MongoDB 高可用部署：Replica Set 搭建与故障转移测试

麦兜*2025-09-05 9:10

MongoDB 高可用部署：Replica Set 搭建与故障转移测试

    • 第一章：高可用架构基础与设计原理
      • [1.1 高可用性核心概念与理论基础](#1.1 高可用性核心概念与理论基础)
      • [1.2 副本集架构深度解析](#1.2 副本集架构深度解析)
      • [1.3 选举算法与故障检测机制](#1.3 选举算法与故障检测机制)
    • 第二章：副本集部署实战
      • [2.1 环境准备与系统配置](#2.1 环境准备与系统配置)
      • [2.2 MongoDB 安装与配置](#2.2 MongoDB 安装与配置)
      • [2.3 副本集初始化与配置](#2.3 副本集初始化与配置)
    • 第三章：高级配置与优化
      • [3.1 读写分离与读偏好设置](#3.1 读写分离与读偏好设置)
      • [3.2 写关注（Write Concern）配置](#3.2 写关注（Write Concern）配置)
      • [3.3 连接池与性能优化](#3.3 连接池与性能优化)
    • 第四章：监控与维护
      • [4.1 监控指标与告警系统](#4.1 监控指标与告警系统)
      • [4.2 备份与恢复策略](#4.2 备份与恢复策略)
    • 第五章：故障转移测试与验证
      • [5.1 自动化测试框架](#5.1 自动化测试框架)
      • [5.2 网络分区测试](#5.2 网络分区测试)
    • 第六章：生产环境最佳实践
      • [6.1 多数据中心部署策略](#6.1 多数据中心部署策略)
      • [6.2 安全加固配置](#6.2 安全加固配置)
    • 第七章：故障排查与恢复
      • [7.1 常见问题处理指南](#7.1 常见问题处理指南)
      • [7.2 数据一致性验证工具](#7.2 数据一致性验证工具)

第一章：高可用架构基础与设计原理

1.1 高可用性核心概念与理论基础

在分布式系统设计中，高可用性（High Availability，HA）是一个核心的质量属性，它衡量系统提供服务的时间比例。MongoDB 通过副本集（Replica Set）机制实现高可用性，其设计基于以下几个关键理论：

CAP 定理的应用：

MongoDB 副本集在 CAP 定理中主要提供CP（一致性和分区容错性） 特性。在网络分区发生时，系统优先保证数据一致性，可能会暂时牺牲部分可用性。这种设计选择确保了数据的正确性，避免了脑裂情况下的数据不一致问题。

Raft 共识算法：

MongoDB 的选举机制基于 Raft 算法的变种实现。Raft 通过以下几个机制确保一致性：

  • 领导者选举：当主节点失效时，副本集自动选举新的主节点
  • 日志复制：所有写操作首先记录到操作日志（oplog），然后复制到从节点
  • 安全性保证：确保只有包含最新数据的节点才能成为主节点
    副本集的设计目标：
  1. 自动故障转移：在主节点失效时，系统能在秒级内自动切换到新主节点
  2. 数据冗余：数据在多个节点间复制，提供物理层面的冗余保障
  3. 读写分离：支持将读请求分发到从节点，提高系统吞吐量
  4. 灾难恢复：通过地理分布的节点部署，提供地域级别的容灾能力
  5. 零数据丢失：通过写关注（Write Concern）机制确保数据持久化

1.2 副本集架构深度解析

MongoDB 副本集采用主从复制架构，但其实现机制比传统主从复制更加智能和自动化。下图展示了副本集的完整架构和数据流：
MongoDB 副本集 oplog 复制 oplog 复制 心跳检测 心跳检测 心跳检测 写请求 读请求 读请求 读请求 直接连接 读偏好查询 主节点
Primary 从节点
Secondary 从节点
Secondary 仲裁节点
Arbiter 客户端应用程序 查询路由器

节点类型与角色详解：

  1. Primary（主节点）：
    • 唯一接受所有写操作的节点
    • 将写操作记录到 oplog（操作日志）
    • 处理所有读请求（除非配置了读偏好）
    • 通过心跳机制监控其他节点状态
  2. Secondary（从节点）：
    • 异步复制主节点的数据
    • 可以处理读请求（根据读偏好配置）
    • 参与主节点选举投票
    • 可以配置为特殊角色：
      • Hidden：对客户端不可见，用于专门任务
      • Delayed：延迟复制，用于数据恢复
      • Priority 0：不能成为主节点
  3. Arbiter（仲裁节点）：
    • 不存储数据，仅参与投票
    • 用于解决偶数节点数的投票平局问题
    • 资源需求低，适合资源受限环境
      数据复制机制：
      Oplog（操作日志）是 MongoDB 复制的核心机制，它具有以下特性：
  • 是一个 capped collection（固定大小集合）
  • 存储在 local 数据库中（local.oplog.rs）
  • 每个操作在 Oplog 中都是幂等的
  • 默认占用磁盘空间的 5%
  • 可以通过 oplogSizeMB 参数调整大小
    复制过程：
  1. 主节点将写操作记录到自己的 oplog
  2. 从节点定期查询主节点的 oplog 获取新操作
  3. 从节点按顺序重放这些操作
  4. 从节点将应用的操作记录到自己的 oplog

1.3 选举算法与故障检测机制

MongoDB 使用基于 Raft 协议变种的选举算法，确保在节点故障时能够快速选出新的主节点。

选举触发条件：

  1. 主节点不可达（心跳超时）
  2. 主节点执行 rs.stepDown() 主动退位
  3. 新节点加入副本集
  4. 网络分区导致节点间通信中断
  5. 副本集重新配置
    心跳机制：
  • 默认每 2 秒发送一次心跳
  • 心跳超时时间为 10 秒
  • 可通过 settings.heartbeatTimeoutSecs 调整
    投票规则：
  • 每个节点最多只能投一票
  • 只有当前投票权为 1 的节点可以投票
  • 候选人需要获得多数票（N/2 + 1）才能成为主节点
  • 仲裁节点不存储数据但参与投票
    选举过程：
  1. 从节点检测到主节点失效
  2. 节点等待随机时间（防止多个节点同时发起选举）
  3. 节点向其他节点发送投票请求
  4. 其他节点检查候选人的数据新旧程度
  5. 获得多数票的节点成为新的主节点

