第五部分 架构篇 第十四章 MongoDB Replica Sets 架构（自动故障转移/读写分离实践）

浏览数：41 / 时间：2015年06月12日

说明：该篇内容部分来自红丸编写的MongoDB实战文章。

1、简介

MongoDB支持在多个机器中通过异步复制达到故障转移和实现冗余，多机器中同一时刻只有一台是用于写操作，正是由于这个情况，为了MongoDB提供了数据一致性的保障，担当primary角色的服务能把读操作分发给Slave(详情请看前两篇关于Replica Set成员组成和理解)。

MongoDB高可用分为两种：

  • Master-Slave主从复制：只需要在某一个服务启动时加上-master参数，而另外一个服务加上-slave与-source参数，即可实现同步，MongoDB的最新版本已经不在推荐此方案。在官网的文档中有如下一段提醒：

IMPORTANT

Replica sets replace master-slave replication for most use cases. If possible, use replica sets rather than master-slave replication for all new production deployments. This documentation remains to support legacy deployments and for archival purposes only.

     意思就是说在很多的案例中已经用Replica Set来替代Master-slave。

  • Replica Set复制集：MongoDB在1.6版本后开发了新功能Replica Set，这比之前的Replication功能要强大一些，增加了故障自动切换和自动修复成员节点，各个DB之间数据完全一致，大大降低了维护难度，auto shard已经明确说明不支持replication paris，建议使用Replica Set,故障完全自动切换。

2、实践架构
MongoDB的Replica Set的架构非常类似一个集群，是的，你完全可以把它当做集群，因为它却是跟集群实现的作用是一样的，其中一个节点故障，其他的节点马上会将业务接过来而无须停机操作，在此实践中就选择MongoDB最常用的3个成员架构。
技术分享

