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MongoDB 高可用相关记录

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Mongodb集群

2023-09-08

服务高可用的常用三种工作方式：

  • 主从方式 （非对称方式）

工作原理：主机工作，备机处于监控准备状况；当主机宕机时，备机接管主机的一切工作，待主机恢复正常后，按使用者的设定以自动或手动方式将服务切换到主机上运行，数据的一致性通过共享存储系统解决。

  • 双机双工方式（互备互援）

工作原理：两台主机同时运行各自的服务工作且相互监测情况，当任一台主机宕机时，另一台主机立即接管它的一切工作，保证工作实时，应用服务系统的关键数据存放在共享存储系统中。

  • 集群工作方式（多服务器互备方式）

工作原理：多台主机一起工作，各自运行一个或几个服务，各为服务定义一个或多个备用主机，当某个主机故障时，运行在其上的服务就可以被其它主机接管

MongoDB 的高可用方案采用的是「集群工作方式」，MongoDB集群目前共有三种部署方式：Master-Slave、Relica Set、Sharding。

主从架构（Master-Slave）

架构说明

Mater-Slaves 主从架构一般用于备份或者做读写分离，不算一种高可用架构。

  • 角色：

    • 主(Master) 可读可写，当数据有修改的时候，会将oplog同步到所有连接的salve上去。
    • 从(Slave) 只读不可写，自动从Master同步数据。不支持链式链接，只能直连master节点。

  • Master 宕机后，不能自动恢复。

  • 不推荐使用，官方文档已基本无介绍了。

搭建命令

1>. 启动Master

mongod --port 2000 --master --dbpath masterdb/

2>. 启动Slave

mongod --port 2001 --slave --source 127.0.0.1:2000 --dbpath slavedb/

3>. 给Master里面导入数据，查看Master和Slave的数据。你会发现导入Master的数据同时也会在Slave中出现。

mongoimport --port 2000 -d test -c dataset dataset.json
mongo --port 2000 test
db.dataset.count()

> 25359
mongo --port 2001 test
db.dataset.count()

> 25359

4>. 试一下Master和Slave的写操作。你会发现，只有Master才可以对数据进行修改，Slave修改时候会报错。

mongo --port 2001 test
db.dataset.drop()
> Error: drop failed: { "note" : "from execCommand", "ok" : 0, "errmsg" : "not master" }
mongoimport --port 2001 -d test -c dataset dataset.json
> Failed: error checking connected node type: no reachable servers

副本集架构（Replica Set）

架构说明

Replica Set 副本集群可防止单点故障，数据有副本可恢复，也可满足读写分离。

  • 角色：

    • 主节点（Primary）读写，主节点主动将数据变更同步到所有Secondary节点。
    • 副本节点（Secondary）可读（默认读主节点，修改客户端链接配置读副本节点），与主节点保持同样的数据集。当主节点挂掉的时候，参与选主。
    • 仲裁者（Arbiter）不保有数据，不参与选主，只进行选主投票。使用Arbiter可以减轻数据存储的硬件需求，Arbiter跑起来几乎没什么大的硬件资源需求，但重要的一点是，在生产环境下它和其他数据节点不要部署在同一台机器上。

  • 一个Replica Set只能有一个Primary节点，当Primary挂掉后，其他Secondary或者Arbiter节点会重新选举出来一个主节点。

  • 默认读请求也是发到Primary节点处理的，需要转发到Secondary需要客户端修改一下连接配置。

  • 副本集群至少2个节点（一主一从），官方建议最大3个节点。

  • Primary节点下发副本策略，节点之间通过心跳机制进行监控检测，默认的副本数为可用节点数量之和（还Primary节点）。

  • 其中Secondary宕机，不受影响，若Primary宕机，会进行重新选主，自动Failover。

  • 副本集群的一些局限性：
    • 单个副本集限制在12个节点。
    • 当请求量巨大时，可能出现内存不足的情况；
    • 随着数据量的增大，节点磁盘可能不足；

应用客户端

客户端连接单个mongod和副本集的操作是相同，只需要配置好连接选项即可，比如下面是node.js连接Replica Set的方式：

mongoose.connect('mongodb://[username:password@]host1[:port1][,host2[:port2],...[,hostN[:portN]]][/[database][?options]]' [, options]);

搭建命令

3个节点的集群搭建为例：

1> 启动3个数据节点，--relSet指定同一个副本集的名字

mongod --port 2001 --dbpath rs0-1 --replSet rs0
mongod --port 2002 --dbpath rs0-2 --replSet rs0
mongod --port 2003 --dbpath rs0-3 --replSet rs0

2> 连接到其中一个，配置Replica Set，同时正在执行rs.add的节点被选为Primary。开发环境中hostname指的是机器名，生产环境下就是机器的IP。

mongo --port 2001

rs.initiate()
rs.add("<hostname>:2002")
rs.add("<hostname>:2003")
rs.conf()

3> 连接Primary节点，导入数据成功。

mongoimport --port 2001 -d test -c dataset dataset.json
mongo --port 2001 test
db.dataset.count()

> 25359

4> 默认情况下，Secondary不能读和写。

mongo --port 2003 test
db.dataset.count()

