mongodb3.6集群搭建:分片+副本集

mongodb是最常用的noSql数据库，在数据库排名中已经上升到了前五。这篇文章介绍如何搭建高可用的mongodb（分片+副本）集群。

在搭建集群之前，需要首先了解几个概念：路由，分片、副本集、配置服务器等。
相关概念
mongodb集群架构图：

从图中可以看到有四个组件：mongos、config server、shard、replica set。
mongos，数据库集群请求的入口，所有的请求都通过mongos进行协调，不需要在应用程序添加一个路由选择器，mongos自己就是一个请求分发中心，它负责把对应的数据请求请求转发到对应的shard服务器上。在生产环境通常有多mongos作为请求的入口，防止其中一个挂掉所有的mongodb请求都没有办法操作。
config server，顾名思义为配置服务器，存储所有数据库元信息（路由、分片）的配置。mongos本身没有物理存储分片服务器和数据路由信息，只是缓存在内存里，配置服务器则实际存储这些数据。mongos第一次启动或者关掉重启就会从 config server 加载配置信息，以后如果配置服务器信息变化会通知到所有的 mongos 更新自己的状态，这样 mongos 就能继续准确路由。在生产环境通常有多个 config server 配置服务器，因为它存储了分片路由的元数据，防止数据丢失！
shard，分片（sharding）是指将数据库拆分，将其分散在不同的机器上的过程。将数据分散到不同的机器上，不需要功能强大的服务器就可以存储更多的数据和处理更大的负载。基本思想就是将集合切成小块，这些块分散到若干片里，每个片只负责总数据的一部分，最后通过一个均衡器来对各个分片进行均衡（数据迁移）。
replica set，中文翻译副本集，其实就是shard的备份，防止shard挂掉之后数据丢失。复制提供了数据的冗余备份，并在多个服务器上存储数据副本，提高了数据的可用性， 并可以保证数据的安全性。
仲裁者（Arbiter），是复制集中的一个MongoDB实例，它并不保存数据。仲裁节点使用最小的资源并且不要求硬件设备，不能将Arbiter部署在同一个数据集节点中，可以部署在其他应用服务器或者监视服务器中，也可部署在单独的虚拟机中。为了确保复制集中有奇数的投票成员（包括primary），需要添加仲裁节点做为投票，否则primary不能运行时不会自动切换primary。
简单了解之后，我们可以这样总结一下，应用请求mongos来操作mongodb的增删改查，配置服务器存储数据库元信息，并且和mongos做同步，数据最终存入在shard（分片）上，为了防止数据丢失同步在副本集中存储了一份，仲裁在数据存储到分片的时候决定存储到哪个节点。
环境准备

系统系统 centos 7.4
三台服务器：192.168.56.101、node2(192.168.56.102)、node3(192.168.56.103)
安装包：yum安装

服务器规划

 端口分配：
mongos：20000
config：21000
shard1：27001
shard2：27002
shard3：27003

开放端口
firewall-cmd --add-port=21000/tcp --permanent   
firewall-cmd --add-port=21000/tcp
firewall-cmd --add-port=27001/tcp --permanent   
firewall-cmd --add-port=27001/tcp
firewall-cmd --add-port=27002/tcp --permanent   
firewall-cmd --add-port=27002/tcp
firewall-cmd --add-port=27003/tcp --permanent   
firewall-cmd --add-port=27003/tcp
firewall-cmd --add-port=20000/tcp --permanent   
firewall-cmd --add-port=20000/tcp

关闭selinux
vi /etc/selinux/config
SELINUX=disabled
重启系统

集群搭建

1、安装mongodb

#yum安装mongodb
cat /etc/yum.repos.d/mongodb.repo 
[mongodb-org]
name=MongoDB Repository
baseurl=https://repo.mongodb.org/yum/redhat/$releasever/mongodb-org/3.6/x86_64/
gpgcheck=1
enabled=1
gpgkey=https://www.mongodb.org/static/pgp/server-3.6.asc

yum install mongodb-org

禁用自带服务：
systemctl disable mongod
systemctl stop mongod

路径规划并创建
分别在每台机器建立conf、mongos、config、shard1、shard2、shard3目录，因为mongos不存储数据，只需要建立日志文件目录即可。
配置文件路径：
mkdir -p /etc/mongod/conf.d
pid文件路径
/var/run/mongodb
数据存储路径
#config server数据存储路径
mkdir -p /var/lib/mongo/config/data
#shard server数据存储路径
mkdir -p /var/lib/mongo/shard1/data
mkdir -p /var/lib/mongo/shard2/data
mkdir -p /var/lib/mongo/shard3/data

