MongoDB Sharding(一) -- 分片的概念

（一）分片的由来
随着系统的业务量越来越大，业务系统往往会出现这样一些特点：

• 高吞吐量
• 高并发
• 超大规模的数据量

高并发的业务可能会耗尽服务器的CPU，高吞吐量、超大规模的数据量也会带来内存、磁盘的压力。

对于这类问题，解决系统增长的方法有2种：垂直扩展和水平扩展。

• 垂直扩展主要是增加单个服务器的资源。例如：使用增强大的CPU、增加更多的内存、使用固态硬盘等。
• 水平扩展主要是增加服务器。虽然单台服务器的整体速度或者容量都比较低，但如果每台服务器只处理工作量的一部分，则与单台服务器相比，可以提供更多的资源，提高效率。

垂直扩展终归有一个上限，例如，我已经用了最好的CPU、服务器主板也已经插满了内存、也使用了SSD存储设备，可是依然还是无法满足需求。那么这个时候就不得不考虑使用水平扩展了，通过增加机器，将业务、数据拆分到不同的机器上，实现业务的分流。

MongoDB是如何实现水平扩展的呢？Sharding，中文即分片。分片是指将数据拆分，将其分散放在不同主机上的过程。

（二）何时分片
如果在系统建设初期，就能够较为准确的评估出将来的业务量，那么直接在建设系统时就实施分片是最好的。但是在实际应用中，我们很难评估出将来的业务量大小，所以最好是在业务运行一段时间之后进行分片，当然，也不能在业务运行了几乎达到满负载运行时才进行分片，因为在近乎满负载的集群上不停机进行分片是非常困难的。通常，分片用来：

• 增加可用RAM
• 增加可用磁盘空间
• 减轻单台服务器的负载
• 处理单台服务器无法处理的吞吐量

（三）分片集群架构
一个完整的分片集群的架构如下图

其核心主要包括：mongos、config server、shard三部分。

（3.1）mongos
mongos是查询路由，在客户端程序和分片之间提供接口，用户如果要访问mongodb分片数据库，必须使用mongos。部署多个mongos可支持高可用性和可拓展性，一个常见的模式是在每个应用服务器上部署一个mongos，以减少应用程序和mongos之间的网络延迟。
mongos从配置服务器读取分片集群元数据并缓存下来，利用元数据，实现对客户端读写操作的路由。

（3.1.1）mongos如何处理查询修饰符

sort    ：如果查询语句不包含排序，则mongos实例将打开结果游标，对该游标分片上的所有游标进行轮询。
 limit   ：如果使用limit限制了结果集大小，则mongos会将limit操作下发到分片上，然后再将limit操作用于分片返回的结果。
 skip     ：如果查询中使用了skip,则不能将skip传给分片，而是从分片检索未跳过的结果，并将组装完结果后跳过指定的文档数量

（3.1.2）确认与mongos实例的连接
要检测客户端是否连接到mongos，使用isMaster命令，当连接到mongos时，会返回"msg" : "isdbgrid"。

db.isMaster()

/* 1 */
{
    "ismaster" : true,
    "msg" : "isdbgrid",
    "maxBsonObjectSize" : 16777216,
    "maxMessageSizeBytes" : 48000000,
    "maxWriteBatchSize" : 100000,
    "localTime" : ISODate("2021-01-15T07:00:23.585Z"),
    "logicalSessionTimeoutMinutes" : 30,
    "connectionId" : 42,
    "maxWireVersion" : 8,
    "minWireVersion" : 0,
    "ok" : 1.0,
    "operationTime" : Timestamp(1610694017, 2),
    "$clusterTime" : {
        "clusterTime" : Timestamp(1610694017, 2),
        "signature" : {
            "hash" : { "$binary" : "AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA=", "$type" : "00" },
            "keyId" : NumberLong(0)
        }
    }
}

（3.1.3）目标操作和广播操作
在分片集群中，最快的操作是使用mongos通过shard key路由到单个分片上，这种目标操作使用shard key定位满足查询的文档分片或分片子集。对于不包含分片键的查询，mongos必须查询所有的分片，然后将结果返回给客户端，这些“scatter/gather”查询可能会消耗更多的时间。