3、部署Replica Set
接下来将一步一步的给来实施该架构的部署
  • 环境准备
     系统环境：CentOS 6.4 64 bit(一台虚拟机)
     MongoDB版本：MongoDB 2.6版本
  • 步骤
创建数据存储目录：
[root@localhost mongodb]# mkdir -p r0
[root@localhost mongodb]# mkdir -p r1
[root@localhost mongodb]# mkdir -p r2
创建日志文件路径：
[root@localhost mongodb]# mkdir -p log
创建主从key文件，用于标识集群的私钥的完整路径，如果各个实例的keyfile内容不一致，程序将不能正常启动。
[root@localhost mongodb]# mkdir -p key
[root@localhost mongodb]# echo "this is rs1 super secret key">key/r0
[root@localhost mongodb]# echo "this is rs1 super secret key">key/r1
[root@localhost mongodb]# echo "this is rs1 super secret key">key/r2
[root@localhost mongodb]# chmod 600 key/r*
[root@localhost mongodb]#
启动三个实例：
[root@localhost bin]# ./mongod --replSet rs1 --keyFile=/usr/local/mongodb/key/r0 --fork --port 28010 --dbpath=/usr/local/mongodb/r0 --logpath=/usr/local/mongodb/log/r0.log --logappend
about to fork child process, waiting until server is ready for connections.
forked process: 2545
[root@localhost bin]# ./mongod --replSet rs1 --keyFile=/usr/local/mongodb/key/r1 --fork --port 28011 --dbpath=/usr/local/mongodb/r1 --logpath=/usr/local/mongodb/log/r1.log --logappend
about to fork child process, waiting until server is ready for connections.
forked process: 2596
[root@localhost bin]# ./mongod --replSet rs1 --keyFile=/usr/local/mongodb/key/r2 --fork --port 28012 --dbpath=/usr/local/mongodb/r2 --logpath=/usr/local/mongodb/log/r2.log --logappend
about to fork child process, waiting until server is ready for connections.
forked process: 2602
说明：三个实例端口分别为28010、28011、28012 数据存放文件分别为r0、r1、r2。
配置以及初始化Replica Sets
[root@localhost bin]# ./mongo --port 28010
MongoDB shell version: 2.6.6
connecting to: 127.0.0.1:28010/test
> config_rs1={_id:"rs1",members:[{_id:0,host:'localhost:28010',priority:1},{_id:1,host:'localhost:28011'},{_id:2,host:'localhost:28012'}]}
{
        "_id" : "rs1",
        "members" : [
                {
                        "_id" : 0,
                        "host" : "localhost:28010",
                        "priority" : 1
                },
                {
                        "_id" : 1,
                        "host" : "localhost:28011"
                },
                {
                        "_id" : 2,
                        "host" : "localhost:28012"
                }
        ]
}
>
说明：指定每个阶段的IP和端口，priority=1作用将端口28010设置为primary。
> rs.initiate(config_rs1);
{
        "info" : "Config now saved locally.  Should come online in about a minute.",
        "ok" : 1
}
>
查看复制集的状态：
rs1:OTHER>  rs.status();
{
        "set" : "rs1",
        "date" : ISODate("2015-01-16T03:10:41Z"),
        "myState" : 2,
        "members" : [
                {
                        "_id" : 0,
                        "name" : "localhost:28010",
                        "health" : 1,
                        "state" : 2,
                        "stateStr" : "SECONDARY",
                        "uptime" : 260,
                        "optime" : Timestamp(1421377833, 1),
                        "optimeDate" : ISODate("2015-01-16T03:10:33Z"),
                        "self" : true
                },
                {
                        "_id" : 1,
                        "name" : "localhost:28011",
                        "health" : 1,
                       <span style="background-color: rgb(255, 0, 0);"><span style="color:#ff0000;"> </span>"state" : 5,
                        "stateStr" : "STARTUP2",</span>
                        "uptime" : 8,
                        "optime" : Timestamp(0, 0),
                        "optimeDate" : ISODate("1970-01-01T00:00:00Z"),
                        "lastHeartbeat" : ISODate("2015-01-16T03:10:39Z"),
                        "lastHeartbeatRecv" : ISODate("2015-01-16T03:10:39Z"),
                        "pingMs" : 0,
                        "<span style="background-color: rgb(255, 0, 0);">lastHeartbeatMessage" : "initial sync need a member to be primary or secondary to do our initial sync"</span>
                },
                {
                        "_id" : 2,
                        "name" : "localhost:28012",
                        "health" : 1,
                        "state" : 5,
                        "stateStr" : "STARTUP2",
                        "uptime" : 8,
                        "optime" : Timestamp(0, 0),
                        "optimeDate" : ISODate("1970-01-01T00:00:00Z"),
                        "lastHeartbeat" : ISODate("2015-01-16T03:10:39Z"),
                        "lastHeartbeatRecv" : ISODate("2015-01-16T03:10:40Z"),
                        "pingMs" : 0,
                        <span style="background-color: rgb(255, 0, 0);">"lastHeartbeatMessage" : "initial sync need a member to be primary or secondary to do our initial sync"</span>
                }
        ],
        "ok" : 1
}

