面试题：ElasticSearch写故障恢复过程中的一致性保障

Question

在ElasticSearch数据副本模型写故障快速恢复时，如何确保数据的一致性？请详细说明涉及到的机制和策略。

Answer 1

1. 数据副本机制

• 副本类型：Elasticsearch 中有主副本和副本两种类型。主副本负责处理写操作，副本则是主副本的拷贝，用于提供高可用性和读取负载均衡。每个索引可以定义多个主副本和副本。例如，创建索引时可指定 number_of_shards（主副本数）和 number_of_replicas（副本数）。
• 数据同步：主副本处理写入请求后，会将数据变更同步到副本。采用的是一种基于日志的复制机制，主副本将写操作记录在事务日志（translog）中，然后通过内部的复制协议将这些操作发送到副本。副本在接收到操作后，按照相同顺序应用这些操作，从而保持与主副本的数据一致。

2. 故障检测与选举机制

• 故障检测：Elasticsearch 集群中的节点通过定期发送心跳包（ping）来检测彼此的状态。如果一个节点在一定时间内没有收到来自另一个节点的心跳响应，就会认为该节点发生故障。这个时间间隔可以通过配置参数 discovery.zen.ping_timeout 进行调整，默认是 3 秒。
• 选举机制：当主节点发生故障时，集群需要选举出新的主节点。选举过程基于 Quorum 机制，只有超过半数的节点可用时，选举才能成功。例如，对于一个由 5 个节点组成的集群，至少需要 3 个节点可用才能进行选举。选举算法会选择具有最高版本号且具有足够资格（如 node.master: true 配置）的节点作为新的主节点。新主节点选举出来后，会负责协调数据的恢复和一致性维护。

3. 数据恢复策略

• 基于事务日志恢复：故障节点恢复后，Elasticsearch 会根据事务日志（translog）进行数据恢复。由于主副本在故障前将写操作记录在事务日志中，恢复时会从该日志中读取未完成的操作，并重新应用到数据存储中。这确保了故障期间丢失的写操作能够被重新执行，从而保证数据的一致性。
• 副本同步恢复：在主节点故障期间，如果有副本节点能够继续提供服务，当新主节点选举出来后，新主节点会协调副本节点之间的数据同步。副本节点会将自身的数据状态与新主节点进行比对，新主节点会根据各副本节点的数据情况，选择一个作为基准副本，然后其他副本节点从基准副本同步缺失的数据，以达到数据一致性。

4. 一致性控制策略

• 写一致性级别：Elasticsearch 提供了不同的写一致性级别来控制数据写入的一致性。可以通过 consistency 参数指定，常见的级别有 one（默认，只要主副本写入成功即认为写入成功）、quorum（需要超过半数的副本写入成功才认为写入成功）和 all（需要所有副本写入成功才认为写入成功）。例如，在进行索引操作时，可以设置 consistency: quorum，这样可以在一定程度上保证数据的一致性，因为只有多数副本写入成功，写操作才会被确认。
• 版本控制：Elasticsearch 为每个文档维护一个版本号。每次文档更新时，版本号会递增。在写操作时，客户端可以指定期望的版本号，如果当前文档的版本号与客户端指定的版本号不一致，写操作会失败。这可以防止并发写操作导致的数据覆盖问题，确保数据的一致性。例如，在更新文档时，可以带上 version 参数，Elasticsearch 会在执行更新前验证版本号。