mongodb3.6集群搭建:分片+副本集

mongodb是最常用的noSql数据库，在数据库排名中已经上升到了前五。这篇文章介绍如何搭建高可用的mongodb（分片+副本）集群。

在搭建集群之前，需要首先了解几个概念：路由，分片、副本集、配置服务器等。
相关概念
mongodb集群架构图：

从图中可以看到有四个组件：mongos、config server、shard、replica set。
mongos，数据库集群请求的入口，所有的请求都通过mongos进行协调，不需要在应用程序添加一个路由选择器，mongos自己就是一个请求分发中心，它负责把对应的数据请求请求转发到对应的shard服务器上。在生产环境通常有多mongos作为请求的入口，防止其中一个挂掉所有的mongodb请求都没有办法操作。
config server，顾名思义为配置服务器，存储所有数据库元信息（路由、分片）的配置。mongos本身没有物理存储分片服务器和数据路由信息，只是缓存在内存里，配置服务器则实际存储这些数据。mongos第一次启动或者关掉重启就会从 config server 加载配置信息，以后如果配置服务器信息变化会通知到所有的 mongos 更新自己的状态，这样 mongos 就能继续准确路由。在生产环境通常有多个 config server 配置服务器，因为它存储了分片路由的元数据，防止数据丢失！
shard，分片（sharding）是指将数据库拆分，将其分散在不同的机器上的过程。将数据分散到不同的机器上，不需要功能强大的服务器就可以存储更多的数据和处理更大的负载。基本思想就是将集合切成小块，这些块分散到若干片里，每个片只负责总数据的一部分，最后通过一个均衡器来对各个分片进行均衡（数据迁移）。
replica set，中文翻译副本集，其实就是shard的备份，防止shard挂掉之后数据丢失。复制提供了数据的冗余备份，并在多个服务器上存储数据副本，提高了数据的可用性， 并可以保证数据的安全性。
仲裁者（Arbiter），是复制集中的一个MongoDB实例，它并不保存数据。仲裁节点使用最小的资源并且不要求硬件设备，不能将Arbiter部署在同一个数据集节点中，可以部署在其他应用服务器或者监视服务器中，也可部署在单独的虚拟机中。为了确保复制集中有奇数的投票成员（包括primary），需要添加仲裁节点做为投票，否则primary不能运行时不会自动切换primary。
简单了解之后，我们可以这样总结一下，应用请求mongos来操作mongodb的增删改查，配置服务器存储数据库元信息，并且和mongos做同步，数据最终存入在shard（分片）上，为了防止数据丢失同步在副本集中存储了一份，仲裁在数据存储到分片的时候决定存储到哪个节点。
环境准备

系统系统 centos 7.4
三台服务器：192.168.56.101、node2(192.168.56.102)、node3(192.168.56.103)
安装包：yum安装

服务器规划

服务器node1(192.168.56.101)	服务器node2(192.168.56.102)	服务器node3(192.168.56.103)
mongos	mongos	mongos
config server	config server	config server
shard server1 主节点	shard server1 副节点	shard server1 仲裁
shard server2 仲裁	shard server2 主节点	shard server2 副节点
shard server3 副节点	shard server3 仲裁	shard server3 主节点

端口分配：
mongos：20000
config：21000
shard1：27001
shard2：27002
shard3：27003

开放端口
firewall-cmd --add-port=21000/tcp --permanent   
firewall-cmd --add-port=21000/tcp
firewall-cmd --add-port=27001/tcp --permanent   
firewall-cmd --add-port=27001/tcp
firewall-cmd --add-port=27002/tcp --permanent   
firewall-cmd --add-port=27002/tcp
firewall-cmd --add-port=27003/tcp --permanent   
firewall-cmd --add-port=27003/tcp
firewall-cmd --add-port=20000/tcp --permanent   
firewall-cmd --add-port=20000/tcp

