05 MongoDB 副本集与高可用

MongoDB 副本集（Replica Set）是实现高可用和数据冗余的核心机制。本章介绍副本集的原理、部署、故障转移和生产环境最佳实践。

5.1 副本集概念

5.1.1 架构

text

副本集架构（至少 3 个节点）：

┌─────────────────────────────────────────┐
│           Replica Set "rs0"             │
│                                         │
│  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌──────────┐
│  │ Primary  │  │Secondary │  │Secondary │
│  │  主节点   │◄─┤  从节点   │  │  从节点   │
│  │          │  │          │  │          │
│  │ 写操作    │  │ 读操作    │  │ 读操作    │
│  │ 数据同步  │  │ 数据复制  │  │ 数据复制  │
│  └──────────┘  └──────────┘  └──────────┘
│       ▲              │              │
│       │              │              │
│       └──────────────┴──────────────┘
│              oplog 复制
└─────────────────────────────────────────┘

5.1.2 节点类型

节点类型	角色	特点
Primary	主节点	接受写操作，唯一可写节点
Secondary	从节点	复制主节点数据，可提供读操作
Arbiter	仲裁节点	只参与投票，不存储数据（节省资源）
Hidden	隐藏节点	不可见，用于备份或报告
Delayed	延迟节点	延迟复制，用于灾难恢复

5.1.3 选举机制

text

选举规则：
  · 需要大多数节点（majority）投票
  · 3 节点：至少 2 票
  · 5 节点：至少 3 票
  · 优先级高的节点更容易当选
  · 数据最新的节点优先

故障转移流程：
  1. Primary 宕机
  2. Secondary 检测到 Primary 不可达
  3. 发起选举（需要大多数节点同意）
  4. 选举新的 Primary
  5. 客户端自动切换到新 Primary

5.2 部署副本集

5.2.1 准备环境

bash

# 创建 3 个数据目录
mkdir -p /data/rs0-0 /data/rs0-1 /data/rs0-2

# 生成密钥文件（用于内部认证）
openssl rand -base64 756 > /data/keyfile
chmod 400 /data/keyfile

5.2.2 启动节点

bash

# 启动节点 0（端口 27017）
mongod --replSet rs0 \
  --port 27017 \
  --dbpath /data/rs0-0 \
  --keyFile /data/keyfile \
  --bind_ip localhost,192.168.1.10

# 启动节点 1（端口 27018）
mongod --replSet rs0 \
  --port 27018 \
  --dbpath /data/rs0-1 \
  --keyFile /data/keyfile \
  --bind_ip localhost,192.168.1.11

# 启动节点 2（端口 27019）
mongod --replSet rs0 \
  --port 27019 \
  --dbpath /data/rs0-2 \
  --keyFile /data/keyfile \
  --bind_ip localhost,192.168.1.12

5.2.3 初始化副本集

javascript

// 连接到节点 0
mongosh --port 27017

// 初始化副本集
rs.initiate({
  _id: "rs0",
  members: [
    { _id: 0, host: "192.168.1.10:27017", priority: 2 },
    { _id: 1, host: "192.168.1.11:27018", priority: 1 },
    { _id: 2, host: "192.168.1.12:27019", priority: 1 }
  ]
})

// 查看状态
rs.status()

// 查看配置
rs.conf()

5.2.4 Docker Compose 部署

yaml

# docker-compose.yml
version: '3.8'

services:
  mongo0:
    image: mongo:7.0
    container_name: mongo0
    ports:
      - "27017:27017"
    volumes:
      - mongo0_data:/data/db
      - ./keyfile:/data/keyfile
    command: mongod --replSet rs0 --keyFile /data/keyfile --bind_ip_all

  mongo1:
    image: mongo:7.0
    container_name: mongo1
    ports:
      - "27018:27017"
    volumes:
      - mongo1_data:/data/db
      - ./keyfile:/data/keyfile
    command: mongod --replSet rs0 --keyFile /data/keyfile --bind_ip_all

  mongo2:
    image: mongo:7.0
    container_name: mongo2
    ports:
      - "27019:27017"
    volumes:
      - mongo2_data:/data/db
      - ./keyfile:/data/keyfile
    command: mongod --replSet rs0 --keyFile /data/keyfile --bind_ip_all

volumes:
  mongo0_data:
  mongo1_data:
  mongo2_data:

5.3 副本集管理

5.3.1 添加节点

javascript

// 添加从节点
rs.add("192.168.1.13:27017")

// 添加仲裁节点
rs.addArb("192.168.1.14:27017")

// 添加隐藏节点
rs.add({
  host: "192.168.1.15:27017",
  priority: 0,
  hidden: true
})

5.3.2 移除节点

javascript

// 移除节点
rs.remove("192.168.1.13:27017")

5.3.3 切换主节点

javascript

// 手动切换主节点（step down）
rs.stepDown(60)  // 60 秒内不参与选举

// 强制切换
rs.stepDown(60, { force: true })

