Hollis的个人博客
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MongoDB：副本集

Hollis Hollis 收录于 Mongodb 和 Mongodb
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介绍

副本集（Replica Set）是MongoDB提供的一种高可用性和冗余性的解决方案，通过将数据复制到多个服务器来保证数据的可靠性和系统的可用性。以下是MongoDB副本集的详细说明：

副本集通常由以下几种成员组成：

  1. 主节点（Primary）：

    • 负责处理所有的写操作。
    • 主节点将写操作记录到操作日志（Oplog）中。
    • 只有一个主节点处于活动状态。

  2. 从节点（Secondary）：

    • 复制主节点的Oplog来应用写操作，从而保持数据同步。
    • 可以提供读取服务（如读优先读取）。
    • 多个从节点可以在一个副本集中存在。

  3. 仲裁节点（Arbiter）：

    • 不存储数据，只参与选举过程。
    • 用于在副本集中确保奇数个投票成员，以避免平票。
    • 资源消耗低，适用于资源有限的情况下。

副本集的工作原理

  1. 数据复制：

    • 主节点处理写操作并记录在Oplog中。
    • 从节点定期拉取主节点的Oplog并重放，以保持数据一致性。

  2. 选举机制：

    • 当主节点失效时，从节点通过投票选举出新的主节点。
    • 仲裁节点参与选举，但不存储数据。

  3. 读写分离：

    • 写操作只能由主节点处理。
    • 读操作可以配置为从从节点读取，以分担主节点的负载（注意读一致性问题）。

主节点选举原则

MongoDB的主节点选举原则是基于副本集的架构设计的，旨在确保主节点的高可用性和可靠性。以下是MongoDB主节点选举原则的详细说明：

一、触发条件

主节点选举的触发条件主要包括以下几种情况：

  1. 主节点故障：当主节点因为硬件故障、软件异常或其他原因停止服务时，会触发选举过程。
  2. 网络不可达：默认情况下，如果主节点在10秒内未响应其他节点的心跳信息，即认为网络不可达，从而启动选举。
  3. 人工干预：管理员可以手动触发主节点的选举或让当前主节点退位，例如使用rs.stepDown(600)命令。

二、选举原则

  1. 心跳机制：
    • 每个节点都会定期发送心跳信号给其他节点，用于检测节点的可用性和健康状态。
    • 一旦发现主节点不可达，副本集成员会立即开始选举过程。
  2. 优先级：
    • 每个节点都有一个优先级（priority），主节点的优先级通常设置为最高（如1000），而副本节点的优先级较低（如1或更低）。
    • 在选举过程中，具有较高优先级的节点更有可能被选为主节点。
    • 可以通过设置优先级来影响选举结果，以满足特定的部署需求。
  3. 复制日志（Replication Log）：
    • MongoDB使用复制日志来记录操作的顺序和细节。
    • 当主节点不可用时，副本节点通过比较自己的复制日志和其他节点的复制日志来确定谁具有最新的数据。
    • 数据最新的节点在选举中更有可能获胜。
  4. 大多数原则：
    • 为了成为主节点，一个节点必须获得“大多数”成员的支持。
    • 假设复制集内投票成员数量为N，则“大多数”为N/2 + 1。
    • 例如，在一个有5个成员的副本集中，至少需要3个成员的投票支持才能选出一个新的主节点。
  5. 选举算法：
    • MongoDB使用Raft等选举算法来确定新的主节点。
    • 该算法确保了只有一个节点能够成为主节点，其他节点将作为副本节点。
    • 选举过程是自动的，无需管理员干预。
  6. 仲裁节点（Arbiter）：
    • 仲裁节点不保存数据，并且不能被选举为主节点，但具有投票权。
    • 在偶数个成员的副本集中，加入一个仲裁节点可以确保满足“大多数”原则，从而选出主节点。
  7. 防止脑裂：
    • MongoDB的选举机制确保了集群中的大多数节点达成一致，避免了因网络分区导致的“脑裂”现象。
    • “脑裂”是指集群的不同部分各自选出不同的主节点，导致数据不一致和混乱。
  8. 数据一致性和可靠性：
    • 大多数节点的参与保证了数据的一致性，因为写操作只有在大多数节点上完成才算成功。
    • 副本集的数据在多个节点上有冗余存储，即使主节点失效，数据也不会丢失，新主节点上任后可以继续提供服务。

