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楼主: shengnan007
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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。
6 B1 u# v( m6 e# y, @9 p2 p# K
. I7 Y9 n7 x* a6 [$ y: R    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?
/ `5 V0 ~8 E" _- O  q  W+ X: |! E3 e5 Y, ~
    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。7 x- O! T9 j& b! S

) {1 o' b+ R  V8 `% m; I+ t

9 \) ~) u+ z/ ]8 B; Y2 g# C1 q! B7 f9 n+ Z0 ~3 e# D6 I% q
图1-1 MongoDB架构图
% G- l* y: t6 H: \
, y2 }6 s7 q# H; a1 {8 d' Z* T
    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)。0 \1 t3 |2 T6 r5 B1 \

/ J+ P6 Z2 F  W, Z. j6 ~/ _3 EShards
4 S7 a$ x2 p# q  |
# Q3 Q) |9 c% j# Q) A& D% d8 z    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。: Q* [. x5 {4 Z$ M" j
% h5 k# W) R2 Q: {; G* I' O( w/ U8 r: j
    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)。
0 O' _, y, [! k- D. ^9 }# n' X8 X1 a- {$ v7 i2 Q  d% C% ?% X4 j3 \. s( R
    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。! ?) C. z+ _2 M2 ]
5 g9 ^' W, }0 S7 l6 U
    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。
( z! S% E+ D  ?% ^
) g. Q, D2 ^! u6 @1 B$ `4 Q% ?Shard keys
; n8 \3 o  w' E/ h3 P0 Q. @( {+ `        
+ I4 E- ~9 S" m    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。
7 s6 S' ~# K2 @. N6 f9 g5 G: {3 R# O, o* Y1 Y* ^
    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,
9 P; s4 L+ P4 T# s  V% _1 y% x: l
! A8 I; H8 _& f! l0 w# S{
' h( m2 @6 ^0 f  "ISBN": "987-30-3652-5130-82",
/ J) C% z$ G2 O6 n1 h# z; ]0 m  "Type": "CD",& f, u: m2 z$ j4 L
  "Author": "Nirvana",
9 v/ [/ D' i; G& E1 w& Y  "Title": "Nevermind",
- R$ e; S% B2 ^9 }* Y  g  "Genre": "Grunge",
. A/ a$ f: y1 u  b   "Releasedate": "1991.09.24",
2 T+ Y1 J, N5 W; }) ^0 F8 g   "Tracklist": [" Y$ k! W. y/ b% t! [. _( i
     {
, \! ?" {$ M# p- C9 I. |8 P# h        "Track" : "1",
6 i4 D) x* I3 Q! V0 _1 O; ~) m! t        "Title" : "Smells like teen spirit",
( C4 k/ t& a3 ]        "Length" : "5:02"
4 l! V9 t; ^7 m! Q6 G# n# |* ~) L     },
; b$ K! }0 Y! t# i     {
; @" I7 m( k$ e* F, B        "Track" : "2",
9 m3 u& C2 d* V+ ~$ a        "Title" : "In Bloom",
" k( Z* {& j& I4 l4 {3 Q        "Length" : "4:15"
1 n! `% ?; c6 @* p+ ?$ d3 {! D     }
( t3 |! M% v( {* N. g" {' f; T- T   ]
4 x# b( a- M1 D+ U4 ~8 m' i2 A3 q}
; W  @' A6 p: f; a3 J/ ]6 W1 V# j( {
4 k( r$ O( k4 X. f5 A5 o{$ X- w' X2 U# n  ^5 ~
  "ISBN": "987-1-4302-3051-9",
+ u4 m2 ^! F- V" S+ ~) x' O  "Type": "Book",3 K. y7 m% a* d& j
  "Title": "Definite Guide to MongoDB: The NoSQL Database",) ]% P4 k+ L/ t
  "Publisher": "Apress",
5 A8 }0 O/ ~0 e3 N9 k* Y+ J- q. Q  "Author": " Eelco Plugge",
8 o3 ~, W- Z% H  "Releasedate": "2011.06.09"
( |* s5 l( g2 b4 B" w5 Z: R# n# N% l" l}6 {$ e. \2 O7 k* ~  `
& P: B+ y* d* k" H& L* e* W3 O8 T* \* b
    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。2 J4 ^# M( ?! w, m5 L& ^2 S
, m6 I' o" T, v4 }* w
    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。
# B" i# C, r+ u( C2 Z2 I0 b8 n; f- ?, ]( k
    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。
; P5 C3 s: a0 r8 [! H0 m8 b. w$ F$ m5 }* `. N) ^
    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。7 L- E9 B" j: g" o6 }, u$ k# {
# ], {# u8 H- }- a0 o6 S
    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”。" S& E6 h6 M5 x/ G# e
8 a! ^8 C/ {# M, o
Chunks4 \6 S. u* l8 ]9 _: u4 `2 G3 {
        & {' h) m8 q: t% I% C# W# Q
    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。
3 @9 y9 j1 Q2 W
# m( c1 m( R+ Y& H

