Mongos 与集群均衡

mongodb 可以以单复制集的方式运行,client 直连mongod读取数据。

单复制集的方式下,数据的水平扩展的责任推给了业务层解决(分实例,分库分表),mongodb原生提供集群方案,该方案的简要架构如下:

mongodb集群是一个典型的去中心化分布式集群。mongodb集群主要为用户解决了如下问题:

  • 元数据的一致性与高可用(Consistency + Partition Torrence)
  • 业务数据的多备份容灾(由复制集技术保证)
  • 动态自动分片
  • 动态自动数据均衡

下文通过介绍mongodb集群中各个组成部分,逐步深入剖析mongodb集群原理。

ConfigServer

mongodb元数据全部存放在configServer中,configServer 是由一组(至少三个)mongod实例组成的集群。

configServer 的唯一功能是提供元数据的增删改查。和大多数元数据管理系统(etcd,zookeeper)类似,也是保证一致性与分区容错性。本身不具备中心化的调度功能。

ConfigServer与复制集

ConfigServer的分区容错性(P)和数据一致性(C)是复制集本身的性质。

MongoDb的读写一致性由WriteConcern和ReadConcern两个参数保证。

两者组合可以得到不同的一致性等级。

指定 writeConcern:majority 可以保证写入数据不丢失,不会因选举新主节点而被回滚掉。

  • readConcern:majority + writeConcern:majority 可以保证强一致性的读
  • readConcern:local + writeConcern:majority 可以保证最终一致性的读

mongodb 对configServer全部指定writeConcern:majority 的写入方式,因此元数据可以保证不丢失。
对configServer的读指定了ReadPreference:PrimaryOnly的方式,在CAP中舍弃了A与P得到了元数据的强一致性读。

Mongos

数据自动分片

对于一个读写操作,mongos需要知道应该将其路由到哪个复制集上,mongos通过将片键空间划分为若干个区间,计算出一个操作的片键的所属区间对应的复制集来实现路由。

Collection1 被划分为4个chunk,其中

  • chunk1 包含(-INF,1) , chunk3 包含[20, 99) 的数据,放在shard1上。
  • chunk2 包含 [1,20), chunk4 包含[99, INF) 的数据,放在shard2上。

chunk 的信息存放在configServer 的mongod实例的 config.chunks 表中,格式如下:

值得注意的是:chunk是一个逻辑上的组织结构,并不涉及到底层的文件组织方式。

启发式触发chunk分裂

mongodb 默认配置下,每个chunk大小为16MB。超过该大小就需要执行chunk分裂。chunk分裂是由mongos发起的,而数据放在mongod处,因此mongos无法准确判断每个增删改操作后某个chunk的数据实际大小。因此mongos采用了一种启发式的触发分裂方式:

mongos在内存中记录一份 chunk_id -> incr_delta 的哈希表。

对于insert和update操作,估算出incr_delta的上界(WriteOp::targetWrites), 当incr_delta超过阈值时,执行chunk分裂。

值得注意的是:

1) chunk_id->incr_delta 是维护在mongos内存里的一份数据,重启后丢失
2) 不同mongos之间的这份数据相互独立
3) 不带shardkey的update 无法对 chunk_id->incr_delta 作用

因此这个启发式的分裂方式很不精确,而除了手工以命令的方式分裂之外,这是mongos自带的唯一的chunk分裂方式。

chunk分裂的执行过程

1) 向对应的mongod 发起splitVector 命令,获得一个chunk的可分裂点
2) mongos 拿到这些分裂点后,向mongod发起splitChunk 命令

splitVector执行过程:

1) 计算出collection的文档的 avgRecSize= coll.size/ coll.count
2) 计算出分裂后的chunk中,每个chunk应该有的count数, split_count = maxChunkSize / (2 * avgRecSize)
3) 线性遍历collection 的shardkey 对应的index的 [chunk_min_index, chunk_max_index] 范围,在遍历过程中利用split_count 分割出若干spli

splitChunk执行过程:

1) 获得待执行collection的分布式锁(向configSvr 的mongod中写入一条记录实现)
2) 刷新(向configSvr读取)本shard的版本号,检查是否和命令发起者携带的版本号一致
3) 向configSvr中写入分裂后的chunk信息,成功后修改本地的chunk信息与shard的版本号
4) 向configSvr中写入变更日志
5) 通知mongos操作完成,mongos修改自身元数据

chunk分裂的执行流程图:

问题与思考

问题一:为何mongos在接收到splitVector的返回后,执行splitChunk 要放在mongod执行而不是mongos中呢,为何不是mongos自己执行完了splitChunk再通知mongod 修改元数据?