三、选举过程

  1. 状态检测：副本集成员之间通过心跳机制相互监测状态。
  2. 投票阶段：一旦主节点不可达，每个健康的副本集成员都会参与投票。
  3. 结果确认：一旦某个节点获得了大多数选票，它将被确认为新的主节点，并开始处理客户端请求。

触发自动选举

MongoDB在副本集中会自动进行主节点的选举，触发自动选举的条件主要包括以下几种情况：

  1. 主节点故障：当主节点出现故障，无法继续提供服务时，MongoDB副本集会触发自动选举，以选出一个新的主节点来接替原来的主节点继续提供服务。

  2. 主节点网络不可达：MongoDB副本集成员之间通过心跳机制来检测对方的存活状态。如果主节点在设定的时间内（默认是10秒）没有响应心跳请求，即被认为是网络不可达，此时也会触发自动选举。

  3. 人工干预：通过执行rs.stepDown(duration)命令，可以手动让当前的主节点降级为从节点，并触发选举过程。这里的duration参数指定了主节点在降级为从节点后，多久内不允许重新参与选举。如果设置为0，则表示立即降级并触发选举。

  4. 初始化复制集：当首次初始化MongoDB复制集时，由于还没有主节点，MongoDB会自动触发选举过程来选出一个主节点。

  5. 新节点加入：当有新的节点加入到MongoDB复制集中时，如果当前没有主节点或者需要调整主节点的选择（例如，基于节点的优先级等因素），也可能触发自动选举。

  6. 存活节点数量变化：MongoDB的选举机制遵循“大多数原则”，即选举出的主节点必须获得大多数节点的支持。因此，当复制集中存活节点的数量发生变化时（如节点故障、网络隔离等），如果存活节点数量仍然满足大多数原则，且当前没有主节点或需要选举新的主节点，也会触发选举过程。

  7. 节点优先级变化：在MongoDB复制集中，每个节点都可以设置一个优先级（priority），优先级较高的节点在选举过程中更有可能被选为主节点。如果节点的优先级发生变化（例如，通过管理命令调整），且这种变化影响了当前主节点的选择，也可能触发选举过程。

副本集的配置

MongoDB副本集通过在不同的服务器上保存数据的副本来保证数据的冗余和可靠性。它能够在单个节点故障时自动恢复服务，并通过选举过程选择新的主节点。副本集的基本架构通常包括三个或更多的服务器节点，其中一个作为主节点（Primary），接收所有写操作，并将其更改同步到副节点（Secondary）。此外，还可以包括一个或多个仲裁节点（Arbiter），这些节点不存储数据，但参与主节点的选举过程。