% I- h1 V+ B+ a1 p( A" f" Q图1-2 chunk的三元组
* ~4 V5 }9 n1 b& ?) z( q( F/ {

9 ?; m" ?6 W3 s% d. F    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。
& x% v# j( E2 Q3 e  y9 M: t' B9 {1 H
: W# G! n2 C8 ^/ g0 ?8 @) B' y    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。8 c7 E( B& Z4 F, M
/ a) T$ `* c8 m! z7 ~) p
    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。
! c: V4 M# f! {5 t6 W1 ]6 l4 z3 ^) k! w! V4 ?
    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。! F7 J% K7 x4 m' M
0 N# U7 k9 q; @/ h2 q  F) Z
    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。
. \: q2 n9 J4 e* H0 N
+ |  c1 H3 Y5 }& {1 x    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。
9 v; T- B! N9 g' n
6 F2 J! e( ~: q1 W, o# uReplica set
5 |, q* T5 W0 P2 z9 C) r, k        $ E! B7 Z+ G2 j; _) Y
    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。
% w" b& b' t# G9 a0 U
; o. R/ ^5 Y) v1 @5 v4 j    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。7 f$ R: s9 p& b: N9 k

' ?0 |) c4 Y; }    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。3 _; p4 b4 \. J8 U

  {- u: b7 }/ T) W4 D8 [( d* A    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。7 c" Y1 g0 b4 d3 |

: T& T5 k) j1 KConfig Server; ~. y; `4 L: `4 J& D( t
        
, v8 V% r6 q8 t/ k) n* R2 v    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。( a- l% y; D5 x7 g! V; [

. ^; {$ ~6 f9 Z3 P% q    每一个config server都包括了MongoDB中所有chunk的信息。
! d: u" L& u/ ^3 M: ?; U& l7 \
$ E! S/ Y6 ~5 h  c8 ?7 d+ K    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。$ e9 l) ?$ w8 Q% H/ e4 Z8 p

* T) n# l' C4 s0 r% k) G    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。
/ v/ Y$ `( f+ t, }' W& m
2 Y( }/ a) _+ k6 g( R. r, M7 t    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。% [  V* n& {) s5 a) s
; v6 h- I* P( F# L: e
Mongos9 H; W) f2 n6 f6 W& ~
/ `( I  l& W6 t4 n- }# l' `
    用户使用MongoDB 时,用户的操作请求,全部由mongos来转发。
6 W6 t: H) M( E1 a
' Q8 I( h. z+ S5 w    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。
) c% o" M* _* |! f/ F' a7 Y- Z9 f% J; [8 C( N2 E: B3 e6 l$ U) f5 ~
    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。3 J6 x7 M- A6 }* q
" V1 }! o3 d3 \% p7 l
    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。4 k: q# g8 I0 [

1 ^9 u5 a/ E  U    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。, l: i: b. V) H4 [

$ T! n1 @" U1 V+ t4 R) m( U/ h' p, r8 K' I8 c" F( Q* {
Reference,
: J9 I+ x' {3 c  W" a" m# n4 _9 E7 b3 p2 y4 Q
[0] Architectural Overview+ v0 h4 E7 {' d, {1 r
http://www.mongodb.org/display/DOCS/Sharding+Introduction8 y# K* a6 w& q5 R- ?6 z

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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 ! c7 N9 P: N* N! i
, T, _$ G/ L& a' ~6 c( P0 U3 X
* a9 X8 b5 j: N$ i# 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
6 X# Y1 R$ O/ @" x- @% C3 F- O0 K您是和邓侃一起写文章的盛楠么?
8 |/ k$ I. }7 a% Z' _/ S" R
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 9 `) E8 t' {  e  R: R& \
是我啊。。。这都能被认出来。。。

, s$ X; X3 C+ T. s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 % X* u& G/ Z3 H+ V# 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~

! A& D: k1 ~/ o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 ' f) l& |$ @0 S, \* 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 ...