chown -R mongod:mongod /var/lib/mongo

日志文件路径
/var/log/mongodb

2、config server配置服务器

mongodb3.4以后要求配置服务器也创建副本集，不然集群搭建不成功。

添加配置文件
vi /etc/mongod/conf.d/config.conf

## 配置文件内容

systemLog:
  destination: file
  logAppend: true
  path: /var/log/mongodb/configsvr.log
 
storage:
  dbPath: /var/lib/mongo/config/data
  journal:
    enabled: true

processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /var/run/mongodb/configsvr.pid
  timeZoneInfo: /usr/share/zoneinfo

net:
  port: 21000
  bindIp: 0.0.0.0
  maxIncomingConnections: 20000

replication:
  replSetName: csReplSet

sharding:
  clusterRole: configsvr

创建systemctl unit文件mongod-configsvr.service
[Unit]
Description=Mongodb Config Server
After=network.target
Documentation=https://docs.mongodb.org/manual

[Service]
User=mongod
Group=mongod
Environment="OPTIONS=-f /etc/mongod/conf.d/config.conf"
ExecStart=/usr/bin/mongod $OPTIONS
ExecStartPre=/usr/bin/mkdir -p /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chown mongod:mongod /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chmod 0755 /var/run/mongodb
PermissionsStartOnly=true
PIDFile=/var/run/mongodb/configsvr.pid
Type=forking
# file size
LimitFSIZE=infinity
# cpu time
LimitCPU=infinity
# virtual memory size
LimitAS=infinity
# open files
LimitNOFILE=64000
# processes/threads
LimitNPROC=64000
# locked memory
LimitMEMLOCK=infinity
# total threads (user+kernel)
TasksMax=infinity
TasksAccounting=false
# Recommended limits for for mongod as specified in
# http://docs.mongodb.org/manual/reference/ulimit/#recommended-settings

[Install]
WantedBy=multi-user.target

启动三台服务器的config server
systemctl enable mongod-configsvr
systemctl start mongod-configsvr

登录任意一台配置服务器，初始化配置副本集
#连接
mongo 127.0.0.1:21000
#config变量
config = {
        _id : "csReplSet", 
        members : [
          {_id : 1, host : "192.168.56.101:21000" },
          {_id : 2, host : "192.168.56.102:21000" },
          {_id : 3, host : "192.168.56.103:21000" }
        ]
}

#初始化副本集
rs.initiate(config)
其中，"_id" : " csReplSet "应与配置文件中配置的 replicaction.replSetName 一致，"members" 中的 "host" 为三个节点的 ip 和 port

3、配置分片副本集(三台机器)

1) 设置第一个分片副本集

添加配置文件
vi /etc/mongod/conf.d/shard1.conf

## 配置文件内容

systemLog:
  destination: file
  logAppend: true
  path: /var/log/mongodb/shard1.log
storage:
  dbPath: /var/lib/mongo/shard1/data
  journal:
    enabled: true

processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /var/run/mongodb/shard1.pid
  timeZoneInfo: /usr/share/zoneinfo

net:
  port: 27001
  bindIp: 0.0.0.0
  maxIncomingConnections: 20000

replication:
  replSetName: shard1

sharding:
  clusterRole: shardsvr

创建systemctl unit文件mongod-shard1.service
[Unit]
Description=Mongodb Shard1 Server
After=network.target
Documentation=https://docs.mongodb.org/manual

[Service]
User=mongod
Group=mongod
Environment="OPTIONS=-f /etc/mongod/conf.d/shard1.conf"
ExecStart=/usr/bin/mongod $OPTIONS
ExecStartPre=/usr/bin/mkdir -p /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chown mongod:mongod /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chmod 0755 /var/run/mongodb
PermissionsStartOnly=true
PIDFile=/var/run/mongodb/shard1.pid
Type=forking
# file size
LimitFSIZE=infinity
# cpu time
LimitCPU=infinity
# virtual memory size
LimitAS=infinity
# open files
LimitNOFILE=64000
# processes/threads
LimitNPROC=64000
# locked memory
LimitMEMLOCK=infinity
# total threads (user+kernel)
TasksMax=infinity
TasksAccounting=false
# Recommended limits for for mongod as specified in
# http://docs.mongodb.org/manual/reference/ulimit/#recommended-settings

