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MongoDB分片集群架构详解

为什么要使用分片

分片（shard）是指在将数据进行水平切分之后，将其存储到多个不同的服务器节点上的一种扩展方式。

一个复制集能承载的容量和负载是有限的，遇到以下场景就需要考虑使用分片

• 存储容量需求超出单机的磁盘容量。
• 活跃的数据集超出单机内存容量，导致很多请求都要从磁盘读取数据，影响性能。
• 写IOPS超出单个MongoDB节点的写服务能力。

分片集群架构

MongoDB 分片集群（Sharded Cluster）是对数据进行水平扩展的一种方式。MongoDB 使用 分片集群来支持大数据集和高吞吐量的业务场景。

• 数据分片：分片用于存储真正的数据，并提供最终的数据读写访问。分片仅仅是一个逻辑的概念，它可以是一个单独的mongod实例，也可以是一个复制集。
• 配置服务器（Config Server）：配置复制集中保存了整个分片集群中的元数据，其中包含各个集合的分片策略，以及分片的路由表等。
• 查询路由（mongos）：mongos是分片集群的访问入口，其本身并不持久化数据。mongos启动后，会从配置服务器中加载元数据。之后mongos开始提供访问服务，并将用户的请求正确路由到对应的分片。在分片集群中可以部署多个mongos以分担客户端请求的压力。

分片策略

通过分片功能，可以将一个非常大的集合分散存储到不同的分片上。

• 范围分片
  • 范围分片能很好地满足范围查询的需求
  • 范围分片的缺点在于，如果Shard Key有明显递增（或者递减）趋势，则新插入的文档会分布到同一个chunk，此时写压力会集中到一个节点，从而导致单点的性能瓶颈。
• 哈希分片
  • 哈希分片会先事先根据分片键计算出一个新的哈希值（64位整数），再根据哈希值按照范围分片的策略进行chunk的切分。适用于日志，物联网等高并发场景。
  • 在执行一些范围查询时，哈希分片并不是高效的。
  • 哈希分片只能选择单个字段，而范围分片允许采用组合式的多字段作为分片键。

分片标签

MongoDB允许通过为分片添加标签（tag）的方式来控制数据分发。

一个标签可以关联到多个分片区间（TagRange）。均衡器会优先考虑chunk是否正处于某个分片区间上（被完全包含），如果是则会将chunk迁移到分片区间所关联的分片，否则按一般情况处理。

分片键（ShardKey）的选择

• 分片键的基数（cardinality），取值基数越大越有利于扩展。
• 分片键的取值分布应该尽可能均匀
• 业务读写模式，尽可能分散写压力，而读操作尽可能来自一个或少量的分片。
• 分片键应该能适应大部分的业务操作。

分片键（ShardKey）的约束

• ShardKey 大小无限制；
• 支持复合哈希分片键；
• Document 中可以不包含 ShardKey，插入时被当 做 Null 处理；
• 为 ShardKey 添加后缀 refineCollectionShardKey 命令，可以修改 ShardKey 包含的 Field；

数据均衡

1. 所有的数据应均匀地分布于不同的chunk上。
2. 每个分片上的chunk数量尽可能是相近的。

手动均衡

通过splitAt、moveChunk命令进行手动切分、迁移。

自动均衡

MongoDB的数据均衡器运行于Primary Config Server（配置服务器的主节点）上，而该节点也同时会控制chunk数据的搬迁流程。

自动均衡流程

• 分片shard0在持续的业务写入压力下，产生了chunk分裂。
• 分片服务器通知Config Server进行元数据更新。
• Config Server的自动均衡器对chunk分布进行检查，发现shard0和shard1的chunk数差异达到了阈值，向shard0下发moveChunk命令以执行chunk迁移。
• shard0执行指令，将指定数据块复制到shard1。该阶段会完成索引、chunk数据的复制，而且在整个过程中业务侧对数据的操作仍然会指向shard0；所以，在第一轮复制完毕之后，目标shard1会向shard0确认是否还存在增量更新的数据，如果存在则继续复制。
• shard0完成迁移后发送通知，此时Config Server开始更新元数据库，将chunk的位置更新为目标shard1。在更新完元数据库后并确保没有关联cursor的情况下，shard0会删除被迁移的chunk副本。
• Config Server通知mongos服务器更新路由表。此时，新的业务请求将被路由到shard1。

mongodb6.0迁移条件

如果碎片之间的数据差异(对于该集合)小于该集合配置范围大小的三倍，则认为该集合是平衡的。对于128MB的默认范围大小，对于给定的集合，两个分片必须具有至少384MB的数据大小差异，才能进行迁移。

