面试题：MongoDB分片集群中如何确保数据在节点故障时的高可用性

Question

在MongoDB分片集群的高可用性架构设计中，假设某个分片节点突然故障，从数据冗余和自动故障转移的角度，阐述MongoDB是如何保证数据可用性的？

Answer 1

数据冗余方面

1. 副本集机制：在MongoDB分片集群中，每个分片本身是由一个副本集构成。副本集包含多个成员，其中一个是主节点（Primary），其余是从节点（Secondary）。主节点负责处理所有写操作，并将写操作记录在oplog（操作日志）中。从节点通过复制主节点的oplog来保持数据同步。这样，即使某个分片节点故障，其副本集中的其他从节点仍保存着相同的数据，实现了数据冗余。
2. 数据复制与同步：从节点定期轮询主节点的oplog，获取新的写操作并应用到自己的数据集合中。这种异步复制机制确保了数据在副本集成员间的一致性，为数据冗余提供了保障。

自动故障转移方面

1. 心跳检测：副本集成员之间通过心跳机制保持相互通信。每个成员会定期向其他成员发送心跳消息，以确认彼此的存活状态。主节点会向从节点发送心跳，从节点也会向主节点和其他从节点发送心跳。如果某个成员在一定时间内（默认10秒）没有收到其他成员的心跳，就会认为该成员可能出现故障。

2. 选举机制：当主节点被检测到故障时，副本集中的从节点会发起选举，以选出新的主节点。选举过程基于多数投票原则，只有拥有大多数投票权（超过一半的副本集成员投票）的从节点才能成为新的主节点。选举算法会综合考虑节点的优先级（通过配置文件设置）、日志的新鲜度等因素。例如，如果一个从节点的优先级设置为0，那么它永远不会参与选举成为主节点。一旦新的主节点选举产生，它将开始接收和处理写操作，同时其他从节点会继续从新主节点复制数据，从而实现自动故障转移，保证数据的可用性。

3. 配置服务器与路由节点（mongos）：配置服务器（Config Server）存储着整个分片集群的元数据，包括数据分片的分布信息等。路由节点（mongos）通过查询配置服务器来了解数据的分布情况，并将客户端的请求路由到相应的分片。当某个分片节点故障时，配置服务器中的元数据会及时更新，路由节点（mongos）在收到客户端请求后，会根据更新后的元数据将请求路由到正常的副本集成员上，进一步保障了数据的可用性。