第二章：副本集部署实战

2.1 环境准备与系统配置

服务器规划示例：

假设我们部署一个包含 3 个数据节点和 1 个仲裁节点的生产环境副本集：

节点 IP地址 角色 数据目录 建议配置
mongo1 192.168.1.101 Primary /data/mongodb/db1 16CPU, 32GB RAM, SSD
mongo2 192.168.1.102 Secondary /data/mongodb/db2 16CPU, 32GB RAM, SSD
mongo3 192.168.1.103 Secondary /data/mongodb/db3 16CPU, 32GB RAM, SSD
mongo-arbiter 192.168.1.104 Arbiter 无数据 2CPU, 4GB RAM

系统优化配置：

bash 复制代码 
# 配置系统限制 - 在所有节点执行
echo "mongodb soft nofile 64000" >> /etc/security/limits.conf
echo "mongodb hard nofile 64000" >> /etc/security/limits.conf
echo "mongodb soft nproc 32000" >> /etc/security/limits.conf
echo "mongodb hard nproc 32000" >> /etc/security/limits.conf

# 禁用透明大页 - 在所有节点执行
echo 'never' > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
echo 'never' > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag

# 创建系统服务文件
cat > /etc/systemd/system/disable-thp.service << EOF
[Unit]
Description=Disable Transparent Huge Pages
[Service]
Type=oneshot
ExecStart=/bin/sh -c 'echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled && echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag'
[Install]
WantedBy=multi-user.target
EOF

# 调整内核参数
cat >> /etc/sysctl.conf << EOF
# MongoDB 优化参数
vm.swappiness = 1
net.core.somaxconn = 4096
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 120
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 4096
EOF

sysctl -p

# 创建数据目录和权限设置
mkdir -p /data/mongodb/{db1,db2,db3,logs}
chown -R mongodb:mongodb /data/mongodb
chmod 755 /data/mongodb

2.2 MongoDB 安装与配置

安装 MongoDB：

bash 复制代码 
# 在 Ubuntu 20.04 上安装 MongoDB 6.0
wget -qO - https://www.mongodb.org/static/pgp/server-6.0.asc | sudo apt-key add -
echo "deb [ arch=amd64,arm64 ] https://repo.mongodb.org/apt/ubuntu focal/mongodb-org/6.0 multiverse" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/mongodb-org-6.0.list

sudo apt-get update
sudo apt-get install -y mongodb-org

# 检查安装版本
mongod --version

配置 mongod.conf：

yaml 复制代码 
# /etc/mongod.conf - 主节点配置示例
systemLog:
  destination: file
  logAppend: true
  path: /data/mongodb/logs/mongod.log
  logRotate: reopen
  verbosity: 0  # 0=info, 1=debug, 2=verbose

storage:
  dbPath: /data/mongodb/db1
  journal:
    enabled: true
    commitIntervalMs: 100
  wiredTiger:
    engineConfig:
      cacheSizeGB: 24  # 建议为系统内存的50%-60%
      journalCompressor: snappy
      directoryForIndexes: false
    collectionConfig:
      blockCompressor: snappy
    indexConfig:
      prefixCompression: true

net:
  port: 27017
  bindIp: 192.168.1.101,127.0.0.1  # 生产环境应指定IP
  maxIncomingConnections: 65536
  wireObjectCheck: true
  ipv6: false

replication:
  replSetName: "rs0"
  oplogSizeMB: 20480  # 根据写负载调整，建议能容纳24小时操作
  enableMajorityReadConcern: true

processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /var/run/mongodb/mongod.pid
  timeZoneInfo: /usr/share/zoneinfo

# 性能调优参数
setParameter:
  enableLocalhostAuthBypass: false
  logLevel: 0
  tcpFastOpenServer: true
  notablescan: false
  authenticationMechanisms: SCRAM-SHA-1,SCRAM-SHA-256

# 操作 profiling
operationProfiling:
  mode: slowOp
  slowOpThresholdMs: 100
  rateLimit: 100

配置差异处理：

对于从节点和仲裁节点，需要调整以下参数：

  • dbPath：对应节点的数据目录
  • bindIp：对应节点的IP地址
  • 仲裁节点可以省略 storage 部分的大部分配置

2.3 副本集初始化与配置

初始化副本集：

javascript 复制代码 
// 在主节点上执行初始化
rs.initiate({
    _id: "rs0",
    version: 1,
    members: [
        { 
            _id: 0, 
            host: "192.168.1.101:27017",
            priority: 2,  // 更高的优先级
            tags: { "dc": "east", "role": "primary" }
        },
        { 
            _id: 1, 
            host: "192.168.1.102:27017",
            priority: 1,
            tags: { "dc": "east", "role": "secondary" }
        },
        { 
            _id: 2, 
            host: "192.168.1.103:27017",
            priority: 1,
            tags: { "dc": "west", "role": "secondary" }
        },
        { 
            _id: 3, 
            host: "192.168.1.104:27017",
            arbiterOnly: true,  // 标记为仲裁节点
            priority: 0,
            tags: { "dc": "central", "role": "arbiter" }
        }
    ],
    settings: {
        chainingAllowed: true,  // 允许从节点从其他从节点同步
        heartbeatIntervalMillis: 2000,
        heartbeatTimeoutSecs: 10,
        electionTimeoutMillis: 10000,
        catchUpTimeoutMillis: 60000,
        catchUpTakeoverDelayMillis: 30000,
        getLastErrorModes: {},
        getLastErrorDefaults: { 
            w: "majority", 
            wtimeout: 5000 
        }
    }
})

// 等待初始化完成
sleep(10000)

// 查看副本集状态
rs.status()

// 查看详细的配置信息
rs.conf()

// 检查各节点状态
db.adminCommand({ replSetGetStatus: 1 })

// 验证写关注设置
db.adminCommand({ getDefaultRWConcern: 1 })

副本集状态分析：

javascript 复制代码 
// 详细的副本集状态分析函数
function analyzeReplicaSetStatus() {
    const status = rs.status();
    const config = rs.conf();
    
    print("=== 副本集状态分析 ===");
    
