Mongo数据库集群搭建

1、Mongo集群优势

1.1 高可用性

1.2 水平扩展性

1.3 高性能

1.4 灵活的架构设计

1.5 数据安全

1.6 管理与监控

2、下载指定操作系统版本包

3、部署和验证工作

3.1 准备配置文件及依赖

3.2 启动第一个节点

3.3 部署更多的节点

3.4 初始化副本集

3.5 设置管理员账户和密码

3.6 验证集群功能

4、常见问题

MongoDB因为使用比较方便，在研发或测试团队用的比较普遍，有时候可能因为成本和预算等原因，短期无法在云上买集群资源，只能在物理机器上部署，考虑一般机器部署的服务和使用的同学都比较多，单节点故障容错率较低，因此一般建议是部署集群模式，否则一台机器故障，可能导致服务不可用或数据丢失。下文简单介绍了Mongo集群优势、部署方法、常见问题。

1、Mongo集群优势

1.1 高可用性

复制集实现故障转移：MongoDB 通过复制集（Replica Set）提供了高可用性。复制集包含一个主节点（Primary）和多个从节点（Secondary），当主节点发生故障时，从节点可以自动提升为主节点，确保服务不中断。
读写分离：可以配置从节点处理读请求，降低主节点的负载，提高整体可用性。

1.2 水平扩展性

分片（Sharding）支持大规模数据集：
- MongoDB 的分片功能允许将数据分布在多个服务器上，以便处理更大的数据集。
- 分片支持自动均衡，确保各分片数据量和访问负载保持均衡。
无单点瓶颈：通过增加节点，集群可以无限制扩展存储和计算能力，适合高增长的业务场景。

1.3 高性能

并行处理：多个节点可以同时处理请求，利用分片和复制集的架构，支持更高的吞吐量。
内存优先：MongoDB 使用内存映射机制，对于频繁访问的数据，性能优势明显。
灵活的分片键：合理选择分片键可以优化查询性能，减少节点间的网络流量。

1.4 灵活的架构设计

动态模式：MongoDB 以文档为中心的存储方式，不需要预定义模式（Schema），可以快速响应业务需求的变化。
弹性伸缩：支持在运行时扩展和收缩集群，无需停机。
地理分布：通过分片键设计和配置，可以根据地理位置分布数据，提高本地访问速度。

1.5 数据安全

数据冗余：复制集通过多副本存储，提供数据冗余，防止单点故障导致数据丢失。
数据一致性：通过写入确认机制（Write Concern），可以实现不同级别的数据一致性。

1.6 管理与监控

自动化管理：MongoDB 提供工具如 MongoDB Atlas 和 Ops Manager，帮助快速部署和管理集群。
实时监控：支持实时监控查询性能、节点状态和集群活动，便于发现和解决问题。

2、下载指定操作系统版本包

下载地址：MongoDB Atlas Database | Multi-Cloud Database Service | MongoDB，如下图所示，按需下载即可。

3、部署和验证工作

3.1 准备配置文件及依赖

以解压后bin文件夹所在的目录为根目录，建议使用配置文件方式启动。为了让目录结构更清晰，可以手动新建一些目录和文件：./logs日志文件夹、数据文件夹./data/db、配置文件./conf/config.yaml。

除了基本的配置，那集群之间各节点的如何通信的呢？这个就涉及到keyFile文件的生成。

在MongoDB集群中，使用keyFile进行鉴权是一种常见的方法，它确保只有持有相同keyFile的节点能够相互通信和验证身份。

假设我们的文件名为key_file，可以执行如下命令生成keyFile，目录根据实际需要指定就行。

openssl rand -base64 756 > key_file

设置keyFile权限：

出于安全考虑，keyFile必须对MongoDB用户可读，并且其他用户不可读。你可以使用chmod命令将keyFile的权限设置为600（或400，但600更常见，因为它允许文件所有者读写文件，但不允许其他用户访问）。
未设置时./logs/mongod.log日志可能会报错："msg":"Error creating service context","attr":{"error":"Location5579201: Unable to acquire security key[s]"}}

