MongoDB副本集配置详解 - 摩柯技术社区

MongoDB 副本集简介

在深入了解 MongoDB 副本集配置之前，我们先来明确一下副本集的概念。MongoDB 副本集是由一组 MongoDB 服务器组成的集群，其中包含一个主节点（Primary）和多个从节点（Secondary）。主节点负责处理所有的写操作，而从节点则复制主节点的数据，并可用于处理读操作。这种架构设计提供了数据冗余、高可用性以及灾难恢复能力。

当主节点发生故障时，副本集中的从节点会通过选举机制产生新的主节点，从而确保服务的连续性。副本集成员之间通过心跳机制来相互监测状态，若某个成员在规定时间内没有响应心跳，其他成员会认为该节点出现故障，并触发相应的处理流程。

副本集的优势

数据冗余：从节点复制主节点的数据，多份数据存储在不同节点上，降低了数据丢失的风险。例如，在一个包含三个节点的副本集中，即使一个节点的硬件出现故障，数据仍然可以从其他两个节点获取。
高可用性：由于存在多个节点，当主节点出现故障时，从节点能够自动选举出新的主节点，继续提供服务。这对于一些对数据可用性要求极高的应用场景，如在线交易系统、金融服务系统等，至关重要。
读扩展：从节点可以分担主节点的读负载。在一些读操作远多于写操作的应用中，将读请求分发到从节点可以显著提高系统的整体性能。比如新闻资讯类网站，大量用户同时访问页面读取新闻内容，这些读请求可以由副本集的从节点来处理。

配置副本集前的准备工作

安装 MongoDB：确保在每个要加入副本集的服务器上都安装了 MongoDB。可以从 MongoDB 官方网站下载适合你操作系统的安装包进行安装。以 Ubuntu 系统为例，在终端中执行以下命令添加 MongoDB 的官方 apt 源：

wget -qO - https://www.mongodb.org/static/pgp/server-4.4.asc | sudo apt-key add -
echo "deb [ arch=amd64,arm64 ] https://repo.mongodb.org/apt/ubuntu focal/mongodb-org/4.4 multiverse" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/mongodb-org-4.4.list
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y mongodb-org

规划节点：确定副本集的节点数量和角色分配。一个基本的副本集至少需要两个节点，但为了实现自动故障转移和选举机制，建议使用奇数个节点（一般为三个）。例如，规划三个节点，分别命名为 node1、node2、node3，其中 node1 作为初始主节点，node2 和 node3 作为从节点。
配置防火墙：如果服务器启用了防火墙，需要开放 MongoDB 服务所使用的端口（默认为 27017），以确保节点之间能够相互通信。在 Ubuntu 系统中，执行以下命令开放端口：

sudo ufw allow 27017/tcp

初始化副本集配置文件

创建配置文件目录：在每个节点上创建一个目录来存放副本集的配置文件。例如，在 /etc/mongod.conf.d/ 目录下创建一个名为 replicaset.conf 的文件。

sudo mkdir -p /etc/mongod.conf.d/
sudo nano /etc/mongod.conf.d/replicaset.conf

编辑配置文件：在 replicaset.conf 文件中添加以下内容：

replication:
  replSetName: <replSetName>
systemLog:
  destination: file
  path: /var/log/mongodb/mongod.log
  logAppend: true
storage:
  dbPath: /var/lib/mongodb
  journal:
    enabled: true
net:
  bindIp: 0.0.0.0
  port: 27017

其中 <replSetName> 是你为副本集定义的名称，建议使用一个有意义且唯一的名字，例如 myReplSet。bindIp 设置为 0.0.0.0 表示允许来自任何 IP 地址的连接，生产环境中应根据实际情况调整为具体的可信任 IP 地址。

合并配置文件：将新创建的 replicaset.conf 文件内容合并到 MongoDB 的主配置文件 /etc/mongod.conf 中。在 /etc/mongod.conf 文件末尾添加以下内容：

include /etc/mongod.conf.d/replicaset.conf

启动 MongoDB 服务并初始化副本集

启动 MongoDB 服务：在每个节点上执行以下命令启动 MongoDB 服务：

sudo systemctl start mongod

可以通过以下命令检查服务状态：

sudo systemctl status mongod

确保服务处于 active (running) 状态。

初始化副本集：连接到其中一个节点的 MongoDB 实例，例如 node1。在终端中执行以下命令进入 MongoDB shell：

mongo --host <node1_ip_address>:27017

在 MongoDB shell 中，执行以下命令初始化副本集：

rs.initiate({
  _id: "<replSetName>",
  members: [
    { _id: 0, host: "<node1_ip_address>:27017" },
    { _id: 1, host: "<node2_ip_address>:27017" },
    { _id: 2, host: "<node3_ip_address>:27017" }
  ]
})

将 <replSetName> 替换为之前定义的副本集名称，<node1_ip_address>、<node2_ip_address>、<node3_ip_address> 分别替换为相应节点的 IP 地址。

