MongoDB入门系列：复制机制

一、复制原理

MongoDB的复制功能是使用操作日志oplog实现的，oplog包含主节点（Master）的每一次写操作，oplog是local本地数据库中的一个数据集合，其它非主节点（Secondary）通过读取主节点的oplog集合中的记录同步到对应的集合，然后再写入到自身的local数据库的oplog集合中。每个节点都维护着自己的oplog，记录着每一次从主节点复制数据的操作。这样每个成员都可以作为同步源提供给其它成员使用。

注意：需要注意Secondary节点同步数据的顺序是先同步数据，然后再写入oplog;这点和mysql的机制不同。但是每个节点oplog中记录的同步数据是完全一致的，所以也不担心被执行多次。

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：操作时间，当前timestamp + 计数器，计数器每秒都被重置
h：操作的全局唯一标识
v：oplog版本信息
op：操作类型：

i：插入操作
u：更新操作
d：删除操作
c：执行命令（如createDatabase，dropDatabase）
n：空操作，特殊用途

ns：操作针对的集合
ui：
o：操作内容，如果是更新操作
o2：操作查询条件，仅update操作包含该字段
wall：记录的时间戳。

3.查询oplog集合

db.oplog.rs.find(

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

)

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

三、初始化同步

1.选择一个成员作为同步源，在local.me中创建标识符；删除已存在的数据库。

2.将同步源的所有数据复制到本地。所有的操作都被集合到oplog中。

3.将第一个oplog同步中的操作记录下来。

4.创建相关索引,如果集合比较大该过程可能会花费很长的时间。

5.将创建索引过程中同步源增加的记录同步过来。

6.同步完成，修改节点状态为SECONDARY

四、心跳

每个成员每隔两秒钟就会向其它成员发送一个心跳请求，心跳的请求信息量非常的小，用于检查每个成员的状态。

心跳最主要的功能之一就是让主节点知道自己是否满足集合“大多数”的条件。如果主节点不再得到“大多数”服务器的支持，它就会退位变成备份节点。

成员状态

Number	Name	State Description
0	STARTUP	Not yet an active member of any set. All members start up in this state. The mongod parses the replica set configuration document while inSTARTUP.
1	PRIMARY	The member in state primary is the only member that can accept write operations. Eligible to vote.
2	SECONDARY	A member in state secondary is replicating the data store. Eligible to vote.
3	RECOVERING	Members either perform startup self-checks, or transition from completing a rollback or resync. Eligible to vote.
5	STARTUP2	The member has joined the set and is running an initial sync.
6	UNKNOWN	The member’s state, as seen from another member of the set, is not yet known.
7	ARBITER	Arbiters do not replicate data and exist solely to participate in elections.
8	DOWN	The member, as seen from another member of the set, is unreachable.
9	ROLLBACK	This member is actively performing a rollback. Data is not available for reads.
10	REMOVED	This member was once in a replica set but was subsequently removed.

五、选举

当一个成员无法到达主节点时，它就会申请被选举为主节点。希望被选举为主节点的成员会向它能到达的所有成员发送通知。如果这个成员不符合候选人的要求，其它成员可能会知道相关原因：这个成员的数据落后于副本集，或者已经有一个运行中的主节点（希望被选举为主节点的成员无法到达这个主节点）。在这些情况下，其它成员不会允许进行选举。

如果没有其它成员反对，其他成员就会对这个成员进行选举投票，如果满足副本集中“大多数”赞成票，它就被选举成功，转换成为主节点。否则选举失败仍然处于备份节点状态，之后还可以再次申请被选举为主节点。而主节点会一直主节点状态，除非它由于不再满足“大多数”的要求或者宕机而退位，另外副本集被重新配置也会导致主节点退位。

在网络良好的情况下，同时投票服务器也正常运行那么选举过程会很快，由于节点之间的互ping是每隔2S，所以如果有主节点不可用那么2S之内就会有成员发现，然后就会立即开始选举，整个过程正常只会花费几毫秒。如果存在网络问题或者服务器过载响应缓慢都有可能触发选举。在这种情况下，心跳会在最多10S之后超时。如果选举打成平局，每个成员都需要等待30S才能开始下一次选举，所以如果发生太多错误的情况下选举可能会花费几分钟的时间。

六、回滚

一般情况下跨数据中心复制要比同数据中心复制慢。

上图的两个数据中心之间出现网络故障，DC1最后的操作是126，DC2最后的操作是125；DC1的126操作还没有被复制到DC2；由于采取的是多数节点的投票机制，DC2数据中心的副本满足“大多数”节点的要求（一共5台服务器，3台服务器即可超过半数投票）。因此其中一台服务器会被选举成为新的主节点，这个主节点会继续后续的写操作。假设在DC1的网络恢复之前DC2已经操作到了130。

DC1

123

124

125

126

DC2

123

124

125

126''

127''

128''

129''

130''

在DC1网络恢复之后，DC1就会从DC2同步126之后的操作，但是会发现这个操作是无法操作的，这时候DC1和DC2就会进入回滚过程，DC1和DC2会查找到二者共同的操作点125，DC1和DC2都会回滚到125，然后二者才会继续后面的同步操作

注意：如果回滚的数据量比较大需要很长的时间，这时可能会导致回滚失败，对于回滚失败的节点，必须要重新进行同步。一般造成这种情况的主要原因是备份节点远远落后于主节点，而这时主节点挂了。

备注：

作者：pursuer.chen

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