#在每天的凌晨2点到4点运行数据均衡操作
use config
sh.setBalancerState(true)
db.settings.update({_id:"balancer"},{$set:{activeWindow:{start:"02:00",stop:"04:00"}}},{upsert:true}
)#对分片集合中执行count命令可能会产生不准确的结果
使用db.collection.countDocuments({})方法代替
#查看均衡器是否开启
sh.getBalancerState()
#查看均衡器是否正在运行
sh.isBalancerRunning()
#查看当前均衡的窗口设定
sh.getBalancerWindow()

MongoDB高级集群架构设计

MongoDB 集群两地三中心部署的考量点

• 节点数量建议要5个，2+2+1模式

• 主数据中心的两个节点要设置高一点的优先级，减少跨中心换主节点

• 同城双中心之间的网络要保证低延迟和频宽，满足 writeConcern: Majority 的双中心写需求

• 使用 Retryable Writes and Retryable Reads 来保证零下线时间

• 用户需要自行处理好业务层的双中心切换

两地三中心复制集搭建

#配置域名解析
echo "192.168.139.135  mongo1 mongo01.com mongo02.com" >> /etc/hosts
echo "192.168.139.136 mongo2 mongo03.com mongo04.com" >> /etc/hosts
echo "192.168.139.137 mongo3 mongo05.com " >> /etc/hosts#启动5个 MongoDB 实例
mkdir -p /data/member1/db  /data/member1/log /data/member2/db  /data/member2/log
mongod --dbpath /data/member1/db --replSet demo --bind_ip 0.0.0.0 --port 10001 --fork --logpath /data/member1/log/member1.log
mongod --dbpath /data/member2/db --replSet demo --bind_ip 0.0.0.0 --port 10002 --fork --logpath /data/member2/log/member2.logmkdir -p /data/member3/db  /data/member3/log /data/member4/db  /data/member4/log
mongod --dbpath /data/member3/db --replSet demo --bind_ip 0.0.0.0 --port 10001 --fork --logpath /data/member3/log/member3.log
mongod --dbpath /data/member4/db --replSet demo --bind_ip 0.0.0.0 --port 10002 --fork --logpath /data/member4/log/member4.logmkdir -p /data/member5/db  /data/member5/log
mongod --dbpath /data/member5/db --replSet demo --bind_ip 0.0.0.0 --port 10001 --fork --logpath /data/member5/log/member5.logmongo mongo01.com:10001
# 初始化复制集
rs.initiate({"_id" : "demo","version" : 1,"members" : [{ "_id" : 0, "host" : "mongo01.com:10001" },{ "_id" : 1, "host" : "mongo02.com:10002" },{ "_id" : 2, "host" : "mongo03.com:10001" },{ "_id" : 3, "host" : "mongo04.com:10002" },{ "_id" : 4, "host" : "mongo05.com:10001" }]
})
#查看复制集状态
rs.status()#配置选举优先级
mongosh mongo01.com:10001
conf = rs.conf()
conf.members[0].priority = 5
conf.members[1].priority = 10
rs.reconfig(conf)#使用Retryable Writes以后，即使出现数据中心故障，对前端业务没有任何中断
mongosh --retryWrites mongodb://mongo01.com:10001,mongo02.com:10002,mongo03.com:10001,mongo04.com:10002,mongo05.com:10001/test?replicaSet=demo ingest-script#vim ingest-script
db.test.drop()
for(var i=1;i<1000;i++){db.test.insert({item: i});inserted = db.test.findOne({item: i});if(inserted)print(" Item "+ i +" was inserted " + new Date().getTime()/1000);elseprint("Unexpected "+ inserted)sleep(2000);
}