面试题：ElasticSearch集群元信息选举过程中，脑裂问题是如何产生的，怎样避免？

Question

详细描述ElasticSearch集群在元信息选举时脑裂问题出现的原因，包括网络分区、节点响应延迟等方面的因素。同时，说明目前ElasticSearch所采用的避免脑裂问题的方法及原理。

Answer 1

脑裂问题出现的原因

1. 网络分区：
   • 网络故障可能导致集群中的节点被分割成多个部分，各部分之间无法进行正常的通信。例如，物理网络线路损坏、网络设备故障（如交换机、路由器故障）等，使得部分节点组成的子集群认为自己是整个集群。
   • 网络分区发生后，不同子集群中的节点可能各自进行状态更新，选举出新的主节点，从而出现多个“主节点”同时存在的脑裂现象。
2. 节点响应延迟：
   • 节点负载过高，例如CPU使用率达到100%，内存紧张导致频繁的磁盘交换等，会使节点处理请求的速度变慢，响应延迟增大。
   • 网络拥塞，大量的数据在网络中传输，导致节点间的心跳消息、选举请求等数据包传输延迟。当节点间的心跳检测时间内没有收到对方的心跳消息时，就可能误判对方节点已下线，从而触发选举，导致脑裂。
   • 存储设备性能问题，如磁盘I/O缓慢，使得节点在读写数据和元信息时出现延迟，影响节点间的交互，也可能引发脑裂。

ElasticSearch避免脑裂问题的方法及原理

1. 设置最少主节点数（discovery.zen.minimum_master_nodes）：
   • 方法：通过配置参数discovery.zen.minimum_master_nodes来设置。该参数定义了在选举主节点时，参与选举的节点中必须有多少个节点在线才能进行选举。
   • 原理：假设一个集群有5个节点，设置discovery.zen.minimum_master_nodes为3。当网络分区发生，一个子集群只有2个节点，由于不满足最少3个节点的要求，这2个节点的子集群就无法选举出主节点，从而避免了脑裂。只有当有3个或以上节点组成的子集群，才有可能选举出主节点，保证了集群在分区情况下只有一个合法的主节点。
2. 基于Quorum机制：
   • 方法：ElasticSearch采用基于Quorum（法定人数）的选举机制。
   • 原理：在选举过程中，节点会向其他节点发送选举请求。只有当一个节点收到超过半数节点（不包括自身）的同意票时，它才能成为主节点。例如，在一个5节点的集群中，要成为主节点需要收到至少3个节点（不包括自身，5的半数向上取整为3）的同意票。这样在网络分区等情况下，只有包含超过半数节点的子集群才能选举出主节点，避免了多个子集群都选出主节点的脑裂情况。
3. 使用单播发现机制：
   • 方法：配置discovery.seed_hosts参数，指定一组种子节点，节点启动时通过单播方式与这些种子节点通信来发现集群中的其他节点。
   • 原理：相比广播方式，单播发现机制更加可靠。它减少了因网络广播问题导致的节点发现异常，使得节点能够准确地发现集群中的其他节点，并且在选举过程中基于这些可靠发现的节点进行，有助于减少因节点发现异常导致的脑裂风险。