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[信息技术] MongoDB架构概览

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发表于 2012-9-18 12:31:10 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    关于MongoDB,我们能看到的资料,基本都是在指导大家如何使用MongoDB,但是,MongoDB内部是如何运作的,资料不是很多。0 c+ O# [6 V2 Z8 H

6 [5 t* N6 G' y9 b  [    阅读使用手册,会有很多疑惑之处。例如,有人说,MongoDB 等同于分布式的 MySQL。它把一个Table ,按 row,分割成多个Shards,分别存放在不同的 Servers 上。这种说法是否正确?
4 S% Q' _; I' \' a) w# ^6 `" x
1 {8 F$ N! w4 r& n  J' ^4 h    不深入了解 MongoDB 的内部结构,就无法透彻地回答类似问题。这个系列文章,就来和大家探讨MongoDB的内部的工作方式。( L" ^3 F6 v6 {8 c" x
2 X" F& ^$ p: @$ @& U' k2 u, c
- Z! ]: Q1 I/ c" i+ p5 G
- G$ \9 u  s( T% F& O
图1-1 MongoDB架构图
9 q& |0 j; @, }' G
9 S! y0 S6 o) O) j- I  g5 Z' W
    MongoDB 通常运行在一个服务器集群上,而不是一个单机。图1-1,描述了一个MongoDB集群的基本组成部分,包括若干shards,至少一个config server,至少一个routing servers(又称 mongos)。
. B9 F- s8 A2 r( E5 i$ u* R4 v4 x% S. K5 L+ z( W
Shards
& \% i9 d  A+ e& J; o% D9 H+ T) k: n
8 G3 n# Z) U/ K4 Z9 i    MongoDB的最基本的数据单元,叫document,类似于关系式数据库中的行 row。一系列documents,组成了一个collection,相当于关系式数据库中的table。当一个 collection 数据量太大时,可以把该collection按documents切分,分成多个数据块,每个数据块叫做一个chunk,多个chunks聚集在一起,组成了一个shard。
5 [5 r' C* P4 W6 ]. Z- M3 ?8 w& Z  G: e6 ^; D6 Y
    Sharding 的意义,不仅保障了数据库的扩容(scalability),同时也保障了系统的负载均衡(load balance)。
5 \5 P4 f' c3 e5 u5 ?
8 B- R  {: x+ ?8 [    每一个shard存储在一个物理服务器(server)上。Server上运行着mongod进程,通过这个进程,对shard中的数据进行操作,主要是增删改查。
9 g2 r7 o' p* `" T
2 b0 G- {3 r9 n& W5 Z    如果系统中的每个shard,只存储了一份数据,没有备份,那么当这个shard所在的server挂了,数据就丢失了。在生产环境中,为了保证数据不丢失,为了提高系统的可用性(availability),每一个shard被存储多份,每个备份所在的servers,组成了一个replica set。
" m4 ~- W+ l: G" ]. Y' J$ k+ Q, Q6 p  z( a9 t5 X
Shard keys
: E  ]+ o% c- `8 ~" N        0 Y3 d$ B9 ?- \" r
    为了把collection切分成不同的chunks,从而存放到不同的shards中,我们需要制定一个切分的方式。
8 K+ K: J# |; Y' E% @, B( t& |. ?8 W( Q# U( ~$ k' c
    如前所述,在 MongoDB 数据库中,一个表collection由多个行 documents 组成,而每个 document,有多个属性 fields。同一个 collection 中的不同的 documents,可能会有不同的 fields。例如,有个 collection 叫 Media,包含两条 documents,
* S0 V0 Q6 j6 w9 A/ Q$ w( x' |6 a! W
{
$ Q* i  h4 {9 V' Z* ?! N  "ISBN": "987-30-3652-5130-82",7 q; {# O) e3 x; g* H
  "Type": "CD",# o, z! [) e8 B) u1 y
  "Author": "Nirvana",
* T( N/ N5 _+ h, f4 Q! G1 M  "Title": "Nevermind",- j, J, m$ e. F1 O- k) f# y: W4 |
  "Genre": "Grunge",! O1 G$ U% {1 n3 U2 M, o7 j
   "Releasedate": "1991.09.24",
" ]( J4 z) ?: `3 l% m! F7 r$ D& W   "Tracklist": [
& k/ S+ n6 k, u     {
& \* \7 x) X( h1 V9 ~! l( t! T        "Track" : "1",
6 `! a. L/ G( w( W0 i5 f+ W/ F; X5 L        "Title" : "Smells like teen spirit",
7 ^4 I  t( E8 _, h7 S- X( k2 a6 ^7 e        "Length" : "5:02"0 L8 l9 ~1 x3 I) T6 c+ f* w- x
     },# u: v1 V" K. N/ M) z4 a& G
     {
: \; l1 l, \% V. i. r9 ~        "Track" : "2",
' p0 _! g$ V6 @0 [4 |& W        "Title" : "In Bloom",0 W3 W' y/ n) H! ]. j5 g; i( U
        "Length" : "4:15"
0 n* h3 v+ b; x     }+ w4 K6 H! L$ Y  H. {4 |+ J" W
   ]
2 ?, ?& r7 F+ w3 q4 j5 P}
9 @. B- G1 n2 j; A' L, P6 J1 Z2 m6 d  |4 v
{5 N; d2 X7 T7 ]9 e
  "ISBN": "987-1-4302-3051-9",$ b& Q8 q8 Y7 Z: o9 P/ |
  "Type": "Book",( \" r6 L" z8 _# L5 _3 d7 G
  "Title": "Definite Guide to MongoDB: The NoSQL Database",
! c0 H8 Y: t8 ~1 U7 ^8 t; }# Q  u  "Publisher": "Apress",
5 H' m& [+ g9 c' w5 t  h  "Author": " Eelco Plugge",
) x) g, K5 \, G6 b5 e( g& ]" X  "Releasedate": "2011.06.09"
: H3 I0 P) h/ L, R- w4 C}
2 I# N5 N$ v1 W1 N  t& f. i  K5 X$ {7 r1 U" x1 U$ a
    假如,在同一个 collection 中的所有 document,都包含某个共同的 field,例如前例中的“ISBN”,那么我们就可以按照这个 field 的值,来分割 collection。这个 field 的值,又称为 shard key。: v: ?0 h; n0 h6 E4 O4 f9 ]" O

