面试题：ElasticSearch写故障时数据副本一致性维护策略

Question

假设在ElasticSearch集群中，由于网络分区导致主分片和副本分片之间出现写故障，此时如何保证数据副本的一致性？请详细描述相关的处理流程和涉及到的技术要点。

Answer 1

处理流程

1. 故障检测
   • ElasticSearch 内部的节点会通过定期的心跳检测机制来发现网络分区故障。当主分片与副本分片之间无法正常通信时，心跳检测失败，触发故障感知。
2. 临时主分片选举（如果必要）
   • 如果原主分片所在节点由于网络分区不可达，集群会在剩余的可用节点中选举出新的临时主分片。选举过程基于 ElasticSearch 内置的分布式选举算法，通常会选择具有最高版本号且数据较完整的副本分片所在节点作为新的主分片。
3. 数据同步
   • 追赶式同步：新的主分片会向其他副本分片发送同步请求。副本分片将自己当前的数据状态反馈给主分片，主分片对比自身与副本分片的数据差异。
   • 版本号对比：通过对比每个文档的版本号，主分片确定哪些文档需要更新到副本分片上。版本号高的文档为最新版本，需要同步到版本号低的副本分片。
   • 全量或增量同步：如果副本分片的数据缺失较多，可能会进行全量同步，即主分片将所有文档数据发送给副本分片。如果差异较小，会采用增量同步，只发送新增或修改的文档数据。
4. 故障恢复与重新同步（原主分片恢复时）
   • 当原主分片所在节点从网络分区中恢复后，它会尝试重新加入集群。
   • 此时原主分片需要与当前的主分片进行数据同步。原主分片将自身的数据状态发送给当前主分片，当前主分片同样通过版本号对比等方式，确定需要同步到原主分片的数据，然后进行反向同步，使原主分片的数据状态与集群其他节点保持一致。

技术要点

1. 分布式选举算法
   • ElasticSearch 使用基于 Raft 算法变体的选举机制。该机制保证在网络分区等故障情况下，能够快速且一致地选举出新的主分片，确保集群的正常写操作。算法考虑节点的状态、数据版本等因素，以选出最合适的节点作为主分片。
2. 版本控制
   • 每个文档都有一个版本号，ElasticSearch 通过版本号来跟踪文档的变化。在数据同步过程中，版本号是判断数据是否最新以及是否需要同步的关键依据。每次文档的修改操作都会使版本号递增，确保数据的一致性和顺序性。
3. 网络通信与重试机制
   • 在数据同步过程中，主分片与副本分片之间通过内部的网络通信协议进行数据传输。由于网络分区可能导致通信不稳定，ElasticSearch 采用重试机制。如果同步请求失败，会在一定时间间隔后重试，确保数据最终能够成功同步。同时，还会设置合理的超时时间，避免长时间等待无效的请求。
4. 数据一致性模型
   • ElasticSearch 采用最终一致性模型。在网络分区等故障期间，可能会出现短暂的数据不一致情况，但通过上述的数据同步流程，最终所有副本分片的数据会达到一致状态。这种模型在保证数据一致性的同时，兼顾了系统的可用性和性能。