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MongoDB副本集介绍与部署

作者：不正经 | 2024-05-20 21:45:55

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MongoDB副本集介绍与部署

        MongoDB副本集（Replica Set）作为MongoDB数据库的核心功能之一，为开发人员提供了一种简单而有效的方式来实现数据的高可用性和冗余备份。在本文中，我们将探讨MongoDB副本集的概念、工作原理以及如何配置和管理一个稳健的副本集环境。

关于MongoDB分片介绍与部署，可以参考：

MongoDB分片介绍与部署

一、副本集介绍

1、副本集（replica set）

        MongoDB的副本集（Replica Set）是一组MongoDB进程实例的集合，其中的数据相互复制，并自动进行故障转移。

        通过MongoDB的数据库复制，系统增加了冗余性，确保了高可用性，简化了管理任务，如备份，并且提升了读取性能。大多数生产部署都会采用复制功能。在MongoDB中，主节点（Primary）负责处理写操作，而其他复制成员则是次要节点（Secondaries）。

2、成员角色

成员可以是以下某种角色：

3、故障切换恢复

        副本集能够自动进行故障切换和恢复。如果主节点（Primary）掉线或无响应，并且多数副本集成员能够相互连接，系统将选出一个新的主节点。

        通常情况下，当主节点发生故障、不可用或不适合作为主节点时，在几秒内没有管理员干预，副本集会自动进行故障切换。

如果MongoDB部署未按预期进行故障切换，则可能出现以下问题：

  • 副本集剩余成员数量少于总数的一半
  • 没有适合成为主节点的成员

4、回滚（Rollback）

        在大多数情况下，回滚操作能够优雅地处理无法进行故障切换恢复的情况。回滚操作发生在主节点（Primary）处理写操作时，但在其他成员尚未成功复制该操作之前主节点掉线。当之前的主节点重新加入副本集并开始进行复制时，会出现回滚操作。如果操作已经成功复制到其他成员，并且这些成员可用且能够连接到大多数副本集成员，则不会发生回滚。回滚操作会删除那些尚未复制到其他成员的操作，以确保数据集的一致性。

5、选举（Elections）

        在任何故障切换发生时，都会触发一次选举，以确定哪个成员将成为主节点。选举提供了一种机制，使得副本集中的成员无需管理员干预，就能自动选出一个新的主节点。选举能够让副本集快速而可靠地从故障中恢复。当主节点变得不可达时，次要成员会发起选举，第一个收到大多数选票的成员将成为新的主节点。

6、成员优先级

        在副本集中，每个成员都有优先级，它可以帮助决定选举出primary。默认情况下，所有的成员的优先级都为1。

7、一致性

        在MongoDB中，所有针对主节点（Primary）的读操作都保证与最后一次写操作结果一致。如果客户端配置了允许从次要节点（Secondary）读取的读选项，读操作可能会从没有及时复制更新或操作的次要节点返回结果。在这种情况下，查询操作可能会返回之前的状态。

        这种行为有时被称为最终一致性，因为次要节点的状态最终会与主节点的状态一致。MongoDB不能保证从次要节点读取的读操作具有强一致性。

        除非在配置写操作成功后，确保所有节点上的写操作都成功执行，否则无法保证从次要节点读取的一致性。

副本集分片集群的架构：

二、副本集配置

        三成员副本集为大多数网络分区和系统故障提供了足够的冗余。另外，这些集合有足够的分布式读操作能力。大多数部署不需要额外的成员或配置。

有三个服务器：

  1. Server1 ： 218.30.117.193
  2. Server2 ： 218.30.117.195
  3. Server3 ： 218.30.117.196

需求：

        大多数副本集由三个或更多个mongod实例组成。这里描述了一个三成员副本集。在生产环境中，应至少有三个独立的系统，每个系统上运行一个单独的mongod实例。在开发系统中，你可以在一个本地系统或虚拟系统中运行三个mongod实例。在生产环境中，应尽可能将副本集成员分隔开来。

