MongoDB复制集原理

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复制集简介
　　Mongodb复制集由一组Mongod实例（进程）组成，包含一个Primary节点和多个Secondary节点，Mongodb Driver（客户端）的所有数据都写入Primary，Secondary从Primary同步写入的数据，以保持复制集内所有成员存储相同的数据集，提供数据的高可用。
　　下图（图片源于Mongodb官方文档）是一个典型的Mongdb复制集，包含一个Primary节点和2个Secondary节点。

Primary选举
　　复制集通过replSetInitiate命令（或mongo shell的rs.initiate()）进行初始化，初始化后各个成员间开始发送心跳消息，并发起Priamry选举操作，获得『大多数』成员投票支持的节点，会成为Primary，其余节点成为Secondary。
　　初始化复制集
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)
　　『大多数』的定义
　　假设复制集内投票成员（后续介绍）数量为N，则大多数为 N/2 + 1，当复制集内存活成员数量不足大多数时，整个复制集将无法选举出Primary，复制集将无法提供写服务，处于只读状态。
投票成员数大多数容忍失效数110220321431532642743　　通常建议将复制集成员数量设置为奇数，从上表可以看出3个节点和4个节点的复制集都只能容忍1个节点失效，从『服务可用性』的角度看，其效果是一样的。（但无疑4个节点能提供更可靠的数据存储）
特殊的Secondary
　　正常情况下，复制集的Seconary会参与Primary选举（自身也可能会被选为Primary），并从Primary同步最新写入的数据，以保证与Primary存储相同的数据。
　　Secondary可以提供读服务，增加Secondary节点可以提供复制集的读服务能力，同时提升复制集的可用性。另外，Mongodb支持对复制集的Secondary节点进行灵活的配置，以适应多种场景的需求。
Arbiter
　　Arbiter节点只参与投票，不能被选为Primary，并且不从Primary同步数据。
　　比如你部署了一个2个节点的复制集，1个Primary，1个Secondary，任意节点宕机，复制集将不能提供服务了（无法选出Primary），这时可以给复制集添加一个Arbiter节点，即使有节点宕机，仍能选出Primary。
　　Arbiter本身不存储数据，是非常轻量级的服务，当复制集成员为偶数时，最好加入一个Arbiter节点，以提升复制集可用性。
Priority0
　　Priority0节点的选举优先级为0，不会被选举为Primary
　　比如你跨机房A、B部署了一个复制集，并且想指定Primary必须在A机房，这时可以将B机房的复制集成员Priority设置为0，这样Primary就一定会是A机房的成员。（注意：如果这样部署，最好将『大多数』节点部署在A机房，否则网络分区时可能无法选出Primary）
Vote0
　　Mongodb 3.0里，复制集成员最多50个，参与Primary选举投票的成员最多7个，其他成员（Vote0）的vote属性必须设置为0，即不参与投票。
Hidden
　　Hidden节点不能被选为主（Priority为0），并且对Driver不可见。
　　因Hidden节点不会接受Driver的请求，可使用Hidden节点做一些数据备份、离线计算的任务，不会影响复制集的服务。
Delayed
　　Delayed节点必须是Hidden节点，并且其数据落后与Primary一段时间（可配置，比如1个小时）。
　　因Delayed节点的数据比Primary落后一段时间，当错误或者无效的数据写入Primary时，可通过Delayed节点的数据来恢复到之前的时间点。
数据同步
　　Primary与Secondary之间通过oplog来同步数据，Primary上的写操作完成后，会向特殊的local.oplog.rs特殊集合写入一条oplog，Secondary不断的从Primary取新的oplog并应用。
　　因oplog的数据会不断增加，local.oplog.rs被设置成为一个capped集合，当容量达到配置上限时，会将最旧的数据删除掉。另外考虑到oplog在Secondary上可能重复应用，oplog必须具有幂等性，即重复应用也会得到相同的结果。
　　如下oplog的格式，包含ts、h、op、ns、o等字段
{　　
  "ts" : Timestamp(1446011584, 2),
　　
  "h" : NumberLong("1687359108795812092"),
　　
  "v" : 2,
　　
  "op" : "i",
　　
  "ns" : "test.nosql",
　　
  "o" : { "_id" : ObjectId("563062c0b085733f34ab4129"), "name" : "mongodb", "score" : "100" }
　　
}

• 　　ts： 操作时间，当前timestamp + 计数器，计数器每秒都被重置
  
• 　　h：操作的全局唯一标识
  
• 　　v：oplog版本信息
  
• 　　op：操作类型
  
  
  
  • 　　i：插入操作
    
  • 　　u：更新操作
    
  • 　　d：删除操作
    
  • 　　c：执行命令（如createDatabase，dropDatabase）
    
  • 　　n：空操作，特殊用途
    
  
  