二、配置步骤

  1. 准备环境

    • 安装MongoDB：确保在所有参与副本集的服务器上安装了MongoDB。

    • 创建数据目录：为每个MongoDB实例创建一个数据目录，用于存储数据库文件。

  2. 配置MongoDB实例

    • 创建配置文件：为每个MongoDB实例创建配置文件（如mongod.conf），设置replSet参数以指定副本集的名称。

    • 配置网络：确保每个MongoDB实例能够相互通信，包括监听正确的IP地址和端口。

  3. 启动MongoDB实例

    • 使用配置文件启动每个MongoDB实例。

  4. 初始化副本集

    • 登录到任一MongoDB实例的mongo shell。

    • 使用rs.initiate()命令初始化副本集，并指定副本集的配置信息，包括成员列表。

  5. 添加成员

    • 如果初始化时未包含所有成员，可以使用rs.add()命令将其他节点添加到副本集中。

  6. 配置仲裁节点（可选）

    • 如果需要，可以使用rs.addArb()命令添加仲裁节点。

  7. 验证配置

    • 使用rs.status()命令查看副本集的状态，包括主节点、副节点和仲裁节点的信息。

  8. 配置认证（可选）

    • 根据需要配置MongoDB的内部认证，以确保副本集的安全性。

三、示例配置

以下是一个在Linux系统上配置MongoDB副本集的示例：

  1. 创建配置文件（以mongod.conf为例）：

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    systemLog:  
  destination: file  
  path: "/var/log/mongodb/mongod.log"  
  logAppend: true  
storage:  
  dbPath: "/var/lib/mongodb"  
  journal:  
    enabled: true  
net:  
  bindIp: 0.0.0.0  
  port: 27017  
replication:  
  replSetName: "rs0"

  2. 启动MongoDB实例：

    1

    mongod --config /path/to/mongod.conf

  3. 初始化副本集（在任一MongoDB实例上）：

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    rs.initiate({  
  "_id": "rs0",  
  "members": [  
    {"_id": 0, "host": "hostname1:27017"},  
    {"_id": 1, "host": "hostname2:27017"},  
    {"_id": 2, "host": "hostname3:27017", "arbiterOnly": true}  
  ]  
})

  4. 添加成员（如果需要）：

    1

    rs.add("hostname4:27017")

  5. 验证配置：

    1

    rs.status()

四、注意事项

  • 确保所有MongoDB实例的replSet参数设置相同。
  • 副本集成员之间的网络连接必须畅通无阻。
  • 考虑到安全性和性能，建议将仲裁节点部署在与其他成员不同的物理或虚拟机上。
  • 配置文件中的路径和端口号应根据实际情况进行修改。

副本集的安全认证

MongoDB副本集（Replica Set）是一种高可用的数据库架构，它包含多个MongoDB服务器实例，其中一个为主节点（Primary），其余为从节点（Secondary）。副本集通过复制数据到多个节点来提供数据冗余和故障恢复能力。为了保障数据的安全性，需要对副本集进行安全认证。

安全认证步骤：

1.创建密钥文件（KeyFile）

密钥文件是副本集成员之间进行身份验证的一种方式。每个副本集节点都需要拥有相同的密钥文件，并且该文件必须保持安全，以防止未授权访问。

步骤：

  • 使用openssl等工具生成一个密钥文件。
  • 确保密钥文件的长度符合要求（如6到1024个字符）。
  • 修改密钥文件的权限，确保只有文件所有者具有读取权限。
  • 将密钥文件复制到所有副本集节点的相应位置。

2.配置MongoDB以使用密钥文件

在每个副本集节点的MongoDB配置文件中（如mongod.conf），指定密钥文件的路径，并启用授权。

示例配置：

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security:  
  keyFile: /path/to/keyfile  
authorization: enabled

3.重启MongoDB服务

在修改配置文件并放置好密钥文件后，需要重启MongoDB服务以使更改生效。

4.创建管理员账户

在副本集的主节点上，使用MongoDB shell连接到admin数据库，并创建一个具有root角色或类似高级权限的管理员账户。这个账户将用于管理MongoDB实例和数据库。

示例命令：

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use admin  
db.createUser({  
  user: "adminUser",  
  pwd: "password",  
  roles: [ { role: "root", db: "admin" } ]  
})

5.验证管理员账户

使用新创建的管理员账户登录MongoDB，以验证其是否已成功创建并具备相应权限。

示例命令：

1

db.auth("adminUser", "password")

6. （可选）创建其他数据库的用户和角色

根据需要，可以在其他数据库中创建具有特定权限的用户和角色。这些用户和角色将用于控制对特定数据库的访问。

收录于 合集・Mongodb 6
更新于 2025-04-08 
CC BY-NC-SA 4.0
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