原文：https://0x9.me/RhplZ
簡介
最近一個 MongoDB 集群環境中的某節點異常下電了，導致業務出現了中斷，隨即又恢復了正常。
通過ELK 告警也監測到了業務報錯日誌。
運維部對於節點下電的原因進行了排查，發現僅僅是資源分配上的一個失誤導致。 在解決了問題之後，大家也對這次中斷的也提出了一些問題：
"當前的 MongoDB集群 採用了分片副本集的架構，其中主節點發生故障會產生多大的影響？"
"MongoDB 副本集不是能自動倒換嗎，這個是不是秒級的？"
帶著這些問題，下面針對副本集的自動Failover機制做一些分析。
日誌分析
首先可以確認的是，這次掉電的是一個副本集上的主節點，在掉電的時候，主備關係發生了切換。
從另外的兩個備節點找到了對應的日誌：
備節點1的日誌
2019-05-06T16:51:11.766+0800 I REPL [ReplicationExecutor] Starting an election, since we've seen no PRIMARY in the past 10000ms
2019-05-06T16:51:11.766+0800 I REPL [ReplicationExecutor] conducting a dry run election to see if we could be elected
2019-05-06T16:51:11.766+0800 I ASIO [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Connecting to 172.30.129.78:30071
2019-05-06T16:51:11.767+0800 I REPL [ReplicationExecutor] VoteRequester(term 3 dry run) received a yes vote from 172.30.129.7:30071; response message: { term: 3, voteGranted: true, reason: "", ok: 1.0 }
2019-05-06T16:51:11.767+0800 I REPL [ReplicationExecutor] dry election run succeeded, running for election
2019-05-06T16:51:11.768+0800 I ASIO [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Connecting to 172.30.129.78:30071
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I REPL [ReplicationExecutor] VoteRequester(term 4) received a yes vote from 172.30.129.7:30071; response message: { term: 4, voteGranted: true, reason: "", ok: 1.0 }
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I REPL [ReplicationExecutor] election succeeded, assuming primary role in term 4
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I REPL [ReplicationExecutor] transition to PRIMARY
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I REPL [ReplicationExecutor] Entering primary catch-up mode.
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I ASIO [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Ending connection to host 172.30.129.78:30071 due to bad connection status; 2 connections to that host remain open
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I ASIO [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Connecting to 172.30.129.78:30071
2019-05-06T16:51:13.350+0800 I REPL [ReplicationExecutor] Error in heartbeat request to 172.30.129.78:30071; ExceededTimeLimit: Couldn't get a connection within the time limit
備節點2的日誌
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
2019-05-06T16:51:12.816+0800 I REPL [ReplicationExecutor] Error in heartbeat request to 172.30.129.78:30071; ExceededTimeLimit: Operation timed out, request was RemoteCommand 72553 -- target:172.30.129.78:30071 db:admin expDate:2019-05-06T16:51:12.816+0800 cmd:{ replSetHeartbeat: "shard0", configVersion: 96911, from: "172.30.129.7:30071", fromId: 1, term: 3 }
2019-05-06T16:51:12.821+0800 I REPL [ReplicationExecutor] Member 172.30.129.160:30071 is now in state PRIMARY
可以看到，備節點1在 16:51:11 時主動發起了選舉，併成為了新的主節點，隨即備節點2在 16:51:12 獲知了最新的主節點信息，因此可以確認此時主備切換已經完成。
同時在日誌中出現的，還有對於原主節點(172.30.129.78:30071)大量心跳失敗的信息。
那麼，備節點具體是怎麼感知到主節點已經 Down 掉的，主備節點之間的心跳是如何運作的，這對數據的同步複製又有什麼影響？
下面，我們挖掘一下 ** 副本集的 自動故障轉移(Failover)** 機制
副本集 如何實現 Failover
如下是一個PSS(一主兩備)架構的副本集，主節點除了與兩個備節點執行數據複製之外，三個節點之間還會通過心跳感知彼此的存活。
一旦主節點發生故障以後，備節點將在某個週期內檢測到主節點處於不可達的狀態，此後將由其中一個備節點事先發起選舉並最終成為新的主節點。 這個檢測週期 由electionTimeoutMillis 參數確定，默認是10s。
接下來，我們通過一些源碼看看該機制是如何實現的：
<>
db/repl/replication_coordinator_impl_heartbeat.cpp
相關方法
- ReplicationCoordinatorImpl::_startHeartbeats_inlock 啟動各成員的心跳
- ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleHeartbeatToTarget 調度任務-(計劃)向成員發起心跳
- ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat 執行向成員發起心跳