执行上述命令后，如果初始化成功，你会看到类似以下的输出：

{
  "ok" : 1,
  "operationTime" : Timestamp(1634567890, 1),
  "$clusterTime" : {
    "clusterTime" : Timestamp(1634567890, 1),
    "signature" : {
      "hash" : BinData(0,"AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA="),
      "keyId" : NumberLong(0)
    }
  }
}

查看副本集状态

在 MongoDB shell 中，执行以下命令查看副本集状态：

rs.status()

该命令会返回详细的副本集状态信息，包括每个节点的角色（PRIMARY、SECONDARY）、健康状态、同步状态等。例如：

{
  "set" : "myReplSet",
  "date" : ISODate("2021-10-18T12:34:56Z"),
  "myState" : 1,
  "term" : NumberLong(1),
  "syncingTo" : "",
  "syncSourceHost" : "",
  "syncSourceId" : -1,
  "heartbeatIntervalMillis" : NumberLong(2000),
  "majorityVoteCount" : 2,
  "writeMajorityCount" : 2,
  "votingMembersCount" : 3,
  "writableVotingMembersCount" : 3,
  "optimes" : {
    "lastCommittedOpTime" : {
      "ts" : Timestamp(1634567890, 1),
      "t" : NumberLong(1)
    },
    "lastCommittedWallTime" : ISODate("2021-10-18T12:34:50Z"),
    "readConcernMajorityOpTime" : {
      "ts" : Timestamp(1634567890, 1),
      "t" : NumberLong(1)
    },
    "appliedOpTime" : {
      "ts" : Timestamp(1634567890, 1),
      "t" : NumberLong(1)
    },
    "durableOpTime" : {
      "ts" : Timestamp(1634567890, 1),
      "t" : NumberLong(1)
    },
    "lastAppliedWallTime" : ISODate("2021-10-18T12:34:50Z"),
    "lastDurableWallTime" : ISODate("2021-10-18T12:34:50Z")
  },
  "members" : [
    {
      "_id" : 0,
      "name" : "<node1_ip_address>:27017",
      "health" : 1,
      "state" : 1,
      "stateStr" : "PRIMARY",
      "uptime" : 3600,
      "optime" : {
        "ts" : Timestamp(1634567890, 1),
        "t" : NumberLong(1)
      },
      "optimeDate" : ISODate("2021-10-18T12:34:50Z"),
      "syncingTo" : "",
      "syncSourceHost" : "",
      "syncSourceId" : -1,
      "infoMessage" : "",
      "electionTime" : Timestamp(1634567890, 1),
      "electionDate" : ISODate("2021-10-18T12:34:50Z"),
      "configVersion" : 1,
      "self" : true
    },
    {
      "_id" : 1,
      "name" : "<node2_ip_address>:27017",
      "health" : 1,
      "state" : 2,
      "stateStr" : "SECONDARY",
      "uptime" : 3598,
      "optime" : {
        "ts" : Timestamp(1634567890, 1),
        "t" : NumberLong(1)
      },
      "optimeDate" : ISODate("2021-10-18T12:34:50Z"),
      "syncingTo" : "<node1_ip_address>:27017",
      "syncSourceHost" : "<node1_ip_address>:27017",
      "syncSourceId" : 0,
      "infoMessage" : "",
      "configVersion" : 1
    },
    {
      "_id" : 2,
      "name" : "<node3_ip_address>:27017",
      "health" : 1,
      "state" : 2,
      "stateStr" : "SECONDARY",
      "uptime" : 3596,
      "optime" : {
        "ts" : Timestamp(1634567890, 1),
        "t" : NumberLong(1)
      },
      "optimeDate" : ISODate("2021-10-18T12:34:50Z"),
      "syncingTo" : "<node1_ip_address>:27017",
      "syncSourceHost" : "<node1_ip_address>:27017",
      "syncSourceId" : 0,
      "infoMessage" : "",
      "configVersion" : 1
    }
  ],
  "ok" : 1,
  "operationTime" : Timestamp(1634567890, 1),
  "$clusterTime" : {
    "clusterTime" : Timestamp(1634567890, 1),
    "signature" : {
      "hash" : BinData(0,"AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA="),
      "keyId" : NumberLong(0)
    }
  }
}

副本集节点操作

添加节点：如果需要向副本集中添加新的节点，首先在新节点上安装 MongoDB 并配置好相应的配置文件，启动 MongoDB 服务。然后在主节点的 MongoDB shell 中执行以下命令添加节点：

rs.add("<new_node_ip_address>:27017")

将 <new_node_ip_address> 替换为新节点的 IP 地址。

移除节点：要从副本集中移除节点，在主节点的 MongoDB shell 中执行以下命令：

rs.remove("<node_to_remove_ip_address>:27017")

将 <node_to_remove_ip_address> 替换为要移除节点的 IP 地址。执行该命令后，副本集会自动调整成员配置，并进行数据同步等操作。

强制重新选举主节点：在某些特殊情况下，如主节点出现问题但未自动触发选举，或者需要手动切换主节点时，可以在 MongoDB shell 中执行以下命令强制重新选举：

rs.stepDown()

