向目标节点发送分片分配指令，目标节点接收到指令后，开始从原节点复制数据（如果是全新分配的副本分片），建立新的副本分片。
• 数据恢复与同步：
  • 新提升的主分片和新分配的副本分片之间会进行数据同步。ElasticSearch 使用一种称为 “版本控制” 的机制来确保数据的一致性。每个文档都有一个版本号，在读写操作时会进行版本检查。
  • 新副本分片会从主分片拉取最新的数据更改，以达到数据一致。在同步过程中，可能会涉及到部分数据的重放操作，以确保副本分片的数据与主分片完全一致。
• 自动化管理系统干预：
  • 自动化管理系统在发现节点故障报警后，可以查询 ElasticSearch 集群状态 API，获取故障节点和相关分片信息。
  • 可以根据集群状态信息，执行一些额外的操作，如通知运维人员故障及恢复情况，记录故障处理日志，或者在故障频繁发生时，调整集群的一些配置参数（如增加副本数量等）以提高集群的健壮性。