! _0 s, m( R1 D' @* {    在选择shard key的时候,一定要确保这个key能够把collection均匀地切分成很多chunks。
. ^6 C5 R, n- }
' F( l8 p$ R8 i0 j- u" ^8 g    例如,如果我们选择“author”作为shard key,如果有大量的作者是重名的,那么就会有大量的数据聚集在同一个chunk中。当然,假设很少有作者同名同姓,那么“author”也可以作为一个shard key。换句话说,shard key 的选择,与使用场景密切相关。
+ Q/ v$ L) N0 o+ a* }4 v0 g9 u, u* w1 Q3 B& S1 @! W' f2 k) o
    很多情况下,无论选择哪一个单一的 field 作为shard key,都无法均匀分割 collection。在这种情况下,我们可以考虑,用多个 fields,构成一个复合的shard key。5 j, C. ?, g0 L4 k/ N: ]' G
, z9 O2 @# ~/ a, [
    延续前例,假如有很多作者同名同姓,他们都叫“王二”。用 author 作为 shard key,显然无法均匀切割 collection。这时我们可以加上release-date,组成name-date的复合 shard key,例如“王二 2011”。+ j& Y+ D) ]( o2 i
' X: A5 N2 h$ I. `
Chunks9 u3 P3 w7 w/ U, r0 X  A/ T2 \
        4 p, I* j, j* c, }) X
    MongoDB按 shard key,把 collection切割成若干 chunks。每个 chunk 的数据结构,是一个三元组,{collection,minKey,maxKey},如图1-2 所示。. w/ L! `3 d; Q4 f5 n/ i
! P& p: w* A2 E& z2 ^1 f* N4 ~0 G. E
$ Y, p# g- s# z. `
图1-2 chunk的三元组

