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第3章 MongoDB副本集

副本集概述​

MongoDB副本集（Replica Set）是一组维护相同数据集的MongoDB服务实例，提供数据冗余和高可用性。副本集是MongoDB生产部署的基础，通过数据复制和自动故障转移来确保服务的连续性。

核心概念​

副本集（Replica Set）：由多个MongoDB实例组成的集群，其中一个作为主节点，其他作为从节点。

Oplog：操作日志，记录主节点上的所有写操作，从节点通过复制oplog来保持数据同步。

选举（Election）：当主节点不可用时，从节点通过投票选出新的主节点的过程。

主要优势​

  • 高可用性：主节点故障时自动切换到从节点
  • 数据冗余：多个节点保存相同数据，防止数据丢失
  • 读写分离：可配置从节点提供读操作，分担主节点压力
  • 零停机维护：可在不停机的情况下进行节点维护
📚 复制原理

主节点接收所有写操作并记录到oplog中，从节点定期从主节点拉取oplog并应用这些操作，从而保持数据同步。

副本集架构设计​

节点角色类型​

节点类型功能描述数据存储参与选举适用场景
主节点（Primary）处理所有写操作和读操作✅✅核心数据处理
从节点（Secondary）同步主节点数据，可提供读操作✅✅数据备份、读负载分担
仲裁节点（Arbiter）仅参与选举投票❌✅提供奇数投票，节省资源

选举机制​

副本集采用大多数投票原则进行主节点选举：

  • 存活节点数量必须超过副本集总节点数的一半
  • 具有最新数据且优先级最高的节点当选为主节点
  • 选举过程通常在几秒钟内完成
⚠️ 节点数量建议

生产环境建议使用奇数个节点（如3、5、7个），避免出现平票情况。最少需要3个节点才能保证高可用性。

架构规划示例​

3节点标准配置：

  • 1个主节点 + 2个从节点
  • 允许1个节点故障
  • 适合大多数生产环境

5节点高可用配置：

  • 1个主节点 + 4个从节点
  • 允许2个节点故障
  • 适合关键业务系统

仲裁节点配置：

  • 2个数据节点 + 1个仲裁节点
  • 节省存储资源
  • 适合资源受限环境

副本集部署配置​

环境准备​

# 创建副本集目录结构
mkdir -p /opt/mongo_2801{7,8,9}/{conf,log,pid}
mkdir -p /data/mongo_2801{7,8,9}

# 设置目录权限
chown -R mongo:mongo /opt/mongo_28*
chown -R mongo:mongo /data/mongo_28*

主节点配置​

# 创建主节点配置文件
cat > /opt/mongo_28017/conf/mongodb.conf << EOF
systemLog:
  destination: file
  logAppend: true
  path: /opt/mongo_28017/log/mongodb.log

storage:
  journal:
    enabled: true
  dbPath: /data/mongo_28017
  directoryPerDB: true
  wiredTiger:
    engineConfig:
      cacheSizeGB: 0.5
      directoryForIndexes: true
    collectionConfig:
      blockCompressor: zlib
    indexConfig:
      prefixCompression: true

processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /opt/mongo_28017/pid/mongod.pid

net:
  port: 28017
  bindIp: 127.0.0.1,10.0.0.51

replication:
  oplogSizeMB: 1024
  replSetName: dba
EOF

从节点配置​

# 复制配置文件到其他节点
cp /opt/mongo_28017/conf/mongodb.conf /opt/mongo_28018/conf/
cp /opt/mongo_28017/conf/mongodb.conf /opt/mongo_28019/conf/

# 修改端口号和路径
sed -i 's/28017/28018/g' /opt/mongo_28018/conf/mongodb.conf
sed -i 's/28017/28019/g' /opt/mongo_28019/conf/mongodb.conf

配置参数说明​

replication配置项：

  • oplogSizeMB：oplog大小，建议设置为磁盘空间的5-10%
  • replSetName：副本集名称，所有节点必须相同
💡 生产环境配置建议
  • oplog大小应根据写操作频率调整，确保从节点有足够时间同步
  • 绑定IP应包括所有副本集成员可访问的地址
  • 建议启用访问控制和SSL加密

副本集初始化​

启动所有节点​

# 启动三个MongoDB实例
mongod -f /opt/mongo_28017/conf/mongodb.conf
mongod -f /opt/mongo_28018/conf/mongodb.conf
mongod -f /opt/mongo_28019/conf/mongodb.conf

# 验证服务启动
ps -ef | grep mongod
netstat -lntup | grep -E "2801[789]"

初始化副本集​

// 连接到主节点
mongo --port 28017

// 初始化副本集配置
rs.initiate({
    _id: "dba",
    version: 1,
    members: [
        { _id: 0, host: "10.0.0.51:28017" },
        { _id: 1, host: "10.0.0.51:28018" },
        { _id: 2, host: "10.0.0.51:28019" }
    ]
})

// 查看副本集状态
rs.status()

验证副本集状态​

// 检查副本集配置
rs.config()

// 确认当前节点角色
rs.isMaster()

