MongoDB 节点宕机引发的思考

简介

最近一个 MongoDB 集群环境中的某节点异常下电了，导致业务出现了中断，随即又恢复了正常。通过ELK 告警也监测到了业务报错日志。

运维部对于节点下电的原因进行了排查，发现仅仅是资源分配上的一个失误导致。在解决了问题之后，大家也对这次中断的也提出了一些问题：

>”当前的 MongoDB集群采用了分片副本集的架构，其中主节点发生故障会产生多大的影响？”
>”MongoDB 副本集不是能自动倒换吗，这个是不是秒级的？”

带着这些问题，下面针对副本集的自动Failover机制做一些分析。

日志分析

首先可以确认的是，这次掉电的是一个副本集上的主节点，在掉电的时候，主备关系发生了切换。

从另外的两个备节点找到了对应的日志：

备节点1的日志

2019-05-06T16:51:11.766+0800 I REPL     [ReplicationExecutor] Starting an election, since we've seen no PRIMARY in the past 10000ms

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备节点2的日志

2019-05-06T16:51:12.816+0800 I ASIO     [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Ending connection to host 172.30.129.78:30071 due to bad connection status; 0 connections to that host remain open

可以看到，备节点1在 16:51:11 时主动发起了选举，并成为了新的主节点，随即备节点2在 16:51:12 获知了最新的主节点信息，因此可以确认此时主备切换已经完成。

同时在日志中出现的，还有对于原主节点(172.30.129.78:30071)大量心跳失败的信息。

那么，备节点具体是怎么感知到主节点已经 Down 掉的，主备节点之间的心跳是如何运作的，这对数据的同步复制又有什么影响？

下面，我们挖掘一下 ** 副本集的故障转移(Failover)** 机制

副本集是如何实现Failover

如下是一个PSS(一主两备)架构的副本集，主节点除了与两个备节点执行数据复制之外，三个节点之间还会通过心跳感知彼此的存活。

MongoDB 节点宕机引发的思考

一旦主节点发生故障以后，备节点将在某个周期内检测到主节点处于不可达的状态，此后将由其中一个备节点事先发起选举并最终成为新的主节点。这个检测周期由electionTimeoutMillis 参数确定，默认是10s。

MongoDB 节点宕机引发的思考

接下来，我们通过一些源码看看该机制是如何实现的：

db/repl/replication_coordinator_impl_heartbeat.cpp
相关方法
- ReplicationCoordinatorImpl::_startHeartbeats_inlock 启动各成员的心跳
- ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleHeartbeatToTarget 调度任务-(计划)向成员发起心跳
- ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat 执行向成员发起心跳
- ReplicationCoordinatorImpl::_handleHeartbeatResponse 处理心跳响应
- ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleNextLivenessUpdate_inlock 调度保活状态检查定时器
- ReplicationCoordinatorImpl::_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock 取消并重新调度选举超时定时器
- ReplicationCoordinatorImpl::_startElectSelfIfEligibleV1 发起主动选举

db/repl/topology_coordinator_impl.cpp
相关方法
- TopologyCoordinatorImpl::prepareHeartbeatRequestV1 构造心跳请求数据
- TopologyCoordinatorImpl::processHeartbeatResponse 处理心跳响应并构造下一步Action实例

下面这个图，描述了各个方法之间的调用关系

MongoDB 节点宕机引发的思考

图-主要关系

心跳的实现

首先，在副本集组建完成之后，节点会通过ReplicationCoordinatorImpl::_startHeartbeats_inlock方法开始向其他成员发送心跳：

void ReplicationCoordinatorImpl::_startHeartbeats_inlock() {``const Date_t now = _replExecutor.now(); _seedList.clear();``//获取副本集成员``for (int i = 0; i restartHeartbeats();``//使用V1的选举协议(3.2之后)``if (isV1ElectionProtocol()) {``for (auto&& slaveInfo : _slaveInfo) { slaveInfo.lastUpdate = _replExecutor.now(); slaveInfo.down = false; }``//调度保活状态检查定时器 _scheduleNextLivenessUpdate_inlock(); }``}