关闭selinux
vi /etc/selinux/config
SELINUX=disabled
重启系统

集群搭建

1、安装mongodb

#yum安装mongodb
cat /etc/yum.repos.d/mongodb.repo 
[mongodb-org]
name=MongoDB Repository
baseurl=https://repo.mongodb.org/yum/redhat/$releasever/mongodb-org/3.6/x86_64/
gpgcheck=1
enabled=1
gpgkey=https://www.mongodb.org/static/pgp/server-3.6.asc

yum install mongodb-org

禁用自带服务：
systemctl disable mongod
systemctl stop mongod

路径规划并创建
分别在每台机器建立conf、mongos、config、shard1、shard2、shard3目录，因为mongos不存储数据，只需要建立日志文件目录即可。
配置文件路径：
mkdir -p /etc/mongod/conf.d
pid文件路径
/var/run/mongodb
数据存储路径
#config server数据存储路径
mkdir -p /var/lib/mongo/config/data
#shard server数据存储路径
mkdir -p /var/lib/mongo/shard1/data
mkdir -p /var/lib/mongo/shard2/data
mkdir -p /var/lib/mongo/shard3/data

chown -R mongod:mongod /var/lib/mongo

日志文件路径
/var/log/mongodb

2、config server配置服务器

mongodb3.4以后要求配置服务器也创建副本集，不然集群搭建不成功。

添加配置文件
vi /etc/mongod/conf.d/config.conf

## 配置文件内容

systemLog:
  destination: file
  logAppend: true
  path: /var/log/mongodb/configsvr.log
 
storage:
  dbPath: /var/lib/mongo/config/data
  journal:
    enabled: true

processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /var/run/mongodb/configsvr.pid
  timeZoneInfo: /usr/share/zoneinfo

net:
  port: 21000
  bindIp: 0.0.0.0
  maxIncomingConnections: 20000

replication:
  replSetName: csReplSet

sharding:
  clusterRole: configsvr

创建systemctl unit文件mongod-configsvr.service
[Unit]
Description=Mongodb Config Server
After=network.target
Documentation=https://docs.mongodb.org/manual

[Service]
User=mongod
Group=mongod
Environment="OPTIONS=-f /etc/mongod/conf.d/config.conf"
ExecStart=/usr/bin/mongod $OPTIONS
ExecStartPre=/usr/bin/mkdir -p /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chown mongod:mongod /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chmod 0755 /var/run/mongodb
PermissionsStartOnly=true
PIDFile=/var/run/mongodb/configsvr.pid
Type=forking
# file size
LimitFSIZE=infinity
# cpu time
LimitCPU=infinity
# virtual memory size
LimitAS=infinity
# open files
LimitNOFILE=64000
# processes/threads
LimitNPROC=64000
# locked memory
LimitMEMLOCK=infinity
# total threads (user+kernel)
TasksMax=infinity
TasksAccounting=false
# Recommended limits for for mongod as specified in
# http://docs.mongodb.org/manual/reference/ulimit/#recommended-settings

[Install]
WantedBy=multi-user.target

启动三台服务器的config server
systemctl enable mongod-configsvr
systemctl start mongod-configsvr

登录任意一台配置服务器，初始化配置副本集
#连接
mongo 127.0.0.1:21000
#config变量
config = {
        _id : "csReplSet", 
        members : [
          {_id : 1, host : "192.168.56.101:21000" },
          {_id : 2, host : "192.168.56.102:21000" },
          {_id : 3, host : "192.168.56.103:21000" }
        ]
}

#初始化副本集
rs.initiate(config)
其中，"_id" : " csReplSet "应与配置文件中配置的 replicaction.replSetName 一致，"members" 中的 "host" 为三个节点的 ip 和 port

3、配置分片副本集(三台机器)

1) 设置第一个分片副本集

添加配置文件
vi /etc/mongod/conf.d/shard1.conf

## 配置文件内容

systemLog:
  destination: file
  logAppend: true
  path: /var/log/mongodb/shard1.log
storage:
  dbPath: /var/lib/mongo/shard1/data
  journal:
    enabled: true

processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /var/run/mongodb/shard1.pid
  timeZoneInfo: /usr/share/zoneinfo

net:
  port: 27001
  bindIp: 0.0.0.0
  maxIncomingConnections: 20000

replication:
  replSetName: shard1

sharding:
  clusterRole: shardsvr

创建systemctl unit文件mongod-shard1.service
[Unit]
Description=Mongodb Shard1 Server
After=network.target
Documentation=https://docs.mongodb.org/manual