说明：在name为localhost:28010的节点的stateStr为SECONDARY，这是为什么呢？我们结合下面红色字体标注的地方来看，在调用rs.initiatie初始化Replica Set配置时，里面的提示信息为：
Should come online in about a minute,也就是这个过程需要花费大约一分钟，执行该方法后，命令行却已经结束，此时立马使用rs.status方法查询时，就出现上述代码的问题，此时系统还在初始化，primary和Secondary还并没有完全定义完，此时的三个节点状态为2或者5.state=5的通过lastHeartbeatMessage可以查出正在同步中。
过一会再次执行rs.status()方法查看状态：
rs1:PRIMARY> rs.status();
{
        "set" : "rs1",
        "date" : ISODate("2015-01-16T03:13:09Z"),
        "myState" : 1,
        "members" : [
                {
                        "_id" : 0,
                        "name" : "localhost:28010",
                        "health" : 1,
                        "state" : 1,
                        "stateStr" : "PRIMARY",
                        "uptime" : 408,
                        "optime" : Timestamp(1421377833, 1),
                        "optimeDate" : ISODate("2015-01-16T03:10:33Z"),
                        "electionTime" : Timestamp(1421377841, 1),
                        "electionDate" : ISODate("2015-01-16T03:10:41Z"),
                        "self" : true
                },
                {
                        "_id" : 1,
                        "name" : "localhost:28011",
                        "health" : 1,
                        "state" : 2,
                        "stateStr" : "SECONDARY",
                        "uptime" : 156,
                        "optime" : Timestamp(1421377833, 1),
                        "optimeDate" : ISODate("2015-01-16T03:10:33Z"),
                        "lastHeartbeat" : ISODate("2015-01-16T03:13:09Z"),
                        "lastHeartbeatRecv" : ISODate("2015-01-16T03:13:07Z"),
                        "pingMs" : 1,
                        "syncingTo" : "localhost:28010"
                },
                {
                        "_id" : 2,
                        "name" : "localhost:28012",
                        "health" : 1,
                        "state" : 2,
                        "stateStr" : "SECONDARY",
                        "uptime" : 156,
                        "optime" : Timestamp(1421377833, 1),
                        "optimeDate" : ISODate("2015-01-16T03:10:33Z"),
                        "lastHeartbeat" : ISODate("2015-01-16T03:13:08Z"),
                        "lastHeartbeatRecv" : ISODate("2015-01-16T03:13:09Z"),
                        "pingMs" : 0,
                        "syncingTo" : "localhost:28010"
                }
        ],
        "ok" : 1
}
此时Replica Set已经初始化完成，各个节点状态均以正常，state=1的为primary服务。state=2的为SECONDARY服务节点。两个SECONDARY状态的阶段都是通过28010端口同步数据，通过syncingTo字段可以看出。
参数说明：
_id:唯一键
name:主机名称端口
health:健康状态，1为健康
state:服务状态 1为PRIMARY 2为SECONDARY，还有其他在后续会讲解，如5为同步中
stateStr:状态描述
optime:操作时间
optimeDate:操作日期
electionTime:选举成员时间
electionDate:选举成员日期
lastHearbeat:最后心跳时间
lastHearbeatRecv:最后心跳接收时间
pingMs:mongod服务状态
syncingTo：同步数据源头

还可以用isMaster查看Replica Sets状态。
rs1:PRIMARY> rs.isMaster();
{
        "setName" : "rs1",
        "setVersion" : 1,
        "ismaster" : true,
        "secondary" : false,
        "hosts" : [
                "localhost:28010",
                "localhost:28012",
                "localhost:28011"
        ],
        "primary" : "localhost:28010",
        "me" : "localhost:28010",
        "maxBsonObjectSize" : 16777216,
        "maxMessageSizeBytes" : 48000000,
        "maxWriteBatchSize" : 1000,
        "localTime" : ISODate("2015-01-16T02:38:58.479Z"),
        "maxWireVersion" : 2,
        "minWireVersion" : 0,
        "ok" : 1
}
rs1:PRIMARY>

3.1、主从操作日志oplog
MongoDB的Replica Set架构是通过一个日志来存储写操作的，这个日志叫做oplog，在前面的教程中已经学习过了，oplog.rs是一个固定长度的capped collection，它存在于local数据库中，用于记录Replica Sets的操作日志，在默认情况下，对于64位的MongoDB，oplog是比较大的，可以达到5%的磁盘空间，oplog的大小可以通过mongod的参数--oplogSize来改变oplog的日志大小。
rs1:PRIMARY> use local
switched to db local
rs1:PRIMARY> show collections
me
oplog.rs
startup_log
system.indexes
system.replset
rs1:PRIMARY> \
rs1:PRIMARY> db.oplog.rs.find();
{ "ts" : Timestamp(1421375729, 1), "h" : NumberLong(0), "v" : 2, "op" : "n", "ns" : "", "o" : { "msg" : "initiating set" } }
rs1:PRIMARY>

