MongoDB一次節點宕機引發的思考(源碼剖析)

2019 年 11 月 2 日
筆記

簡介
日誌分析
副本集如何實現 Failover
- 心跳的實現
- electionTimeout 定時器
業務影響評估
參考鏈接

聲明：本文同步發表於 MongoDB 中文社區，傳送門：
http://www.mongoing.com/archives/26759

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機製做一些分析。

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，並成為了新的主節點，隨即備節點2在 16:51:12 獲知了最新的主節點資訊，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)大量心跳失敗的資訊。

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，備節點將在某個周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。這個檢測周期由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：

<<來自 MongoDB 3.4源碼>>

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資訊後，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, Milliseconds> 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));  }

上面的程式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
具體的演算法就是:

**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方法的程式碼片段：

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提供的資訊      _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)。

程式碼如下：

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(本備節點優先順序更高，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的周期。

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() {      //僅僅支援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()) {              ...              //在保活周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);              }          }      }      //繼續調度下一個周期      _scheduleNextLivenessUpdate_inlock();  }

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，程式碼如下：

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();      }        //僅支援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;      }        //檢測周期，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));  }

上面程式碼展示了這個選舉定時器的邏輯，在每一個檢測周期中，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並成為新的主節點！

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
當前節點具備選舉許可權
在檢測周期內仍然沒有與主節點心跳成功

這其中的檢測周期略大於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。

參考鏈接

https://docs.mongodb.com/manual/replication/#automatic-failover
https://www.percona.com/blog/2016/05/25/mongodb-3-2-elections-just-got-better/
https://www.percona.com/blog/2018/10/10/mongodb-replica-set-scenarios-and-internals/

Tags: