MongoDB复制集集群原理详解及部署

参考文献：https://docs.mongodb.com/manual/core/replica-set-members/

复制集介绍

MongoDB中的复制集(也被称为副本)是一组维护相同数据集的mongod进程。副本集提供冗余性及和高可用，是所有生产部署的基础。
简单来说，复制集有多台MongoDB组成的一个集群，集群中有一个主节点(Primary)和N个副本节点(Secondary)等，它们有相同的数据库，假如主MongoDB服务器或者MongoDB实例Down机之后，其它的副本服务器可以继续提供服务，实现数据的高可用及可靠性。

复制集群架构

术语介绍：

术语	类型	描述
Primary	主节点	负责整个集群的读写操作，包含了所有改变操作的日志
Secondary	备节点	同步主服务器所有的数据，负责集群的读取请求，主服务器宕机可以称为主节点
Arbiter	仲裁者	在主节点宕机后只进行投票，不参与选举，不同步主节点数据

此架构由一个Primary节点和两个Secondary节点组成

1）Primary节点为主节点，所有的写操作或者更改操作都只能从Primary节点中操作(复制集内的所有成员都可以接收读操作，但是，默认情况下，应用程序将其读操作指向主成员)，主节点上所有的更改及写操作都会记录到oplog日志中。

2）两台Secondary节点复制Primary节点的oplog日志，通过异步的方式去执行oplog日志中的记录来和Primary节点达到数据一致性。

3）oplog作用主要是记录主节点的写入操作，充当复制源。

4）如果Primary节点无故Down机之后，复制集集群会通过投票机制在两台Secondary中选举一台升级为Primary节点。

投票选举机制

MongoDB节点之间维护心跳检查，主节点选举由心跳触发。

心跳检查
MongoDB复制集成员会向自己之外的所有成员发送心跳并处理响应信息，因此每个节点都维护着该节点看到的其它所有节点的状态信息，节点根据自己的集群状态判断是否需要更新新的Primary。
在实现的时候主要由两个异步的过程分别处理心跳响应和超时，每个复制集成员都会在后台运行与复制集所有节点的心跳线程，在以下几种情况下会触发状态检测过程：

• Secondary节点权重(Priority)比Primary节点高时，发起替换选举；
• Secondary节点发现集群中没有Primary时，发起选举；
• Primary节点不能访问到大部分成员时主动降级，降级操作会断开连接，终止用户请求等；
• 复制集成员心跳检测结果发生变化，比如某个节点挂了或者新增节点，发起重新投票选举规则；
• 超过4s没有执行状态检测过程，发起替换选举；

选举发起
发起选举的节点首先需要做一些条件判断，维护主节点的有N个备用节点，备用节点中的所有节点都可能被选举成为主节点，成为主节点前每个备节点都会检测自身以及全局条件是否满足，检测条件如下：

1. 是否看见复制集中是否有Majority在线
2. 自身Priority是否大于0
3. 自身不为arbiter
4. 自身opTime不能落后于最新节点10s以上
5. 自身存储的集群程序按信息为最新

如果所有条件满足，则将自身添加到主节点的备用列表中，否则，将自身从列表中移除

自身检测

• MongoDB选举需要获得大多数投票才能通过，如果没有节点投反对票，且获得成票数超过有权投票节点总数的1/2，则能成为Primary。否则进入下一轮选举。为避免陷入无限重复选举，MongoDB建议复制集的成员个数为奇数，当Secondary为双数时，可以增加一个Arbiter节点。
• 选举过程中，复制集没有主节点，所有成员都是只读状态
• 选举过程很复杂，一般情况下需要5s左右进行选主。
• 如果新选择的主节点立刻挂掉，至少需要30s时间重新选主。

大多数的定义
　假设复制集内投票成员数量为N，则大多数 = 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。
　我们按照上面的架构来举例，三台MongoDB，一台Primary，两台Secondary，主节点挂了之后，只有两台Secondary可以投票，根据公式我们来算 “2/2 + 1 = 2”，也就是算大多数等于2，但是当复制集内存活的成员数量不足大多数时，我们的大多数为2，集群成员也为2，所以这两台集群成员会发起选举投票机制，如果两台Secondary节点自身条件都满足的情况下，则先发起选举节点的成员成为Primary节点
　

