52.MongoDB复制（副本）集实战及其原理分析

MongoDB复制集架构

高可用

在生产环境中，不建议使用单机版的MongoDB服务器。

Mongodb复制集（Replication Set）由一组Mongod实例（进程）组成，包含一个Primary节点和多个Secondary节点，Mongodb Driver（客户端）的所有数据都写入Primary，Secondary从Primary同步写入的数据，以保持复制集内所有成员存储相同的数据集，提供数据的高可用。复制集提供冗余和高可用性，是所有生产部署的基础。它的现实依赖于两个方面的功能:

数据写入时将数据迅速复制到另一个独立节点上
在接受写入的节点发生故障时自动选举出一个新的替代节点

三节点复制集模式

PSS模式（官方推荐模式）

PSS模式由一个主节点和两个备节点所组成，即Primary+Secondary+Secondary。

PSA模式

PSA模式由一个主节点、一个备节点和一个仲裁者节点组成，即Primary+Secondary+Arbiter

安全认证

shell 复制代码

 #mongo.key采用随机算法生成，用作节点内部通信的密钥文件。
 openssl rand -base64 756 > /data/mongo.key
 #权限必须是600
 chmod 600 /data/mongo.key  
 # 启动mongod
 mongod -f /data/db1/mongod.conf --keyFile /data/mongo.key

复制集连接方式

通过高可用 Uri 的方式连接 MongoDB，当 Primary 故障切换后，MongoDB Driver 可自动感知并把流量路由到新的 Primary 节点

shell 复制代码

mongosh mongodb://fox:fox@192.168.139.135:27017,192.168.139.136:27017,192.168.139.137:27017/admin?replicaSet=rs0

复制集成员角色

成员角色的属性

Priority = 0 当 Priority 等于 0 时，它不可以被复制集选举为主，Priority 的值越高，则被选举为主的概率更大。通常，在跨机房方式下部署复制集可以使用该特性。假设使用了机房A和机房B，由于主要业务与机房A更近，则可以将机房B的复制集成员Priority设置为0，这样主节点就一定会是A机房的成员。

Vote = 0 不可以参与选举投票，此时该节点的 Priority 也必须为 0，即它也不能被选举为主。由于一个复制集中最多只有7个投票成员，因此多出来的成员则必须将其vote属性值设置为0，即这些成员将无法参与投票。

成员角色

Primary：主节点，其接收所有的写请求，然后把修改同步到所有备节点。一个复制集只能有一个主节点。
Secondary：备节点，与主节点保持同样的数据集。当主节点"挂掉"时，参与竞选主节点。分为以下三个不同类型：
- Hidden = false：正常的只读节点，是否可选为主，是否可投票，取决于 Priority，Vote 的值；
- Hidden = true：隐藏节点，对客户端不可见，可以参与选举，但是 Priority 必须为 0，即不能被提升为主。由于隐藏节点不会接受业务访问，因此可通过隐藏节点做一些数据备份、离线计算的任务，这并不会影响整个复制集。
- Delayed ：延迟节点，必须同时具备隐藏节点和Priority0的特性，会延迟一定的时间（secondaryDelaySecs 配置决定）从上游复制增量，常用于快速回滚场景。
Arbiter：仲裁节点，只用于参与选举投票，本身不承载任何数据，只作为投票角色。比如你部署了2个节点的复制集，1个 Primary，1个Secondary，任意节点宕机，复制集将不能提供服务了（无法选出Primary），这时可以给复制集添加⼀个 Arbiter节点，即使有节点宕机，仍能选出Primary。 Arbiter本身不存储数据，是非常轻量级的服务，当复制集成员为偶数时，最好加入⼀个Arbiter节点，以提升复制集可用性。

shell 复制代码

#配置隐藏节点
cfg = rs.conf()
cfg.members[1].priority = 0
cfg.members[1].hidden = true
rs.reconfig(cfg)

#配置延时节点
cfg = rs.conf()
cfg.members[1].priority = 0
cfg.members[1].hidden = true
#延迟1分钟
cfg.members[1].secondaryDelaySecs = 60
rs.reconfig(cfg)

#添加投票节点
# 为仲裁节点创建数据目录，存放配置数据。该目录将不保存数据集
mkdir /data/arb
# 启动仲裁节点，指定数据目录和复制集名称
mongod --port 30000 --dbpath /data/arb --replSet rs0 
# 进入mongo shell,添加仲裁节点到复制集
rs.addArb("ip:30000")
# 执行命令
db.adminCommand( {"setDefaultRWConcern" : 1, "defaultWriteConcern" : { "w" : 2 } } )


#移除复制集节点
rs.remove("ip:port")
#通过 rs.reconfig() 来移除节点
cfg = rs.conf()
cfg.members.splice(2,1)  #从2开始移除1个元素
rs.reconfig(cfg)

#更改复制集节点
cfg = rs.conf()
cfg.members[0].host = "ip:port"
rs.reconfig(cfg)

MongoDB复制集原理

数据同步

MongoDB的复制集选举使用Raft算法（https://raft.github.io/）来实现，选举成功的必要条件是大多数投票节点存活。

MongoDB对raft协议添加了一些自己的扩展

支持chainingAllowed链式复制，即备节点不只是从主节点上同步数据，还可以选择一个离自己最近（心跳延时最小）的节点来复制数据。
增加了预投票阶段，即preVote，这主要是用来避免网络分区时产生Term(任期)值激增的问题
支持投票优先级，如果备节点发现自己的优先级比主节点高，则会主动发起投票并尝试成为新的主节点。

一个复制集最多可以有50 个成员，但只有 7 个投票成员。

自动故障转移

一个影响检测机制的因素是心跳，在复制集组建完成之后，各成员节点会开启定时器，持续向其他成员发起心跳，这里涉及的参数为heartbeatIntervalMillis，即心跳间隔时间，默认值是2s。如果心跳成功，则会持续以2s的频率继续发送心跳；如果心跳失败，则会立即重试心跳，一直到心跳恢复成功。

在electionTimeout任务中触发选举必须要满足以下条件

（1）当前节点是备节点。

（2）当前节点具备选举权限。

（3）在检测周期内仍然没有与主节点心跳成功。

业务影响评估

在复制集发生主备节点切换的情况下，会出现短暂的无主节点阶段，此时无法接受业务写操作。
对于非常重要的业务，建议在业务层面做一些防护策略，比如设计重试机制。

shell 复制代码

# MongoDB Drivers 启用可重试写入
mongodb://localhost/?retryWrites=true
# mongo shell
mongosh --retryWrites

如何优雅的重启复制集

逐个重启复制集里所有的Secondary节点
对Primary发送rs.stepDown()命令，等待primary降级为Secondary
重启降级后的Primary

复制集数据同步机制

MongoDB oplog 是 Local 库下的一个集合，用来保存写操作所产生的增量日志（类似于 MySQL 中的 Binlog）。

primary ---------- write ----------》 local.oplog.rs ---------- read----------》secondary ---------- write ----------》 local.oplog.rs

---------- read----------》secondary ---------- write ----------》 local.oplog.rs

oplog 中的 ts 是备节点实现增量日志同步的关键

每个备节点都分别维护了自己的一个offset，也就是从主节点拉取的最后一条日志的optime，在执行同步时就通过这个optime向主节点的oplog集合发起查询。

MongoDB在4.0版本之后提供了replSetResizeOplog命令，可以实现动态修改oplogSize而不需要重启服务器。

shell 复制代码

# 将复制集成员的oplog大小修改为60g  
db.adminCommand({replSetResizeOplog: 1, size: 60000})
# 查看oplog大小
use local
db.oplog.rs.stats().maxSize

幂等性

某文档x字段当前值为100，用户向Primary发送一条{KaTeX parse error: Expected 'EOF', got '}' at position 12: inc: {x: 1}}̲，记录oplog时会转化为一条...set: {x: 101}的操作，才能保证幂等性。

幂等性的代价 ： oplog的写入被放大，导致同步追不上

使用数组时，尽量注意：

数组的元素个数不要太多，总的大小也不要太大
尽量避免对数组进行更新操作
如果一定要更新，尽量只在尾部插入元素，复杂的逻辑可以考虑在业务层面上来支持

复制延迟

为了尽量避免复制延迟带来的风险，我们可以采取一些措施

增加oplog的容量大小，并保持对复制窗口的监视。
通过一些扩展手段降低主节点的写入速度。
优化主备节点之间的网络。
避免字段使用太大的数组（可能导致oplog膨胀）。

数据回滚

shell 复制代码

mongorestore --host 192.168.192:27018 --db test --collection emp -ufox -pfox 
--authenticationDatabase=admin rollback/emp_rollback.bson

同步源选择

在settings.chainingAllowed开启的情况下，备节点自动选择一个最近的节点（ping命令时延最小）进行同步。

shell 复制代码

#默认情况下备节点并不一定会选择主节点进行同步，这个副作用就是会带来延迟的增加,可以通过以下命令关闭
cfg = rs.config()
cfg.settings.chainingAllowed = false
rs.reconfig（cfg)

#使用replSetSyncFrom命令临时更改当前节点的同步源
db.adminCommand( { replSetSyncFrom: "hostname:port" })