    // 分析每个成员的状态
    status.members.forEach(member => {
        print(`节点: ${member.name}`);
        print(`  状态: ${member.stateStr}`);
        print(`  延迟: ${member.optimeDate ? new Date() - member.optimeDate : 'N/A'} ms`);
        print(`  最后一次心跳: ${member.lastHeartbeat}`);
        print(`  投票权: ${member.votes}`);
        print(`  优先级: ${member.priority}`);
        print(`  配置版本: ${member.configVersion}`);
        print("---");
    });
    
    // 分析选举信息
    print(`当前任期: ${status.electionId}`);
    print(`上次选举时间: ${status.electionDate}`);
    print(`操作日志时间范围: ${status.oplogTime}`);
    
    // 检查健康状况
    const unhealthyMembers = status.members.filter(m => 
        m.state !== 1 && m.state !== 2  // 非PRIMARY和SECONDARY状态
    );
    
    if (unhealthyMembers.length > 0) {
        print("警告: 发现不健康节点");
        unhealthyMembers.forEach(m => print(`  - ${m.name}: ${m.stateStr}`));
    }
    
    return status;
}

// 执行分析
analyzeReplicaSetStatus();

第三章：高级配置与优化

3.1 读写分离与读偏好设置

读偏好（Read Preference）策略详解：

javascript 复制代码 
// 连接字符串中指定读偏好
const connectionString = "mongodb://192.168.1.101:27017,192.168.1.102:27017,192.168.1.103:27017/" +
                       "?replicaSet=rs0" +
                       "&readPreference=secondaryPreferred" +
                       "&maxStalenessSeconds=120" +
                       "&readPreferenceTags=dc:east" +
                       "&connectTimeoutMS=30000" +
                       "&socketTimeoutMS=60000" +
                       "&serverSelectionTimeoutMS=30000";

// 在驱动程序中配置读偏好
const { MongoClient, ReadPreference } = require('mongodb');

const client = new MongoClient(connectionString, {
    readPreference: ReadPreference.SECONDARY_PREFERRED,
    readPreferenceTags: [{ dc: 'east' }],
    maxStalenessSeconds: 120,
    poolSize: 50,
    minPoolSize: 10,
    maxIdleTimeMS: 30000,
    waitQueueTimeoutMS: 10000
});

// 在集合级别设置读偏好
const collection = db.collection('users')
    .withReadPreference(ReadPreference.SECONDARY)
    .withReadConcern('majority')
    .withWriteConcern('majority');

// 读偏好选项详细说明：
const readPreferences = {
    primary: {
        description: "只从主节点读取，提供强一致性",
        useCase: "需要最新数据的读写操作",
        consistency: "强一致性"
    },
    primaryPreferred: {
        description: "优先从主节点，不可用时从副本节点",
        useCase: "可以容忍短暂陈旧数据的应用",
        consistency: "最终一致性"
    },
    secondary: {
        description: "只从副本节点读取",
        useCase: "报表查询、数据分析等后台任务",
        consistency: "陈旧数据"
    },
    secondaryPreferred: {
        description: "优先从副本节点读取",
        useCase: "读多写少的应用，减轻主节点压力",
        consistency: "陈旧数据"
    },
    nearest: {
        description: "从网络延迟最低的节点读取",
        useCase: "地理分布式应用，追求最低延迟",
        consistency: "不确定"
    }
};

3.2 写关注（Write Concern）配置

写关注级别详解：

javascript 复制代码 
// 不同写关注级别的实际应用
db.orders.insertOne(
    {
        orderId: "12345",
        customer: "John Doe",
        amount: 100.50,
        items: ["item1", "item2"]
    },
    {
        writeConcern: {
            w: "majority",      // 需要多数节点确认
            j: true,            // 等待日志持久化
            wtimeout: 5000      // 5秒超时
        }
    }
);

// 基于标签的写关注
db.reviews.insertOne(
    {
        productId: "p123",
        rating: 5,
        comment: "Excellent product"
    },
    {
        writeConcern: {
            w: { 
                // 需要至少2个东部数据中心的节点确认
                east: 2  
            },
            wtimeout: 3000
        }
    }
);

// 在副本集配置中设置默认写关注
rs.reconfig({
    // ... 其他配置
    settings: {
        getLastErrorDefaults: { 
            w: "majority", 
            wtimeout: 5000,
            j: true
        },
        getLastErrorModes: {
            east: { 
                // 定义东部数据中心模式
                dc: "east" 
            },
            multipleDCs: {
                // 需要多个数据中心的确认
                dc: 2
            }
        }
    }
});

// 验证写关注设置
db.adminCommand({ 
    getDefaultRWConcern: 1 
});

// 临时修改写关注
db.adminCommand({
    setDefaultRWConcern: 1,
    defaultWriteConcern: {
        w: "majority",
        wtimeout: 5000
    }
});

3.3 连接池与性能优化

高级连接池配置：

java 复制代码 
// Java 驱动连接配置示例
import com.mongodb.*;
import com.mongodb.connection.*;
import com.mongodb.MongoClientSettings;
import com.mongodb.ReadPreference;
import com.mongodb.WriteConcern;
import com.mongodb.client.MongoClient;
import com.mongodb.client.MongoClients;

public class MongoConnectionManager {
    
    private static final String CONNECTION_STRING = 
        "mongodb://192.168.1.101:27017,192.168.1.102:27017,192.168.1.103:27017/" +
        "?replicaSet=rs0" +
        "&readPreference=secondaryPreferred" +
        "&maxStalenessSeconds=120" +
        "&w=majority" +
        "&journal=true" +
        "&wtimeoutMS=5000";
    
    public static MongoClient createMongoClient() {
        ConnectionPoolSettings poolSettings = ConnectionPoolSettings.builder()
            .maxSize(100)                      // 最大连接数
            .minSize(10)                       // 最小连接数
            .maxWaitTime(120000)               // 最大等待时间(ms)
            .maxConnectionLifeTime(1800000)    // 连接最大生命周期(ms)
            .maxConnectionIdleTime(600000)     // 最大空闲时间(ms)
            .maintenanceFrequency(60000)        // 维护频率(ms)
            .maintenanceInitialDelay(0)        // 初始延迟(ms)
            .build();
        
