Elasticsearch-04-master選舉

PrimaBruceXu發表於2021-07-14

Elasticsearch

3.2 master選舉機制

3.2.1 選舉演算法

1）bully演算法

核心思想

假定所有的節點都具有一個可以比較的ID，通過比較這個ID來選舉master

流程說明

節點向所有比自己ID大的節點傳送選舉資訊（election），告訴他們我選你
如果收到了回覆訊息（alive），這說明有人比自己“資歷”更老，要讓他去做老大，他只能乖乖等著老大選舉
1. 等待老大成功選舉的訊息（victory）
2. 如果超時之後還沒有成功選舉訊息，那麼重新傳送選舉資訊
如果沒有收到任何回覆訊息（alive），那麼就自己當老大，同時向其他節點傳送當選資訊（victory）

示例

首先，我們有6個節點的叢集，所有節點都互聯，P6是master
P6掛了
P3發現P6掛了，於是向所有比自己ID大的節點傳送選舉訊息（election）
- 要給P6發的原因是P6有可能恢復了，所以P6也要發
P4和P5都收到了訊息，並表示他們會接手，你就不用管了（bully P3）
P4開始接管選主流程，它開始向P5和P6傳送選舉資訊
只有P5相應了，P5從這裡開始接管選舉（bully p4）
P5傳送選舉資訊
沒有人能響應P5的選舉資訊，於是P5當選master，同時告訴別人他是master

優缺點

優點
- 簡單粗暴，只要我比你大，我就來組織選舉
缺點
- master假死會使得叢集狀態不穩定。假定P6在P5釋出當選資訊後重新上線，P5檢測到P6的話，又會重新開啟選舉，因為P6的id比P5大
- 腦裂問題，當出現網路分割槽的時候，一個叢集可能會選舉出兩個master（因為網路通訊受限）

2）raft演算法

raft演算法首先將系統中角色定義為三種：leader、follower、candidate。同時將系統一致性拆分為Leader選舉（Leader election）、日誌同步（Log replication）、安全性（Safety）、日誌壓縮（Log compaction）、成員變更（Membership change）等多個子問題。這裡，我們只討論Leader election

核心思想

每個leader都有一個任期（term），在它的任期內，他是老大；只要發現有人的任期比自己大，他就會無條件的加入

選主流程

follower在一段時間內沒有收到leader傳送來的確認資訊之後會轉變為candidate
candidate等待投票請求
- 收到投票請求，投票，然後等待選舉結果
- 超時，給自己投票，傳送投票請求
收到足夠投票請求後，成功當選leader，開始維護叢集

參考資料

3.2.2 選舉實現

1）es6.8

邏輯流程圖

原始碼

叢集初始化

/**
 * the main function of a join thread. This function is guaranteed to join the cluster
 * or spawn a new join thread upon failure to do so.
 */
private void innerJoinCluster() {
    DiscoveryNode masterNode = null;
    final Thread currentThread = Thread.currentThread();
    nodeJoinController.startElectionContext();
    while (masterNode == null && joinThreadControl.joinThreadActive(currentThread)) {
        masterNode = findMaster();
    }

    if (joinThreadControl.joinThreadActive(currentThread) == false) {
        logger.trace("thread is no longer in currentJoinThread. Stopping.");
        return;
    }

    // 如果當前節點是被選出來的master，那麼他就成功當選master，開始接受其他節點的連線請求
    // 如果沒有成功當選master，那麼就去加入master
    // 這裡也解釋了為什麼在判斷存活master的時候不能把自己算進去。因為把自己算進去的話，所有節點都會認為自己是master，
    if (transportService.getLocalNode().equals(masterNode)) {
        final int requiredJoins = Math.max(0, electMaster.minimumMasterNodes() - 1); // we count as one
        logger.debug("elected as master, waiting for incoming joins ([{}] needed)", requiredJoins);
        nodeJoinController.waitToBeElectedAsMaster(requiredJoins, masterElectionWaitForJoinsTimeout,
                new NodeJoinController.ElectionCallback() {
                    @Override
                    public void onElectedAsMaster(ClusterState state) {
                        synchronized (stateMutex) {
                            joinThreadControl.markThreadAsDone(currentThread);
                        }
                    }