chmod 600 /path/to/your/key_file

最后完整的./conf/config.yaml文件内容示例如下，注意将/path/to/your/dir改为你自己的地址。

systemLog:
    destination: file
    path: /path/to/your/dir/logs/mongod.log
    logAppend: true
storage:
    dbPath: /path/to/your/dir/data/db
    wiredTiger:         # 最大缓存大小为50G，可选设置
        engineConfig:
            cacheSizeGB: 50.0 
net:
    bindIp: 0.0.0.0
    port: 8017
replication: # 副本集名称
    replSetName: mongoClusterTest
processManagement:
    fork: true
security: 
    authorization: enabled
    keyFile: /path/to/your/dir/data/key_file # 各节点相互通信和验证身份

3.2 启动第一个节点

./bin/mongod --fork -f ./conf/config.yaml

预期成功会输出：

% ./bin/mongod --fork -f ./conf/config.yaml
about to fork child process, waiting until server is ready for connections.
forked process: 84352
child process started successfully, parent exiting

此时我们已经成功启动了一个节点。

3.3 部署更多的节点

部署第二个、第三个或更多的节点方法和第一个节点类似，注意版本和配置文件保持一样即可。注意给key_file加权限。

chmod 600 /path/to/your/key_file

为了演示方便，假设现在我们在同一台机器成功启动了另外2个节点，端口分别为8018、8019，实际部署时建议在不同机房的机器。

3.4 初始化副本集

在部署机器上通过MongoDB Shell连接其中一个节点，比如第一个：

./bin/mongo --port 8017

如果没有./mongo，可以手动下载mongo shell工具，如果远程连接需要指定--host，也就是mongo部署的机器信息。

在 MongoDB Shell 中执行以下命令，初始化副本集，注意_id需要和配置文件中的replSetName字段值保持一致。

rs.initiate({
    _id: "mongoClusterTest", // 副本集名称，需与配置文件一致
    members: [
        { _id: 0, host: "127.0.0.1:8017" },
        { _id: 1, host: "127.0.0.1:8018" },
        { _id: 2, host: "127.0.0.1:8019" }
    ]
});

预期成功后信息如下：

检查副本集状态，使用以下命令查看详细信息，确保所有节点的状态为 PRIMARY 或 SECONDARY。

rs.conf();
rs.status();

3.5 设置管理员账户和密码

按需常见即可，可以设置数据库级别的权限。下面给出管理员用户的账户和密码示例。管理员用户负责管理整个 MongoDB 集群的权限。以下是创建管理员用户的步骤：

1、以无身份验证模式连接 MongoDB

连接到primary主节点的 MongoDB（默认无身份验证时）。设置了后，后面连接时需要指定账户和密码。

2、切换到 admin 数据库

use admin;

3、创建管理员用户

假设账户名为zhangsan，密码为abc123456，按需来改就行。

db.createUser({
    user: "zhangsan",
    pwd: "abc123456", // 替换为强密码
    roles: [ { role: "root", db: "admin" } ]
});

成功操作后的返回信息示例为：

3.6 验证集群功能

为了方便手动操作，我们可以结合一些可视化的工具来操作，比如：Studio 3T。

连接信息，输入节点信息和账户密码。

连接成功后可以看到集群各节点的信息。
如果没问题了就可以右键创建数据库、表，测试数据的增删改查。

4、常见问题

1、报错『ERROR: child process failed, exited with error number 1』退出。

答：可以通过less ./logs/mongod.log查看日志。

2、缓存设置可以结合实际情况设置，比如最大限制为50G，默认为系统可用资源的一半左右。

答：在配置文件中的设置示例。

3、连接方式建议换成集群形式，不推荐使用单节点连接，因为集群节点重启可能会引起重新选举primary节点。手动重新选举有很多方式，可以参考：

强制重新选举（Step Down）：

MongoDB提供了rs.stepDown()方法，使当前primary节点放弃主节点角色，重新触发选举过程。新的primary节点会在剩余secondary节点中根据优先级选出。
rs.stepDown()
此命令需要在primary节点执行。执行后，当前primary节点会立即转换为secondary，且一段时间内不能重新竞选为primary。