3 f# z6 Y5 ~8 }/ z2 M/ Y: g, {; a
    其中,collection 是数据库中某一个表的名称,而 minKey 和 maxKey 是 shard key的范围。每一个 document 的shard key 的值,决定了这条document应该存放在哪个chunk中。9 W/ v  N6 ?4 D, X2 h

6 Y% n9 C- e  r9 l    如果两条 documents 的 shard keys 的值很接近,这两条 documents 很可能被存放在同一个 chunk 中。+ r& ?+ ?: @+ B3 w, O0 h

. _; v1 V5 c& O* K& R    Shard key 的值的顺序,决定了 document 存放的 chunk。在 MongoDB 的文献中,这种切割 collection 的方式,称为order-preserving。6 F, K6 Y' p% F3 j$ ~" E
' e, W0 s0 F! w1 V7 z3 x8 T2 S3 A
    一个 chunk最多能够存储64MB的数据。 当某个chunk存储的 documents包含的数据量,接近这个阈值时,一个chunk会被切分成两个新的chunks。
4 \- n& ~8 C, S# n( u) }7 j" p  ^8 }# P1 B8 k4 `
    当一个shard存储了过多的chunks,这个shard中的某些chunks会被迁移到其它 shard中。# I0 u3 t& \, ]

  `0 P, W/ \9 o5 q' c# [    这里有个问题,假如某一条 document 包含的数据量很大,超过 64MB,一个 chunk 存放不下,怎么办?在后续章节介绍 GridFS 时,我们会详细讨论。
4 J6 `0 T7 Y4 h! \' f0 J
2 a/ x8 z$ B6 r/ M* F+ IReplica set. D8 Z* i5 h) N& f' I
        ! @: z. A+ X" y9 j
    在生产环境中,为了保证数据不丢失,为了提高系统的可用性(availability),每一个shard被存储多份,每个备份所在的servers,组成了一个replica set。
5 u$ c* g) V5 U3 l4 ^6 E- D3 ?  y, D3 Z/ U' X
    这个replica set包括一个primary DB和多个secondary DBs。为了数据的一致性,所有的修改(insert / update / deletes) 请求都交给primary处理。处理结束之后,再异步地备份到其他secondary中。/ X9 F  W( l* Y& d8 N! P
' s6 P  l$ A9 I6 s- i2 o* W: ~' n
    Primary DB由replica set中的所有servers,共同选举产生。当这个primaryDB server出错的时候,可以从replica set中重新选举一个新的primaryDB,从而避免了单点故障。6 p7 j! P: A$ B* n

0 u" F' R6 p) B5 i* S    Replica set的选举策略和数据同步机制,确保了系统的数据的一致性。后文详述。$ ]+ k- l! x. {0 @9 G" Y
+ p  p4 D; E5 f' A
Config Server
: ]' O  o- k& E" ~! Y9 [& B, V        
& A2 Y/ S: G' b; I, c    Config servers用于存储MongoDB集群的元数据 metadata,这些元数据包括如下两个部分,每一个shard server包括哪些chunks,每个chunk存储了哪些 collections 的哪些 documents。
5 x$ P. u4 f3 M/ q- ]2 k( C+ B* ?
: B* N5 P% d8 r- P* z0 {" ^7 l    每一个config server都包括了MongoDB中所有chunk的信息。+ v% i5 I' k$ T# {) ?

7 \# a6 F, T5 ^    Config server也需要 replication。但是有趣的是,config server 采用了自己独特的replication模式,而没有沿用 replica set。
! l4 N7 ]  v; u  w. s! j  M6 l5 q" t/ W
* W9 h7 b  U+ N7 {# s9 N4 t# j    如果任何一台config server挂了,整个 config server 集群中,其它 config server变成只读状态。这样做的原因,是避免在系统不稳定的情况下,冒然对元数据做任何改动,导致在不同的 config servers 中,出现元数据不一致的情况。
* e  [1 B6 e. }: r% W( A' l: \+ [3 H. x; X6 {' F1 F8 d; J% E+ }% v
    MongoDB的官方文档建议,配置3个config servers比较合适,既提供了足够的安全性,又避免了更多的config servers实例之间的数据同步,引起的元数据不一致的麻烦。2 F/ a- h' I% _7 b- T% [

