面试题：分布式系统下，领导选举故障恢复与分布式缓存数据恢复的协同设计

Question

当分布式系统发生故障，领导选举需要重新进行，同时分布式缓存中的数据可能丢失或损坏。请设计一套方案，使得领导选举故障恢复过程与分布式缓存数据恢复过程能够协同工作，保证系统的一致性和可用性，并详细阐述该方案在不同故障场景（如网络分区、节点宕机等）下的执行逻辑。

Answer 1

方案设计

1. 领导选举：
   • 采用基于 Paxos 或 Raft 等一致性算法来进行领导选举。这些算法能够在多数节点存活的情况下快速选出新的领导。
   • 每个节点维护一个选举定时器，当检测到当前领导失联（例如通过心跳机制），定时器开始计时，时间到后发起新一轮选举。
2. 分布式缓存数据恢复：
   • 备份机制：在缓存写入时，采用多副本机制，将数据同时写入多个节点。例如，使用三副本，将数据写至主节点和两个从节点。
   • 日志记录：每个缓存节点维护操作日志，记录所有的缓存写入、删除等操作。日志持久化存储，以便在故障恢复时使用。
3. 协同工作：
   • 选举期间：新领导选举过程中，新当选的领导从其他存活节点收集缓存操作日志。
   • 数据恢复：领导收集完日志后，根据日志记录对分布式缓存进行数据恢复操作，按日志顺序重放操作，使缓存数据达到一致状态。

不同故障场景下的执行逻辑

1. 网络分区：
   • 领导选举：
     • 如果网络分区导致领导所在分区与其他多数分区隔离，其他多数分区节点会因为心跳超时发起选举，在多数节点所在分区选出新的领导。
     • 原领导所在分区在分区期间仍认为自己是领导，但由于无法与多数节点通信，其操作不会被其他节点接受。
   • 缓存数据恢复：
     • 新领导选举出来后，它所在分区内的缓存节点操作日志是完整的。新领导从这些节点收集日志，并将日志同步到其他分区的缓存节点。
     • 其他分区的缓存节点根据接收到的日志进行数据恢复，重放日志中的操作，保证整个分布式缓存数据的一致性。
2. 节点宕机：
   • 领导选举：
     • 如果领导节点宕机，其他存活节点检测到心跳丢失，触发选举定时器，开始新一轮领导选举，选出新的领导。
   • 缓存数据恢复：
     • 宕机节点如果是缓存节点，其副本节点的数据仍然可用。新领导从存活的副本节点收集缓存操作日志。
     • 若宕机节点的日志未完全同步到副本节点，新领导协调其他存活节点，根据其他节点日志补齐宕机节点缺失的操作日志，然后对整个分布式缓存进行数据恢复操作，重放日志使所有缓存节点数据一致。