5.3.4 维护模式

javascript

// 进入维护模式（临时降级为 Secondary）
rs.stepDown(600)  // 10 分钟

5.4 读写策略

5.4.1 写关注（Write Concern）

javascript

// 写关注级别
db.users.insertOne(
  { name: "张三" },
  { writeConcern: { w: "majority", j: true, wtimeout: 5000 } }
)

// w: 1          - 主节点确认（默认）
// w: "majority" - 大多数节点确认
// w: 0          - 不等待确认
// j: true       - 写入 journal
// wtimeout      - 超时时间（毫秒）

5.4.2 读偏好（Read Preference）

javascript

// 设置读偏好
db.getMongo().setReadPref("secondaryPreferred")

// 或在查询时指定
db.users.find().readPref("secondary")

// 读偏好类型
// primary            - 只读主节点（默认）
// primaryPreferred   - 优先主节点，不可用时读从节点
// secondary          - 只读从节点
// secondaryPreferred - 优先从节点，不可用时读主节点
// nearest            - 读最近的节点

读偏好选择建议：

场景	推荐读偏好	原因
强一致性要求	primary	保证读最新数据
读多写少	secondaryPreferred	分担主节点压力
报表查询	secondary	不影响主节点性能
低延迟要求	nearest	读最近的节点

5.5 Oplog（操作日志）

5.5.1 Oplog 原理

text

Oplog（Operation Log）：
  · 主节点记录所有写操作
  · 从节点通过复制 oplog 保持同步
  · 固定大小的 capped collection
  · 默认大小：磁盘空间的 5%

Oplog 窗口：
  · 从最早记录到最新记录的时间范围
  · 从节点必须在这个窗口内完成同步
  · 如果从节点落后太多，需要重新全量同步

5.5.2 查看 Oplog

javascript

// 查看 oplog 状态
rs.printReplicationInfo()

// 输出示例：
// configured oplog size: 990.00 MB
// log length start to end: 172800 secs (48 hours)
// oplog first event time: Wed Sep 04 2026 10:00:00 GMT+0800
// oplog last event time: Fri Sep 06 2026 10:00:00 GMT+0800
// now: Fri Sep 06 2026 10:00:00 GMT+0800

// 查看从节点同步延迟
rs.printSecondaryReplicationInfo()

5.5.3 调整 Oplog 大小

javascript

// 查看当前 oplog 大小
db.oplog.rs.stats().maxSize

// 调整 oplog 大小（需要重启）
// mongod.conf
replication:
  oplogSizeMB: 10240  // 10GB

5.6 故障转移与恢复

5.6.1 自动故障转移

text

故障转移流程：
  1. Primary 宕机或网络分区
  2. Secondary 在 10 秒内检测到
  3. 发起选举（需要大多数节点同意）
  4. 选举新的 Primary（通常 10-30 秒）
  5. 客户端自动重连到新 Primary

客户端配置：
  mongodb://host1:27017,host2:27018,host3:27019/?replicaSet=rs0
  · 客户端会自动发现拓扑变化
  · 自动切换到新 Primary

5.6.2 手动故障转移

javascript

// 强制选举
rs.stepDown()

// 指定某个节点成为 Primary
// 1. 设置优先级
cfg = rs.conf()
cfg.members[1].priority = 10
rs.reconfig(cfg)

// 2. 当前 Primary step down
rs.stepDown()

5.6.3 数据恢复

javascript

// 从节点数据落后太多，需要重新同步
// 1. 停止从节点
// 2. 删除数据目录
// 3. 重新启动（会自动全量同步）

// 或使用 initialSync
rs.syncFrom("primary_host:27017")

5.7 监控与告警

5.7.1 关键指标

javascript

// 副本集状态
rs.status()

// 关键字段
// "set" - 副本集名称
// "myState" - 当前节点状态（1=Primary, 2=Secondary）
// "members" - 所有成员状态
// "members[i].stateStr" - 状态描述
// "members[i].health" - 健康状态（1=健康）
// "members[i].optimeDate" - 最后操作时间
// "members[i].optimeLag" - 与主节点的延迟（秒）

5.7.2 监控脚本

bash

#!/bin/bash
# check_replication.sh

# 检查副本集状态
mongosh --eval "
const status = rs.status();
const primary = status.members.find(m => m.stateStr === 'PRIMARY');
const secondaries = status.members.filter(m => m.stateStr === 'SECONDARY');

print('Primary: ' + primary.name);
print('Secondaries: ' + secondaries.length);

secondaries.forEach(s => {
  const lag = (new Date() - s.optimeDate) / 1000;
  print('  ' + s.name + ' lag: ' + lag + ' seconds');
  if (lag > 60) {
    print('WARNING: Replication lag > 60 seconds!');
    exit(1);
  }
});
"

if [ $? -eq 1 ]; then
  echo "Replication lag detected!"
  # 发送告警
fi

5.8 生产环境最佳实践

5.8.1 节点配置

text

推荐配置（3 节点）：
  · 1 Primary + 2 Secondary
  · 或 1 Primary + 1 Secondary + 1 Arbiter