$ ~' P$ j3 ~) B  u7 A& E5 ~5 m7 UMongos& p3 f1 p7 h/ S

% u; z& t0 e# _  j/ M    用户使用MongoDB 时,用户的操作请求,全部由mongos来转发。
" W3 ?" e6 p& w  S7 Q/ V' G) d; i# m0 l5 s! ^
    当 mongos 接收到用户请求时,它先查询 config server,找到存放相应数据的shard servers。然后把用户请求,转发到这些 shard servers。当这些 shard servers完成操作后,它们把结果分别返回给 mongos。而当 mongos 汇总了所有的结果后,它把结果返回给用户。
/ v: i  z; ^2 M- \( {
) V8 d" _. R8 l8 E! ]1 @- X" [: z- [    Mongos每次启动的时候,都要到config servers中读取元数据,并缓存在本地。每当 config server中的元数据有改动,它都会通知所有的mongos。
/ b8 r2 h# `# o3 W5 E) |
* P; Q: g- m1 M1 F    Mongos之间,不存在彼此协同工作的问题。因此,MongoDB所需要配置的mongos server的数量,没有限制。
$ D0 D7 Q1 U% ~. M8 E' x  w$ a) P, D4 V' R' a+ X$ K
    通过以上的介绍,我们对每个组成部分都有了基本的了解,但是涉及到工作的细节,我们尚有诸多疑问,例如,一个chunk的数据太大,如何切分?一个shard数据太多,如何迁移?在replica set中,如何选择primary?server挂了,怎么进行故障恢复?接下来的章节,我们逐个回答这些问题。
- b; I6 |6 N% C( N& O! A6 D% X7 L7 F* R' W4 \
+ |" D& _4 D0 u$ P$ w5 L5 s
Reference,+ E9 z8 ~7 T, c0 d
- C- Q: \. w8 U' j$ i4 ]- l0 ]7 M
[0] Architectural Overview" Z) B) J4 r  L4 W" f# }' |& _& A
http://www.mongodb.org/display/DOCS/Sharding+Introduction3 a9 f3 v* f* k( a

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参与人数 1爱元 +10 学识 +5 收起 理由
不爱吱声 + 10 + 5 谢谢!有你,爱坛更精彩

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该用户从未签到

沙发
发表于 2012-9-18 12:40:50 | 只看该作者
本帖最后由 PenPen 于 2012-9-18 12:44 编辑 1 B$ O0 [& u$ Y1 S! _
4 x" K+ T7 e# k; `2 x' |
. q' f) e1 [  @2 ]* H' ?$ \2 i
您是和邓侃一起写文章的盛楠么?

该用户从未签到

板凳
 楼主| 发表于 2012-9-18 12:44:19 | 只看该作者
呃。。。是我啊。。。

该用户从未签到

地板
 楼主| 发表于 2012-9-18 12:44:45 | 只看该作者
PenPen 发表于 2012-9-18 12:40
8 Y' t: n. X5 E" p' |您是和邓侃一起写文章的盛楠么?
/ E. A4 u$ M. ^" W  D
是我啊。。。这都能被认出来。。。

该用户从未签到

5#
发表于 2012-9-18 12:47:20 | 只看该作者
shengnan007 发表于 2012-9-18 12:44
8 U2 g! ]! Y; n% h# l  y4 m' r是我啊。。。这都能被认出来。。。

. H) A8 j! S4 b/ Y' q5 E9 j这篇文章我读过。开始以为是转贴的,后来再一看id就发现真相了~

该用户从未签到

6#
 楼主| 发表于 2012-9-18 12:49:50 | 只看该作者
PenPen 发表于 2012-9-18 12:47
! u8 }* w7 j5 |. _3 o5 m, K7 @这篇文章我读过。开始以为是转贴的,后来再一看id就发现真相了~
0 Z5 c) V0 F1 i, Q9 g
多谢支持。还有两篇一会帖过来。后续的还在写。边看源码边写,比较慢,hoho。这里是要推荐才能变成正式会员是么?