        SocketSettings socketSettings = SocketSettings.builder()
            .connectTimeout(30000)             // 连接超时(ms)
            .readTimeout(60000)                 // 读取超时(ms)
            .build();
        
        ServerSettings serverSettings = ServerSettings.builder()
            .heartbeatFrequency(10000)         // 心跳频率(ms)
            .minHeartbeatFrequency(500)        // 最小心跳频率(ms)
            .build();
        
        MongoClientSettings settings = MongoClientSettings.builder()
            .applyConnectionString(new ConnectionString(CONNECTION_STRING))
            .applyToConnectionPoolSettings(builder -> builder.applySettings(poolSettings))
            .applyToSocketSettings(builder -> builder.applySettings(socketSettings))
            .applyToServerSettings(builder -> builder.applySettings(serverSettings))
            .readPreference(ReadPreference.secondaryPreferred())
            .writeConcern(WriteConcern.MAJORITY.withWTimeout(5000, TimeUnit.MILLISECONDS))
            .readConcern(ReadConcern.MAJORITY)
            .retryReads(true)                  // 启用读重试
            .retryWrites(true)                 // 启用写重试
            .build();
        
        return MongoClients.create(settings);
    }
    
    // 连接监控和统计
    public static void monitorConnectionPool(MongoClient client) {
        MongoClientSettings settings = client.getSettings();
        ConnectionPoolSettings poolSettings = settings.getConnectionPoolSettings();
        
        System.out.println("连接池配置:");
        System.out.println("  最大连接数: " + poolSettings.getMaxSize());
        System.out.println("  最小连接数: " + poolSettings.getMinSize());
        System.out.println("  最大等待时间: " + poolSettings.getMaxWaitTime() + "ms");
        System.out.println("  最大生命周期: " + poolSettings.getMaxConnectionLifeTime() + "ms");
        
        // 实际监控需要访问底层连接池统计信息
        // 这通常通过JMX或自定义监控实现
    }
}

第四章：监控与维护

4.1 监控指标与告警系统

关键监控指标体系：

bash 复制代码 
#!/bin/bash
# MongoDB 副本集监控脚本

# 监控函数
monitor_replica_set() {
    local host=${1:-localhost}
    local port=${2:-27017}
    
    echo "=== MongoDB 副本集监控 - $(date) ==="
    
    # 1. 检查副本集状态
    echo "1. 副本集状态:"
    mongosh --host $host --port $port --eval "
        try {
            const status = rs.status();
            print('状态: OK');
            print('主节点: ' + status.members.find(m => m.state === 1).name);
            print('健康节点数: ' + status.members.filter(m => m.health === 1).length);
            print('总节点数: ' + status.members.length);
        } catch (e) {
            print('状态: ERROR - ' + e.message);
        }
    "
    
    # 2. 检查复制延迟
    echo "2. 复制延迟:"
    mongosh --host $host --port $port --eval "
        const status = rs.status();
        status.members.forEach(member => {
            if (member.state === 2) { // SECONDARY
                const lag = status.members[0].optime.ts - member.optime.ts;
                print(member.name + ': ' + lag + ' 秒延迟');
            }
        });
    "
    
    # 3. 检查操作日志状态
    echo "3. 操作日志状态:"
    mongosh --host $host --port $port --eval "
        const oplog = db.getSiblingDB('local').oplog.rs.stats();
        print('大小: ' + (oplog.size / 1024 / 1024).toFixed(2) + ' MB');
        print('使用率: ' + (oplog.usedSize / oplog.size * 100).toFixed(2) + '%');
        print('时间窗口: ' + 
              ((oplog.timeDiff = new Date(oplog.max).getTime() - 
               new Date(oplog.min).getTime()) / 3600000).toFixed(2) + ' 小时');
    "
    
    # 4. 检查连接数
    echo "4. 连接数统计:"
    mongosh --host $host --port $port --eval "
        const stats = db.serverStatus();
        print('当前连接: ' + stats.connections.current);
        print('可用连接: ' + stats.connections.available);
        print('总创建连接: ' + stats.connections.totalCreated);
    "
    
    # 5. 检查内存使用
    echo "5. 内存使用:"
    mongosh --host $host --port $25000 --eval "
        const mem = db.serverStatus().mem;
        print(' resident: ' + mem.resident + ' MB');
        print(' virtual: ' + mem.virtual + ' MB');
        print(' mapped: ' + mem.mapped + ' MB');
    "
}

# 执行监控
monitor_replica_set "192.168.1.101" 27017

Prometheus + Grafana 监控配置：

yaml 复制代码 
# prometheus.yml 配置
global:
  scrape_interval: 15s
  evaluation_interval: 15s

scrape_configs:
  - job_name: 'mongodb'
    static_configs:
      - targets: ['192.168.1.101:9216', '192.168.1.102:9216', '192.168.1.103:9216']
    metrics_path: /metrics
    relabel_configs:
      - source_labels: [__address__]
        target_label: instance
      - source_labels: [__address__]
        regex: '(.*):9216'
        target_label: host
        replacement: '$1'

  - job_name: 'node-exporter'
    static_configs:
      - targets: ['192.168.1.101:9100', '192.168.1.102:9100', '192.168.1.103:9100']

4.2 备份与恢复策略

逻辑备份策略：

bash 复制代码 
#!/bin/bash
# MongoDB 逻辑备份脚本

# 配置参数
BACKUP_DIR="/backup/mongodb"
LOG_DIR="/var/log/mongodb"
DATE=$(date +%Y%m%d_%H%M%S)
RETENTION_DAYS=7

# 创建备份目录
mkdir -p $BACKUP_DIR/$DATE
mkdir -p $LOG_DIR

# 执行备份
echo "开始 MongoDB 备份: $DATE" | tee -a $LOG_DIR/backup.log

# 使用 mongodump 进行备份
mongodump \
  --host="rs0/192.168.1.101:27017,192.168.1.102:27017,192.168.1.103:27017" \
  --readPreference="secondary" \
  --out=$BACKUP_DIR/$DATE \
  --gzip \
  --oplog \
  --numParallelCollections=4 \
  --verbose 2>&1 | tee -a $LOG_DIR/backup.log