- ReplicationCoordinatorImpl::_handleHeartbeatResponse 處理心跳響應
- ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleNextLivenessUpdate_inlock 調度保活狀態檢查定時器
- ReplicationCoordinatorImpl::_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock 取消並重新調度選舉超時定時器
- ReplicationCoordinatorImpl::_startElectSelfIfEligibleV1 發起主動選舉
db/repl/topology_coordinator_impl.cpp
相關方法
- TopologyCoordinatorImpl::prepareHeartbeatRequestV1 構造心跳請求數據
- TopologyCoordinatorImpl::processHeartbeatResponse 處理心跳響應並構造下一步Action實例
下面這個圖，描述了各個方法之間的調用關係
圖-主要關係
心跳的實現
首先，在副本集組建完成之後，節點會通過ReplicationCoordinatorImpl::_startHeartbeats_inlock方法開始向其他成員發送心跳：
void ReplicationCoordinatorImpl::_startHeartbeats_inlock() {
const Date_t now = _replExecutor.now();
_seedList.clear();
//獲取副本集成員
for (int i = 0; i < _rsConfig.getNumMembers(); ++i) {
if (i == _selfIndex) {
continue;
}
//向其他成員發送心跳
_scheduleHeartbeatToTarget(_rsConfig.getMemberAt(i).getHostAndPort(), i, now);
}
//僅僅是刷新本地的心跳狀態數據
_topCoord->restartHeartbeats();
//使用V1的選舉協議(3.2之後)
if (isV1ElectionProtocol()) {
for (auto&& slaveInfo : _slaveInfo) {
slaveInfo.lastUpdate = _replExecutor.now();
slaveInfo.down = false;
}
//調度保活狀態檢查定時器
_scheduleNextLivenessUpdate_inlock();
}
}
在獲得當前副本集的節點信息後，調用_scheduleHeartbeatToTarget方法對其他成員發送心跳，
這裡_scheduleHeartbeatToTarget 的實現比較簡單，其真正發起心跳是由 _doMemberHeartbeat 實現的，如下：
void ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleHeartbeatToTarget(const HostAndPort& target,
int targetIndex,
Date_t when) {
//執行調度，在某個時間點調用_doMemberHeartbeat
_trackHeartbeatHandle(
_replExecutor.scheduleWorkAt(when,
stdx::bind(&ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat,
this,
stdx::placeholders::_1,
target,
targetIndex)));
}
ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat 方法的實現如下：
void ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat(ReplicationExecutor::CallbackArgs cbData,
const HostAndPort& target,
int targetIndex) {
LockGuard topoLock(_topoMutex);
//取消callback 跟蹤
_untrackHeartbeatHandle(cbData.myHandle);
if (cbData.status == ErrorCodes::CallbackCanceled) {
return;
}
const Date_t now = _replExecutor.now();
BSONObj heartbeatObj;
Milliseconds timeout(0);
//3.2 以後的版本
if (isV1ElectionProtocol()) {
const std::pair<replsetheartbeatargsv1> hbRequest =
_topCoord->prepareHeartbeatRequestV1(now, _settings.ourSetName(), target);
//構造請求，設置一個timeout
heartbeatObj = hbRequest.first.toBSON();
timeout = hbRequest.second;
} else {
...
}
//構造遠程命令
const RemoteCommandRequest request(
target, "admin", heartbeatObj, BSON(rpc::kReplSetMetadataFieldName << 1), nullptr, timeout);
//設置遠程命令回調，指向_handleHeartbeatResponse方法
const ReplicationExecutor::RemoteCommandCallbackFn callback =
stdx::bind(&ReplicationCoordinatorImpl::_handleHeartbeatResponse,
this,
stdx::placeholders::_1,
targetIndex);
_trackHeartbeatHandle(_replExecutor.scheduleRemoteCommand(request, callback));
}
/<replsetheartbeatargsv1>
上面的代碼中存在的一些細節：
- 心跳的超時時間，在_topCoord.prepareHeartbeatRequestV1方法中就已經設定好了
- 具體的算法就是:
**hbTimeout=_rsConfig.getHeartbeatTimeoutPeriodMillis() - alreadyElapsed**
其中heartbeatTimeoutPeriodMillis是可配置的參數，默認是10s, 那麼alreadyElapsed是指此前連續心跳失敗(最多2次)累計的消耗時間，在心跳成功響應或者超過10s後alreadyElapsed會置為0。因此可以判斷，隨著心跳失敗次數的增加，超時時間會越來越短(心跳更加密集)
- 心跳執行的回調，指向自身的_handleHeartbeatResponse方法，該函數實現了心跳響應成功、失敗(或是超時)之後的流程處理。
ReplicationCoordinatorImpl::_handleHeartbeatResponse方法的代碼片段：
void ReplicationCoordinatorImpl::_handleHeartbeatResponse(
const ReplicationExecutor::RemoteCommandCallbackArgs& cbData, int targetIndex) {
LockGuard topoLock(_topoMutex);
// remove handle from queued heartbeats
_untrackHeartbeatHandle(cbData.myHandle);
...
