【MongoDB】MongoDB複製集原理

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複製集簡介

Mongodb複製集由一組Mongod例項(程序)組成,包含一個Primary節點和多個Secondary節點,Mongodb Driver(客戶端)的所有資料都寫入Primary,Secondary從Primary同步寫入的資料,以保持複製集內所有成員儲存相同的資料集,提供資料的高可用。

下圖(圖片源於Mongodb官方文件)是一個典型的Mongdb複製集,包含一個Primary節點和2個Secondary節點。

clipboard.png

Primary選舉

複製集通過replSetInitiate命令(或mongo shell的rs.initiate())進行初始化,初始化後各個成員間開始傳送心跳訊息,併發起Priamry選舉操作,獲得『大多數』成員投票支援的節點,會成為Primary,其餘節點成為Secondary。

初始化複製集

config = {
_id : "my_replica_set",
members : [
{_id : 0, host : "rs1.example.net:27017"},
{_id : 1, host : "rs2.example.net:27017"},
{_id : 2, host : "rs3.example.net:27017"},
]
}
rs.initiate(config)

『大多數』的定義

假設複製集內投票成員(後續介紹)數量為N,則大多數為 N/2 1,當複製集記憶體活成員數量不足大多數時,整個複製集將無法選舉出Primary,複製集將無法提供寫服務,處於只讀狀態。

投票成員數大多數容忍失效數
110
220
321
431
532
642
743

通常建議將複製整合員數量設定為奇數,從上表可以看出3個節點和4個節點的複製集都只能容忍1個節點失效,從『服務可用性』的角度看,其效果是一樣的。(但無疑4個節點能提供更可靠的資料儲存)

特殊的Secondary

正常情況下,複製集的Seconary會參與Primary選舉(自身也可能會被選為Primary),並從Primary同步最新寫入的資料,以保證與Primary儲存相同的資料。

Secondary可以提供讀服務,增加Secondary節點可以提供複製集的讀服務能力,同時提升複製集的可用性。另外,Mongodb支援對複製集的Secondary節點進行靈活的配置,以適應多種場景的需求。

Arbiter

Arbiter節點只參與投票,不能被選為Primary,並且不從Primary同步資料。

比如你部署了一個2個節點的複製集,1個Primary,1個Secondary,任意節點宕機,複製集將不能提供服務了(無法選出Primary),這時可以給複製集新增一個Arbiter節點,即使有節點宕機,仍能選出Primary。

Arbiter本身不儲存資料,是非常輕量級的服務,當複製整合員為偶數時,最好加入一個Arbiter節點,以提升複製集可用性。

Priority0

Priority0節點的選舉優先順序為0,不會被選舉為Primary

比如你跨機房A、B部署了一個複製集,並且想指定Primary必須在A機房,這時可以將B機房的複製整合員Priority設定為0,這樣Primary就一定會是A機房的成員。(注意:如果這樣部署,最好將『大多數』節點部署在A機房,否則網路分割槽時可能無法選出Primary)

Vote0

Mongodb 3.0裡,複製整合員最多50個,參與Primary選舉投票的成員最多7個,其他成員(Vote0)的vote屬性必須設定為0,即不參與投票。

Hidden

Hidden節點不能被選為主(Priority為0),並且對Driver不可見。

因Hidden節點不會接受Driver的請求,可使用Hidden節點做一些資料備份、離線計算的任務,不會影響複製集的服務。

Delayed

Delayed節點必須是Hidden節點,並且其資料落後與Primary一段時間(可配置,比如1個小時)。

因Delayed節點的資料比Primary落後一段時間,當錯誤或者無效的資料寫入Primary時,可通過Delayed節點的資料來恢復到之前的時間點。

資料同步

Primary與Secondary之間通過oplog來同步資料,Primary上的寫操作完成後,會向特殊的local.oplog.rs特殊集合寫入一條oplog,Secondary不斷的從Primary取新的oplog並應用。

因oplog的資料會不斷增加,local.oplog.rs被設定成為一個capped集合,當容量達到配置上限時,會將最舊的資料刪除掉。另外考慮到oplog在Secondary上可能重複應用,oplog必須具有冪等性,即重複應用也會得到相同的結果。

如下oplog的格式,包含ts、h、op、ns、o等欄位

{
"ts" : Timestamp(1446011584, 2),
"h" : NumberLong("1687359108795812092"), 
"v" : 2, 
"op" : "i", 
"ns" : "test.nosql", 
"o" : { "_id" : ObjectId("563062c0b085733f34ab4129"), "name" : "mongodb", "score" : "100" } 
}
ts: 操作時間,當前timestamp   計數器,計數器每秒都被重置
h:操作的全域性唯一標識
v:oplog版本資訊
op:操作型別
i:插入操作
u:更新操作
d:刪除操作
c:執行命令(如createDatabase,dropDatabase)
n:空操作,特殊用途
ns:操作針對的集合
o:操作內容,如果是更新操作
o2:操作查詢條件,僅update操作包含該欄位