[Service]
User=mongod
Group=mongod
Environment="OPTIONS=-f /etc/mongod/conf.d/shard1.conf"
ExecStart=/usr/bin/mongod $OPTIONS
ExecStartPre=/usr/bin/mkdir -p /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chown mongod:mongod /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chmod 0755 /var/run/mongodb
PermissionsStartOnly=true
PIDFile=/var/run/mongodb/shard1.pid
Type=forking
# file size
LimitFSIZE=infinity
# cpu time
LimitCPU=infinity
# virtual memory size
LimitAS=infinity
# open files
LimitNOFILE=64000
# processes/threads
LimitNPROC=64000
# locked memory
LimitMEMLOCK=infinity
# total threads (user+kernel)
TasksMax=infinity
TasksAccounting=false
# Recommended limits for for mongod as specified in
# http://docs.mongodb.org/manual/reference/ulimit/#recommended-settings

[Install]
WantedBy=multi-user.target

启动三台服务器的shard1 server
systemctl enable mongod-shard1
systemctl start mongod-shard1

登陆任意一台非仲裁节点服务器，初始化副本集
mongo 127.0.0.1:27001
#使用admin数据库
use admin
#定义副本集配置，第三个节点的 "arbiterOnly":true 代表其为仲裁节点。
config = {
       _id : "shard1",
       members : [
            {_id : 1, host : "192.168.56.101:27001" , priority:2},
            {_id : 2, host : "192.168.56.102:27001" , priority:1},
            {_id : 3, host : "192.168.56.103:27001" , arbiterOnly: true }
        ]
    }
#初始化副本集配置
rs.initiate(config);

2) 设置第二个分片副本集

添加配置文件
vi /etc/mongod/conf.d/shard2.conf

## 配置文件内容

systemLog:
  destination: file
  logAppend: true
  path: /var/log/mongodb/shard2.log
storage:
  dbPath: /var/lib/mongo/shard2/data
  journal:
    enabled: true

processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /var/run/mongodb/shard2.pid
  timeZoneInfo: /usr/share/zoneinfo

net:
  port: 27002
  bindIp: 0.0.0.0
  maxIncomingConnections: 20000

replication:
  replSetName: shard2

sharding:
  clusterRole: shardsvr

创建systemctl unit文件mongod-shard2.service
[Unit]
Description=Mongodb Shard2 Server
After=network.target
Documentation=https://docs.mongodb.org/manual

[Service]
User=mongod
Group=mongod
Environment="OPTIONS=-f /etc/mongod/conf.d/shard2.conf"
ExecStart=/usr/bin/mongod $OPTIONS
ExecStartPre=/usr/bin/mkdir -p /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chown mongod:mongod /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chmod 0755 /var/run/mongodb
PermissionsStartOnly=true
PIDFile=/var/run/mongodb/shard2.pid
Type=forking
# file size
LimitFSIZE=infinity
# cpu time
LimitCPU=infinity
# virtual memory size
LimitAS=infinity
# open files
LimitNOFILE=64000
# processes/threads
LimitNPROC=64000
# locked memory
LimitMEMLOCK=infinity
# total threads (user+kernel)
TasksMax=infinity
TasksAccounting=false
# Recommended limits for for mongod as specified in
# http://docs.mongodb.org/manual/reference/ulimit/#recommended-settings

[Install]
WantedBy=multi-user.target

启动三台服务器的shard2 server
systemctl enable mongod-shard2
systemctl start mongod-shard2

登陆任意一台非仲裁节点服务器，初始化副本集
mongo 127.0.0.1:27002
#使用admin数据库
use admin
#定义副本集配置，第一个节点的 "arbiterOnly":true 代表其为仲裁节点。
config = {
       _id : "shard2",
       members : [
            {_id : 1, host : "192.168.56.101:27002" , arbiterOnly: true },
            {_id : 2, host : "192.168.56.102:27002" , priority:2},
            {_id : 3, host : "192.168.56.103:27002" , priority:1}
        ]
    }
#初始化副本集配置
rs.initiate(config);

3) 设置第三个分片副本集
添加配置文件
vi /etc/mongod/conf.d/shard3.conf

## 配置文件内容

systemLog:
  destination: file
  logAppend: true
  path: /var/log/mongodb/shard3.log
storage:
  dbPath: /var/lib/mongo/shard3/data
  journal:
    enabled: true

processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /var/run/mongodb/shard3.pid
  timeZoneInfo: /usr/share/zoneinfo

net:
  port: 27003
  bindIp: 0.0.0.0
  maxIncomingConnections: 20000

replication:
  replSetName: shard3

sharding:
  clusterRole: shardsvr

创建systemctl unit文件mongod-shard3.service
[Unit]
Description=Mongodb Shard3 Server
After=network.target
Documentation=https://docs.mongodb.org/manual

