面试题：在复杂业务场景下如何基于ElasticSearch SequenceIDs的PrimaryTerms和SequenceNumbers设计高可用架构

Question

给定一个复杂的业务场景，如电商的商品库存实时更新、订单状态实时跟踪等场景，要求在ElasticSearch基础上，利用SequenceIDs中的PrimaryTerms和SequenceNumbers设计一个高可用的架构，确保数据的强一致性和系统的高可用性。请详细描述架构设计思路、关键节点的处理逻辑以及可能遇到的挑战和解决方案。

Answer 1

架构设计思路

1. 数据模型设计：在ElasticSearch中，针对商品库存和订单状态数据，设计合适的索引结构。例如，商品库存索引可以以商品ID为文档标识，订单状态索引以订单ID为文档标识，每个文档包含相关状态字段。
2. 利用SequenceIDs：
   • PrimaryTerms：每个分片有一个PrimaryTerm，当主分片发生故障转移时，PrimaryTerm会递增。它用于确保在同一时刻只有一个主分片处理写操作，避免脑裂问题。
   • SequenceNumbers：每个文档有一个SequenceNumber，每次文档更新时递增。它用于保证更新的顺序性和幂等性。
3. 读写分离架构：
   • 读操作：可以从主分片或副本分片读取数据，根据业务需求选择合适的读取策略，如优先从副本分片读取以减轻主分片压力。
   • 写操作：所有写操作都发送到主分片，主分片处理完写操作后，将更新同步到副本分片。

关键节点的处理逻辑

1. 主分片：
   • 写请求处理：接收写请求，更新本地文档，并递增SequenceNumber，同时将更新操作发送到所有副本分片。在更新成功且所有副本分片确认后，返回成功响应。如果在处理过程中发现PrimaryTerm与预期不符（说明发生了故障转移），拒绝写请求并提示客户端重试。
   • 故障检测与恢复：主分片持续监控自身及副本分片的状态。如果发现自身故障，触发故障转移机制，由集群重新选举新的主分片。
2. 副本分片：
   • 更新同步：接收主分片发送的更新操作，根据SequenceNumber确保更新按顺序应用。如果发现SequenceNumber不连续或与预期不符，拒绝更新并向主分片请求正确的更新。
   • 故障检测与恢复：副本分片监控主分片状态，当主分片故障时，参与主分片选举。

可能遇到的挑战和解决方案

1. 网络分区：
   • 挑战：网络分区可能导致部分节点与集群隔离，出现脑裂现象，可能会有多个“主分片”同时处理写操作，破坏数据一致性。
   • 解决方案：利用PrimaryTerms，在选举新主分片时，只有拥有最新PrimaryTerm的节点才能成为主分片。同时，集群可以设置法定人数（quorum），只有超过法定人数的节点参与选举和写操作确认，才能保证操作的有效性。
2. 副本同步延迟：
   • 挑战：副本分片同步主分片更新可能存在延迟，在延迟期间读操作可能读到旧数据，影响数据一致性。
   • 解决方案：可以采用同步写模式，即主分片等待所有副本分片确认更新后再返回成功响应。另外，在读取时，可以通过设置“等待副本同步”参数，确保读取到最新数据，但这可能会增加读操作的延迟。
3. 选举性能问题：
   • 挑战：频繁的主分片故障转移导致选举操作频繁，可能影响系统性能。
   • 解决方案：优化网络配置，减少节点故障概率。同时，可以采用预选举机制，在可能发生故障时提前进行选举准备，减少选举时间。还可以对选举算法进行优化，如采用更高效的选举算法（如Raft算法的改进版本）来提高选举效率。