字段说明：
ts:某个操作的时间戳
op:操作类型：如下：
i:insert
d:delete
u:update
ns：命名空间，也就是操作的collection name
o:doucment的内容
查看master的oplog的元数据信息：
rs1:PRIMARY> db.printReplicationInfo();
configured oplog size:   990MB
log length start to end: 0secs (0hrs)
oplog first event time:  Fri Jan 16 2015 10:35:29 GMT+0800 (CST)
oplog last event time:   Fri Jan 16 2015 10:35:29 GMT+0800 (CST)
now:                     Fri Jan 16 2015 10:45:18 GMT+0800 (CST)
rs1:PRIMARY>
字段说明：
configured oplog size:配置的oplog文件大小。
log length start to end:oplog日志的启用时间段。
oplog first event time:第一个事务日志的产生时间。
oplog last event time:最后一个事务日志的产生时间。
now:现在的时间值。
查看slave的同步状态：
rs1:PRIMARY> db.printSlaveReplicationInfo();
source: localhost:28011
        syncedTo: Thu Jan 01 1970 08:00:00 GMT+0800 (CST)
        1421375729 secs (394826.59 hrs) behind the primary 
source: localhost:28012
        syncedTo: Thu Jan 01 1970 08:00:00 GMT+0800 (CST)
        1421375729 secs (394826.59 hrs) behind the primary 
rs1:PRIMARY>
字段说明：
source:从库的IP以及端口
syncedTo:目前的同步情况，延迟了多久等信息。

3.2、主从配置信息
在local库中不仅有主从日志oplog集合，还有一个集合用于记录主从配置信息：system.replset
rs1:PRIMARY> db.system.replset.find();
{ "_id" : "rs1", "version" : 1, "members" : [ { "_id" : 0, "host" : "localhost:28010" }, { "_id" : 1, "host" : "localhost:28011" }, { "_id" : 2, "host" : "localhost:28012" } ] }
rs1:PRIMARY>
从这个集合中可以看出，Replica Sets的配置信息，也可以在任何一个成员实例上执行rs.conf()来查看配置信息。


3.3、Replica set测试
写操作和查询操作测试
分别从28010、28011、28012端口进行插入数据操作
28010操作如下：
[root@localhost bin]# ./mongo --port 28010
MongoDB shell version: 2.6.6
connecting to: 127.0.0.1:28010/test
rs1:PRIMARY> db.student.insert({name:"zhangsan",age:20});
WriteResult({ "nInserted" : 1 })
<span style="background-color: rgb(255, 0, 0);">rs1:PRIMARY</span>> db.student.find();
{ "_id" : ObjectId("54b87ca7f663c819d621d590"), "name" : "zhangsan", "age" : 20 }
rs1:PRIMARY>
28011操作如下：
[root@localhost bin]# ./mongo --port 28011
MongoDB shell version: 2.6.6
connecting to: 127.0.0.1:28011/test
rs1:SECONDARY> show collections
2015-01-16T11:22:54.517+0800 error: { "$err" : "<span style="background-color: rgb(255, 102, 102);">not master and slaveOk=false</span>", "code" : 13435 } at src/mongo/shell/query.js:131
当查询的时候报错了，说明是个从库不能执行查询操作。
此时应该让从库可读，通过setSlaveOk()方法即可让其可读
rs1:SECONDARY> db.getMongo().setSlaveOk();
<span style="background-color: rgb(255, 0, 0);">rs1:SECONDARY</span>> show collections;
student
system.indexes
rs1:SECONDARY>
此时便可以进行查询操作了。
在此要注意下连接到mongod服务之后，命令行开头变成了rs1.SECONDARY和rs1.PRIMARY，说明当前登录的rs1这个复制集得PRIMARY节点或者SECONDARY的节点。
此时查询student的数据：
rs1:SECONDARY> db.student.find();
{ "_id" : ObjectId("54b883fb7bd891605d9c300f"), "name" : "zhangsan", "age" : 20 }
rs1:SECONDARY>
28012端口操作如下：
[root@localhost bin]# ./mongo --port 28012
MongoDB shell version: 2.6.6
connecting to: 127.0.0.1:28012/test
rs1:SECONDARY> show collections
2015-01-16T11:27:04.747+0800 error: { "$err" : "not master and slaveOk=false", "code" : 13435 } at src/mongo/shell/query.js:131
rs1:SECONDARY> db.getMongo().setSlaveOk();
rs1:SECONDARY> show collections
student
system.indexes
rs1:SECONDARY> db.student.find();
{ "_id" : ObjectId("54b883fb7bd891605d9c300f"), "name" : "zhangsan", "age" : 20 }
rs1:SECONDARY>
在28011端口上进行写操作：
[root@localhost bin]# ./mongo --port 28011
MongoDB shell version: 2.6.6
connecting to: 127.0.0.1:28011/test
rs1:SECONDARY> db.student.insert({name:"lisi",age:20});
WriteResult({ "writeError" : { "code" : undefined, "errmsg" : "not master" } })
此时提示不是master不能进行写操作，这跟前面两章节详细讲解Replica Set架构的相关原理相符合。
同样在28012端口也是如此，验证了Replica Set只有PRIMARY才能接收所有的写操作，SECONDARY最多也就只有读操作，还需要通过db.getMongo().setSlaveOk()来进行设置才可以。

