MongoDB集群高可用架构搭建与管理指南

一、MongoDB集群架构概述

MongoDB提供三种主要的集群部署方式，可根据业务需求选择：

1. 副本集(Replica Set)：提供数据冗余和高可用性
2. 分片集群(Sharded Cluster)：实现水平扩展，处理大数据量
3. 混合架构：副本集+分片集群，兼顾高可用与扩展性

二、副本集高可用部署

1. 基础副本集配置

# mongod.conf 配置文件示例
storage:
  dbPath: /data/db
  journal:
    enabled: true
replication:
  replSetName: rs0
net:
  bindIp: 0.0.0.0
  port: 27017

2. 初始化副本集

// 在primary节点执行
rs.initiate({
  _id: "rs0",
  members: [
    { _id: 0, host: "mongo1:27017" },
    { _id: 1, host: "mongo2:27017" },
    { _id: 2, host: "mongo3:27017", arbiterOnly: true } // 仲裁节点
  ]
})

3. 副本集管理命令

// 查看副本集状态
rs.status()

// 添加节点
rs.add("mongo4:27017")

// 移除节点
rs.remove("mongo4:27017")

// 强制重新选举
rs.stepDown(60) // 60秒内不参与选举

三、分片集群高可用部署

1. 分片集群组件

• mongos：路由服务，应用程序连接入口
• config servers：配置服务器，存储元数据(必须为副本集)
• shards：数据分片，每个分片应为副本集

2. 分片集群配置示例

# 启动配置服务器副本集
mongod --configsvr --replSet configReplSet --dbpath /data/configdb --port 27019

# 启动分片服务器副本集
mongod --shardsvr --replSet shardReplSet1 --dbpath /data/shard1 --port 27018

# 启动mongos路由
mongos --configdb configReplSet/config1:27019,config2:27019,config3:27019

3. 分片集群初始化

// 连接到mongos
use admin

// 添加分片
sh.addShard("shardReplSet1/mongo1:27018,mongo2:27018,mongo3:27018")

// 启用数据库分片
sh.enableSharding("mydatabase")

// 对集合分片
sh.shardCollection("mydatabase.mycollection", { "shardKey": 1 })

四、高可用管理策略

1. 监控与告警

• 监控指标：

  • 节点状态(primary/secondary)
  • 复制延迟
  • 连接数
  • 内存使用
  • 操作计数器

• 工具推荐：

  • MongoDB Ops Manager
  • Prometheus + Grafana
  • Percona PMM

2. 备份与恢复

# 热备份工具mongodump
mongodump --host rs0/mongo1:27017,mongo2:27017 --out /backup/$(date +%Y%m%d)

# 恢复工具mongorestore
mongorestore --host rs0/mongo1:27017 /backup/20230101

3. 性能优化

• 索引优化：

  • 为查询模式创建合适索引
  • 监控慢查询
  • 避免全集合扫描

• 分片键选择：

  • 基数高
  • 写分布均匀
  • 匹配查询模式

五、安全配置

# 安全配置示例
security:
  authorization: enabled
  keyFile: /path/to/keyfile
  clusterAuthMode: keyFile

六、故障处理

1. Primary节点宕机：

   • 自动选举新primary
   • 检查副本集状态rs.status()
   • 修复后重新加入集群

2. 脑裂问题：

   • 确保多数节点存活
   • 配置奇数个投票成员
   • 使用仲裁节点

3. 数据不一致：

   • 检查复制延迟rs.printSlaveReplicationInfo()
   • 必要时重新同步节点

七、最佳实践

1. 生产环境至少使用3节点副本集
2. 分片集群的config服务器必须为3节点副本集
3. 监控复制延迟和心跳
4. 定期测试故障转移
5. 实施适当的备份策略
6. 使用连接池管理应用连接

通过以上配置和管理策略，可以构建高可用的MongoDB集群架构，确保业务连续性并处理大规模数据需求。