投票成员数	大多数	容忍失效数
1	1	0
2	2	0
3	2	1
4	3	1
5	3	2
6	4	2
7	4	3

复制集群成员说明

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。

优先级为0复制集成员

此架构由一个Primary节点和两个Secondary节点组成

1）此架构由一台Primary主节点和两台Secondary备节点组成，其原理就是主从复制架构的原理，两台Secondary节点同样通过oplog日志来与Primary主节点达成数据一致

2）与其不同的是在Data Center2节点上的Secondary备用节点的实例优先级priority为0，则不参与选举，也不可能会成为Primary节点，将其优先级配置为0，主要是防止它成为主节点，这在多数据中心的部署特别有用。

3）优先级值范围为 0-100(0表示不参与选举)，在复制集群中，优先级高的优先成为主节点，假如我们原来集群中有三台节点，主节点优先级为2，其它两台备节点优先级为1，当我们新加入到集群一台MongoDB实例，给它优先级设置为4，则该实例在加入集群后就会自动抢夺Primary到本机。

仲裁节点架构

上图中，三个成员组成复制集群

一个主库：负责整个集群的所有写、更改操作

一个从库：通过oplog日志来与主节点数据达成一致

一个Airbiter节点，在选举中，只进行投票，不能成为主库，而且不复制Primary的任何数据，因此这个架构中只能提供一个完成的副本Secondary，Arbiter只需要很少的资源，代价是有限的冗余和容错，当Primary节点故障后，Aribiter将票数头给Secondary，使其成为Primary节点，如果Primary节点再次故障后，集群将不可用，Arbiter节点也未存储任何数据。

集群中还有其它的节点成员，但是我们用的比较少，所以此文章中没有提到。
可以自行查阅官方文档：https://docs.mongodb.com/manual/core/replica-set-members/

复制集集群环境部署

环境说明

本次使用一台设备多实例进行，如果你准备在多台设备上部署，你需要考虑的如下：
1）时钟是否一致
2）网络是否通畅
3）SElinux是否关闭或者策略放通
4）环境是否一致

[root@MongoDB ~]# lsb_release -a
LSB Version:	:core-4.1-amd64:core-4.1-noarch:cxx-4.1-amd64:cxx-4.1-noarch:desktop-4.1-amd64:desktop-4.1-noarch:languages-4.1-amd64:languages-4.1-noarch:printing-4.1-amd64:printing-4.1-noarch
Distributor ID:	CentOS
Description:	CentOS Linux release 7.6.1810 (Core) 
Release:	7.6.1810
Codename:	Core
[root@MongoDB ~]# hostname -I
10.211.55.12 192.168.0.100 fdb2:2c26:f4e4:0:21c:42ff:fedf:4d85 

前期准备

#创建用户组
useradd mongod
echo 'abcdef' | passwd --stdin mongod

#下载MongoDB
wget https://fastdl.mongodb.org/linux/mongodb-linux-x86_64-rhel70-4.2.0.tgz

#添加文件打开数和mongod用户进程连接数
cat >> /etc/security/limits.conf << EOF
* soft nofile 65536
* hard nofile 65536
mongod soft nproc 32768
mongod hard nproc 32768
EOF 

#使下面两个文件修改为never
echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag

#开机自动修改
cat >> /etc/rc.local << EOF
if test -f /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled;then
    echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
fi

if test -f /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag;then
    echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag
fi
EOF
此步骤完成后

#官方给出MongoDB需要以下两个库的依赖
yum install libcurl openssl -y

#解压并复制程序文件到bin目录
mkdir /usr/local/mongodb
tar xf mongodb-linux-x86_64-rhel70-4.2.0.tgz
cp -rf mongodb-linux-x86_64-rhel70-4.2.0/bin/ /usr/local/mongodb/
chown -Rf mongod.mongod /usr/local/moongodb/

#添加程序环境
cat >> /etc/profile << EOF
export MONGODB_HOME=/usr/local/mongodb
export PATH=\$MONGODB/bin:\$PATH
EOF

source /etc/profile

环境配置

1）接下来使用mongod用户来操作

su mongod

2）创建文件目录

#!/bin/bash
for i in 27017 27018 27019
    do
	mkdir -p /usr/local/mongodb/$i/{conf,data,logs,run}
done