故障转移
复制集比传统的Master-Slave有改进的地方就是他可以进行故障自动转移，如果我们停掉复制集中的一个成员，那么剩下成员会再自动选举一个成员作为PRIMARY，比如我们现在将当前的28010这个PRIMARY停掉，通过使用kill -2 PID的方式，如下：
bye
[root@localhost bin]# <span style="color:#ff0000;">ps aux|grep mongod</span>
root     <span style="background-color: rgb(255, 0, 0);"> 6658 </span> 0.8  3.7 3175956 37508 ?       Sl   11:06   0:12 ./mongod --replSet rs1 --keyFile=/usr/local/mongodb/key/r0 --fork --port <span style="background-color: rgb(255, 0, 0);">28010</span> --dbpath=/usr/local/mongodb/r0 --logpath=/usr/local/mongodb/log/r0.log --logappend
root      7461  0.7  3.7 3144172 37764 ?       Sl   11:06   0:11 ./mongod --replSet rs1 --keyFile=/usr/local/mongodb/key/r1 --fork --port 28011 --dbpath=/usr/local/mongodb/r1 --logpath=/usr/local/mongodb/log/r1.log --logappend
root     28166  0.6  3.8 3144152 38520 ?       Sl   11:10   0:08 ./mongod --replSet rs1 --keyFile=/usr/local/mongodb/key/r2 --fork --port 28012 --dbpath=/usr/local/mongodb/r2 --logpath=/usr/local/mongodb/log/r2.log --logappend
root     30833  0.0  0.0 103244   832 pts/1    S+   11:31   0:00 grep mongod
[root@localhost bin]# <span style="background-color: rgb(255, 0, 0);">kill -2 6658</span>
[root@localhost bin]# ps aux|grep mongod
root      7461  0.7  3.7 3158520 37960 ?       Sl   11:06   0:11 ./mongod --replSet rs1 --keyFile=/usr/local/mongodb/key/r1 --fork --port 28011 --dbpath=/usr/local/mongodb/r1 --logpath=/usr/local/mongodb/log/r1.log --logappend
root     28166  0.6  3.8 3154396 38616 ?       Sl   11:10   0:08 ./mongod --replSet rs1 --keyFile=/usr/local/mongodb/key/r2 --fork --port 28012 --dbpath=/usr/local/mongodb/r2 --logpath=/usr/local/mongodb/log/r2.log --logappend
root     30869  0.0  0.0 103244   832 pts/1    S+   11:31   0:00 grep mongod
[root@localhost bin]#
此时通过28011端口连接mongod服务并查看复制集状态
rs1:PRIMARY> rs.status()
{
        "set" : "rs1",
        "date" : ISODate("2015-01-16T03:33:15Z"),
        "myState" : 1,
        "members" : [
                {
                        "_id" : 0,
                        "name" : "<span style="background-color: rgb(255, 0, 0);">localhost:28010</span>",
                        "health" : 0,
                        <span style="background-color: rgb(255, 0, 0);">"state" : 8,</span>
                        <span style="background-color: rgb(255, 0, 0);">"stateStr" : "(not reachable/healthy)",</span>
                        "uptime" : 0,
                        "optime" : Timestamp(1421378555, 1),
                        "optimeDate" : ISODate("2015-01-16T03:22:35Z"),
                        "lastHeartbeat" : ISODate("2015-01-16T03:33:14Z"),
                        "lastHeartbeatRecv" : ISODate("2015-01-16T03:31:50Z"),
                        "pingMs" : 0