//響應成功後
if (responseStatus.isOK()) {
networkTime = cbData.response.elapsedMillis.value_or(Milliseconds{0});
const auto& hbResponse = hbStatusResponse.getValue();
// 只要primary 心跳響應成功，就會重新調度 electionTimeout定時器
if (hbResponse.hasState() && hbResponse.getState().primary() &&
hbResponse.getTerm() == _topCoord->getTerm()) {
//取消並重新調度 electionTimeout定時器
cancelAndRescheduleElectionTimeout();
}
}
...
//調用topCoord的processHeartbeatResponse方法處理心跳響應狀態，並返回下一步執行的Action
HeartbeatResponseAction action = _topCoord->processHeartbeatResponse(
now, networkTime, target, hbStatusResponse, lastApplied);
...
//調度下一次心跳，時間間隔採用action提供的信息
_scheduleHeartbeatToTarget(
target, targetIndex, std::max(now, action.getNextHeartbeatStartDate()));
//根據Action 執行處理
_handleHeartbeatResponseAction(action, hbStatusResponse, false);
}
這裡省略了許多細節，但仍然可以看到，在響應心跳時會包含這些事情的處理：
- 對於主節點的成功響應，會重新調度 electionTimeout定時器(取消之前的調度並重新發起)
- 通過_topCoord對象的processHeartbeatResponse方法解析處理心跳響應，並返回下一步的Action指示
- 根據Action 指示中的下一次心跳時間設置下一次心跳定時任務
- 處理Action指示的動作
那麼，心跳響應之後會等待多久繼續下一次心跳呢？ 在 TopologyCoordinatorImpl::processHeartbeatResponse方法中，實現邏輯為：
如果心跳響應成功，會等待heartbeatInterval，該值是一個可配參數，默認為2s；
如果心跳響應失敗，則會直接發送心跳(不等待)。
代碼如下：
HeartbeatResponseAction TopologyCoordinatorImpl::processHeartbeatResponse(...) {
...
const Milliseconds alreadyElapsed = now - hbStats.getLastHeartbeatStartDate();
Date_t nextHeartbeatStartDate;
// 計算下一次 心跳啟動時間
// numFailuresSinceLastStart 對應連續失敗的次數(2次以內)
if (hbStats.getNumFailuresSinceLastStart() <= kMaxHeartbeatRetries &&
alreadyElapsed < _rsConfig.getHeartbeatTimeoutPeriod()) {
// 心跳失敗，不等待，直接重試心跳
nextHeartbeatStartDate = now;
} else {
// 心跳成功，等待一定間隔後再次發送(一般是2s)
nextHeartbeatStartDate = now + heartbeatInterval;
}
...
// 決定下一步的動作，可能發生 tack over(本備節點優先級更高，且數據與主節點一樣新時)
HeartbeatResponseAction nextAction;
if (_rsConfig.getProtocolVersion() == 0) {
...
} else {
nextAction = _updatePrimaryFromHBDataV1(memberIndex, originalState, now, myLastOpApplied);
}
nextAction.setNextHeartbeatStartDate(nextHeartbeatStartDate);
return nextAction;
}
electionTimeout 定時器
至此，我們已經知道了心跳實現的一些細節，默認情況下副本集節點會每2s向其他節點發出心跳(默認的超時時間是10s)。
如果心跳成功，將會持續以2s的頻率繼續發送心跳，在心跳失敗的情況下，則會立即重試心跳(以更短的超時時間)，一直到心跳恢復成功或者超過10s的週期。
那麼，心跳失敗是如何觸發主備切換的呢，electionTimeout 又是如何發揮作用？
在前面的過程中，與electionTimeout參數相關兩個方法如下，它們也分別對應了單獨的定時器：
- ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleNextLivenessUpdate_inlock 發起保活狀態檢查定時器
- ReplicationCoordinatorImpl::_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock 重新發起選舉超時定時器
第一個是 _scheduleNextLivenessUpdate_inlock這個函數，它的作用在於保活狀態檢測，如下：
void ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleNextLivenessUpdate_inlock() {
//僅僅支持3.2+
if (!isV1ElectionProtocol()) {
return;
}
// earliestDate 取所有節點中更新時間最早的(以儘可能早的發現問題)
// electionTimeoutPeriod 默認為 10s
auto nextTimeout = earliestDate + _rsConfig.getElectionTimeoutPeriod();
// 設置超時回調函數為 _handleLivenessTimeout
auto cbh = _scheduleWorkAt(nextTimeout,
stdx::bind(&ReplicationCoordinatorImpl::_handleLivenessTimeout,
this,
stdx::placeholders::_1));
}
因此，在大約10s後，如果沒有什麼意外，_handleLivenessTimeout將會被觸發，如下：
void ReplicationCoordinatorImpl::_handleLivenessTimeout(...) {
...
for (auto&& slaveInfo : _slaveInfo) {
...
