MongoDB 複製機制

一、複製原理

MongoDB的複製功能是使用操作日誌oplog實現的，oplog包含主節點（Master）的每一次寫操作，oplog是local本地資料庫中的一個數據集合，其它非主節點（Secondary）通過讀取主節點的oplog集合中的記錄同步到對應的集合，然後再寫入到自身的local資料庫的oplog集合中。每個節點都維護著自己的oplog，記錄著每一次從主節點複製數據的操作。這樣每個成員都可以作為同步源提供給其它成員使用。

註意：需要註意Secondary節點同步數據的順序是先同步數據，然後再寫入oplog;這點和mysql的機制不同。但是每個節點oplog中記錄的同步數據是完全一致的，所以也不擔心被執行多次。

二、oplog集合

1.insert操作

/* 1 */

{

    "ts" : Timestamp(1520580648, 1),
    "t" : NumberLong(20),
    "h" : NumberLong(-8701728013874689868),
    "v" : 2,
    "op" : "i",
    "ns" : "test.person",
    "ui" : UUID("782befd9-80ae-4a2c-86ae-33a147e7c948"),
    "wall" : ISODate("2018-03-09T07:30:48.120Z"),
    "o" : {
        "_id" : ObjectId("5aa2382f7239a98c7e679114"),
        "name" : "zhang"
    }
}

2.update操作

/* 1 */

{
    "ts" : Timestamp(1520584444, 2),
    "t" : NumberLong(20),
    "h" : NumberLong(7151217369265341585),
    "v" : 2,
    "op" : "u",
    "ns" : "test.person",
    "ui" : UUID("782befd9-80ae-4a2c-86ae-33a147e7c948"),
    "o2" : {
        "_id" : ObjectId("5aa2382f7239a98c7e679114")
    },
    "wall" : ISODate("2018-03-09T08:34:04.777Z"),
    "o" : {
        "$v" : 1,
        "$set" : {
            "name" : "wang"
        }
    }
}

• ts： 操作時間，當前timestamp + 計數器，計數器每秒都被重置
• h：操作的全局唯一標識
• v：oplog版本信息
• op：操作類型：

1. i：插入操作
2. u：更新操作
3. d：刪除操作
4. c：執行命令（如createDatabase，dropDatabase）
5. n：空操作，特殊用途

• ns：操作針對的集合
• ui：
• o：操作內容，如果是更新操作
• o2：操作查詢條件，僅update操作包含該欄位
• wall：記錄的時間戳。

3.查詢oplog集合

db.oplog.rs.find(

{"op":{$in:["i","u","d"]}}

)

.sort({"wall":-1});

三、初始化同步

1.選擇一個成員作為同步源，在local.me中創建標識符；刪除已存在的資料庫。

2.將同步源的所有數據複製到本地。所有的操作都被集合到oplog中。

3.將第一個oplog同步中的操作記錄下來。

4.創建相關索引,如果集合比較大該過程可能會花費很長的時間。

5.將創建索引過程中同步源增加的記錄同步過來。

6.同步完成，修改節點狀態為SECONDARY

四、心跳

每個成員每隔兩秒鐘就會向其它成員發送一個心跳請求，心跳的請求信息量非常的小，用於檢查每個成員的狀態。

心跳最主要的功能之一就是讓主節點知道自己是否滿足集合“大多數”的條件。如果主節點不再得到“大多數”伺服器的支持，它就會退位變成備份節點。

成員狀態

五、選舉

當一個成員無法到達主節點時，它就會申請被選舉為主節點。希望被選舉為主節點的成員會向它能到達的所有成員發送通知。如果這個成員不符合候選人的要求，其它成員可能會知道相關原因：這個成員的數據落後於副本集，或者已經有一個運行中的主節點（希望被選舉為主節點的成員無法到達這個主節點）。在這些情況下，其它成員不會允許進行選舉。

如果沒有其它成員反對，其他成員就會對這個成員進行選舉投票，如果滿足副本集中“大多數”贊成票，它就被選舉成功，轉換成為主節點。否則選舉失敗仍然處於備份節點狀態，之後還可以再次申請被選舉為主節點。而主節點會一直主節點狀態，除非它由於不再滿足“大多數”的要求或者宕機而退位，另外副本集被重新配置也會導致主節點退位。

在網路良好的情況下，同時投票伺服器也正常運行那麼選舉過程會很快，由於節點之間的互ping是每隔2S，所以如果有主節點不可用那麼2S之內就會有成員發現，然後就會立即開始選舉，整個過程正常只會花費幾毫秒。如果存在網路問題或者伺服器過載響應緩慢都有可能觸發選舉。在這種情況下，心跳會在最多10S之後超時。如果選舉打成平局，每個成員都需要等待30S才能開始下一次選舉，所以如果發生太多錯誤的情況下選舉可能會花費幾分鐘的時間。

六、回滾

一般情況下跨數據中心複製要比同數據中心複製慢。

上圖的兩個數據中心之間出現網路故障，DC1最後的操作是126，DC2最後的操作是125；DC1的126操作還沒有被覆制到DC2；由於採取的是多數節點的投票機制，DC2數據中心的副本滿足“大多數”節點的要求（一共5台伺服器，3台伺服器即可超過半數投票）。因此其中一臺伺服器會被選舉成為新的主節點，這個主節點會繼續後續的寫操作。假設在DC1的網路恢復之前DC2已經操作到了130。

DC1

DC2

在DC1網路恢復之後，DC1就會從DC2同步126之後的操作，但是會發現這個操作是無法操作的，這時候DC1和DC2就會進入回滾過程，DC1和DC2會查找到二者共同的操作點125，DC1和DC2都會回滾到125，然後二者才會繼續後面的同步操作

註意：如果回滾的數據量比較大需要很長的時間，這時可能會導致回滾失敗，對於回滾失敗的節點，必須要重新進行同步。一般造成這種情況的主要原因是備份節點遠遠落後於主節點，而這時主節點掛了。