MongoDB 高可用架构设计及实践-JavaScript中文网-JavaScript教程资源分享门户

前言

随着 Web 应用程序越来越多地使用 MongoDB 作为其数据存储引擎，设计高可用性的 MongoDB 集群已成为开发人员的一个必修课。本文将讨论 MongoDB 的高可用性架构，包括副本集、分片以及如何在 AWS 云上部署 MongoDB 集群。通过本文的学习，您将能够深入了解 MongoDB 高可用性架构，并进行实践，从而在实际应用中获得指导意义。

副本集

副本集是 MongoDB 高可用性架构中的核心概念。副本集是若干个 MongoDB 节点的集合，其中一个节点是主节点，其他节点是从节点。主节点接收所有写操作，并将它们复制到从节点。这种复制流程称为复制。如果主节点发生故障，从节点中的一个将被升级为主节点。这个过程称为故障转移。

副本集架构

上图显示了一个包含三个节点的副本集。在这个副本集中，服务器名称为 A 的 MongoDB 实例是主节点。服务器名称为 B 和 C 的 MongoDB 实例是从节点。副本集中的每个节点都可以执行读操作。因为节点具有数据的副本，因此即使主节点发生故障，从节点仍然可以处理读操作。

副本集故障转移

当主节点故障时，从节点中的一个将被升级为主节点。升级过程称为故障转移。故障转移的过程是自动的，因此不需要人为干预。故障转移过程中，MongoDB 会遵守以下步骤：

从节点检查主节点是否变为不可用状态。从节点会定期向主节点发送心跳包，以了解主节点是否在线。如果主节点没有及时响应心跳包，则从节点将尝试执行故障转移。
从节点检查其他节点是否可以成为主节点。如果从节点检测到主节点不可用，它会查找其他节点以找到一个可以成为主节点的节点。要成为主节点，节点必须拥有最新的数据，并且其操作日志必须与其他节点同步。如果没有节点具有最新的数据，则系统必须执行数据修复（数据同步）操作。
执行故障转移。当从节点确认可以成为主节点时，它将发送消息通知其他节点。其他节点将升级为从节点，并开始与新的主节点同步数据。

副本集设置

要设置副本集，需要完成以下步骤：

启动 MongoDB 实例
配置主节点。在主节点上执行以下命令，将节点配置为主节点：
```
cfg = {
    _id: "rs0",
    members: [ {_id: 0, host: "<hostname>:27017"} ]
}
rs.initiate(cfg)
```
在这个命令中，"rs0" 是集群的名称，"_id" 是成员的 ID，"host" 是主节点的 IP 地址和端口。
配置从节点。在从节点上执行以下命令，将节点配置为从节点：
```
rs.add("<hostname>:27017")
```
在这个命令中，"<hostname>" 是主节点的 IP 地址和端口。

分片

分片是 MongoDB 高可用性架构的另一个核心概念。分片允许 MongoDB 集群分散存储大量数据。分片将数据分为多个分片，并将每个分片存储在不同的 MongoDB 实例上。在使用分片时，MongoDB 节点可以被配置为一个分片服务器。

分片架构

在分片架构中，MongoDB 节点可以被配置为多台服务器。这些服务器可以被分组成一个或多个分片。对于每个分片，MongoDB 会定义一个集合的范围，该范围与该分片相关。在查询时，MongoDB 将自动将查询发送到存储在相关分片上的数据。以下是分片架构的示意图：

上图显示了一个分片架构，其中 MongoDB 节点被分为两个分片。每个分片都由三个服务器组成，并且每个服务器上都有一组集合。例如，第一个分片包括服务器 A、B 和 C，其中 A 上存储集合 1、C 上存储集合 2，B 上存储集合 3。

分片键和区间

为了在分片架构中对数据进行分组，MongoDB 使用分片键。分片键是集合中的一个字段，MongoDB 使用该字段确定将文档存储在哪个分片上。例如，如果分片键是年龄，则 MongoDB 将根据文档中的年龄字段将文档存储在合适的分片上。

在分片键上，MongoDB 定义了一个分片范围。分片范围是指包含所有分片键值的范围。例如，如果分片键是年龄，则分片范围从最小年龄到最大年龄。

每个分片都包括一个分片范围。如果文档的分片键值在分片范围内，则该文档将存储在分片中。如果文档的分片键值不在分片范围内，则该文档将存储在不同分片中。

分片设置

要设置分片，需要完成以下步骤：

创建一个分片键。在创建集合时，可以指定一个字段作为分片键。例如，使用以下命令为集合创建分片键：
```
db.createCollection("students", {shardKey: {age: 1}})
```
在这个命令中，"students" 是集合名，"age" 是分片键字段。
创建一个分片域。分片域定义了如何划分集合的数据。例如，可以按照城市或地区对一组学生进行分组。
```
sh.addShard("shard1/<ip:port>,<ip:port>,<ip:port>")
sh.addShard("shard2/<ip:port>,<ip:port>,<ip:port>")
```
在这个命令中，"shard1" 和 "shard2" 是分片名称，"ip:port,ip:port,ip:port" 是分片节点的 IP 地址和端口。
启用分片。在启用分片时，需要将集合指定为分片集合，并指定一个分片键。
```
sh.enableSharding("test")
sh.shardCollection("test.students", {age: 1})
```
在这个命令中，"test" 是数据库名，"students" 是集合名，"age" 是分片键。