配置文件

编辑一台配置文件，然后复制到其它实例，配置文件为yaml语法
关于以下配置文件详解，请参考：”https://abcops.cn/mongodb-conf/“

cat > mongod.conf << EOF
systemLog:
  destination: file
  path: /usr/local/mongodb/27017/logs/mongodb.log
  logAppend: true
  verbosity: 0
  logRotate: rename

storage:
  journal:
    enabled: true
  dbPath: /usr/local/mongodb/27017/data
  directoryPerDB: true
  engine: wiredTiger
  wiredTiger:
    engineConfig:
      cacheSizeGB: 1
      directoryForIndexes: true
      journalCompressor: zlib
    collectionConfig:
      blockCompressor: zlib
    indexConfig:
      prefixCompression: true

processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /usr/local/mongodb/27017/run/mongod.pid

net:
  port: 27017
  bindIp: 10.211.55.12
  maxIncomingConnections: 65536
  wireObjectCheck: true
  ipv6: false

replication:
  oplogSizeMB: 4096
  replSetName: abcops_repl

setParameter:
  connPoolMaxShardedConnsPerHost: 200
  connPoolMaxConnsPerHost: 200
EOF

复制配置文件到目录中，并修改其端口及目录位置

#!/bin/bash
for i in 27017 27018 27019
    do
        \cp /home/mongod/mongod.conf /usr/local/mongodb/$i/conf
        sed -i "s/27017/$i/g" /usr/local/mongodb/$i/conf/mongod.conf
done

启动MongoDB实例

启动脚本如下

#!/bin/bash
for i in 27017 27018 27019
    do
        /usr/local/mongodb/bin/mongod -f /usr/local/mongodb/$i/conf/mongod.conf
done

关闭脚本如下

#!/bin/bash
for i in 27017 27018 27019
    do
        /usr/local/mongodb/bin/mongod --shutdown -f /usr/local/mongodb/$i/conf/mongod.conf
done

三个实例启动后，不代表复制集已经搭建成功了，还需要进行复制集初始化

配置复制集

连接任何一个实例都可以进行配置

这是我连接27017的实例
/usr/local/mongodb/bin/mongo --host 10.211.55.12 --port 27017

> use admin

> config={
_id:'abcops_repl',
members:[
{_id: 0, host: '10.211.55.12:27017',priority:2},
{_id: 1, host: '10.211.55.12:27018',priority:1},
{_id: 2, host: '10.211.55.12:27019',arbiterOnly:true},
    ]
}

> rs.initiate(config)


#以上参数解析
use admin：进入admin数据库
config：配置复制集
_id:'abcops_repl'：指定复制集组名称，与配置文件中的 replSetName 参数需要保持一致
members：规定的函数，不能更改
_id：设置组成员的ID编号，可以自定义，我这里为 0、1、2
host：指定加入复制集成员的IP地址及端口，我们在配置文件中指定了bindIp为10.211.55.12，这里就不能写127.0.0.1,必须写为bind_Ip指定的地址
priority：指定优先级0-100，优先级最高的成为Primary节点，优先级为可选选项，如果不指定默认都为1
arbiterOnly：是否开启仲裁节点true/false

rs.initiate(config)：初始化复制集配置

以上参数图示如下，给你提供下参照

图中开始为SECONDARY,代表复制集集群正在进行选举Primary节点，大概5s左右，根据选举机制选举成功后，成为主节点的SECONDARY状态变为PRIMARY

复制集常用命令

1）查看谁是主节点

abcops_repl:PRIMARY> db.isMaster()     

2）查看当前复制集集群中成员的配置

abcops_repl:PRIMARY> rs.conf()

3）查看复制集集群成员状态

abcops_repl:PRIMARY> rs.status()

4）新增节点到复制集
新增节点之前，该实例的配置中的replSetName复制集名称，必须和集群一致

abcops_repl:PRIMARY> rs.add("10.211.55.12:27020")

5）新增仲裁节点

abcops_repl:PRIMARY> rs.addArb("10.211.55.12:27020")

6）从复制集内删除节点

abcops_repl:PRIMARY> rs.remove("10.211.55.12:27020")

7）检查oplog日志时间和大小

abcops_repl:PRIMARY> rs.printReplicationInfo() 
configured oplog size:   4096MB
log length start to end: 2422secs (0.67hrs)
oplog first event time:  Wed Sep 11 2019 12:22:13 GMT+0800 (CST)
oplog last event time:   Wed Sep 11 2019 13:02:35 GMT+0800 (CST)
now:                     Wed Sep 11 2019 13:02:37 GMT+0800 (CST)