节点分布：
  · 跨可用区部署（不同机架/数据中心）
  · 避免所有节点在同一网络段
  · 至少 3 个投票节点

硬件要求：
  · Primary：高性能（CPU、内存、SSD）
  · Secondary：中等性能（可稍低）
  · Arbiter：最低配置（只参与投票）

5.8.2 连接字符串

javascript

// 生产环境连接字符串
mongodb://user:password@host1:27017,host2:27018,host3:27019/mydb?
  replicaSet=rs0&
  authSource=admin&
  readPreference=secondaryPreferred&
  w=majority&
  wtimeoutMS=5000&
  retryWrites=true&
  retryReads=true

5.8.3 安全配置

yaml

# mongod.conf

security:
  authorization: enabled
  keyFile: /data/keyfile

net:
  tls:
    mode: requireTLS
    certificateKeyFile: /etc/ssl/mongodb.pem
    CAFile: /etc/ssl/ca.pem

5.8.4 备份策略

bash

# 从从节点备份（避免影响主节点）
mongodump --host secondary_host:27017 \
  --username backup_user \
  --password password \
  --authenticationDatabase admin \
  --oplog \
  --out /backup/mongodb

# 使用隐藏节点备份
# 隐藏节点不影响选举，专门用于备份

本章小结

副本集是 MongoDB 高可用的核心机制
至少 3 个节点：1 Primary + 2 Secondary
自动故障转移，通常在 10-30 秒内完成
写关注控制数据一致性级别
读偏好分散读压力到从节点
Oplog 是数据同步的基础，需要足够大的窗口
生产环境跨可用区部署，使用 TLS 加密
从从节点备份，避免影响主节点性能

练习：把「05 MongoDB 副本集与高可用」变成可验证能力

从本文任选一个示例，在可丢弃环境重跑；记录运行时/服务版本、输入、关键输出和清理动作。
保持其他条件不变，只制造一个边界：空值、重复请求、并发、超时、断连、权限不足或资源耗尽。
用四句话复盘：现象是什么、原理在哪一层、证据是什么、生产中如何止损。

验收清单

[ ] 示例能从空环境重复执行，必要依赖和版本已写明。
[ ] 同时保留成功路径与至少一个失败路径，不用“应该没问题”冒充证据。
[ ] 结论写明适用边界，并能链接回对应学习路线的能力域。
[ ] 练习结束后已清理临时数据、凭据、端口或进程。

对照数据库练习答案与复盘尺。先交自己的证据再翻答案；答案是镜子，不是传送门。

05 MongoDB 副本集与高可用 ​

5.1 副本集概念 ​

5.1.1 架构 ​

5.1.2 节点类型 ​

5.1.3 选举机制 ​

5.2 部署副本集 ​

5.2.1 准备环境 ​

5.2.2 启动节点 ​

5.2.3 初始化副本集 ​

5.2.4 Docker Compose 部署 ​

5.3 副本集管理 ​

5.3.1 添加节点 ​

5.3.2 移除节点 ​

5.3.3 切换主节点 ​

5.3.4 维护模式 ​

5.4 读写策略 ​

5.4.1 写关注（Write Concern） ​

5.4.2 读偏好（Read Preference） ​

5.5 Oplog（操作日志） ​

5.5.1 Oplog 原理 ​

5.5.2 查看 Oplog ​

5.5.3 调整 Oplog 大小 ​

5.6 故障转移与恢复 ​

5.6.1 自动故障转移 ​

5.6.2 手动故障转移 ​

5.6.3 数据恢复 ​

5.7 监控与告警 ​

5.7.1 关键指标 ​

5.7.2 监控脚本 ​

5.8 生产环境最佳实践 ​

5.8.1 节点配置 ​

5.8.2 连接字符串 ​

5.8.3 安全配置 ​

5.8.4 备份策略 ​

本章小结 ​

练习：把「05 MongoDB 副本集与高可用」变成可验证能力 ​

05 MongoDB 副本集与高可用

5.1 副本集概念

5.1.1 架构

5.1.2 节点类型

5.1.3 选举机制

5.2 部署副本集

5.2.1 准备环境

5.2.2 启动节点

5.2.3 初始化副本集

5.2.4 Docker Compose 部署

5.3 副本集管理

5.3.1 添加节点

5.3.2 移除节点

5.3.3 切换主节点

5.3.4 维护模式

5.4 读写策略

5.4.1 写关注（Write Concern）

5.4.2 读偏好（Read Preference）

5.5 Oplog（操作日志）

5.5.1 Oplog 原理

5.5.2 查看 Oplog

5.5.3 调整 Oplog 大小

5.6 故障转移与恢复

5.6.1 自动故障转移

5.6.2 手动故障转移

5.6.3 数据恢复

5.7 监控与告警

5.7.1 关键指标

5.7.2 监控脚本

5.8 生产环境最佳实践

5.8.1 节点配置

5.8.2 连接字符串

5.8.3 安全配置

5.8.4 备份策略

本章小结

练习：把「05 MongoDB 副本集与高可用」变成可验证能力