MongoDB Replication

一、副本集

为保证数据安全，实现高可用，MongoDB 提供了复制功能，可以将主节点上的数据复制到多个从节点上，这样即便主节点异常，由于数据是以多副本的方式存储，仍然可以保证数据安全。一个标准的三节点的副本集的架构如下：

在副本集初始化时，主节点的 mongod 进程会扫描当前节点上每个数据库中的每个集合，然后将这些数据发送给从节点，进行初始化的全量复制。

从节点在初始化完成后，不断同步地复制主节点的 oplog 数据。oplog (操作日志) 是一个特殊的集合，它存储了数据库中所有数据的操作记录。oplog 中的每个操作都具有幂等性，即每个操作对目标数据集无论是应用一次还是多次，都会产生相同的结果。

MongoDB 按 namespace 或 document id 对每批操作进行分组，并使用不同的线程应用每组操作，同时 MongoDB 会严格按照原始写入顺序将写入操作应用于从节点上的文档。

除了可以将正常的 mongod 实例添加到副本集外，还可以将额外的 mongod 实例添加到副本集作为仲裁者。仲裁者不承担数据的读写操作，它只用于响应选举请求并参与仲裁。因为它不存储数据，所以可以占用更少的服务器资源，如果你的副本集具有偶数个成员，可以通过添加仲裁者来保证有效选举。

虽然仲裁者可以占用更少的服务器资源，但是由于其并不存储数据，所以对数据的安全性并不能起到帮助作用。因此应该尽量避免使用仲裁者，同时尽量保证最多只使用一个仲裁者，即如果节点数量恰好是偶数，则添加一个仲裁者，如果节点数量是奇数，那就不需要仲裁者。

副本集的每个节点之间会维持着两秒一次的心跳检测，当从节点与主节点的通信时间超过配置的 electionTimeoutMillis 时间 (默认为10秒) 时，则认为该主节点出现故障，此时副本集会进行新的主节点选举。

MongoDB 的选举算法会尝试让高优先级的节点优先发起选举，从而更容易在选举中胜出。如果某一个优先级较低的节点在短时间内被选举为新的主节点，这时副本集仍然会继续发起选举，直至可用的最高优先级的节点成为新的主节点。需要特别注意的是在这个过程当中，优先级为 0 的成员不能寻求选举，也不能成为主节点。

节点发起选举后，需要具有投票权的节点进行投票，当获得半数以上选票时，该备用节点可以成为新的主节点。对于一个复制集，只有处于以下状态的节点拥有投票权，这些节点统称为投票成员：

PRIMARY：副本集的主节点。
SECONDARY：处于复制状态的从节点。
STARTUP2：mongod 完成配置加载后，副本集的每个成员都进入 STARTUP2 状态，此时它成为副本集的活动成员并且有资格投票。然后该成员决定是否进行初始同步。如果成员开始初始同步，则成员将保留在 STARTUP2 状态，直到所有数据复制完成并构建好索引。之后成员过渡到RECOVERING。
RECOVERING：当副本集的成员尚未准备好接受读取操作时，它将进入 RECOVERING 状态。处于恢复状态的成员有资格在选举中投票，但没有资格成为主节点。
ARBITER：ARBITER 状态的成员不复制数据或接受写入操作，仲裁者通常处于这一状态。
ROLLBACK：如果成员正在进行数据回滚，它就处于 ROLLBACK 状态。

除了投票成员外，那些持有副本集数据的副本，并且可以接受来自客户端应用程序的读取操作，但没有投票权的成员统称为非投票成员。出于网络通讯成本的考虑，MongoDB 的副本集最多有 50 个节点（成员），默认情况下最多可包含7个投票成员。投票成员和非投票成员的要求如下：

如下示例是一个 9 个成员的副本集，包含 7 个投票成员和 2 个无投票成员：