我们知道chunk元数据在三个地方持有,分别是configServer,mongos,mongod。如果chunk元信息由mongos更改,则其他mongos与mongod都无法第一时间获得最新元数据。可能会发生这样的问题,如下图描述:

Mongos对元数据的修改还没有被mongod与其他mongos感知,其他mongos与mongod的版本号保持一致,导致其他mongos写入错误的chunk。

如果chunk元信息由mongod更改,mongod 先于所有的mongos感知到本shard的元数据被更改,由于mongos对mongod的写入请求都会带有版本号(以发起者mongos的POV 持有的版本号),mongod发现一个读写带有的版本号低于自身版本号时就会返回 StaleShardingError,从而避免对错误的chunk进行读写。

Mongos对读写的路由

读请求:
mongos将读请求路由到对应的shard上,如果得到StaleShardingError,则刷新本地的元数据(从configServer读取最新元数据)并重试。
写请求:
mongos将写请求路由到对应的shard上,如果得到StaleShardingError,并不会像读请求一样重试,这样做并不合理,截至当前版本,mongos也只是列出了一个TODO(batch_write_exec.cpp:185)

chunk迁移

chunk迁移由balancer模块执行,balancer模块并不是一个独立的service,而是mongos的一个线程模块。同一时间只有一个balancer模块在执行,这一点是mongos在configServer中注册分布式锁来保证的。

balancer 对于每一个collection的chunk 分布,计算出这个collection需要进行迁移的chunk,以及每个chunk需要迁移到哪个shard上。计算的过程在BalancerPolicy 类中,比较琐碎。

chunk迁移.Step1

MigrationManager::scheduleMigrations balancer对于每一个collection,尝试获得该collection的分布式锁(向configSvr申请),如果获得失败,表明该collection已有正在执行的搬迁任务。这一点说明对于同一张表统一时刻只能有一个搬迁任务。如果这张表分布在不同的shard上,完全隔离的IO条件可以提高并发,不过mongos并没有利用起来这一点。
如果获得锁成功,则向源shard发起moveChunk 命令

chunk迁移.Step2

mongod 执行moveChunk命令

cloneStage

1) 源mongod 根据需要迁移的chunk 的上下限构造好查询计划,基于分片索引的扫描查询。并向目标mongod发起recvChunkStart 指令,让目标chunk 开始进入数据拉取阶段。
2) 源mongod对此阶段的修改, 将id字段buffer在内存里(MigrationChunkClonerSourceLegacy类),为了防止搬迁时速度过慢buffer无限制增长,buffer大小设置为500MB,在搬迁过程中key的更改量超过buffer大小会导致搬迁失败。
3) 目标mongod 在接收到recvChunkStart命令后

a. 基于chunk的range,将本mongod上的可能脏数据清理掉

b. 向源发起_migrateClone指定,通过1)中构造好的基于分配索引的扫描查询得到该chunk 数据的snapshot

c. 拷贝完snapshot后,向源发起_transferMods命令,将2)中维护在内存buffer中的修改

d. 源在收到_transferMods后,通过记录的objid查询对应的collection,将真实数据返回给目标。

e. 目标在收完_transferMods 阶段的数据后,进入steady状态,等待源接下来的命令。这里有必要说明的是:用户数据源源不断的写入,理论上_transferMods 阶段会一直有新数据,但是必须要找到一个点截断数据流,将源的数据(搬迁对应的chunk的数据)设置为不可写,才能发起路由更改。因此这里所说的“_transferMods阶段的所有数据”只是针对于某个时间点,这个时间点过后依然会有新数据进来。

f. 源心跳检查目标是否已经处于steady状态,如果是,则封禁chunk的写入,向目标发起_recvChunkCommit命令,之后源的chunk上就无修改了。

g. 目标收到_recvChunkCommit命令后,拉取源chunk上的修改并执行,执行成功后源解禁路由并清理源chunk的数据

流程图如下:

总结

经过分析,我们发现Mongos在迁移方面有很大的待提升空间:

1) 一张表同一时间只能有一个chunk在搬迁,没有充分利用不同机器之间的IO隔离来做并发提速。

2) 搬迁时需要扫描源的数据集,一方面会与业务争QPS,一方面会破坏(如果是Mmap引擎)热点读写的working-set

3) Mongos启发式分裂chunk的方式极不靠谱,mongos重启后,启发信息就丢失了,而且部分常见的写入模式也不会记录启发信息

经过CMongo团队的测试,mongos自带的搬迁方案处理100GB的数据需要33小时。CMongo团队分析了mongos自带的搬迁方案的缺陷,自研了一套基于备份的搬迁方案,速度有30倍以上的提升,敬请期待!

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