[Service]
User=mongod
Group=mongod
Environment="OPTIONS=-f /etc/mongod/conf.d/shard3.conf"
ExecStart=/usr/bin/mongod $OPTIONS
ExecStartPre=/usr/bin/mkdir -p /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chown mongod:mongod /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chmod 0755 /var/run/mongodb
PermissionsStartOnly=true
PIDFile=/var/run/mongodb/shard3.pid
Type=forking
# file size
LimitFSIZE=infinity
# cpu time
LimitCPU=infinity
# virtual memory size
LimitAS=infinity
# open files
LimitNOFILE=64000
# processes/threads
LimitNPROC=64000
# locked memory
LimitMEMLOCK=infinity
# total threads (user+kernel)
TasksMax=infinity
TasksAccounting=false
# Recommended limits for for mongod as specified in
# http://docs.mongodb.org/manual/reference/ulimit/#recommended-settings

[Install]
WantedBy=multi-user.target

启动三台服务器的shard3 server
systemctl enable mongod-shard3
systemctl start mongod-shard3

登陆任意一台非仲裁节点服务器，初始化副本集
mongo 127.0.0.1:27003
#使用admin数据库
use admin
#定义副本集配置，第二个节点的 "arbiterOnly":true 代表其为仲裁节点。
config = {
       _id : "shard3",
       members : [
            {_id : 1, host : "192.168.56.101:27003" , priority:1},
            {_id : 2, host : "192.168.56.102:27003" , arbiterOnly: true},
            {_id : 3, host : "192.168.56.103:27003" , priority:2}
        ]
    }
#初始化副本集配置
rs.initiate(config);

4、配置路由服务器 mongos

先启动配置服务器和分片服务器,后启动路由实例启动路由实例:（三台机器）

vi /etc/mongod/conf.d/mongos.conf
## 配置文件内容

systemLog:
  destination: file
  logAppend: true
  path: /var/log/mongodb/mongos.log

processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /var/run/mongodb/mongos.pid
  timeZoneInfo: /usr/share/zoneinfo

net:
  port: 20000
  bindIp: 0.0.0.0
  maxIncomingConnections: 20000

sharding:
  configDB: csReplSet/192.168.56.101:21000, 192.168.56.102:21000, 192.168.56.103:21000

#注意监听的配置服务器,只能有1个或者3个 csReplSet为配置服务器的副本集名字
configDB: csReplSet/192.168.56.101:21000, 192.168.56.102:21000, 192.168.56.103:21000

创建systemctl unit文件mongod-mongos.service
[Unit]
Description=Mongodb Mongos Server
After=network.target mongod-shard1.service mongod-shard2.service mongod-shard3.service
Documentation=https://docs.mongodb.org/manual

[Service]
User=mongod
Group=mongod
Environment="OPTIONS=-f /etc/mongod/conf.d/mongos.conf"
ExecStart=/usr/bin/mongos $OPTIONS
ExecStartPre=/usr/bin/mkdir -p /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chown mongod:mongod /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chmod 0755 /var/run/mongodb
PermissionsStartOnly=true
PIDFile=/var/run/mongodb/mongos.pid
Type=forking
# file size
LimitFSIZE=infinity
# cpu time
LimitCPU=infinity
# virtual memory size
LimitAS=infinity
# open files
LimitNOFILE=64000
# processes/threads
LimitNPROC=64000
# locked memory
LimitMEMLOCK=infinity
# total threads (user+kernel)
TasksMax=infinity
TasksAccounting=false
# Recommended limits for for mongod as specified in
# http://docs.mongodb.org/manual/reference/ulimit/#recommended-settings

[Install]
WantedBy=multi-user.target

启动三台服务器的mongos server
systemctl enable mongod-mongos
systemctl start mongod-mongos