//lastUpdate 不夠新(小於electionTimeout)
if (now - slaveInfo.lastUpdate >= _rsConfig.getElectionTimeoutPeriod()) {
...
//在保活週期後仍然未更新節點，置為down狀態
slaveInfo.down = true;
//如果當前節點是主，且檢測到某個備節點為down的狀態，進入memberdown流程
if (_memberState.primary()) {
//調用_topCoord的setMemberAsDown方法，記錄某個備節點不可達，並獲得下一步的指示
//當大多數節點不可見時，這裡會獲得讓自身降備的指示
HeartbeatResponseAction action =
_topCoord->setMemberAsDown(now, memberIndex, _getMyLastDurableOpTime_inlock());
//執行指示
_handleHeartbeatResponseAction(action,
makeStatusWith<replsetheartbeatresponse>(),
true);
}
}
}
//繼續調度下一個週期
_scheduleNextLivenessUpdate_inlock();
}
/<replsetheartbeatresponse>
可以看到，這個定時器主要是用於實現主節點對其他節點的保活探測邏輯：
當主節點發現大多數節點不可達時(不滿足大多數原則)，將會讓自己執行降備
因此，在一個三節點的副本集中，其中兩個備節點掛掉後，主節點會自動降備。 這樣的設計主要是為了避免產生意外的數據不一致情況產生。
圖- 主自動降備
第二個是_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock函數，這裡則是實現自動Failover的關鍵了，
它的邏輯中包含了一個選舉定時器，代碼如下：
void ReplicationCoordinatorImpl::_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock() {
//如果上一個定時器已經啟用了，則直接取消
if (_handleElectionTimeoutCbh.isValid()) {
LOG(4) << "Canceling election timeout callback at " << _handleElectionTimeoutWhen;
_replExecutor.cancel(_handleElectionTimeoutCbh);
_handleElectionTimeoutCbh = CallbackHandle();
_handleElectionTimeoutWhen = Date_t();
}
//僅支持3.2後的V1版本
if (!isV1ElectionProtocol()) {
return;
}
//僅備節點可執行
if (!_memberState.secondary()) {
return;
}
...
//是否可以選舉
if (!_rsConfig.getMemberAt(_selfIndex).isElectable()) {
return;
}
//檢測週期，由 electionTimeout + randomOffset
//randomOffset是隨機偏移量，默認為 0~0.15*ElectionTimeoutPeriod = 0~1.5s
Milliseconds randomOffset = _getRandomizedElectionOffset();
auto now = _replExecutor.now();
auto when = now + _rsConfig.getElectionTimeoutPeriod() + randomOffset;
LOG(4) << "Scheduling election timeout callback at " << when;
_handleElectionTimeoutWhen = when;
//觸發調度，時間為 now + ElectionTimeoutPeriod + randomOffset
_handleElectionTimeoutCbh =
_scheduleWorkAt(when,
stdx::bind(&ReplicationCoordinatorImpl::_startElectSelfIfEligibleV1,
this,
StartElectionV1Reason::kElectionTimeout));
}
上面代碼展示了這個選舉定時器的邏輯，在每一個檢測週期中，定時器都會嘗試執行超時回調，
而回調函數指向的是_startElectSelfIfEligibleV1，這裡面就實現了主動發起選舉的功能，
如果心跳響應成功，通過cancelAndRescheduleElectionTimeout調用將直接取消當次的超時回調(即不會發起選舉)
如果心跳響應遲遲不能成功，那麼定時器將被觸發，進而導致備節點發起選舉併成為新的主節點！
同時，這個回調方法(產生選舉)被觸發必須要滿足以下條件：
- 當前是備節點
- 當前節點具備選舉權限
- 在檢測週期內仍然沒有與主節點心跳成功
這其中的檢測週期略大於electionTimeout(10s)，加入一個隨機偏移量後大約是10-11.5s內，猜測這樣的設計是為了錯開多個備節點主動選舉的時間，提升成功率。
最後，將整個自動選舉切換的邏輯梳理後，如下圖所示：
圖-超時自動選舉
業務影響評估
副本集發生主備切換的情況下，不會影響現有的讀操作，只會影響寫操作。 如果使用3.6及以上版本的驅動，可以通過開啟retryWrite來降低影響。
但是如果主節點是屬於強制掉電，那麼整個 Failover 過程將會變長，很可能需要在Election定時器超時後才被副本集感知並恢復，這個時間窗口會在12s以內。
此外還需要考慮客戶端或mongos對於副本集角色的監視和感知行為。但總之在問題恢復之前，對於原主節點的任何讀寫都會發生超時。
因此，對於極為重要的業務，建議最好在業務層面做一些防護策略，比如設計重試機制。
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