[Install]
WantedBy=multi-user.target

启动三台服务器的shard1 server
systemctl enable mongod-shard1
systemctl start mongod-shard1

登陆任意一台非仲裁节点服务器，初始化副本集
mongo 127.0.0.1:27001
#使用admin数据库
use admin
#定义副本集配置，第三个节点的 "arbiterOnly":true 代表其为仲裁节点。
config = {
       _id : "shard1",
       members : [
            {_id : 1, host : "192.168.56.101:27001" , priority:2},
            {_id : 2, host : "192.168.56.102:27001" , priority:1},
            {_id : 3, host : "192.168.56.103:27001" , arbiterOnly: true }
        ]
    }
#初始化副本集配置
rs.initiate(config);

2) 设置第二个分片副本集

添加配置文件
vi /etc/mongod/conf.d/shard2.conf

## 配置文件内容

systemLog:
  destination: file
  logAppend: true
  path: /var/log/mongodb/shard2.log
storage:
  dbPath: /var/lib/mongo/shard2/data
  journal:
    enabled: true

processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /var/run/mongodb/shard2.pid
  timeZoneInfo: /usr/share/zoneinfo

net:
  port: 27002
  bindIp: 0.0.0.0
  maxIncomingConnections: 20000

replication:
  replSetName: shard2

sharding:
  clusterRole: shardsvr

创建systemctl unit文件mongod-shard2.service
[Unit]
Description=Mongodb Shard2 Server
After=network.target
Documentation=https://docs.mongodb.org/manual

[Service]
User=mongod
Group=mongod
Environment="OPTIONS=-f /etc/mongod/conf.d/shard2.conf"
ExecStart=/usr/bin/mongod $OPTIONS
ExecStartPre=/usr/bin/mkdir -p /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chown mongod:mongod /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chmod 0755 /var/run/mongodb
PermissionsStartOnly=true
PIDFile=/var/run/mongodb/shard2.pid
Type=forking
# file size
LimitFSIZE=infinity
# cpu time
LimitCPU=infinity
# virtual memory size
LimitAS=infinity
# open files
LimitNOFILE=64000
# processes/threads
LimitNPROC=64000
# locked memory
LimitMEMLOCK=infinity
# total threads (user+kernel)
TasksMax=infinity
TasksAccounting=false
# Recommended limits for for mongod as specified in
# http://docs.mongodb.org/manual/reference/ulimit/#recommended-settings

[Install]
WantedBy=multi-user.target

启动三台服务器的shard2 server
systemctl enable mongod-shard2
systemctl start mongod-shard2

登陆任意一台非仲裁节点服务器，初始化副本集
mongo 127.0.0.1:27002
#使用admin数据库
use admin
#定义副本集配置，第一个节点的 "arbiterOnly":true 代表其为仲裁节点。
config = {
       _id : "shard2",
       members : [
            {_id : 1, host : "192.168.56.101:27002" , arbiterOnly: true },
            {_id : 2, host : "192.168.56.102:27002" , priority:2},
            {_id : 3, host : "192.168.56.103:27002" , priority:1}
        ]
    }
#初始化副本集配置
rs.initiate(config);

3) 设置第三个分片副本集
添加配置文件
vi /etc/mongod/conf.d/shard3.conf

## 配置文件内容

systemLog:
  destination: file
  logAppend: true
  path: /var/log/mongodb/shard3.log
storage:
  dbPath: /var/lib/mongo/shard3/data
  journal:
    enabled: true

processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /var/run/mongodb/shard3.pid
  timeZoneInfo: /usr/share/zoneinfo

net:
  port: 27003
  bindIp: 0.0.0.0
  maxIncomingConnections: 20000

replication:
  replSetName: shard3

sharding:
  clusterRole: shardsvr

创建systemctl unit文件mongod-shard3.service
[Unit]
Description=Mongodb Shard3 Server
After=network.target
Documentation=https://docs.mongodb.org/manual

