面试题：ElasticSearch分布式架构下的故障转移与负载均衡

Question

在ElasticSearch的分布式环境中，如果某个节点发生故障，系统是如何进行故障检测与故障转移的？此外，ElasticSearch如何实现集群内的负载均衡，以确保查询和索引操作的高效执行？请详细说明其原理和机制。

Answer 1

故障检测

1. 基于心跳机制：Elasticsearch 集群中的节点会定期（默认 1 秒）向其他节点发送心跳包，通过这种方式每个节点可以持续感知其他节点的状态。如果在一定时间（默认 30 秒）内没有收到某个节点的心跳，就会认为该节点可能发生故障。
2. 集群状态更新：当一个节点检测到另一个节点故障时，会将此信息更新到集群状态中。所有节点都会监控集群状态的变化，一旦集群状态更新，其他节点就会知晓故障节点的情况。

故障转移

1. 主节点选举：在 Elasticsearch 集群中，有一个主节点负责管理集群状态的变更，例如节点的加入和离开、索引的创建和删除等。当主节点发生故障时，集群会进行新一轮的主节点选举。选举过程基于 Zen Discovery 机制，节点会根据自身的节点 ID、版本号等因素进行投票，最终选出一个新的主节点。
2. 分片重新分配：每个索引在 Elasticsearch 中会被分成多个分片，这些分片会分布在不同的节点上以实现数据的分布式存储。当某个节点发生故障时，其上的分片就会丢失。新的主节点会负责将这些丢失的分片重新分配到其他健康的节点上。在重新分配过程中，Elasticsearch 会尽量保持数据的均衡分布，避免某个节点负载过重。例如，如果一个索引有 5 个主分片和 1 个副本分片，某个节点故障导致其上的 2 个主分片丢失，主节点会将这 2 个主分片分配到其他健康节点上，并创建相应的副本分片以保证数据的高可用性。

负载均衡

1. 数据层面负载均衡：
   • 分片级别的负载均衡：Elasticsearch 在创建索引和分配分片时，会尽量将分片均匀地分布在集群中的各个节点上。例如，当创建一个新索引并指定分片数量时，主节点会根据当前各个节点的负载情况（如磁盘空间、CPU 使用率等），将分片分配到负载相对较低的节点上。
   • 副本分片的负载均衡：副本分片不仅用于数据冗余和高可用性，还能在查询时提供额外的处理能力。Elasticsearch 会将副本分片均匀地分布在不同节点上，当有查询请求时，请求可以被发送到主分片或副本分片所在的节点进行处理，从而实现负载均衡。例如，一个查询请求可以被路由到任意一个包含所需数据分片（主分片或副本分片）的节点，这样多个节点可以同时处理查询请求，提高查询性能。
2. 请求层面负载均衡：
   • 客户端负载均衡：Elasticsearch 的客户端（如 Java 客户端、REST 客户端等）在发送请求时，会维护一个节点列表。客户端会采用轮询、随机等策略从节点列表中选择一个节点发送请求。例如，Java 客户端默认使用轮询策略，依次将请求发送到每个节点，这样可以在一定程度上实现请求的负载均衡。
   • 集群内部负载均衡：当一个节点接收到一个请求，而该请求所涉及的数据分片不在本节点时，这个节点会作为协调节点，将请求转发到包含所需数据分片的节点上。协调节点会根据集群状态信息，选择一个负载相对较低的节点进行转发。例如，当一个节点接收到一个针对某个索引的查询请求，而该索引的相关分片在其他节点上，协调节点会从集群状态中获取这些分片所在节点的负载信息，选择负载较低的节点转发请求，以确保查询操作的高效执行。