# 检查备份结果
if [ $? -eq 0 ]; then
    echo "备份成功完成: $DATE" | tee -a $LOG_DIR/backup.log
    
    # 计算备份大小
    BACKUP_SIZE=$(du -sh $BACKUP_DIR/$DATE | cut -f1)
    echo "备份大小: $BACKUP_SIZE" | tee -a $LOG_DIR/backup.log
    
    # 清理旧备份
    find $BACKUP_DIR -type d -mtime +$RETENTION_DAYS -exec rm -rf {} \; 2>/dev/null
    echo "已清理超过 $RETENTION_DAYS 天的旧备份" | tee -a $LOG_DIR/backup.log
else
    echo "备份失败: $DATE" | tee -a $LOG_DIR/backup.log
    exit 1
fi

# 备份验证
echo "开始备份验证..." | tee -a $LOG_DIR/backup.log
mongorestore --dryRun \
  --objcheck \
  $BACKUP_DIR/$DATE 2>&1 | tee -a $LOG_DIR/backup.log

if [ $? -eq 0 ]; then
    echo "备份验证成功" | tee -a $LOG_DIR/backup.log
else
    echo "备份验证失败" | tee -a $LOG_DIR/backup.log
    exit 1
fi

物理备份策略：

bash 复制代码 
#!/bin/bash
# MongoDB 物理备份（文件系统快照）

# 配置参数
SNAPSHOT_DIR="/snapshots/mongodb"
DATA_DIR="/data/mongodb"
DATE=$(date +%Y%m%d_%H%M%S)
RETENTION_DAYS=3

# 检查是否在主节点上运行
IS_MASTER=$(mongosh --host localhost --eval "db.isMaster().ismaster" --quiet)
if [ "$IS_MASTER" != "true" ]; then
    echo "错误: 必须在主节点上执行物理备份" >&2
    exit 1
fi

# 创建快照目录
mkdir -p $SNAPSHOT_DIR

# 锁定数据库写入
echo "锁定数据库写入..."
mongosh --host localhost --eval "db.fsyncLock()"

# 创建文件系统快照
echo "创建快照..."
lvcreate --size 10G --snapshot --name mongo-snap-$DATE /dev/vg0/mongo-lv

# 解锁数据库
echo "解锁数据库..."
mongosh --host localhost --eval "db.fsyncUnlock()"

# 挂载快照并备份
echo "备份快照..."
mkdir -p /mnt/snapshot
mount /dev/vg0/mongo-snap-$DATE /mnt/snapshot

# 使用 rsync 进行备份
rsync -av --delete \
  --exclude="*.lock" \
  --exclude="mongod.lock" \
  /mnt/snapshot/ $SNAPSHOT_DIR/$DATE/

# 卸载和清理
umount /mnt/snapshot
lvremove -f /dev/vg0/mongo-snap-$DATE

# 清理旧快照
find $SNAPSHOT_DIR -type d -mtime +$RETENTION_DAYS -exec rm -rf {} \;

echo "物理备份完成: $SNAPSHOT_DIR/$DATE"

第五章：故障转移测试与验证

5.1 自动化测试框架

完整的故障转移测试套件：

python 复制代码 
#!/usr/bin/env python3
import pymongo
import time
import logging
import subprocess
import json
from datetime import datetime

class ComprehensiveFailoverTester:
    def __init__(self, connection_string, test_duration=3600):
        self.connection_string = connection_string
        self.test_duration = test_duration
        self.setup_logging()
        
    def setup_logging(self):
        """配置日志记录"""
        logging.basicConfig(
            level=logging.INFO,
            format='%(asctime)s - %(levelname)s - %(message)s',
            handlers=[
                logging.FileHandler('failover_test.log'),
                logging.StreamHandler()
            ]
        )
        self.logger = logging.getLogger(__name__)
    
    def run_comprehensive_test(self):
        """执行完整的故障转移测试套件"""
        test_results = {}
        
        try:
            # 测试序列
            tests = [
                self.test_initial_connection,
                self.test_normal_operations,
                self.test_primary_failover,
                self.test_network_partition,
                self.test_secondary_failure,
                self.test_arbiter_failure,
                self.test_rolling_restart,
                self.test_config_change
            ]
            
            for test in tests:
                test_name = test.__name__
                self.logger.info(f"开始测试: {test_name}")
                
                start_time = time.time()
                result = test()
                duration = time.time() - start_time
                
                test_results[test_name] = {
                    'result': result,
                    'duration': duration,
                    'timestamp': datetime.now().isoformat()
                }
                
                if not result.get('success', False):
                    self.logger.error(f"测试失败: {test_name}")
                    break
                
                time.sleep(30)  # 测试间间隔
            
            # 生成测试报告
            self.generate_test_report(test_results)
            
        except Exception as e:
            self.logger.error(f"测试套件执行失败: {e}")
            raise
    
    def test_primary_failover(self):
        """测试主节点故障转移"""
        result = {'success': False, 'details': {}}
        
        try:
            # 1. 获取当前主节点
            client = pymongo.MongoClient(self.connection_string)
            primary_before = client.admin.command('isMaster')['primary']
            self.logger.info(f"当前主节点: {primary_before}")
            
            # 2. 停止主节点
            self.logger.info("停止主节点服务...")
            stop_command = f"ssh {primary_before.split(':')[0]} 'systemctl stop mongod'"
            subprocess.run(stop_command, shell=True, check=True)
            
            # 3. 监控故障转移
            start_time = time.time()
            timeout = 120  # 2分钟超时
            new_primary = None
            
            while time.time() - start_time < timeout:
                try:
                    # 使用其他节点连接
                    alt_client = pymongo.MongoClient(
                        self.connection_string.replace(primary_before, '192.168.1.102:27017'),
                        serverSelectionTimeoutMS=5000
                    )
                    is_master = alt_client.admin.command('isMaster')
                    
                    if is_master['ismaster']:
                        new_primary = is_master['primary']
                        break
                    
                    time.sleep(2)
                    
                except Exception as e:
                    self.logger.warning(f"等待故障转移: {e}")
                    time.sleep(5)
            
            if not new_primary:
                raise Exception("故障转移超时")
            