> Error: count failed: { "note" : "from execCommand", "ok" : 0, "errmsg" : "not master" }

使用Arbiter搭建Replica Set：

偶数个数据节点，加一个Arbiter构成的Replica Set，下面演示精典的2个数据节点加一个仲裁者的搭建过程。

Arbiter节点，需要修改一下配置：

journal.enabled = false
smallFiles = true

1> 启动两个数据节点和一个Arbiter节点

mongod --port 2001 --dbpath rs0-1 --replSet rs0
mongod --port 2002 --dbpath rs0-2 --replSet rs0

mongod --port 2003 --dbpath arb --replSet rs0

2> 连接到其中一个，添加Secondary和Arbiter。当仅需要添加Aribiter的时候，只需连接当前Replica Set的Primary，然后执行rs.addArb。

mongo --port 2001

rs.initiate()
rs.add("<hostname>:2002")
rs.addArb("<hostname>:2003")
rs.conf()

数据分片架构（Sharding）

Sharding 分片架构往往通过将数据分片运行在不同机器，从而解决随着数据量增大的CPU、内存和IO的单机压力问题。Mongodb 的分片集群架构如下：

架构说明

  • 角色：

    • 数据分片 (Shards) 保存数据，保证数据的高可用性和一致性。可以是一个单独的mongod实例，也可以是一个副本集。
    • 查询路由（Query Routers）mongos的实例，客户端直接连接mongos，由mongos把读写请求路由到指定的Shard上去。一个Sharding集群，可以有一个mongos，也可以有多mongos以减轻客户端请求的压力。
    • 配置服务器（Config servers）保存集群的元数据（metadata），包含各个Shard的路由规则，chunk信息等。

  • 在生产环境下Shard是一个Replica Set，以防止该数据片的单点故障。

  • 一个数据库，可分为分片collection和未分片collection，未分片的collection 只能保存在主（Primary）分配上。

搭建命令

1> 启动两个数据分片节点。在此仅演示单个mongod的方式，Replica Set类似。

mongod --port 2001 --shardsvr --dbpath shard1/
mongod --port 2002 --shardsvr --dbpath shard2/

2> 启动配置服务器

mongod --port 3001 --dbpath cfg1/
mongod --port 3002 --dbpath cfg2/
mongod --port 3003 --dbpath cfg3/

3> 启动查询路由mongos服务器

    mongos --port 5000 --configdb 127.0.0.1:3001,127.0.0.1:3002,127.0.0.1:3003

4> 连接mongos，为集群添加数据分片节点。

mongo --port 5000 amdmin

sh.addShard("127.0.0.1:2001")
sh.addShard("127.0.0.1:2002")

如果Shard是Replica Set，添加Shard的命令：

sh.addShard("rsname/host1:port,host2:port,...")

# rsname - 副本集的名字

5> 可以连接mongos进行数据操作了。

mongo --port 5000 test

mongoimport.exe --port 5000 -d test dataset.json
> 25359

分片架构优势

读写负载

MongoDB 将读写工作负载分布在分片集群中的各个分片上，从而允许每个分片处理集群操作的子集。通过添加更多分配，可以在集群中水平扩展读写工作负载。对于包含分片键或符合分片键的前缀查询，mongos可以将查询定位到特定的分配或一组分片。这些目前操作通常比广播到机器中的每个分片更有效率。从Mongodb4.4开始，mongos可以支持对冲读取（hedged reads 指 mongos 实例路由读取请求时会同时发给两个符合条件的副本集节点，然后那个先返回结果就返回这个结果给客户端）已最大程度的减少延迟。

存储容量

通过分片技术将数据分片到分片集群的各个分片中，每个分片只需存储数据集中的部分子集。随着数据集的增长，通过增加分片的数量即可增加整个集群的容量。

高可用性

将配置服务器和分配作为副本集进行部署可提高可用性。技术一个或多个分配副本集变得完全不可用，分片集群也可以继续提供部分的读取或写入服务。也就是说，虽然停机期间无法访问不可用分配中的数据子集，但是针对可用分配执行读取或写入操作仍然可以成功。

数据的备份和恢复

MongodDB的备份有多种方式，这里只简单介绍一下mongodump和mongorestore的用法。

1> 备份和恢复所有db

mongodump -h IP --port PORT -o BACKUPPATH

mongorestore -h IP --port PORT BACKUPPATH

2> 备份和恢复指定db

mongodump -h IP --port PORT -d DBNAME -o BACKUPPATH

mongorestore -h IP --port PORT  -d DBNAME BACKUPPATH
mongorestore -h IP --port PORT --drop -d DBNAME BACKUPPATH

3> 备份和恢复指定collection

mongodump -h IP --port PORT -d DBNAME -c COLLECTION -o xxx.bson

mongorestore -h IP --port PORT  -d DBNAME -c COLLECTION xxx.bson
mongorestore -h IP --port PORT --drop -d DBNAME -c COLLECTION xxx.bson

小结

MongoDB的集群能力还是很强的，搭建还算是简单。最关键的是要明白上面提到的3种架构的原理，才能用的得心应手。当然不限于MongoDB，或许其他数据库也多多少少支持类似的架构。

参考资料

版权归属：pylixm

许可证：署名 4.0 国际 (CC-BY-4.0)