    ( j) K6 M( j' v% F3 R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 , u5 E* _. n, r* _! w+ h
    欢迎,欢迎,已经给你变成正式会员了。

    / _8 O8 l/ _! O/ w3 n0 a; g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。6 g1 ~7 t" q' b5 [5 b9 V( j3 G

    : v: u3 _8 V/ I9 h

    该用户从未签到

    10#
    发表于 2012-9-19 04:21:40 | 只看该作者
    谢谢。
    - E0 {1 L- e9 I- N4 z( u2 G
      [# ^; t! D; O中文看得真累,大部分还是英文术语。
    3 T) @3 d9 e/ M, X8 `8 p5 x( o
    # |/ T2 g6 q6 h/ G6 Z, ]( L1 j# `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。* R  y7 X8 I. O

    " G  d. j$ y5 m6 g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 ' u$ r) N8 _  [5 G1 g
    我们现在的 technology stack 就是 php + mongodb,涉及财务方面的东西用 postgres。
    ; O( W' V! U* x" @; c, F; a$ ^$ I1 Y" k* @4 b& a: n7 |7 d% p- _
    ...
    3 p4 i7 }; E" k8 t
    mongoDB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
    8 y- ^5 Z5 ~6 S0 Z9 \# p谢谢。; m6 i3 c, W) C' y, g5 v$ J6 h

    " R, l' n1 l/ b; _中文看得真累,大部分还是英文术语。

    " Q* W$ k. t# Z% 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
    ( [& `6 M3 L4 ?是我啊。。。这都能被认出来。。。

    " r, u9 y8 t& {: N' l1 B7 G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 ' J9 H- N2 T/ s6 r
    是邓嫂么?
    1 E. I7 `+ s7 y0 K9 ^. K* q. `
    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
    ; `' s6 N2 m  a& B: Y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 C4 r  `2 k" C; @太好了,期待中,希望都带上英文reference。
    2 @# Q9 _+ O3 H6 a' Z' M1 _3 s+ L3 C" y3 f/ [
    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。+ e; r9 S7 ^8 s

    , v  \9 y1 D. E2 d- l. k# G% m0 y2 ?; A6 fhttp://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
    $ ^7 d- k& x# M$ ]7 _太好了,期待中,希望都带上英文reference。
    # F! v1 f+ |9 X4 u9 c& a! ]9 a' r9 q- k& U6 A1 c( J4 W+ u, H
    现在这种新技术很多,Mongo是比较流行的一个,我这里附带一 ...
    ; h. k5 w" D' U5 \- N7 a, o
    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 3 L3 [7 ~. |: c6 {  s1 _: x: p1 p( {
    现在写的也很纠结,资料太少了,哈哈
    $ {+ d% a+ a6 _4 V+ z0 w4 `
    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。
    0 b0 w! C# B: @& V6 b2 {' O# D. V* G5 G4 g
    http://en.wikipedia.org/wiki/NoSQL! p, Q* H( C7 z, W# m( _

    " n( Y/ m# k7 j, n" Q+ w: R$ M
  • 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
    0 q7 p& O  B- P& B' S2 C有点惊讶 居然在这里看到这篇文章 呵呵 静待大作
    5 Q: t' k4 r5 s3 k
    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
    ' a& O& K& A( \: Q" _3 h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。
    9 l$ ]/ T6 h4 A" s9 H3 K6 W; @/ p# d4 W; ^" L
    http://en.wikipedia.org/wiki/NoSQL

    / R* ^$ _: n; C* \" v8 D好的好的,现在这个写完,然后开始写nosql

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