                    @Override
                    public void onFailure(Throwable t) {
                        logger.trace("failed while waiting for nodes to join, rejoining", t);
                        synchronized (stateMutex) {
                            joinThreadControl.markThreadAsDoneAndStartNew(currentThread);
                        }
                    }
                }

        );
    } else {
        // process any incoming joins (they will fail because we are not the master)
        nodeJoinController.stopElectionContext(masterNode + " elected");

        // send join request
        final boolean success = joinElectedMaster(masterNode);

        synchronized (stateMutex) {
            if (success) {
                DiscoveryNode currentMasterNode = this.clusterState().getNodes().getMasterNode();
                if (currentMasterNode == null) {
                    // Post 1.3.0, the master should publish a new cluster state before acking our join request. we now should have
                    // a valid master.
                    logger.debug("no master node is set, despite of join request completing. retrying pings.");
                    joinThreadControl.markThreadAsDoneAndStartNew(currentThread);
                } else if (currentMasterNode.equals(masterNode) == false) {
                    // update cluster state
                    joinThreadControl.stopRunningThreadAndRejoin("master_switched_while_finalizing_join");
                }

                joinThreadControl.markThreadAsDone(currentThread);
            } else {
                // failed to join. Try again...
                joinThreadControl.markThreadAsDoneAndStartNew(currentThread);
            }
        }
    }
}

選主邏輯

private DiscoveryNode findMaster() {
    logger.trace("starting to ping");
    List<ZenPing.PingResponse> fullPingResponses = pingAndWait(pingTimeout).toList();
    if (fullPingResponses == null) {
        logger.trace("No full ping responses");
        return null;
    }
    if (logger.isTraceEnabled()) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        if (fullPingResponses.size() == 0) {
            sb.append(" {none}");
        } else {
            for (ZenPing.PingResponse pingResponse : fullPingResponses) {
                sb.append("\n\t--> ").append(pingResponse);
            }
        }
        logger.trace("full ping responses:{}", sb);
    }

    final DiscoveryNode localNode = transportService.getLocalNode();

    // add our selves
    assert fullPingResponses.stream().map(ZenPing.PingResponse::node)
        .filter(n -> n.equals(localNode)).findAny().isPresent() == false;

    fullPingResponses.add(new ZenPing.PingResponse(localNode, null, this.clusterState()));

    // filter responses
    final List<ZenPing.PingResponse> pingResponses = filterPingResponses(fullPingResponses, masterElectionIgnoreNonMasters, logger);

    List<DiscoveryNode> activeMasters = new ArrayList<>();
    for (ZenPing.PingResponse pingResponse : pingResponses) {
        // We can't include the local node in pingMasters list, otherwise we may up electing ourselves without
        // any check / verifications from other nodes in ZenDiscover#innerJoinCluster()
        if (pingResponse.master() != null && localNode.equals(pingResponse.master()) == false) {
            activeMasters.add(pingResponse.master());
        }
    }

    // nodes discovered during pinging
    List<ElectMasterService.MasterCandidate> masterCandidates = new ArrayList<>();
    for (ZenPing.PingResponse pingResponse : pingResponses) {
        if (pingResponse.node().isMasterNode()) {
            masterCandidates.add(new ElectMasterService.MasterCandidate(pingResponse.node(), pingResponse.getClusterStateVersion()));
        }
    }