8）降级服务器
此操作只能在PRIMARY上操作
通过执行rs.stepDown命令将当前主服务器主动降级为备用节点，120单位为s，为120秒内这个实力不能把自己选为PRIMARY角色，120秒后由于它本身的优先级较高，所以会重新抢占PRIMARY节点。

abcops_repl:PRIMARY> rs.stepDown(120)

9）允许在Secondary节点可以进行查询
在副本节点上操作

rs.slaveOk()

10）查看当前连接

db.getMongo()

修改优先级

修改27018的优先级为3，使其优先级超过27017实例，夺得PRIMARY角色，此操作需在PRIMARY上执行

abcops_repl:PRIMARY> config=rs.conf()
abcops_repl:PRIMARY> config.members[1].priority=3
3
abcops_repl:PRIMARY> rs.reconfig(config)
{
	"ok" : 1,
	"$clusterTime" : {
		"clusterTime" : Timestamp(1568179129, 1),
		"signature" : {
			"hash" : BinData(0,"AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA="),
			"keyId" : NumberLong(0)
		}
	},
	"operationTime" : Timestamp(1568179129, 1)
}

abcops_repl:PRIMARY> rs.conf()
abcops_repl:SECONDARY> db.isMaster()

#以上参数解析
config=rs.conf()：将现有的配置读取到变量中进行存储
config.members[1].priority=3：修改变量中的值，1是指执行rs.conf()中看到节点的顺序，不是ID号哦，rs.conf()看到的顺序是从0开始排序，三个副本集排序就是0-3
rs.reconfig(config)：将修改后的数据同步到配置，使修改生效

rs.conf()：查看当前配置，可以看到优先级哦
db.isMaster()：查看谁是Primary节点

复制测试

1）插入数据

#连接当前Primary节点
/usr/local/mongodb/bin/mongo --host 10.211.55.12 --port 27018

#进入abcops数据库，在documents文档中插入以下JSON格式的数据
abcops_repl:PRIMARY> use abcops
abcops_repl:PRIMARY> db.documents.insert(
    {name: "xuweiliang",
    age: 25,
    Job: "DevOps"}
)

#查看documents文档中的数据
abcops_repl:PRIMARY> db.documents.find()
{ "_id" : ObjectId("5d78863768fbf9eac4704232"), "name" : "xuweiliang", "age" : 25, "Job" : "DevOps" }

#查看复制节点状态
abcops_repl:PRIMARY> rs.printSlaveReplicationInfo()
source: 10.211.55.12:27017
	syncedTo: Wed Sep 11 2019 13:30:42 GMT+0800 (CST)
	0 secs (0 hrs) behind the primary

2）登录Secondary节点查看

/usr/local/mongodb/bin/mongo --host 10.211.55.12 --port 27017

abcops_repl:SECONDARY> rs.slaveOk()         #运行副本节点可进行查询
abcops_repl:SECONDARY> show dbs             #查看当前节点的数据库
abcops  0.000GB
admin   0.000GB
config  0.000GB
local   0.000GB
abcops_repl:SECONDARY> use abcops               #abcops数据库已经从主节点同步至此
switched to db abcops
abcops_repl:SECONDARY> db.getCollectionNames()  #以下连续三个命令都是查看进入到abcops库中的文档命令
[ "documents" ]
abcops_repl:SECONDARY> show collections
documents
abcops_repl:SECONDARY> show tables
documents
abcops_repl:SECONDARY> db.documents.find()      #查看文档中的内容
{ "_id" : ObjectId("5d78863768fbf9eac4704232"), "name" : "xuweiliang", "age" : 25, "Job" : "DevOps" }

创建复制集中的账户

1）连接到主节点，创建用户
以下创建的用户及权限和角色请参考下面用户权限说明

/usr/local/mongodb/bin/mongo --host 10.211.55.12 --port 27018
abcops_repl:PRIMARY> use admin

abcops_repl:PRIMARY> db.createUser( {
        user:'abcops',
        pwd:'123456',
        roles:[ { role: "root", db: "admin" } ]
    }
)
Successfully added user: {
	"user" : "abcops",
	"roles" : [
		{
			"role" : "root",
			"db" : "admin"
		}
	]
}

