面试题：自定义 ElasticSearch 数据副本模型读故障容错机制的设计与实现

Question

假设现有的 ElasticSearch 数据副本模型读故障容错机制无法满足特定业务场景下对数据一致性和可用性的要求。请你设计一种自定义的容错机制，详细阐述该机制的架构设计、数据流转逻辑以及如何与 ElasticSearch 现有架构进行集成，同时说明如何对该机制进行测试和验证以确保其可靠性和有效性。

Answer 1

架构设计

1. 数据冗余层：在 ElasticSearch 之上构建一个数据冗余层。该层负责将关键数据进行多副本存储，存储位置可以是分布式文件系统（如 Ceph）或者其他可靠存储介质。这些副本数据与 ElasticSearch 中的主数据保持同步更新。
2. 故障检测与切换模块：部署一个独立的故障检测模块，该模块通过定期向 ElasticSearch 节点发送心跳请求，监测节点的健康状态。当检测到某个节点出现故障导致读操作无法满足一致性和可用性要求时，该模块迅速触发切换流程，将读请求重定向到冗余层中的副本数据。
3. 一致性维护模块：该模块负责保证 ElasticSearch 主数据和冗余层副本数据的一致性。当 ElasticSearch 数据发生变更时，通过消息队列（如 Kafka）将变更事件发送给一致性维护模块，模块接收到事件后，按照一定的顺序在冗余层更新相应的副本数据。

数据流转逻辑

1. 写入流程：
   • 应用程序向 ElasticSearch 发起写入请求。
   • ElasticSearch 正常写入数据，并同时向消息队列发送数据变更消息。
   • 一致性维护模块从消息队列消费变更消息，更新冗余层的副本数据。
2. 读取流程：
   • 应用程序向 ElasticSearch 发起读请求。
   • 故障检测与切换模块实时监测 ElasticSearch 节点状态。若节点正常，数据从 ElasticSearch 返回给应用程序。
   • 若检测到 ElasticSearch 节点故障且读操作无法满足业务要求的一致性和可用性时，故障检测与切换模块将读请求重定向到冗余层，从冗余层读取副本数据并返回给应用程序。

与 ElasticSearch 现有架构集成

1. 接口扩展：在 ElasticSearch 的 RESTful 接口层进行扩展，增加对冗余层数据读取的接口。当需要从冗余层读取数据时，通过新扩展的接口进行访问。
2. 插件集成：开发一个 ElasticSearch 插件，将故障检测与切换模块以及一致性维护模块集成到 ElasticSearch 内部。这样可以方便地与 ElasticSearch 的内部组件进行交互，例如监听数据变更事件等。

测试与验证

1. 单元测试：
   • 对故障检测与切换模块进行单元测试，模拟 ElasticSearch 节点故障场景，验证该模块能否准确检测到故障并正确触发读请求的重定向。
   • 对一致性维护模块进行单元测试，验证在接收到数据变更消息后，能否准确无误地更新冗余层的副本数据。
2. 集成测试：
   • 搭建一个包含 ElasticSearch、冗余层存储以及相关自定义模块的集成测试环境。模拟各种复杂的读写场景，包括高并发读写、数据频繁变更等，验证整个自定义容错机制在不同场景下能否正常工作，确保数据的一致性和可用性。
3. 性能测试：
   • 在集成测试环境中，对自定义容错机制进行性能测试。评估引入冗余层和相关模块后，系统在读写性能方面的影响，确保性能损失在可接受范围内。
4. 故障注入测试：
   • 在实际生产环境的模拟环境中，进行故障注入测试。主动模拟 ElasticSearch 节点故障、网络故障等情况，观察自定义容错机制的表现，验证其在真实故障场景下的可靠性和有效性。通过多次重复故障注入测试，收集相关数据和指标，对机制进行优化和完善。