MongoDB 分片（Sharding）简介
在MongoDB中，分片是一种将数据分布在多个服务器（也称为分片服务器）上的方法，用于水平扩展数据库以处理更大的数据集或更高的吞吐量。劈面对大规模、高容量的数据，单个服务器无法有用处理时，分片是MongoDB的关键特性之一。通太过片，可以进步读写性能，并提供高可用性和容错能力。
MongoDB 分片集群架构
MongoDB的分片集群由三个主要组件构成：
- 分片服务器 (Shard Servers)：
- 这些是现实存储数据的节点，每个分片服务器负责存储数据的一部分。集群中的数据被分别为多个“块”（chunks），每个分片服务器负责一部分这些块。
- 设置服务器 (Config Servers)：
- 设置服务器存储关于分片集群的元数据，包括数据在各分片之间的分布环境。设置服务器维护集群的状态，并提供路由请求所需的信息。为了确保冗余和容错，在生产环境下的分片集群中必须有恰好三台设置服务器。
- 路由服务器 (Mongos Routers)：
- mongos进程作为路由器，介于客户端请求和精确的分片服务器之间。它们自己不存储数据，而是根据设置服务器中存储的元数据，将查询和写入操作定向到精确的分片或一组分片。
每个组件在集群架构中扮演着不同的脚色，共同协作以处理MongoDB中的大规模数据处理。
1. 分片服务器 (Shard Servers)
- 脚色：一个分片是一个MongoDB服务器（或副本集），它存储分片集群中的一部分数据。
- 数据分区：数据被分别为块，这些块分布在分片服务器上。每个块包含肯定范围的数据（通常基于分片键），每个分片负责一个或多个这样的块。
分片键：分片键决定了数据怎样在各个分片之间分配。它是文档中的一个字段或字段组合，MongoDB利用它来对数据举行分区。选择符合的分片键对于实现最佳性能和数据分布至关重要。
- 副本集 (Replica Sets)：分片通常实现为副本集，即一组MongoDB服务器，它们维护相同的数据集以提供冗余和高可用性。这样，纵然某个分片节点出现故障，也可以从副本集的其他成员继续提供数据服务。
- 示例：如果你有一个存储用户数据的分片集合，每个分片大概根据user_id范围存储一部分数据。一个分片大概持有user_id 1–1000的数据，另一个分片持有1001–2000的数据，依此类推。
2. 设置服务器 (Config Servers)
- 脚色：设置服务器存储关于分片集群的元数据，包括数据在各分片之间的分布环境以及分片集群自己的状态。
- 职责：
- 块分布：设置服务器存储哪些分片持有哪些块的信息。当客户端查询分片集群时，mongos路由器会咨询设置服务器以确定哪个分片应处理该查询。
- 集群元数据：它们还存储定义数据分区方式的元数据，包括分片键、块范围以及每个块的位置信息。
- 设置服务器的数量：生产环境中应该有恰好三台设置服务器以确保冗余。如果一台设置服务器发生故障，其他两台仍可继续提供元数据。这防止了关键集群信息的单点故障。
- 设置数据：设置服务器存储以下数据：
- 块范围：块范围与分片服务器的映射。
- 分片元数据：有关分片集合、分片键和块数量的信息。
- 集群状态：有关集群状态的信息（例如，当块迁移正在举行时）。
3. 路由服务器 (Mongos Routers)
- 脚色：mongos路由器作为接口，位于客户端应用程序和分片集群之间。它们根据设置服务器中存储的元数据，将客户端请求路由到适当的分片。
- 工作原理：
- 当客户端连接到MongoDB集群时，它会连接到一个或多个mongos进程。mongos进程负责请求的路由。
- 对于读取操作，mongos会将请求转发到精确的分片。如果查询涉及多个分片（例如，没有利用分片键的查询），它大概会将请求发送到多个分片。
- 对于写入操作，mongos确保数据根据分片键写入精确的分片。如果写入操作超过多个分片，mongos会协调该操作的执行。
- 路由逻辑：mongos利用来自设置服务器的信息来确定块的位置以及怎样路由请求。如果块在分片之间移动，mongos会通过设置服务器得知并相应地路由请求。
- 可扩展性：mongos进程自己不存储数据，且是无状态的，这意味着可以通过部署多个mongos进程来水平扩展，以应对更高的流量。客户端可以连接到任何可用的mongos，后者会根据需要路由请求。
MongoDB 分片集群架构图：
- +---------------------+
- | Client |
- +---------------------+
- |
- +--------------------+
- | Mongos Routers |
- | (Query Router) |
- +--------------------+
- | | |
- +------------------------+ | +----------------------+
- | | | |
- +-------------------+ +-------------------+ +-------------------+
- | Shard Server 1 | | Shard Server 2 | | Shard Server 3 |
- | (Replica Set) | | (Replica Set) | | (Replica Set) |
- +-------------------+ +-------------------+ +-------------------+
- | | |
- +-------------------+ +-------------------+ +-------------------+
- | Config Server 1 | | Config Server 2 | | Config Server 3 |
- | (Replica Set) | | (Replica Set) | | (Replica Set) |
- +-------------------+ +-------------------+ +-------------------+
- 客户端：通过mongos路由器连接到MongoDB集群。
- Mongos 路由器：处理客户端的请求，并将其路由到适当的分片。
- 分片服务器：存储现实的数据，分布在多个服务器上。
- 设置服务器：存储关于数据分布和集群状态的元数据。
分片集群操作
- 添加/移除分片：当集群增长或缩小，可以添加新的分片服务器或移除现有的分片。MongoDB会动态重新分配块，以平衡负载。
- 块平衡：运行在设置服务器上的MongoDB平衡器确保块在各分片之间均匀分布。如果某个分片的数据过载，块将被迁移到其他分片，以平衡集群。
- 横向扩展：通过增加更多的mongos路由器，可以提拔处理更高流量的客户端请求的能力。通过增加更多的分片服务器，可以增加数据存储和处理能力。
总结
MongoDB的分片集群是一种强大的水平扩展方法。它利用：
- 分片服务器来存储数据，
- 设置服务器来管理元数据和块分布，
- Mongos 路由器根据分片键将客户端请求路由到精确的分片。
通过将数据分布在多个分片上并利用高效的路由机制，MongoDB可以或许处理大规模数据集和高吞吐量，使其成为那些需要超越单个服务器能力的应用程序的理想选择。
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