部署一个开发测试副本集

1、这个例子中创建了一个名为rs0的副本集。

（1）    在创建副本集之前，确认每个成员都能成功的连接到其它成员上。网络配置必须允许任意成员之间的连接。

（2）    运行作为rs0副本集的成员的三个mongod实例。

2. 创建必要的数据目录

命令如下：

mkdir –p /srv/mongodb/rs0-0 /srv/mongodb/rs0-1 /srv/mongodb/rs0-2

3. 打开多个窗口，在不同的窗口下执行下面的命令：

  1. mongod --port 27017 --dbpath /srv/mongodb/rs0-0 --replSet rs0 --smallfiles --oplogSize 128
  2.  
  3. mongod --port 27018 --dbpath /srv/mongodb/rs0-1 --replSet rs0 --smallfiles --oplogSize 128
  4.  
  5. mongod --port 27019 --dbpath /srv/mongodb/rs0-2 --replSet rs0 --smallfiles --oplogSize 128

这运行了每个rs0副本集成员的实例，运行在不同的端口。如果你已经使用了这些端口，则可以使用其他的端口。

每个mongod测试使用的--smallfiles和--oplogSize选项降低了磁盘空间。

4、打开一个mongo shell并连接第一个mongod实例，命令如下：

mongo --port 27017

5、在mongo shell环境中创建一个副本集配置对象，用于初始化副本集，命令如下：

  1. rsconf = {
  2.            _id: "rs0",
  3.            members: [
  4.                       {
  5.                        _id: 0,
  6.                        host: "<hostname>:27017"
  7.                       }
  8.                     ]
  9.          }

6、使用rs.initiate()命令初始化由当前成员组成的副本集，并使用默认配置：

rs.initiate( rsconf )

7、显示当前副本集的配置

rs.conf()

8、通过rs.add()命令向副本集中添加第二和第三个mongod实例。用你的主机名替换下例中的<hostname>：

  1. rs.add("<hostname>:27018")
  2. rs.add("<hostname>:27019")

在这些命令后，将返回一个功能完整的副本集，新的副本集会在几秒内选举出主成员。

9、通过rs.status()命令随时检查你的副本集的状态

rs.status()

部署一个生产副本集

部署一个生产副本集与开发测试副本集很相似，但有以下不同：

  • 每个副本集成员都运行在单独的机器上，并且MongoDB进程都绑定端口27017。
  • 每个副本集成员都必须通过DNS解析可达或者主机名如下（配置适当的DNS名或设置系统的/etc/hosts文件以反映配置）： 
    1. mongodb0.example.net
    2. mongodb1.example.net
    3. mongodb2.example.net
  • 你在每个系统指定一个运行时的配置以一个配置文件的形式，存放在/etc/mongodb.conf或者一个相关的位置。你不能通过命令行选项指定一个运行时配置。

对于每个mongoDB实例，使用下面的配置。针对于你的系统设置适当的配置参数：

  1. port = 27017
  2. bind_ip = 10.8.0.10
  3. dbpath = /srv/mongodb/
  4. fork = true
  5. replSet = rs0

不一定需要指定bind_ip接口。然而，如果你不知道一个接口，则MongoDB会监听所有的可用IPv4的接口上的连接。修改bind_ip反映出系统上的安全接口，它能够访问其他的集合成员，并且其他副本集成员也能访问当前成员。DNS或主机名必须指定并解析成IP地址。

1、在创建你的副本集之前，确认每个成员都能成功的连接到其它成员上。网络配置必须允许任意成员之间的连接。

2、每个运行mongod进程的系统上执行下面的命令：

mongod --config /etc/mongodb.conf

3、启动一个mongo shell连接这个主机

mongo

4、使用rs.initiate()命令初始化由当前成员组成的副本集，并使用默认配置

rs.initiate()

5、显示当前副本集配置

rs.conf()

6、向副本集中增加两个成员，命令如下：

  1. rs.add("mongodb1.example.net")
  2. rs.add("mongodb2.example.net")

在这些命令后，将返回一个功能完整的副本集，新的副本集会在几秒内选举出主成员。

7、通过rs.status()命令随时检查你的副本集的状态。

rs.status()

三、副本集部署

1、启动mongod

在每台运行mongod服务的机器上增加配置文件/etc/mongodb-rs.conf，内容为：

  1. port = 27017
  2. dbpath = /usr/tmp/mongodb
  3. logpath = /usr/tmp/mongodb/log.log
  4. fork = true
  5. replSet = rs0

创建/usr/tmp/mongodb目录

mkdir -p /usr/tmp/mongodb

通过下面命令启动mongod:

/usr/local/mongodb/bin/mongod -f /etc/mongodb-rc.conf

2、修改每个机器的/etc/hosts

在每台机器的/etc/hosts文件中增加：

  1. 218.30.117.193  mongodb1.example.net
  2. 218.30.117.195  mongodb2.example.net
  3. 218.30.117.196  mongodb3.example.net