#查看所有创建的用户信息
abcops_repl:PRIMARY> show users 

用户中权限的说明

权限	说明
Read	允许用户读取指定数据库
readWrite	允许用户读写指定数据库
dbAdmin	允许用户在指定数据库中指定管理函数，如(索引创建、删除、查看统计访问system.profile)
userAdmin	允许用户向system.users集合写入，可以找指定数据里面创建、删除和管理用户
clusterAdmin	只在admin数据库中可用，赋予用户所有分片和复制集相关函数的管理权限
readAnyDatabase	只在admin数据库中可用，赋予用户所有数据库的读权限
readWriteAnyDatabase	只在admin数据库中可用，赋予用户所有数据库的读写权限
userWriteAnyDatabase	只在admin数据库中可用，赋予用户所有数据库的userAdmin权限
dbAdminAnyDatabase	只在admin数据库中可用，赋予用户所有数据库的dbAdmin权限
root	只在admin数据库中可用，超级管理员

为复制集集群添加权限认证

复制集我们这里采用keyfile文件实现权限认证，并且副本集中的所有成员使用的keyfile必须一样

添加安全认证配置

三台实例必须都要配置

cat >> /usr/local/mongodb/27017/conf/mongod.conf << EOF

security:
  authorization: enabled
  clusterAuthMode: keyFile
  keyFile: /usr/local/mongodb/27017/conf/keyfile
  javascriptEnabled: true
EOF 


cat >> /usr/local/mongodb/27018/conf/mongod.conf << EOF

security:
  authorization: enabled
  clusterAuthMode: keyFile
  keyFile: /usr/local/mongodb/27018/conf/keyfile
  javascriptEnabled: true
EOF

cat >> /usr/local/mongodb/27019/conf/mongod.conf << EOF

security:
  authorization: enabled
  clusterAuthMode: keyFile
  keyFile: /usr/local/mongodb/27019/conf/keyfile
  javascriptEnabled: true
EOF

keyfile文件操作

1）生产keyfile文件

openssl rand -base64 90 > ./keyfile

2）复制keyfile文件到其它实例中

#!/bin/bash
for i in 27017 27018 27019
    do
        \cp /home/mongod/keyfile /usr/local/mongodb/$i/conf/
done

3）修改keyfile权限
keyfile文件权限必须为 X00 ，不能给 group 和 other 成员分配任何权限，否则实例无法启动

#!/bin/bash
for i in 27017 27018 27019
    do
        chmod 400 /usr/local/mongodb/$i/conf/keyfile
done

4）重启所有实例

#!/bin/bash
for i in 27017 27018 27019
    do
        /usr/local/mongodb/bin/mongod --shutdown -f /usr/local/mongodb/$i/conf/mongod.conf
        sleep 3s
        /usr/local/mongodb/bin/mongod -f /usr/local/mongodb/$i/conf/mongod.conf
done

认证验证

登录验证可以在连接的时候指定用户名和密码，也可以先连接到数据库后再进行认证

1）登录指定用户密码

/usr/local/mongodb/bin/mongo --host 10.211.55.12 --port 27018 --username abcops -p 123456
abcops_repl:PRIMARY> show dbs
abcops  0.000GB
admin   0.000GB
config  0.000GB
local   0.000GB

2）先登录，后验证

abcops_repl:PRIMARY> use admin                          #必须要先切换到admin库中才可以进行进行验证
switched to db admin
abcops_repl:PRIMARY> db.auth( 'abcops','123456' )       #认证用户名及密码，认证成功返回1，否则返回0
1
abcops_repl:PRIMARY> show dbs           
abcops  0.000GB
admin   0.000GB
config  0.000GB
local   0.000GB
abcops_repl:PRIMARY> db
admin

3）在备库进行验证
备库只能进行查询，勿要在备库上进行任何操作

/usr/local/mongodb/bin/mongo --host 10.211.55.12 --port 27017

abcops_repl:SECONDARY> rs.slaveOk()
abcops_repl:SECONDARY> use admin
switched to db admin
abcops_repl:SECONDARY> db.auth('abcops','123456')
1

客户端验证

我们可以找一台SQL管理工具来连接该库

可以看到我创建的abcops库和一个文档及三个字段

有段时间没跟大家分享资源福利了，看了下自己的资料夹，整理了一些我认为比较好的Python学习资料了。相信这套资料可以对你进阶高级工程师有帮助

学习工具

大厂实战手册

自学视频（部分）

【资料免费领取方式】:点这里：2020Python高薪实战学习大合集