5、启用分片

目前搭建了mongodb配置服务器、路由服务器，各个分片服务器，不过应用程序连接到mongos路由服务器并不能使用分片机制，还需要在程序里设置分片配置，让分片生效。
登陆任意一台mongos
mongo 127.0.0.1:20000
#使用admin数据库
user  admin
#串联路由服务器与分配副本集
sh.addShard("shard1/192.168.56.101:27001,192.168.56.102:27001,192.168.56.103:27001")
sh.addShard("shard2/192.168.56.101:27002,192.168.56.102:27002,192.168.56.103:27002")
sh.addShard("shard3/192.168.56.101:27003,192.168.56.102:27003,192.168.56.103:27003")
#查看集群状态
sh.status()
mongos> sh.status()
--- Sharding Status --- 
  sharding version: {
   "_id" : 1,
   "minCompatibleVersion" : 5,
   "currentVersion" : 6,
   "clusterId" : ObjectId("5a86b6255d128f35cb22de20")
  }
  shards:
        {  "_id" : "shard1",  "host" : "shard1/192.168.56.101:27001,192.168.56.102:27001",  "state" : 1 }
        {  "_id" : "shard2",  "host" : "shard2/192.168.56.102:27002,192.168.56.103:27002",  "state" : 1 }
        {  "_id" : "shard3",  "host" : "shard3/192.168.56.101:27003,192.168.56.103:27003",  "state" : 1 }
  active mongoses:
        "3.6.2" : 3
  autosplit:
        Currently enabled: yes
  balancer:
        Currently enabled:  yes
        Currently running:  no
        Failed balancer rounds in last 5 attempts:  0
        Migration Results for the last 24 hours: 
                No recent migrations
  databases:
        {  "_id" : "config",  "primary" : "config",  "partitioned" : true }

6、测试

目前配置服务、路由服务、分片服务、副本集服务都已经串联起来了，但我们的目的是希望插入数据，数据能够自动分片。连接在mongos上，准备让指定的数据库、指定的集合分片生效。
mongo 127.0.0.1:20000

#设置分片chunk大小
use config
db.settings.save({ "_id" : "chunksize", "value" : 1 })
设置1M是为了测试，否则要插入大量数据才能分片。
#指定test分片生效
sh.enableSharding("test")
#指定数据库里需要分片的集合和片键
use test
db.users.createIndex({user_id : 1})

use admin
sh.shardCollection("test.users", {user_id: 1})
我们设置testdb的 table1 表需要分片，根据 user_id 自动分片到 shard1 ，shard2，shard3 上面去。要这样设置是因为不是所有mongodb 的数据库和表 都需要分片！
测试分片配置结果
mongo  127.0.0.1:20000

use test;

for (var i = 1; i <=1000000; i++){
db.users.save({user_id: i, username: "user"+i});
}

#查看分片情况如下，部分无关信息省掉了
sh.status()

--- Sharding Status --- 
  sharding version: {
   "_id" : 1,
   "minCompatibleVersion" : 5,
   "currentVersion" : 6,
   "clusterId" : ObjectId("5a8919101e5f8edd5feddf36")
  }
  shards:
        {  "_id" : "shard1",  "host" : "shard1/192.168.56.101:27001,192.168.56.102:27001",  "state" : 1 }
        {  "_id" : "shard2",  "host" : "shard2/192.168.56.102:27002,192.168.56.103:27002",  "state" : 1 }
        {  "_id" : "shard3",  "host" : "shard3/192.168.56.101:27003,192.168.56.103:27003",  "state" : 1 }
  active mongoses:
        "3.6.2" : 3
  autosplit:
        Currently enabled: yes
  balancer:
        Currently enabled:  yes
        Currently running:  no
        Collections with active migrations: 
                test.users started at Sun Feb 18 2018 21:14:30 GMT+0800 (CST)
        Failed balancer rounds in last 5 attempts:  0
        Migration Results for the last 24 hours: 
                43 : Success
                1 : Failed with error 'aborted', from shard1 to shard3
                139 : Failed with error 'aborted', from shard1 to shard2
  databases:
…
        {  "_id" : "test",  "primary" : "shard3",  "partitioned" : true }
                test.users
                        shard key: { "user_id" : 1 }
                        unique: false
                        balancing: true
                        chunks:
                                shard1 34
                                shard2 31
                                shard3 31
                        too many chunks to print, use verbose if you want to force print

可以看到数据分到3个分片，各自分片chunk 数为： shard1 : 34，shard2 : 31，shard3 :  31。已经成功了！

后期运维

启动

mongodb的启动顺序是，先启动配置服务器，在启动分片，最后启动mongos.
systemctl start mongod-configsvr
systemctl start mongod-shard1
systemctl start mongod-shard2
systemctl start mongod-shard3
systemctl start mongod-mongos

关闭:
systemctl stop mongod-mongos
systemctl stop mongod-shard3
systemctl stop mongod-shard2
systemctl stop mongod-shard1
systemctl stop mongod-configsvr