// 查看复制信息
rs.printReplicationInfo()
rs.printSlaveReplicationInfo()
📋 初始化完成标志

当看到提示符变为 dba:PRIMARY> 或 dba:SECONDARY> 时，表示副本集初始化成功。

故障转移和选举​

数据同步测试​

// 在主节点插入测试数据
mongo --port 28017
db.inventory.insertMany([
    { item: "journal", qty: 25, size: { h: 14, w: 21, uom: "cm" }, status: "A" },
    { item: "notebook", qty: 50, size: { h: 8.5, w: 11, uom: "in" }, status: "A" },
    { item: "paper", qty: 100, size: { h: 8.5, w: 11, uom: "in" }, status: "D" },
    { item: "planner", qty: 75, size: { h: 22.85, w: 30, uom: "cm" }, status: "D" },
    { item: "postcard", qty: 45, size: { h: 10, w: 15.25, uom: "cm" }, status: "A" }
])

配置从节点读取​

// 连接到从节点
mongo --port 28018

// 允许从节点读取（临时）
rs.slaveOk()

// 验证数据同步
db.inventory.find()

永久设置从节点可读：

# 创建MongoDB启动脚本
echo "rs.slaveOk()" > ~/.mongorc.js

故障转移测试​

# 模拟主节点故障
mongod -f /opt/mongo_28017/conf/mongodb.conf --shutdown

# 连接到从节点观察选举过程
mongo --port 28018
rs.status()
⚠️ 故障转移注意事项

主节点故障时，客户端连接会短暂中断。应用程序应该实现重连机制来处理这种情况。

优先级调整​

// 获取当前配置
myconfig = rs.conf()

// 设置节点优先级（数值越高优先级越高）
myconfig.members[0].priority = 100
myconfig.members[1].priority = 50
myconfig.members[2].priority = 25

// 应用新配置
rs.reconfig(myconfig)

手动切换主节点​

// 主动降级当前主节点
rs.stepDown(60)  // 60秒内不参与选举

副本集管理操作​

动态添加节点​

# 创建新节点
mkdir -p /opt/mongo_28010/{conf,log,pid}
mkdir -p /data/mongo_28010

# 复制配置文件
cp /opt/mongo_28017/conf/mongodb.conf /opt/mongo_28010/conf/
sed -i 's/28017/28010/g' /opt/mongo_28010/conf/mongodb.conf

# 启动新节点
mongod -f /opt/mongo_28010/conf/mongodb.conf
// 将新节点加入副本集
rs.add("10.0.0.51:28010")

// 验证节点状态
rs.status()

移除节点​

// 从副本集中移除节点
rs.remove("10.0.0.51:28010")

// 确认移除结果
rs.config()

仲裁节点管理​

# 创建仲裁节点
mkdir -p /opt/mongo_28011/{conf,log,pid}
mkdir -p /data/mongo_28011

cp /opt/mongo_28017/conf/mongodb.conf /opt/mongo_28011/conf/
sed -i 's/28017/28011/g' /opt/mongo_28011/conf/mongodb.conf

# 启动仲裁节点
mongod -f /opt/mongo_28011/conf/mongodb.conf
// 添加仲裁节点
rs.addArb("10.0.0.51:28011")

// 验证仲裁节点状态
rs.status()
💡 仲裁节点使用建议
  • 仲裁节点不存储数据，资源消耗很小
  • 建议部署在独立的服务器上以提高可靠性
  • 一个副本集最多只能有一个仲裁节点

监控和维护​

副本集状态监控​

// 常用监控命令
rs.status()          // 副本集整体状态
rs.config()          // 副本集配置信息
rs.isMaster()        // 当前节点角色
rs.printReplicationInfo()      // 主节点复制信息
rs.printSlaveReplicationInfo() // 从节点复制信息

关键监控指标​

指标命令说明
复制延迟rs.printSlaveReplicationInfo()从节点与主节点的数据延迟
Oplog窗口rs.printReplicationInfo()oplog可覆盖的时间范围
节点健康状态rs.status().members[].health节点健康度（1为正常）
选举状态rs.status().members[].stateStr节点角色状态

性能优化建议​

💡 生产环境最佳实践

硬件配置：

  • 主节点和从节点使用相同或相近的硬件配置
  • 保证足够的内存用于缓存工作集
  • 使用SSD存储以提高IO性能

网络配置：

  • 副本集成员间使用低延迟网络连接
  • 监控网络带宽使用情况
  • 配置适当的心跳超时参数

运维策略：

  • 定期检查oplog大小是否充足
  • 监控复制延迟，及时处理同步问题
  • 建立自动化的健康检查和告警机制

故障排查指南​

常见问题及解决方案：

节点无法同步：

  • 检查网络连接和防火墙设置
  • 验证副本集配置中的主机名和端口
  • 确认oplog空间是否充足

选举失败：

  • 确认存活节点数量是否满足大多数原则
  • 检查节点间的网络连通性
  • 验证系统时间是否同步

复制延迟过高：

  • 检查主节点的写入压力
  • 优化查询和索引
  • 考虑增加从节点数量分担负载

容灾和备份​

# 副本集容灾能力
echo "副本集容灾能力："
echo "3节点副本集：允许1个节点故障"
echo "5节点副本集：允许2个节点故障"
echo "4节点+1仲裁：允许2个数据节点故障"
⚠️ 备份策略提醒

副本集虽然提供数据冗余，但不能替代定期备份。建议：

  • 定期对副本集进行完整备份
  • 测试备份恢复流程
  • 考虑跨地域的灾备方案
📖 参考资源

更新: 2025-01-26

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