3、使用mongo shell连接mongod，进行配置，可以看到当前副本集的状态。

  1. /usr/local/mongodb/bin/mongo 218.30.117.193
  2. MongoDB shell version: 2.4.2
  3. connecting to: 218.30.117.193/test
  4. > config = {_id:'rs0', members: [
  5. ... {_id:0, host:'mongodb1.example.net'},
  6. ... {_id:1, host:'mongodb2.example.net'},
  7. ... {_id:2, host:'mongodb3.example.net'}]}
  8. > rs.initiate(config)
  9. > rs.status()

4、故障切换

假设193为Primary，其它为Secondary，则可以使用mongo shell连接195，看到下面结果

  1. /usr/local/mongodb/bin/mongo 218.30.117.195
  2. MongoDB shell version: 2.4.2
  3. connecting to: 218.30.117.195/test
  4. rs0:SECONDARY> rs.isMaster()
  5. {
  6.        "setName" : "rs0",
  7.        "ismaster" : false,
  8.        "secondary" : true,
  9.        "hosts" : [
  10.               "mongodb2.example.net:27017",
  11.               "mongodb3.example.net:27017",
  12.               "mongodb1.example.net:27017"
  13.        ],
  14.        "primary" : "mongodb1.example.net:27017",
  15.        "me" : "mongodb2.example.net:27017",
  16.        "maxBsonObjectSize" : 16777216,
  17.        "maxMessageSizeBytes" : 48000000,
  18.        "localTime" : ISODate("2013-05-15T06:14:01.153Z"),
  19.        "ok" : 1
  20. }

同样可以登录196查看其状态。

我们停止193的mongod，然后发现已经mongo shell连接不上，而通过另外两个成员可以看到副本集的状态：

  1. /usr/local/mongodb/bin/mongo 218.30.117.195
  2. MongoDB shell version: 2.4.2
  3. connecting to: 218.30.117.195/test
  4. rs0:PRIMARY> rs.status()
  5. {
  6.     "set" : "rs0",
  7.     "date" : ISODate("2013-05-15T06:16:03Z"),
  8.     "myState" : 1,
  9.     "members" : [
  10.         {
  11.             "_id" : 0,
  12.             "name" : "mongodb1.example.net:27017",
  13.             "health" : 0,
  14.             "state" : 8,
  15.             "stateStr" : "(not reachable/healthy)",
  16.             "uptime" : 0,
  17.             "optime" : {
  18.                 "t" : 1368626414,
  19.                 "i" : 1
  20.             },
  21.             "optimeDate" : ISODate("2013-05-15T14:00:14Z"),
  22.             "lastHeartbeat" : ISODate("2013-05-15T06:16:02Z"),
  23.             "lastHeartbeatRecv" : ISODate("1970-01-01T00:00:00Z"),
  24.             "pingMs" : 0,
  25.             "syncingTo" : "mongodb3.example.net:27017"
  26.         },
  27.         {
  28.             "_id" : 1,
  29.             "name" : "mongodb2.example.net:27017",
  30.             "health" : 1,
  31.             "state" : 1,
  32.             "stateStr" : "PRIMARY",
  33.             "uptime" : 644,
  34.             "optime" : {
  35.                 "t" : 1368626414,
  36.                 "i" : 1
  37.             },
  38.             "optimeDate" : ISODate("2013-05-15T14:00:14Z"),
  39.             "self" : true
  40.         },
  41.         {
  42.             "_id" : 2,
  43.             "name" : "mongodb3.example.net:27017",
  44.             "health" : 1,
  45.             "state" : 2,
  46.             "stateStr" : "SECONDARY",
  47.             "uptime" : 299,
  48.             "optime" : {
  49.                 "t" : 1368626414,
  50.                 "i" : 1
  51.             },
  52.             "optimeDate" : ISODate("2013-05-15T14:00:14Z"),
  53.             "lastHeartbeat" : ISODate("2013-05-15T06:16:02Z"),
  54.             "lastHeartbeatRecv" : ISODate("1970-01-01T00:00:00Z"),
  55.             "pingMs" : 3,
  56.             "lastHeartbeatMessage" : "syncing to: mongodb2.example.net:27017",
  57.             "syncingTo" : "mongodb2.example.net:27017"
  58.         }
  59.     ],
  60.     "ok" : 1
  61. }