点评

你已经是会员了~  发表于 2012-9-18 12:50
  • TA的每日心情
    奋斗
    2022-2-8 01:13
  • 签到天数: 171 天

    [LV.7]分神

    7#
    发表于 2012-9-18 12:51:42 | 只看该作者
    shengnan007 发表于 2012-9-17 22:49 $ V/ I4 M+ p  D9 [. ?2 U
    多谢支持。还有两篇一会帖过来。后续的还在写。边看源码边写,比较慢,hoho。这里是要推荐才能变成正式会 ...

    2 Q8 E# e) p, I6 I0 P% w! X. W欢迎,欢迎,已经给你变成正式会员了。

    该用户从未签到

    8#
     楼主| 发表于 2012-9-18 12:57:15 | 只看该作者
    不爱吱声 发表于 2012-9-18 12:51 $ V6 ^0 C) z8 _9 m( ]" \* J
    欢迎,欢迎,已经给你变成正式会员了。

    & |7 M/ U/ L0 D- ]  N1 O多谢多谢啦~~
  • TA的每日心情
    慵懒
    2020-1-15 02:37
  • 签到天数: 1287 天

    [LV.10]大乘

    9#
    发表于 2012-9-19 03:38:34 | 只看该作者
    我们现在的 technology stack 就是 php + mongodb,涉及财务方面的东西用 postgres。5 H2 r8 r2 Z" q4 x% n3 P0 E$ }
    : ]. e2 x! C' f$ D0 y+ D

    该用户从未签到

    10#
    发表于 2012-9-19 04:21:40 | 只看该作者
    谢谢。3 H4 `/ v& J' K5 r
    ( n0 G& G% e& Z7 c& H& Q
    中文看得真累,大部分还是英文术语。: r) W( v1 y( ]' \8 ]
    7 b: W- N* c' E  V9 ~% _; \" E
    这应该是一个系列吧,后面怎样寻找,执行指令等开始入门,还是说的太简单了。
    ! K! r" Y, {+ m- q( n& C5 J
    $ q+ M) m) z7 j' }. t现在distributed DB在那些大网站很重要,现在开始有跟已有DB分庭抗礼的苗头,不过不是那里工作的话,其中的奥妙大概难说清楚。

    该用户从未签到

    11#
     楼主| 发表于 2012-9-19 08:40:52 | 只看该作者
    巴山 发表于 2012-9-19 03:38 . d- I2 j0 o% {4 u+ N, }# v
    我们现在的 technology stack 就是 php + mongodb,涉及财务方面的东西用 postgres。1 }* b3 t6 D( O. O

    ! F( A' x% b( F$ N/ q. H ...

    1 {1 l3 Y( S4 G/ p$ XmongoDB作为存储是没有问题的,财务这种核心数据,还是不建议使用mongoDB的

    点评

    主要是transaction acid的问题。  发表于 2012-9-27 17:12

    该用户从未签到

    12#
     楼主| 发表于 2012-9-19 08:44:52 | 只看该作者
    梦晓半生 发表于 2012-9-19 04:21
    - X6 ?" H# j  B# s% _2 H8 d谢谢。
    # V' p; D2 d, k% N* ]" r1 n- r3 [# E3 ]4 p
    中文看得真累,大部分还是英文术语。

    4 a# \' K% Z- [8 n) e* ~) Q现在关于mongoDB的文章,大部分都是在告诉大家怎么用,涉及到内部运行机理的文章,数量不多,而且不成体系。这个系列文章的目的,是让大家了解mongoDB的基本的运行机理,这样以后使用的时候,可以知其所以然。但是由于这方面的资料很少,我也是到处找资料,写了这么几篇,再往后,就是边使用,边看源码,边写了。
  • TA的每日心情
    奋斗
    2018-1-6 00:24
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    13#
    发表于 2012-9-19 14:16:01 | 只看该作者
    shengnan007 发表于 2012-9-18 12:44
    8 q; n+ s5 d; v; X5 B# T: b$ _) }是我啊。。。这都能被认出来。。。

    * s% D$ c3 E% l) Z7 Z是邓嫂么?