            # 4. 验证新主节点
            self.logger.info(f"新主节点: {new_primary}")
            result['details']['old_primary'] = primary_before
            result['details']['new_primary'] = new_primary
            result['details']['failover_time'] = time.time() - start_time
            
            # 5. 验证数据一致性
            self.verify_data_consistency()
            
            # 6. 恢复原主节点
            self.logger.info("恢复原主节点...")
            start_command = f"ssh {primary_before.split(':')[0]} 'systemctl start mongod'"
            subprocess.run(start_command, shell=True, check=True)
            
            # 等待节点重新加入
            time.sleep(30)
            
            result['success'] = True
            
        except Exception as e:
            self.logger.error(f"主节点故障转移测试失败: {e}")
            result['error'] = str(e)
        
        return result
    
    def verify_data_consistency(self):
        """验证数据一致性"""
        client = pymongo.MongoClient(self.connection_string)
        
        # 检查所有数据库的集合
        databases = client.list_database_names()
        for db_name in databases:
            if db_name in ['admin', 'local', 'config']:
                continue
                
            db = client[db_name]
            collections = db.list_collection_names()
            
            for collection_name in collections:
                # 检查文档数量一致性
                count_primary = db[collection_name].count_documents({})
                
                # 从其他节点检查
                alt_client = pymongo.MongoClient(
                    self.connection_string,
                    readPreference=pymongo.ReadPreference.SECONDARY
                )
                count_secondary = alt_client[db_name][collection_name].count_documents({})
                
                if count_primary != count_secondary:
                    raise Exception(f"数据不一致: {db_name}.{collection_name}")
    
    def generate_test_report(self, results):
        """生成详细的测试报告"""
        report = {
            'timestamp': datetime.now().isoformat(),
            'test_duration': self.test_duration,
            'results': results,
            'summary': {
                'total_tests': len(results),
                'passed_tests': sum(1 for r in results.values() if r['result']['success']),
                'failed_tests': sum(1 for r in results.values() if not r['result']['success']),
                'total_duration': sum(r['duration'] for r in results.values())
            }
        }
        
        with open('failover_test_report.json', 'w') as f:
            json.dump(report, f, indent=2)
        
        self.logger.info(f"测试报告生成完成: {report['summary']}")

if __name__ == "__main__":
    connection_str = "mongodb://192.168.1.101:27017,192.168.1.102:27017,192.168.1.103:27017/?replicaSet=rs0"
    tester = ComprehensiveFailoverTester(connection_str)
    tester.run_comprehensive_test()

5.2 网络分区测试

网络分区模拟与测试：

python 复制代码 
def test_network_partition(self):
    """测试网络分区场景"""
    result = {'success': False, 'details': {}}
    
    try:
        client = pymongo.MongoClient(self.connection_string)
        
        # 1. 获取当前拓扑
        status = client.admin.command('replSetGetStatus')
        members = status['members']
        
        # 2. 模拟网络分区（将主节点与部分节点隔离）
        primary = next(m for m in members if m['stateStr'] == 'PRIMARY')
        secondaries = [m for m in members if m['stateStr'] == 'SECONDARY']
        
        # 隔离主节点与一个从节点
        isolated_secondary = secondaries[0]
        self.logger.info(f"模拟网络分区: 隔离 {primary['name']} 和 {isolated_secondary['name']}")
        
        # 使用 iptables 模拟网络分区
        isolate_commands = [
            f"ssh {primary['name'].split(':')[0]} 'iptables -A INPUT -s {isolated_secondary['name'].split(':')[0]} -j DROP'",
            f"ssh {isolated_secondary['name'].split(':')[0]} 'iptables -A INPUT -s {primary['name'].split(':')[0]} -j DROP'"
        ]
        
        for cmd in isolate_commands:
            subprocess.run(cmd, shell=True, check=True)
        
        # 3. 观察系统行为
        time.sleep(30)  # 等待系统反应
        
        # 4. 检查是否发生故障转移
        try:
            # 尝试从其他节点连接
            other_secondary = secondaries[1]['name']
            alt_client = pymongo.MongoClient(
                f"mongodb://{other_secondary}/?replicaSet=rs0",
                serverSelectionTimeoutMS=5000
            )
            
            new_status = alt_client.admin.command('replSetGetStatus')
            new_primary = next(m for m in new_status['members'] if m['stateStr'] == 'PRIMARY')
            
            result['details']['original_primary'] = primary['name']
            result['details']['new_primary'] = new_primary['name']
            result['details']['partition_duration'] = 30
            
        except Exception as e:
            self.logger.warning(f"网络分区期间无法连接: {e}")
        
        # 5. 恢复网络
        restore_commands = [
            f"ssh {primary['name'].split(':')[0]} 'iptables -D INPUT -s {isolated_secondary['name'].split(':')[0]} -j DROP'",
            f"ssh {isolated_secondary['name'].split(':')[0]} 'iptables -D INPUT -s {primary['name'].split(':')[0]} -j DROP'"
        ]
        
        for cmd in restore_commands:
            subprocess.run(cmd, shell=True, check=True)
        
        # 6. 验证数据一致性
        time.sleep(60)  # 等待数据同步
        self.verify_data_consistency()
        
        result['success'] = True
        
    except Exception as e:
        self.logger.error(f"网络分区测试失败: {e}")
        result['error'] = str(e)
    
    return result

第六章：生产环境最佳实践

6.1 多数据中心部署策略

跨数据中心副本集配置：

yaml 复制代码 
# 三数据中心生产环境配置
# 数据中心1: 主数据中心 (东部)
# 数据中心2: 备份数据中心 (西部) 
# 数据中心3: 仲裁节点数据中心 (中部)

# mongod.conf 主节点配置
replication:
  replSetName: "rs0"
  oplogSizeMB: 51200  # 50GB oplog，支持更长的复制窗口

# 副本集配置
rs.reconfig({
    _id: "rs0",
    version: 2,
    members: [
        // 数据中心1 - 主站点
        { 
            _id: 0, 
            host: "dc1-mongo1:27017",
            priority: 3,  // 最高优先级
            tags: { "dc": "east", "rack": "rack1" }
        },
        { 
            _id: 1, 
            host: "dc1-mongo2:27017", 
            priority: 2,
            tags: { "dc": "east", "rack": "rack2" }
        },
        