（3.1.4）元数据操作
mongos使用"majority"写关注操作元数据：

命令                               方法
-------------                    ----------------
addShard                           sh.addShard()
create                             db.createCollection()
drop                               db.collection.drop()
dropDatabase                       db.dropDatabase()
enableSharding                     sh.enableSharding()
movePrimary
renameCollection                   db.collection.renameCollection()
shardCollection                    sh.shardCollection()
removeShard
setFeatureCompatibilityVersion          

（3.1.5）FCV兼容性

从MongoDB 4.0开始，mongos尝试连接mongod实例时，如果mongos功能兼容版本(feature compatibility version,fcv)小于mongod，则会造成mongos的二进制文件崩溃。例如：

• 不能使用fcv是4.0版本的mongos连接到fcv是4.2版本的分片集群
• 可以使用fcv是4.2版本的mongos连接到fcv是4.0版本的分片集群

（3.2）config server

配置服务器存储集群的元数据，元数据反映分片集群的内所有数据和组件的状态和组织方式，元数据包含每个分片上的块列表以及定义块的范围。从3.4版本开始，已弃用镜像服务器用作配置服务器(SCCC)，config Server必须部署为副本集架构（CSRS）。

Mongos实例缓存配置服务器的数据，并使用它路由读和写操作到正确的分片。当元数据发生改变的时候(例如：添加新的分片、chunks分裂)，mongos更新缓存数据。此外，配置服务器还存储基于角色的用户权限信息。MongoDB也是用配置服务器管理分布式锁。每个分片集群都必须有自己的配置服务器，不能共享同一个配置服务器，配置服务器必须运行在WiredTiger存储。

（3.2.1）配置服务器的读写操作
在配置服务器上存在admin和config数据库，admin数据库包含身份验证以及授权相关的集合及其它的system.*集合，config数据库包含分片集群元数据的集合，当元数据发生变更时，MongoDB会将数据写入到config服务器。在做操作或者维护期间，我们应该避免直接去写配置服务器。当我们从副本集配置服务器读数据时，MongoDB使用”majority”读关注，以避免幻读；当我们从副本集配置服务器写数据时，MongoDB使用”majority”写关注，以确保数据不会丢失。

（3.2.2）配置服务器可用性
如果配置副本集丢失其主服务器并且无法选举主节点，则集群元数据变为只读，此时仍然可以从集群中读和写数据，但是不能够执行chunk合并、分裂等改变元数据的操作。
如果所有的副本集服务器不可用，集群将变得不可用。为了确保配置服务器保持可用和完整，备份就显得十分重要，配置服务器数据量很小，备份对主机的性能影响也相对较小。

（3.3.3）分片集群的元数据
分片集群的元数据存储在配置服务器的config数据库中。通常，永远不要直接编辑config数据库的内容，config数据库包含以下集合：

use config

show collections
------------------------------
actionlog
changelog
chunks
collections
databases
lockpings
locks
migrations
mongos
shards
system.sessions
tags
transactions
version

（3.3）Shard
shard是存储数据的地方，每个shard包含集合的一部分数据，从3.6版本开始，每个shard必须部署为副本集（replica set）架构。

（3.3.1）主分片的概念

分片集群中的每个数据库都有一个主分片，其中包含该数据库所有未分片的集合。当在分片集群中创建一个新的数据库时，mongos会为新数据库选择一个分片作为主分片。选择的机制为：选择数据量少的分片作为新数据库的主分片。如下图：集群存在2个分片，对于Collection2集合，没有实施分片，则将全部数据存放在其主分片上。

特别注意：
主分片与副本集的主节点没有任何关系。

【完】

相关文档合集：

1. MongoDB Sharding(一) -- 分片的概念
2. MongoDB Sharding(二) -- 搭建分片集群
3. MongoDB Sharding(三) -- zone
4. MongoDB Sharding(四) -- 分片集群的维护管理