• 　　ns：操作针对的集合
  
• 　　o：操作内容，如果是更新操作
  
• 　　o2：操作查询条件，仅update操作包含该字段
  

　　Secondary初次同步数据时，会先进行init sync，从Primary（或其他数据更新的Secondary）同步全量数据，然后不断通过tailable cursor从Primary的local.oplog.rs集合里查询最新的oplog并应用到自身。
　　init sync过程包含如下步骤

• 　　T1时间，从Primary同步所有数据库的数据（local除外），通过listDatabases + listCollections + cloneCollection敏命令组合完成，假设T2时间完成所有操作。
  
• 　　从Primary应用[T1-T2]时间段内的所有oplog，可能部分操作已经包含在步骤1，但由于oplog的幂等性，可重复应用。
  
• 　　根据Primary各集合的index设置，在Secondary上为相应集合创建index。（每个集合_id的index已在步骤1中完成）。
  

　　oplog集合的大小应根据DB规模及应用写入需求合理配置，配置得太大，会造成存储空间的浪费；配置得太小，可能造成Secondary的init sync一直无法成功。比如在步骤1里由于DB数据太多、并且oplog配置太小，导致oplog不足以存储[T1, T2]时间内的所有oplog，这就Secondary无法从Primary上同步完整的数据集。
修改复制集配置
　　当需要修改复制集时，比如增加成员、删除成员、或者修改成员配置（如priorty、vote、hidden、delayed等属性），可通过replSetReconfig命令（rs.reconfig()）对复制集进行重新配置。
　　比如将复制集的第2个成员Priority设置为2，可执行如下命令
cfg = rs.conf();　　
cfg.members[1].priority = 2;
　　
rs.reconfig(cfg);
细说Primary选举
　　Primary选举除了在复制集初始化时发生，还有如下场景

• 　　复制集被reconfig
  
• 　　Secondary节点检测到Primary宕机时，会触发新Primary的选举
  
• 　　当有Primary节点主动stepDown（主动降级为Secondary）时，也会触发新的Primary选举
  

　　Primary的选举受节点间心跳、优先级、最新的oplog时间等多种因素影响。
节点间心跳
　　复制集成员间默认每2s会发送一次心跳信息，如果10s未收到某个节点的心跳，则认为该节点已宕机；如果宕机的节点为Primary，Secondary（前提是可被选为Primary）会发起新的Primary选举。
节点优先级

• 　　每个节点都倾向于投票给优先级最高的节点
  
• 　　优先级为0的节点不会主动发起Primary选举
  
• 　　当Primary发现有优先级更高Secondary，并且该Secondary的数据落后在10s内，则Primary会主动降级，让优先级更高的Secondary有成为Primary的机会。
  

Optime
　　拥有最新optime（最近一条oplog的时间戳）的节点才能被选为主。
网络分区
　　只有更大多数投票节点间保持网络连通，才有机会被选Primary；如果Primary与大多数的节点断开连接，Primary会主动降级为Secondary。当发生网络分区时，可能在短时间内出现多个Primary，故Driver在写入时，最好设置『大多数成功』的策略，这样即使出现多个Primary，也只有一个Primary能成功写入大多数。
复制集的读写设置
Read Preference
　　默认情况下，复制集的所有读请求都发到Primary，Driver可通过设置Read Preference来将读请求路由到其他的节点。

• 　　primary： 默认规则，所有读请求发到Primary
  
• 　　primaryPreferred： Primary优先，如果Primary不可达，请求Secondary
  
• 　　secondary： 所有的读请求都发到secondary
  
• 　　secondaryPreferred：Secondary优先，当所有Secondary不可达时，请求Primary
  
• 　　nearest：读请求发送到最近的可达节点上（通过ping探测得出最近的节点）
  

Write Concern
　　默认情况下，Primary完成写操作即返回，Driver可通过设置[Write Concern(https://docs.mongodb.org/manual/core/write-concern/)来设置写成功的规则。
　　如下的write concern规则设置写必须在大多数节点上成功，超时时间为5s。
db.products.insert(　　
  { item: "envelopes", qty : 100, type: "Clasp" },
　　
  { writeConcern: { w: majority, wtimeout: 5000 } }
　　
)
　　上面的设置方式是针对单个请求的，也可以修改副本集默认的write concern，这样就不用每个请求单独设置。
cfg = rs.conf()　　
cfg.settings = {}
　　
cfg.settings.getLastErrorDefaults = { w: "majority", wtimeout: 5000 }
　　
rs.reconfig(cfg)
异常处理（rollback）
　　当Primary宕机时，如果有数据未同步到Secondary，当Primary重新加入时，如果新的Primary上已经发生了写操作，则旧Primary需要回滚部分操作，以保证数据集与新的Primary一致。
　　旧Primary将回滚的数据写到单独的rollback目录下，数据库管理员可根据需要使用mongorestore进行恢复。
参考资料

• 　　Mongodb复制集介绍