在获得当前副本集的节点信息后，调用_scheduleHeartbeatToTarget方法对其他成员发送心跳，这里_scheduleHeartbeatToTarget 的实现比较简单，其真正发起心跳是由 _doMemberHeartbeat 实现的，如下：

void ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleHeartbeatToTarget(const HostAndPort& target, int targetIndex, Date_t when) {``//执行调度，在某个时间点调用_doMemberHeartbeat _trackHeartbeatHandle( _replExecutor.scheduleWorkAt(when, stdx::bind(&ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat, this, stdx::placeholders::_1, target, targetIndex)));``}

ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat 方法的实现如下：

void ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat(ReplicationExecutor::CallbackArgs cbData,``const HostAndPort& target,``int targetIndex) {``LockGuard topoLock(_topoMutex);``//取消callback 跟踪 _untrackHeartbeatHandle(cbData.myHandle);``if (cbData.status == ErrorCodes::CallbackCanceled) {``return; }``const Date_t now = _replExecutor.now(); BSONObj heartbeatObj;``Milliseconds timeout(0);``//3.2 以后的版本``if (isV1ElectionProtocol()) {``const std::pair hbRequest = _topCoord->prepareHeartbeatRequestV1(now, _settings.ourSetName(), target);``//构造请求，设置一个timeout heartbeatObj = hbRequest.first.toBSON(); timeout = hbRequest.second; } else { ... }``//构造远程命令``const RemoteCommandRequest request( target, "admin", heartbeatObj, BSON(rpc::kReplSetMetadataFieldName <getTerm()) {``//取消并重新调度 electionTimeout定时器 cancelAndRescheduleElectionTimeout(); } } ...``//调用topCoord的processHeartbeatResponse方法处理心跳响应状态，并返回下一步执行的Action HeartbeatResponseAction action = _topCoord->processHeartbeatResponse( now, networkTime, target, hbStatusResponse, lastApplied); ...``//调度下一次心跳，时间间隔采用action提供的信息 _scheduleHeartbeatToTarget( target, targetIndex, std::max(now, action.getNextHeartbeatStartDate()));``//根据Action 执行处理 _handleHeartbeatResponseAction(action, hbStatusResponse, false);``}

这里省略了许多细节，但仍然可以看到，在响应心跳时会包含这些事情的处理：

- 对于主节点的成功响应，会重新调度 electionTimeout定时器(取消之前的调度并重新发起)
- 通过_topCoord对象的processHeartbeatResponse方法解析处理心跳响应，并返回下一步的Action指示
- 根据Action 指示中的下一次心跳时间设置下一次心跳定时任务
- 处理Action指示的动作

那么，心跳响应之后会等待多久继续下一次心跳呢？在 TopologyCoordinatorImpl::processHeartbeatResponse方法中，实现逻辑为：
如果心跳响应成功，会等待heartbeatInterval，该值是一个可配参数，默认为2s；
如果心跳响应失败，则会直接发送心跳(不等待)。

代码如下：

HeartbeatResponseAction TopologyCoordinatorImpl::processHeartbeatResponse(...) {

可以看到，这个定时器主要是用于实现主节点对其他节点的保活探测逻辑：

当主节点发现大多数节点不可达时(不满足大多数原则)，将会让自己执行降备

因此，在一个三节点的副本集中，其中两个备节点挂掉后，主节点会自动降备。这样的设计主要是为了避免产生意外的数据不一致情况产生。

MongoDB 节点宕机引发的思考

图- 主自动降备

第二个是_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock函数，这里则是实现自动Failover的关键了，它的逻辑中包含了一个选举定时器，代码如下：

void ReplicationCoordinatorImpl::_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock() {

上面代码展示了这个选举定时器的逻辑，在每一个检测周期中，定时器都会尝试执行超时回调，而回调函数指向的是_startElectSelfIfEligibleV1，这里面就实现了主动发起选举的功能，
如果心跳响应成功，通过cancelAndRescheduleElectionTimeout调用将直接取消当次的超时回调(即不会发起选举)
如果心跳响应迟迟不能成功，那么定时器将被触发，进而导致备节点发起选举并成为新的主节点！

同时，这个回调方法(产生选举)被触发必须要满足以下条件：
1. 当前是备节点
2. 当前节点具备选举权限
3. 在检测周期内仍然没有与主节点心跳成功

这其中的检测周期略大于electionTimeout(10s)，加入一个随机偏移量后大约是10-11.5s内，猜测这样的设计是为了错开多个备节点主动选举的时间，提升成功率。

最后，将整个自动选举切换的逻辑梳理后，如下图所示：

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