        // 数据中心2 - 备份站点
        { 
            _id: 2, 
            host: "dc2-mongo1:27017",
            priority: 1,  // 较低优先级
            tags: { "dc": "west", "rack": "rack1" },
            hidden: false,
            slaveDelay: 0
        },
        { 
            _id: 3, 
            host: "dc2-mongo2:27017",
            priority: 1,
            tags: { "dc": "west", "rack": "rack2" },
            hidden: false
        },
        
        // 数据中心3 - 仲裁站点
        { 
            _id: 4, 
            host: "dc3-arbiter1:27017",
            arbiterOnly: true,
            priority: 0,
            tags: { "dc": "central", "role": "arbiter" }
        }
    ],
    settings: {
        chainingAllowed: false,  // 禁止链式复制
        heartbeatIntervalMillis: 2000,
        heartbeatTimeoutSecs: 20,  // 跨数据中心需要更长的超时
        electionTimeoutMillis: 10000,
        catchUpTimeoutMillis: 120000,
        getLastErrorModes: {
            east: { "dc": "east" },  // 东部数据中心模式
            west: { "dc": "west" },  // 西部数据中心模式
            majorityEast: { "dc": "east", "count": 2 }  // 东部多数
        },
        getLastErrorDefaults: { 
            w: "majority", 
            wtimeout: 10000  // 跨数据中心需要更长的超时
        }
    }
})

6.2 安全加固配置

全面的安全配置：

yaml 复制代码 
# mongod.conf 安全配置
security:
  authorization: enabled
  keyFile: /etc/mongodb/keyfile
  javascriptEnabled: false
  redactClientLogData: true
  enableEncryption: true
  encryptionCipherMode: AES256-CBC
  encryptionKeyFile: /etc/mongodb/encryption-keyfile

net:
  ssl:
    mode: requireSSL
    PEMKeyFile: /etc/mongodb/ssl/mongodb.pem
    CAFile: /etc/mongodb/ssl/ca.pem
    allowConnectionsWithoutCertificates: false
    allowInvalidCertificates: false
    allowInvalidHostnames: false
    disabledProtocols: TLS1_0,TLS1_1  # 禁用不安全的TLS版本

  compression:
    compressors: snappy,zlib

setParameter:
  enableLocalhostAuthBypass: false
  logLevel: 1
  tcpFastOpenServer: true
  notablescan: true  # 禁止全表扫描（生产环境）
  internalQueryExecMaxBlockingSortBytes: 33554432
  internalQueryMaxBlockingSortMemoryUsageBytes: 100000000

密钥文件管理：

bash 复制代码 
#!/bin/bash
# 密钥文件生成和管理脚本

# 生成密钥文件（在其中一个节点执行）
openssl rand -base64 756 > /etc/mongodb/keyfile
chmod 400 /etc/mongodb/keyfile
chown mongodb:mongodb /etc/mongodb/keyfile

# 分发到所有节点
NODES=("192.168.1.101" "192.168.1.102" "192.168.1.103" "192.168.1.104")
for node in "${NODES[@]}"; do
    scp /etc/mongodb/keyfile mongodb@$node:/etc/mongodb/keyfile
    ssh mongodb@$node "chmod 400 /etc/mongodb/keyfile && chown mongodb:mongodb /etc/mongodb/keyfile"
done

# 生成加密密钥文件
openssl rand -base64 32 > /etc/mongodb/encryption-keyfile
chmod 400 /etc/mongodb/encryption-keyfile
chown mongodb:mongodb /etc/mongodb/encryption-keyfile

# 分发加密密钥文件
for node in "${NODES[@]}"; do
    scp /etc/mongodb/encryption-keyfile mongodb@$node:/etc/mongodb/encryption-keyfile
    ssh mongodb@$node "chmod 400 /etc/mongodb/encryption-keyfile && chown mongodb:mongodb /etc/mongodb/encryption-keyfile"
done

第七章：故障排查与恢复

7.1 常见问题处理指南

节点状态异常处理：

javascript 复制代码 
// 节点状态检查与恢复函数
function diagnoseAndRecoverNode(nodeAddress) {
    print(`诊断节点: ${nodeAddress}`);
    
    try {
        const conn = new Mongo(nodeAddress);
        const status = conn.adminCommand({ replSetGetStatus: 1 });
        
        // 检查节点状态
        const member = status.members.find(m => m.name === nodeAddress);
        if (!member) {
            print("错误: 节点不在副本集配置中");
            return false;
        }
        
        print(`当前状态: ${member.stateStr}`);
        print(`健康状态: ${member.health === 1 ? '健康' : '不健康'}`);
        print(`最后一次心跳: ${member.lastHeartbeat}`);
        print(`复制延迟: ${member.optimeLag}秒`);
        
        // 根据状态采取相应措施
        switch (member.state) {
            case 1: // PRIMARY
                print("节点是主节点，状态正常");
                return true;
                
            case 2: // SECONDARY
                if (member.health === 0) {
                    print("警告: 从节点不健康");
                    // 检查复制延迟
                    if (member.optimeLag > 60) {
                        print("复制延迟过高，可能需要重新同步");
                        return restartReplication(nodeAddress);
                    }
                }
                return true;
                
            case 3: // RECOVERING
                print("节点正在恢复中，请等待...");
                return checkRecoveryProgress(nodeAddress);
                
            case 4: // FATAL
                print("节点处于致命状态，需要完全重新同步");
                return forceResync(nodeAddress);
                
            case 5: // STARTUP2
                print("节点正在初始化，请等待...");
                return waitForInitialSync(nodeAddress);
                
            case 6: // UNKNOWN
                print("节点状态未知，检查网络连接");
                return checkNetworkConnectivity(nodeAddress);
                
            case 7: // ARBITER
                print("仲裁节点，状态正常");
                return true;
                
            case 8: // DOWN
                print("节点宕机，检查服务状态");
                return restartMongoService(nodeAddress);
                
            case 9: // ROLLBACK
                print("节点正在回滚操作");
                return monitorRollbackProgress(nodeAddress);
                
            case 10: // REMOVED
                print("节点已被移除，需要重新添加");
                return reAddNodeToReplicaSet(nodeAddress);
                
            default:
                print("未知状态，需要进一步调查");
                return false;
        }
        