[Service]
User=mongod
Group=mongod
Environment="OPTIONS=-f /etc/mongod/conf.d/shard3.conf"
ExecStart=/usr/bin/mongod $OPTIONS
ExecStartPre=/usr/bin/mkdir -p /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chown mongod:mongod /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chmod 0755 /var/run/mongodb
PermissionsStartOnly=true
PIDFile=/var/run/mongodb/shard3.pid
Type=forking
# file size
LimitFSIZE=infinity
# cpu time
LimitCPU=infinity
# virtual memory size
LimitAS=infinity
# open files
LimitNOFILE=64000
# processes/threads
LimitNPROC=64000
# locked memory
LimitMEMLOCK=infinity
# total threads (user+kernel)
TasksMax=infinity
TasksAccounting=false
# Recommended limits for for mongod as specified in
# http://docs.mongodb.org/manual/reference/ulimit/#recommended-settings

[Install]
WantedBy=multi-user.target

启动三台服务器的shard3 server
systemctl enable mongod-shard3
systemctl start mongod-shard3

登陆任意一台非仲裁节点服务器，初始化副本集
mongo 127.0.0.1:27003
#使用admin数据库
use admin
#定义副本集配置，第二个节点的 "arbiterOnly":true 代表其为仲裁节点。
config = {
       _id : "shard3",
       members : [
            {_id : 1, host : "192.168.56.101:27003" , priority:1},
            {_id : 2, host : "192.168.56.102:27003" , arbiterOnly: true},
            {_id : 3, host : "192.168.56.103:27003" , priority:2}
        ]
    }
#初始化副本集配置
rs.initiate(config);

4、配置路由服务器 mongos

先启动配置服务器和分片服务器,后启动路由实例启动路由实例:（三台机器）

vi /etc/mongod/conf.d/mongos.conf
## 配置文件内容

systemLog:
  destination: file
  logAppend: true
  path: /var/log/mongodb/mongos.log

processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /var/run/mongodb/mongos.pid
  timeZoneInfo: /usr/share/zoneinfo

net:
  port: 20000
  bindIp: 0.0.0.0
  maxIncomingConnections: 20000

sharding:
  configDB: csReplSet/192.168.56.101:21000, 192.168.56.102:21000, 192.168.56.103:21000

#注意监听的配置服务器,只能有1个或者3个 csReplSet为配置服务器的副本集名字
configDB: csReplSet/192.168.56.101:21000, 192.168.56.102:21000, 192.168.56.103:21000

创建systemctl unit文件mongod-mongos.service
[Unit]
Description=Mongodb Mongos Server
After=network.target mongod-shard1.service mongod-shard2.service mongod-shard3.service
Documentation=https://docs.mongodb.org/manual

[Service]
User=mongod
Group=mongod
Environment="OPTIONS=-f /etc/mongod/conf.d/mongos.conf"
ExecStart=/usr/bin/mongos $OPTIONS
ExecStartPre=/usr/bin/mkdir -p /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chown mongod:mongod /var/run/mongodb
ExecStartPre=/usr/bin/chmod 0755 /var/run/mongodb
PermissionsStartOnly=true
PIDFile=/var/run/mongodb/mongos.pid
Type=forking
# file size
LimitFSIZE=infinity
# cpu time
LimitCPU=infinity
# virtual memory size
LimitAS=infinity
# open files
LimitNOFILE=64000
# processes/threads
LimitNPROC=64000
# locked memory
LimitMEMLOCK=infinity
# total threads (user+kernel)
TasksMax=infinity
TasksAccounting=false
# Recommended limits for for mongod as specified in
# http://docs.mongodb.org/manual/reference/ulimit/#recommended-settings

[Install]
WantedBy=multi-user.target

启动三台服务器的mongos server
systemctl enable mongod-mongos
systemctl start mongod-mongos