                },
                {
                        "_id" : 1,
                        "name" : <span style="color:#ff0000;">"localhost:28011</span>",
                        "health" : 1,
                        "state" : 1,
                        <span style="background-color: rgb(255, 0, 0);">"stateStr" : "PRIMARY"</span>,
                        "uptime" : 1608,
                        "optime" : Timestamp(1421378555, 1),
                        "optimeDate" : ISODate("2015-01-16T03:22:35Z"),
                        "electionTime" : Timestamp(1421379114, 1),
                        "electionDate" : ISODate("2015-01-16T03:31:54Z"),
                        "self" : true
                },
                {
                        "_id" : 2,
                        "name" : "localhost:28012",
                        "health" : 1,
                        "state" : 2,
                        "stateStr" : "SECONDARY",
                        "uptime" : 1358,
                        "optime" : Timestamp(1421378555, 1),
                        "optimeDate" : ISODate("2015-01-16T03:22:35Z"),
                        "lastHeartbeat" : ISODate("2015-01-16T03:33:15Z"),
                        "lastHeartbeatRecv" : ISODate("2015-01-16T03:33:13Z"),
                        "pingMs" : 0,
                        "lastHeartbeatMessage" : "syncing to: localhost:28011",
                        "syncingTo" : "localhost:28011"
                }
        ],
        "ok" : 1
}
rs1:PRIMARY>
此时28010的状态变为了8，描述为不可达。健康状态为0,28011的状态变为了1，描述为PRIMARY，此时的架构为如下所示：
技术分享
通过上述测试，系统在28010服务挂掉时，系统自动选举了28011端口作为PRIMARY服务，所以这样的故障处理机制，能将系统的稳定性大大的提高。
此时便可以在28011上进行写入操作了，28012上仅有读取操作(在此不列出)。
rs1:PRIMARY> use test
switched to db test
rs1:PRIMARY> db.student.insert({name:"lisi",age:20});
WriteResult({ "nInserted" : 1 })
rs1:PRIMARY> db.student.find();
{ "_id" : ObjectId("54b883fb7bd891605d9c300f"), "name" : "zhangsan", "age" : 20 }
{ "_id" : ObjectId("54b8876aad5e04c1fe460154"), "name" : "lisi", "age" : 20 }
rs1:PRIMARY>
基于Replica Set部署和测试在此章节到此结束，在后续的章节继续讲解Replica Set动态添加、删除节点的相关内容，在该章节中主要讲解Replica Set部署过程，以及故障自动转移和读写分离的相关测试和原理。
--------------------------------------------MongoDB系列博文更新--------------------------------

第一部分 基础篇 第一章 走进MongoDB

第一部分 基础篇 第二章 安装MongoDB

第一部分 基础篇 第三章 MongoDB体系结构

第一部分 基础篇 第四章 MongoDB快速入门

第一部分 基础篇 第四章 MongoDB查询

第二部分 应用篇 第五章 MongoDB高级查询

第二部分 应用篇 第六章 MongoDB GridFS

第二部分 应用篇 第七章 MongoDB MapReduce

第三部分 管理篇 第八章 MongoDB服务管理

第三部分 管理篇 第九章 MongoDB shell之系统命令、用户命令

第三部分 管理篇 第九章 MongoDB shell之eval、进程

第四部分 性能篇 第十章 MongoDB 索引

第四部分 性能篇 第十一章 MongoDB 性能监控

第五部分 架构篇 第十二章 MongoDB Replica Sets 架构（简介）

第五部分 架构篇 第十三章 MongoDB Replica Sets 架构（成员深入理解）

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