    } catch (e) {
        print(`连接节点失败: ${e.message}`);
        return false;
    }
}

// 强制重新同步节点
function forceResync(nodeAddress) {
    print(`强制重新同步节点: ${nodeAddress}`);
    
    try {
        // 1. 从副本集移除节点
        const config = rs.conf();
        const memberId = config.members.findIndex(m => m.host === nodeAddress);
        
        if (memberId === -1) {
            print("错误: 节点不在配置中");
            return false;
        }
        
        config.members.splice(memberId, 1);
        rs.reconfig(config, { force: true });
        
        // 2. 清理节点数据
        // 注意: 这需要在节点服务器上执行
        print("请在目标服务器上执行: sudo systemctl stop mongod");
        print("请在目标服务器上执行: sudo rm -rf /data/mongodb/*");
        print("请在目标服务器上执行: sudo systemctl start mongod");
        
        // 3. 重新添加节点
        rs.add(nodeAddress);
        
        // 4. 等待初始同步完成
        print("等待初始同步完成...");
        waitForInitialSync(nodeAddress);
        
        return true;
        
    } catch (e) {
        print(`重新同步失败: ${e.message}`);
        return false;
    }
}

7.2 数据一致性验证工具

高级数据一致性检查：

javascript 复制代码 
// 全面的数据一致性验证工具
function comprehensiveConsistencyCheck() {
    print("开始全面的数据一致性检查...");
    
    const startTime = new Date();
    const inconsistencies = [];
    
    try {
        // 获取副本集状态
        const status = rs.status();
        const primary = status.members.find(m => m.state === 1);
        
        if (!primary) {
            throw new Error("没有找到主节点");
        }
        
        // 连接到主节点
        const primaryConn = new Mongo(primary.name);
        const primaryDB = primaryConn.getDB("admin");
        
        // 检查所有数据库
        const databases = primaryDB.adminCommand({ listDatabases: 1 }).databases;
        
        for (const dbInfo of databases) {
            const dbName = dbInfo.name;
            
            // 跳过系统数据库
            if (['admin', 'local', 'config'].includes(dbName)) {
                continue;
            }
            
            print(`检查数据库: ${dbName}`);
            
            const db = primaryConn.getDB(dbName);
            const collections = db.getCollectionNames();
            
            for (const collectionName of collections) {
                if (collectionName.startsWith('system.')) {
                    continue;
                }
                
                print(`  检查集合: ${collectionName}`);
                
                // 检查主节点数据
                const primaryCount = db[collectionName].countDocuments({});
                const primaryHash = calculateCollectionHash(db[collectionName]);
                
                // 检查所有从节点
                for (const member of status.members) {
                    if (member.state === 2) { // SECONDARY
                        try {
                            const secondaryConn = new Mongo(member.name);
                            const secondaryDB = secondaryConn.getDB(dbName);
                            
                            const secondaryCount = secondaryDB[collectionName].countDocuments({});
                            const secondaryHash = calculateCollectionHash(secondaryDB[collectionName]);
                            
                            if (primaryCount !== secondaryCount) {
                                inconsistencies.push({
                                    database: dbName,
                                    collection: collectionName,
                                    node: member.name,
                                    issue: `文档数量不一致: 主节点=${primaryCount}, 从节点=${secondaryCount}`
                                });
                            }
                            
                            if (primaryHash !== secondaryHash) {
                                inconsistencies.push({
                                    database: dbName,
                                    collection: collectionName,
                                    node: member.name,
                                    issue: `数据哈希不一致: 主节点=${primaryHash}, 从节点=${secondaryHash}`
                                });
                            }
                            
                        } catch (e) {
                            inconsistencies.push({
                                database: dbName,
                                collection: collectionName,
                                node: member.name,
                                issue: `连接失败: ${e.message}`
                            });
                        }
                    }
                }
            }
        }
        
        // 检查操作日志一致性
        const oplogStatus = checkOplogConsistency();
        if (oplogStatus.inconsistencies.length > 0) {
            inconsistencies.push(...oplogStatus.inconsistencies);
        }
        
        // 生成报告
        const duration = new Date() - startTime;
        print(`一致性检查完成，耗时: ${duration}ms`);
        
        if (inconsistencies.length === 0) {
            print("所有节点数据一致");
            return { success: true, inconsistencies: [] };
        } else {
            print(`发现 ${inconsistencies.length} 个不一致问题:`);
            inconsistencies.forEach(issue => {
                print(`  - ${issue.database}.${issue.collection} @ ${issue.node}: ${issue.issue}`);
            });
            return { success: false, inconsistencies: inconsistencies };
        }
        
    } catch (e) {
        print(`一致性检查失败: ${e.message}`);
        return { success: false, error: e.message };
    }
}

// 计算集合数据哈希
function calculateCollectionHash(collection) {
    const hashResult = collection.aggregate([
        { $sort: { _id: 1 } },  // 确保顺序一致
        { $project: { 
            hashInput: { $objectToArray: "$$ROOT" } 
        }},
        { $unwind: "$hashInput" },
        { $group: {
            _id: null,
            totalHash: { 
                $sum: { 
                    $function: {
                        body: function(k, v) { 
                            return hashCode(k + JSON.stringify(v)); 
                        },
                        args: ["$hashInput.k", "$hashInput.v"],
                        lang: "js"
                    }
                }
            }
        }}
    ]).next();
    
    return hashResult ? hashResult.totalHash : 0;
}

// 简单的哈希函数
function hashCode(str) {
    let hash = 0;
    for (let i = 0; i < str.length; i++) {
        hash = ((hash << 5) - hash) + str.charCodeAt(i);
        hash |= 0;
    }
    return hash;
}

通过这个全面的 MongoDB 副本集部署指南，您应该能够构建一个高可用、高性能的 MongoDB 集群，并具备完善的监控、备份和故障处理能力。记得定期进行故障转移测试，确保系统在真实故障时能够正常工作。

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