MongoDB 副本集(Replica Set)

副本集(Replica Set)

副本集概念

此集群拥有一个主节点（Master）和多个从节点（Slave），与主从复制模式类似，但是副本集与主从复制的区别在于：当集群中主节点发生故障时，副本集可以自动投票，选举出新的主节点，并引导其余的从节点连接新的主节点。

**MongoDB 的副本集是自带故障恢复功能的主从复制 **

副本集作用

• 异地备份（数据冗余）
• 故障转移（服务冗余）
• 负载均衡（读写分类）
• 高可用基石（HA）

副本集角色

• 主节点（Primary）
  
  Primary 是副本集的主节点，可读写，唯一可以进行写操作的节点，由集群自行选举出来

• 副本节点（Secondary）

  Seconary 会参与 Primary 选举，并从 Primary 同步最新写入的数据，以保证与 Primary 存储相同的数据（Seconary 默认不提供读写服务）

• 仲裁者（Arbiter）
  
  Arbiter 节点只参与投票，不能被选为 Primary，并且不从 Primary 同步数据

副本集数据同步原理

• intial sync（全量同步）

  1. 全量同步开始，设置 minvalid 集合的 _initialSyncFlag 字段为 true
  2. 获取主节点上的当前最新 oplog 时间戳
  3. 同步集合数据并建立索引（比较耗时）
  4. 获取主节点上的当前最新的 oplog 时间戳
  5. 读取两个 oplog 时间戳段内的 oplog 并重放
  6. 全量同步结束，设置 minvalid 集合的 _initialSyncFlag 字段为 false

• Replication（增量同步）

  全量同步结束后，从节点不断的从主节点拉取 oplog 并重放应用到自身，这个过程并不是由一个线程来完成的，mongodb 为了提升同步效率，将拉取 oplog 以及重放 oplog 分到了不同的线程来执行。

  

  • producer 线程：该线程不断的从主节点上拉取 oplog，并加入到一个 BlockQueue 的队列里保存着，BlockQueue 最大存储 240MB 的 oplog 数据，当超过这个阈值时，就必须等到 oplog 被 replBatcher 消费掉才能继续拉取
  • replBatcher 线程：该线程负责逐个从 producer 线程的队列里取出 oplog，并放到自己维护的队列里，这个队列最多允许 5000 个元素，并且元素总大小不超过 512 MB，当队列满了时，就需要等待 oplogApplication 线程消费掉
  • oplogApplication 线程：该线程会取出 replBatch 线程当前队列的所有元素，并将元素根据集合名称分散到不同的replWriter 线程（默认16个）
  • replWriter 线程：该线程将所有的 oplog 进行回放；
  • 等待所有 oplog 都回放完毕，最终 oplogApplication 线程将所有的 oplog 顺序写入到一个集合中，完成增量同步

副本集心跳检测

• 副本集创建成功后，每一个节点之间都保持着通信，即每 2s 会向整个副本集的其他节点发一次心跳检测 ping 命令
• 副本集中每一个节点的数据库内部，维护着整个副本集节点的状态信息，一旦某一个节点超过 10s 不能收到 ping 命令的响应，就认为这个节点不能访问
• 副本集中的主节点除了维护整体副本集节点状态信息外，还要判断是否和大多数节点可以正常通信，如果不能则要主动降级（只读状态）

副本集 Primary 选举场景

需要进行 Primary 选举的场景如下：

1. 副本集初始化
2. 副本集被 reconfig
3. Primary 节点宕机
4. Primary 节点主动 stepDown（主动降级为Secondary）

副本集 Primary 选举规则

• 每一个副本集节点根据自己维护的节点状态信息，如果判断出整个副本集没有主节点，而且本身具备升主节点条件，则会引发一次投票选举

• 投票发起者向副本集成员发起 Elect 请求，成员在收到请求后经过会一系列检查，如果通过检查则为发起者投一票

  检查条件如下：

  • 在所有有效的副本集节点中它持有最新的 optime 时间戳
  • Priority 优先级最高（默认1）
  • 先发先得选票

• 如果投票发起者获得超过半数（初始化时整个副本集节点的数量的一半)的投票，则选举通过成为 Primary 节点，否则重新发起投票

• 所有成员都可以投否决票，否决票具有一票否决权，所以一般可以认为只要有成员反对，则发起选举节点将不能成为 Primary

  投否决票一般需要判断以下三个条件：

  • 副本集中是否有其他节点已经是 Primary
  • 本节点的数据是否比请求成为主节点的数据更新（optime 时间戳）
  • 其他节点的数据是否比请求成为主节点的数据更新（optime 时间戳）

  注：如果以上任意一个条件满足，则会停止选举过程；原计划升为主节点将仍旧保持 Secondary 状态

官方推荐副本集的成员数量为奇数，且至少副本集包含 3 个节点