5、启用分片

目前搭建了mongodb配置服务器、路由服务器，各个分片服务器，不过应用程序连接到mongos路由服务器并不能使用分片机制，还需要在程序里设置分片配置，让分片生效。
登陆任意一台mongos
mongo 127.0.0.1:20000
#使用admin数据库
user  admin
#串联路由服务器与分配副本集
sh.addShard("shard1/192.168.56.101:27001,192.168.56.102:27001,192.168.56.103:27001")
sh.addShard("shard2/192.168.56.101:27002,192.168.56.102:27002,192.168.56.103:27002")
sh.addShard("shard3/192.168.56.101:27003,192.168.56.102:27003,192.168.56.103:27003")
#查看集群状态
sh.status()
mongos> sh.status()
--- Sharding Status --- 
  sharding version: {
   "_id" : 1,
   "minCompatibleVersion" : 5,
   "currentVersion" : 6,
   "clusterId" : ObjectId("5a86b6255d128f35cb22de20")
  }
  shards:
        {  "_id" : "shard1",  "host" : "shard1/192.168.56.101:27001,192.168.56.102:27001",  "state" : 1 }
        {  "_id" : "shard2",  "host" : "shard2/192.168.56.102:27002,192.168.56.103:27002",  "state" : 1 }
        {  "_id" : "shard3",  "host" : "shard3/192.168.56.101:27003,192.168.56.103:27003",  "state" : 1 }
  active mongoses:
        "3.6.2" : 3
  autosplit:
        Currently enabled: yes
  balancer:
        Currently enabled:  yes
        Currently running:  no
        Failed balancer rounds in last 5 attempts:  0
        Migration Results for the last 24 hours: 
                No recent migrations
  databases:
        {  "_id" : "config",  "primary" : "config",  "partitioned" : true }

6、测试

目前配置服务、路由服务、分片服务、副本集服务都已经串联起来了，但我们的目的是希望插入数据，数据能够自动分片。连接在mongos上，准备让指定的数据库、指定的集合分片生效。
mongo 127.0.0.1:20000

#设置分片chunk大小
use config
db.settings.save({ "_id" : "chunksize", "value" : 1 })
设置1M是为了测试，否则要插入大量数据才能分片。
#指定test分片生效
sh.enableSharding("test")
#指定数据库里需要分片的集合和片键
use test
db.users.createIndex({user_id : 1})

use admin
sh.shardCollection("test.users", {user_id: 1})
我们设置testdb的 table1 表需要分片，根据 user_id 自动分片到 shard1 ，shard2，shard3 上面去。要这样设置是因为不是所有mongodb 的数据库和表 都需要分片！
测试分片配置结果
mongo  127.0.0.1:20000

use test;

for (var i = 1; i <=1000000; i++){
db.users.save({user_id: i, username: "user"+i});
}

#查看分片情况如下，部分无关信息省掉了
sh.status()

--- Sharding Status --- 
  sharding version: {
   "_id" : 1,
   "minCompatibleVersion" : 5,
   "currentVersion" : 6,
   "clusterId" : ObjectId("5a8919101e5f8edd5feddf36")
  }
  shards:
        {  "_id" : "shard1",  "host" : "shard1/192.168.56.101:27001,192.168.56.102:27001",  "state" : 1 }
        {  "_id" : "shard2",  "host" : "shard2/192.168.56.102:27002,192.168.56.103:27002",  "state" : 1 }
        {  "_id" : "shard3",  "host" : "shard3/192.168.56.101:27003,192.168.56.103:27003",  "state" : 1 }
  active mongoses:
        "3.6.2" : 3
  autosplit:
        Currently enabled: yes
  balancer:
        Currently enabled:  yes
        Currently running:  no
        Collections with active migrations: 
                test.users started at Sun Feb 18 2018 21:14:30 GMT+0800 (CST)
        Failed balancer rounds in last 5 attempts:  0
        Migration Results for the last 24 hours: 
                43 : Success
                1 : Failed with error ‘aborted‘, from shard1 to shard3
                139 : Failed with error ‘aborted‘, from shard1 to shard2
  databases:
…
        {  "_id" : "test",  "primary" : "shard3",  "partitioned" : true }
                test.users
                        shard key: { "user_id" : 1 }
                        unique: false
                        balancing: true
                        chunks:
                                shard1 34
                                shard2 31
                                shard3 31
                        too many chunks to print, use verbose if you want to force print

可以看到数据分到3个分片，各自分片chunk 数为： shard1 : 34，shard2 : 31，shard3 :  31。已经成功了！

后期运维

启动

mongodb的启动顺序是，先启动配置服务器，在启动分片，最后启动mongos.
systemctl start mongod-configsvr
systemctl start mongod-shard1
systemctl start mongod-shard2
systemctl start mongod-shard3
systemctl start mongod-mongos

关闭:
systemctl stop mongod-mongos
systemctl stop mongod-shard3
systemctl stop mongod-shard2
systemctl stop mongod-shard1
systemctl stop mongod-configsvr