    该用户从未签到

    14#
     楼主| 发表于 2012-9-19 14:17:53 | 只看该作者
    profer 发表于 2012-9-19 14:16 4 u, r8 T: l- y
    是邓嫂么?
    2 e# v! \" N0 ]' H9 C, M
    是邓的小兵
  • TA的每日心情
    奋斗
    2019-9-9 20:24
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    15#
    发表于 2012-9-19 18:35:28 | 只看该作者
    有点惊讶 居然在这里看到这篇文章 呵呵 静待大作

    该用户从未签到

    16#
    发表于 2012-9-20 00:57:50 | 只看该作者
    shengnan007 发表于 2012-9-19 08:44 * E3 g8 t! |: E4 t# j
    现在关于mongoDB的文章,大部分都是在告诉大家怎么用,涉及到内部运行机理的文章,数量不多,而且不成体 ...
    9 C8 ?+ D/ E3 }- }: ?( w* v
    太好了,期待中,希望都带上英文reference。- H2 s- f( ]+ M2 _# \, X

    ( I) y6 y4 w$ u% D现在这种新技术很多,Mongo是比较流行的一个,我这里附带一下一堆NoSQL的新系统,到最后估计会有几个胜出。
    8 }) u* I, d9 h5 r" f
    - X) [- }. i, jhttp://en.wikipedia.org/wiki/NoSQL

    该用户从未签到

    17#
     楼主| 发表于 2012-9-20 08:53:41 | 只看该作者
    梦晓半生 发表于 2012-9-20 00:57
    # e. i, @. `5 m! [太好了,期待中,希望都带上英文reference。
    : A, g1 h2 C7 ?% T  @9 f0 A$ j' K
    + Q# h, G( ]) W  [/ K% f: ?; ?2 ?( R现在这种新技术很多,Mongo是比较流行的一个,我这里附带一 ...

    9 ]7 f  m& @2 L( S* i1 i现在写的也很纠结,资料太少了,哈哈

    该用户从未签到

    18#
    发表于 2012-9-21 11:52:33 | 只看该作者
    shengnan007 发表于 2012-9-20 08:53
    . Y, r; h; \' o现在写的也很纠结,资料太少了,哈哈
    2 U6 Q2 m9 m- t' f
    建议从NoSQL写起,这是推动新数据库设计的需求关系,原始动力。
    # G6 }0 e; P1 V2 }. n  P2 l  f- l6 g: }" c. I/ E& d& g9 ?2 T# H" }: `
    http://en.wikipedia.org/wiki/NoSQL
    & ]4 s% L1 l. [) z- r" C* `. |0 |( p; ^# T  i# a6 Z) [& Y" o3 b
  • TA的每日心情
    郁闷
    2019-4-22 08:49
  • 签到天数: 38 天

    [LV.5]元婴

    19#
    发表于 2012-9-21 17:03:12 | 只看该作者
    恶魔吹笛来 发表于 2012-9-19 18:35 " j' l( `# Q9 ?( O7 k" `* F
    有点惊讶 居然在这里看到这篇文章 呵呵 静待大作
      n( x" H  C$ n  g+ e4 x
    有什么可惊讶的邓侃在前一个爱坛版本是很早的注册用户呢,从开心网一块迁移的。。。

    该用户从未签到

    20#
     楼主| 发表于 2012-9-24 09:11:03 | 只看该作者
    梦晓半生 发表于 2012-9-21 11:52 2 L2 T) X" p6 V0 i+ }
    建议从NoSQL写起,这是推动新数据库设计的需求关系,原始动力。
    7 W0 x: V& ~! d* |  r4 Y: v0 G$ A& _* s9 u% N
    http://en.wikipedia.org/wiki/NoSQL

    0 ^: H# P* {1 C好的好的,现在这个写完,然后开始写nosql

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