可以看出，195自动成为Primary，196继续为Secondary，而193的health已经变为0，stateStr变为(not reachable/healthy)。

我们可以重新启动193上的mongod，并将其priority设为2，高于另外两个成员的优先级：

  1. rs0: PRIMARY> conf = rs.config()
  2. rs0: PRIMARY> conf.members[0].priority=2
  3. rs0: PRIMARY> rs.reconfig(conf)

查看当前副本集成员配置信息：

  1. rs0: PRIMARY > rs.config()
  2. {
  3.     "_id" : "rs0",
  4.     "version" : 2,
  5.     "members" : [
  6.         {
  7.             "_id" : 0,
  8.             "host" : "mongodb1.example.net:27017",
  9.             "priority" : 2
  10.         },
  11.         {
  12.             "_id" : 1,
  13.             "host" : "mongodb2.example.net:27017"
  14.         },
  15.         {
  16.             "_id" : 2,
  17.             "host" : "mongodb3.example.net:27017"
  18.         }
  19.     ]
  20. }

在之前的primary上，几秒钟后命令标识已经变为SECONDARY了，查看副本集状态：

  1. rs0:SECONDARY> rs.status()
  2. {
  3.     "set" : "rs0",
  4.     "date" : ISODate("2013-05-15T06:18:42Z"),
  5.     "myState" : 2,
  6.     "syncingTo" : "mongodb1.example.net:27017",
  7.     "members" : [
  8.         {
  9.             "_id" : 0,
  10.             "name" : "mongodb1.example.net:27017",
  11.             "health" : 1,
  12.             "state" : 1,
  13.             "stateStr" : "PRIMARY",
  14.             "uptime" : 41,
  15.             "optime" : {
  16.                 "t" : 1368626414,
  17.                 "i" : 1
  18.             },
  19.             "optimeDate" : ISODate("2013-05-15T14:00:14Z"),
  20.             "lastHeartbeat" : ISODate("2013-05-15T06:18:41Z"),
  21.             "lastHeartbeatRecv" : ISODate("1970-01-01T00:00:00Z"),
  22.             "pingMs" : 1,
  23.             "syncingTo" : "mongodb2.example.net:27017"
  24.         },
  25.         {
  26.             "_id" : 1,
  27.             "name" : "mongodb2.example.net:27017",
  28.             "health" : 1,
  29.             "state" : 2,
  30.             "stateStr" : "SECONDARY",
  31.             "uptime" : 803,
  32.             "optime" : {
  33.                 "t" : 1368626414,
  34.                 "i" : 1
  35.             },
  36.             "optimeDate" : ISODate("2013-05-15T14:00:14Z"),
  37.             "errmsg" : "syncing to: mongodb1.example.net:27017",
  38.             "self" : true
  39.         },
  40.         {
  41.             "_id" : 2,
  42.             "name" : "mongodb3.example.net:27017",
  43.             "health" : 1,
  44.             "state" : 2,
  45.             "stateStr" : "SECONDARY",
  46.             "uptime" : 458,
  47.             "optime" : {
  48.                 "t" : 1368626414,
  49.                 "i" : 1
  50.             },
  51.             "optimeDate" : ISODate("2013-05-15T14:00:14Z"),
  52.             "lastHeartbeat" : ISODate("2013-05-15T06:18:41Z"),
  53.             "lastHeartbeatRecv" : ISODate("2013-05-15T06:18:42Z"),
  54.             "pingMs" : 0,
  55.             "lastHeartbeatMessage" : "syncing to: mongodb1.example.net:27017",
  56.             "syncingTo" : "mongodb1.example.net:27017"
  57.         }
  58.     ],
  59.     "ok" : 1
  60. }

发现193已经升级为Primary，因为其优先级高于其他两个。

尝试在SECONDARY上插入数据：

  1. rs0:SECONDARY> db.kz.insert({"user1":111})
  2. not master

返回not master。所以必须使用驱动连接到PRIMARY上进行操作，必须在应用上对这种故障切换做进一步控制，保证是对PRIMARY进行操作。

可以通过rs.slaveOk()命令使该SECONDARY可以进行读操作：

  1. rs0:SECONDARY> db.kz.find()
  2. error: { "$err" : "not master and slaveOk=false", "code" : 13435 }
  3. rs0:SECONDARY> rs.slaveOk()
  4. rs0:SECONDARY> db.kz.find()
  5. { "_id" : ObjectId("51932c0df2aa04a85bc95d33"), "user" : 1111 }

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