执行该命令后，当前主节点会主动放弃主节点角色，副本集将重新进行选举产生新的主节点。

副本集数据同步原理

** oplog（操作日志）**：主节点将所有的写操作记录在 oplog 中。oplog 是一个特殊的固定集合（capped collection），它以时间顺序记录了所有对数据库的修改操作。从节点通过复制主节点的 oplog 来保持数据同步。
心跳机制：副本集成员之间通过心跳机制来保持联系。每个成员定期向其他成员发送心跳消息，以确认彼此的状态。如果某个成员在规定时间内没有收到其他成员的心跳，就会认为该成员出现故障，并触发相应的处理流程，如重新选举主节点。
同步流程：从节点启动后，会向主节点请求 oplog 中的数据。主节点根据从节点的请求，将 oplog 中的记录发送给从节点。从节点接收到 oplog 记录后，按照记录中的操作顺序在本地执行，从而实现数据同步。在同步过程中，从节点会不断更新自己的同步状态，确保与主节点的数据一致性。

副本集读操作策略

主节点读：默认情况下，读操作会发送到主节点。这种策略保证了读取到的数据是最新的，但在高并发读场景下，可能会给主节点带来较大的负载。在 MongoDB shell 中，可以通过以下方式显式指定从主节点读取数据：

db.collection.find().readPreference('primary')

从节点读：为了分担主节点的读负载，可以将读请求发送到从节点。从节点读有几种不同的模式，如 secondaryPreferred、secondary、nearest。
- secondaryPreferred：优先从从节点读取数据，但如果所有从节点都不可用，则从主节点读取。示例代码如下：

db.collection.find().readPreference('secondaryPreferred')

- `secondary`：只从从节点读取数据。如果所有从节点都不可用，读操作将失败。

db.collection.find().readPreference('secondary')

- `nearest`：从距离客户端最近的节点读取数据，无论是主节点还是从节点。

db.collection.find().readPreference('nearest')

副本集写操作策略

** majority 写关注**：默认情况下，MongoDB 使用 majority 写关注。这意味着写操作必须在大多数节点（超过一半的投票成员）上成功应用后，才会向客户端返回成功响应。这种策略保证了数据的强一致性。例如，在一个包含三个节点的副本集中，写操作必须在两个节点上成功应用后，才会返回成功。在 MongoDB shell 中，可以通过以下方式显式指定 majority 写关注：

db.collection.insertOne({ data: "example" }, { writeConcern: { w: "majority" } })

其他写关注级别：除了 majority，还有其他写关注级别，如 w:1（只要求在主节点上写入成功）、w:2（要求在主节点和至少一个从节点上写入成功）等。不同的写关注级别在数据一致性和性能之间提供了不同的权衡。例如，w:1 写关注级别性能较高，但数据一致性相对较弱，适合一些对数据一致性要求不高但对性能要求较高的场景。

副本集的维护与优化

定期备份：虽然副本集提供了数据冗余，但为了防止灾难性的数据丢失，仍然建议定期对副本集的数据进行备份。可以使用 MongoDB 的 mongodump 工具进行备份。例如，在主节点上执行以下命令备份整个数据库：

mongodump --uri="mongodb://<node1_ip_address>:27017" -o /path/to/backup

将 <node1_ip_address> 替换为主节点的 IP 地址，/path/to/backup 替换为备份文件的存储路径。 2. 性能监控：使用 MongoDB 的内置工具和第三方监控工具来监控副本集的性能。例如，可以通过 top 命令查看服务器的 CPU 和内存使用情况，通过 mongostat 命令实时监控 MongoDB 实例的各项性能指标，如插入、查询、更新、删除操作的速率等。 3. 节点资源管理：确保每个节点都有足够的资源（CPU、内存、磁盘空间等）来处理负载。合理分配资源可以提高副本集的整体性能和稳定性。例如，如果某个节点经常出现 CPU 使用率过高的情况，可以考虑升级硬件或者优化数据库操作。 4. 网络优化：副本集成员之间的网络通信对数据同步和整体性能有重要影响。确保网络带宽充足，减少网络延迟和丢包。可以通过 ping 命令和 traceroute 命令来测试网络连接和路由情况。

常见问题及解决方法

节点无法加入副本集：可能原因包括网络问题、配置文件错误、端口未开放等。首先检查节点之间的网络连接是否正常，使用 ping 命令和 telnet 命令检查端口是否可达。然后仔细检查配置文件中的副本集名称、IP 地址、端口等设置是否正确。
数据同步异常：如果从节点的数据同步出现异常，可以通过查看 MongoDB 的日志文件（/var/log/mongodb/mongod.log）来获取详细的错误信息。常见原因可能是网络中断、磁盘空间不足等。解决方法包括修复网络问题、清理磁盘空间等。
选举失败：选举失败可能是由于节点之间的网络分区、配置文件不一致等原因导致。检查节点之间的网络连接，确保所有节点的配置文件中副本集名称、成员配置等一致。如果问题仍然存在，可以尝试强制重新选举主节点。

通过以上详细的介绍和操作指南，你应该能够深入理解并熟练配置 MongoDB 副本集，从而构建一个高可用、数据冗余且性能优化的数据库环境。在实际应用中，根据业务需求和系统架构，合理调整副本集的配置和参数，以达到最佳的效果。