    // activeMasters為空的時候有兩種情況：1.當前節點能看到的所有節點都選出了一個共同的master，且那個節點就是本地節點；2.沒有master
    // 1 --> 需要釋出選主資訊，告訴別人，master是誰
    // 2 --> 既然大家都沒有master，那麼就來嘗試選舉master
    // activeMasters不為空時，表示其他節點已經選出了一個master，當前節點要做的事情就是加入這個master
    if (activeMasters.isEmpty()) {
        if (electMaster.hasEnoughCandidates(masterCandidates)) {
            final ElectMasterService.MasterCandidate winner = electMaster.electMaster(masterCandidates);
            logger.trace("candidate {} won election", winner);
            return winner.getNode();
        } else {
            // if we don't have enough master nodes, we bail, because there are not enough master to elect from
            logger.warn("not enough master nodes discovered during pinging (found [{}], but needed [{}]), pinging again",
                        masterCandidates, electMaster.minimumMasterNodes());
            return null;
        }
    } else {
        assert activeMasters.contains(localNode) == false :
            "local node should never be elected as master when other nodes indicate an active master";
        // lets tie break between discovered nodes
        return electMaster.tieBreakActiveMasters(activeMasters);
    }
}

法定人數判斷邏輯

// 變數 minimumMasterNodes 就是配置項 discovery.zen.minimum_master_nodes
public boolean hasEnoughCandidates(Collection<MasterCandidate> candidates) {
    if (candidates.isEmpty()) {
        return false;
    }
    if (minimumMasterNodes < 1) {
        return true;
    }
    assert candidates.stream().map(MasterCandidate::getNode).collect(Collectors.toSet()).size() == candidates.size() :
        "duplicates ahead: " + candidates;
    return candidates.size() >= minimumMasterNodes;
}

節點比較邏輯

/**
 * compares two candidates to indicate which the a better master.
 * A higher cluster state version is better
 *
 * @return -1 if c1 is a batter candidate, 1 if c2.
 */
public static int compare(MasterCandidate c1, MasterCandidate c2) {
    // we explicitly swap c1 and c2 here. the code expects "better" is lower in a sorted
    // list, so if c2 has a higher cluster state version, it needs to come first.
    int ret = Long.compare(c2.clusterStateVersion, c1.clusterStateVersion);
    if (ret == 0) {
        ret = compareNodes(c1.getNode(), c2.getNode());
    }
    return ret;
}

分析
- 什麼時候開始選主投票？
  - 叢集剛啟動時
  - master檢測到其他節點離開時
  - 其他節點檢測到master離開時
- 在選主進行的時候，有新的節點加怎麼辦？
  - ES會暫時擱置這些加入請求，直到選主結束之後再來處理。如果本地節點成功當選，就接收這些連線請求；如果沒有成功當選，則丟棄這些請求
  - 這些新發現的節點不會被計算到候選者中
- 每個節點選舉出來的master可能不一樣，是怎麼做到不腦裂的？
  - ping過程中發現的候選者數量要大於等於設定項 discovery.zen.minimum_master_nodes
- 為什麼會出現腦裂，不是已經有 discovery.zen.minimum_master_nodes 配置了嗎？
  - 假設一開始叢集規模為3，那麼配置為2是沒有任何問題的。但是，一旦叢集規模擴大到7，那麼合理的配置因為為4。於是，新節點的配置為4，而老節點的配置為2。如果沒有及時更新老節點的配置，就會存在腦裂的風險（試想一下，在主節點掛掉時，2箇舊節點又恰好和4個新節點產生了網路分割槽，而由於節點配置項不統一，就會導致腦裂）

2）es7.13

流程圖

和標準raft演算法的不同之處
- 在叢集啟動時，節點預設為candidate
- candidate不做任何投票限制，這有可能導致產生多個leader，ES選擇的是最新的leader（term最大的）
- candidate在投票的時候，最後才會給自己投票，防止出現同票現象

為什麼說新版本杜絕了腦裂問題？

因為新版本中的法定投票人數不再由設定決定，而是變成了一個動態更新的值。由ES在依據存活節點數量來判斷是否有足夠的參與人數

public boolean hasQuorum(Collection<String> votes) {
    final HashSet<String> intersection = new HashSet<>(nodeIds);
    intersection.retainAll(votes);
    return intersection.size() * 2 > nodeIds.size();
}

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