Secondary初次同步資料時,會先進行init sync,從Primary(或其他資料更新的Secondary)同步全量資料,然後不斷通過tailable cursor從Primary的local.oplog.rs集合裡查詢最新的oplog並應用到自身。

init sync過程包含如下步驟

T1時間,從Primary同步所有資料庫的資料(local除外),通過listDatabases listCollections cloneCollection敏命令組合完成,假設T2時間完成所有操作。
從Primary應用[T1-T2]時間段內的所有oplog,可能部分操作已經包含在步驟1,但由於oplog的冪等性,可重複應用。
根據Primary各集合的index設定,在Secondary上為相應集合建立index。(每個集合_id的index已在步驟1中完成)。
oplog集合的大小應根據DB規模及應用寫入需求合理配置,配置得太大,會造成儲存空間的浪費;配置得太小,可能造成Secondary的init sync一直無法成功。比如在步驟1裡由於DB資料太多、並且oplog配置太小,導致oplog不足以儲存[T1, T2]時間內的所有oplog,這就Secondary無法從Primary上同步完整的資料集。

修改複製集配置

當需要修改複製集時,比如增加成員、刪除成員、或者修改成員配置(如priorty、vote、hidden、delayed等屬性),可通過replSetReconfig命令(rs.reconfig())對複製集進行重新配置。

比如將複製集的第2個成員Priority設定為2,可執行如下命令

cfg = rs.conf();
cfg.members[1].priority = 2;
rs.reconfig(cfg);

細說Primary選舉

Primary選舉除了在複製集初始化時發生,還有如下場景

複製集被reconfig
Secondary節點檢測到Primary宕機時,會觸發新Primary的選舉
當有Primary節點主動stepDown(主動降級為Secondary)時,也會觸發新的Primary選舉
Primary的選舉受節點間心跳、優先順序、最新的oplog時間等多種因素影響。

節點間心跳

複製整合員間預設每2s會傳送一次心跳資訊,如果10s未收到某個節點的心跳,則認為該節點已宕機;如果宕機的節點為Primary,Secondary(前提是可被選為Primary)會發起新的Primary選舉。

節點優先順序

每個節點都傾向於投票給優先順序最高的節點
優先順序為0的節點不會主動發起Primary選舉
當Primary發現有優先順序更高Secondary,並且該Secondary的資料落後在10s內,則Primary會主動降級,讓優先順序更高的Secondary有成為Primary的機會。

Optime

擁有最新optime(最近一條oplog的時間戳)的節點才能被選為主。

網路分割槽

只有更大多數投票節點間保持網路連通,才有機會被選Primary;如果Primary與大多數的節點斷開連線,Primary會主動降級為Secondary。當發生網路分割槽時,可能在短時間內出現多個Primary,故Driver在寫入時,最好設定『大多數成功』的策略,這樣即使出現多個Primary,也只有一個Primary能成功寫入大多數。

複製集的讀寫設定

Read Preference

預設情況下,複製集的所有讀請求都發到Primary,Driver可通過設定Read Preference來將讀請求路由到其他的節點。

primary: 預設規則,所有讀請求發到Primary
primaryPreferred: Primary優先,如果Primary不可達,請求Secondary
secondary: 所有的讀請求都發到secondary
secondaryPreferred:Secondary優先,當所有Secondary不可達時,請求Primary
nearest:讀請求傳送到最近的可達節點上(通過ping探測得出最近的節點)

Write Concern

預設情況下,Primary完成寫操作即返回,Driver可通過設定[Write Concern(https://docs.mongodb.org/manu…來設定寫成功的規則。

如下的write concern規則設定寫必須在大多數節點上成功,超時時間為5s。

db.products.insert(
{ item: "envelopes", qty : 100, type: "Clasp" },
{ writeConcern: { w: majority, wtimeout: 5000 } }
)

上面的設定方式是針對單個請求的,也可以修改副本集預設的write concern,這樣就不用每個請求單獨設定。

cfg = rs.conf()
cfg.settings = {}
cfg.settings.getLastErrorDefaults = { w: "majority", wtimeout: 5000 }
rs.reconfig(cfg)

異常處理(rollback)

當Primary宕機時,如果有資料未同步到Secondary,當Primary重新加入時,如果新的Primary上已經發生了寫操作,則舊Primary需要回滾部分操作,以保證資料集與新的Primary一致。

舊Primary將回滾的資料寫到單獨的rollback目錄下,資料庫管理員可根據需要使用mongorestore進行恢復。

轉發自:http://www.mongoing.com/archi…

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