在 AWS 云上部署 MongoDB 集群

在 AWS 云上部署 MongoDB 集群，可以获得许多好处。AWS 提供了许多用于存储、管理和监视 MongoDB 集群的工具和服务。

步骤一：设置虚拟私有云

虚拟私有云（VPC）是一个客户控制的虚拟网络。在 AWS 中，VPC 允许您在受保护和隔离的网络中运行您的应用程序。要在 AWS 上部署 MongoDB 集群，您需要创建一个 VPC。您可以通过控制台或使用 AWS CLI 创建 VPC。

步骤二：启动 EC2 实例

在 AWS 上，您可以使用 Amazon Elastic Compute Cloud（EC2）服务启动 MongoDB 实例。要启动 EC2 实例，请执行以下步骤：

选择 Amazon Machine Image（AMI）。AMI 是 EC2 实例的预配置映像。在选择 AMI 时，请确保选择 MongoDB 作为操作系统。
配置 EC2 实例。在配置 EC2 实例时，需要为实例分配一个安全组。安全组是指控制进出 EC2 实例的网络流量的一组规则。
启动 EC2 实例。一旦配置 EC2 实例，便可以启动该实例。

步骤三：安装 MongoDB

在 AWS 上，可以使用 Amazon Linux AMI 或其他 Linux 发行版来运行 MongoDB。您可以通过 yum 包管理器安装 MongoDB。这里给出安装 MongoDB 的命令：

sudo yum install -y mongodb-org

步骤四：配置 MongoDB 副本集

要配置 MongoDB 副本集，请执行以下步骤：

在 AWS 控制台中，为每个 MongoDB 节点创建一个 EBS 卷。EBS 卷是持久的存储设备。每个节点需要一个 EBS 卷用于存储数据。
挂载 EBS 卷。在挂载 EBS 卷时，请确保将其挂载到正确的 MongoDB 目录。
配置 MongoDB。在配置 MongoDB 副本集时，我们需要更新 MongoDB 配置文件。在配置文件中，指定每个 MongoDB 节点的 IP 地址和端口。以下是配置文件的示例：
```
net:
    bindIp: 0.0.0.0
replication:
    replSetName: rs0
storage:
    dbPath: /data/db
```
在这个示例中，"rs0" 是副本集名称，"/data/db" 是 MongoDB 数据目录。
启动 MongoDB。在启动 MongoDB 时，请使用以下命令：
```
mongod --config /etc/mongod.conf
```

配置副本集。在副本集中，需要指定每个节点的 IP 地址和端口。以下是副本集配置的示例：

rs.initiate({
    _id: "rs0",
    members: [
        { _id: 0, host: "<ip>:27017" },
        { _id: 1, host: "<ip>:27017" },
        { _id: 2, host: "<ip>:27017" }
    ]
})

上述命令中，"<ip>" 是 MongoDB 节点的 IP 地址。这个命令将 MongoDB 节点配置为副本集。

步骤五：配置 MongoDB 分片

要配置 MongoDB 分片，请执行以下步骤：

启动 MongoDB 实例。在启动 MongoDB 实例时，请指定一个端口号和一个命名空间。例如，以下命令启动 MongoDB 实例：
```
mongod --shardsvr --port 27017 --dbpath /data/shard1/db
```
在这个命令中，"--shardsvr" 标志指定该实例是分片服务器。"--port" 标志指定端口号。"--dbpath" 标志指定 MongoDB 数据目录。
创建分片域。要创建分片域，请执行以下命令：
```
sh.addShard("shard1/<ip>:27017")
```
在这个命令中，"shard1" 是分片名称，"<ip>" 是 MongoDB 节点的 IP 地址。
启用分片。要启用分片，请执行以下命令：
```
sh.enableSharding("test")
```
在这个命令中，"test" 是数据库名称。
将集合指定为分片集合。要将集合指定为分片集合，请执行以下命令：
```
sh.shardCollection("test.students", { age: 1 })
```
在这个命令中，"test" 是数据库名称，"students" 是集合名称，"age" 是分片键。

结论

本文介绍了 MongoDB 的高可用性架构，包括副本集、分片以及如何在 AWS 云上部署 MongoDB 集群。通过学习本文，您已经学会了 MongoDB 的高可用性架构，以及如何在实践中部署 MongoDB 集群。希望这篇文章能够对您在实际应用中的开发和部署提供指导和帮助。

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