配置服务器（Config Server）与查询路由（mongos）

配置服务器（Config Server）的作用与部署

配置服务器是MongoDB分片集群的核心组件，负责存储集群的元数据信息。这些元数据包括分片集合的块范围、数据分布位置以及集群配置等。当使用分片集群时，所有读写操作都需要先访问配置服务器获取路由信息。

典型的配置服务器部署采用副本集形式，通常由3个节点组成以确保高可用性。部署命令示例如下：

// 启动配置服务器副本集
mongod --configsvr --replSet configReplSet --dbpath /data/configdb --port 27019

配置服务器使用特殊的"config"数据库存储元数据，其中几个关键集合包括：

• chunks：记录每个分片集合的数据块信息
• collections：记录已分片集合的配置
• shards：记录集群中所有分片的信息

mongos查询路由的工作原理

mongos是MongoDB分片集群的入口点，应用程序连接的是mongos而非直接连接分片。当查询到达mongos时，它会执行以下操作流程：

1. 从配置服务器获取元数据缓存
2. 根据查询条件确定涉及的分片
3. 将查询分发到相关分片
4. 合并来自各分片的结果
5. 将最终结果返回给客户端

启动mongos的基本命令：

mongos --configdb configReplSet/config1:27019,config2:27019,config3:27019 --port 27017

分片集群中的查询路由策略

MongoDB根据分片键的不同采用多种路由策略：

定向查询（Targeted Query） 当查询包含分片键的精确匹配或范围条件时，mongos可以准确确定数据所在的分片。例如：

// 分片键是{user_id: 1}
db.orders.find({user_id: "U1001"})  // 只需查询特定分片

广播查询（Broadcast Query） 当查询不包含分片键时，mongos必须向所有分片发送查询：

db.orders.find({status: "pending"})  // 需要查询所有分片

分段查询（Split Query） 对于包含分片键范围但不覆盖整个键空间的查询：

db.orders.find({user_id: {$gt: "U1000", $lt: "U2000"}})

配置服务器高可用实现

为确保配置服务器的高可用性，MongoDB 3.4+版本要求配置服务器必须部署为副本集。配置示例：

// 初始化配置服务器副本集
rs.initiate({
  _id: "configReplSet",
  configsvr: true,
  members: [
    { _id: 0, host: "cfg1.example.net:27019" },
    { _id: 1, host: "cfg2.example.net:27019" },
    { _id: 2, host: "cfg3.example.net:27019" }
  ]
})

当主配置服务器不可用时，副本集会自动选举新的主节点。mongos进程会缓存配置信息，即使在配置服务器短暂不可用期间也能继续路由查询。

mongos的负载均衡与连接管理

大型生产环境通常需要部署多个mongos实例以实现负载均衡。最佳实践包括：

1. 在应用服务器本地部署mongos减少网络延迟
2. 使用连接池管理mongos连接
3. 监控各mongos实例的负载情况

Node.js应用中的连接池配置示例：

const { MongoClient } = require('mongodb');
const uri = "mongodb://mongos1:27017,mongos2:27017/?replicaSet=shardReplSet";

const client = new MongoClient(uri, {
  poolSize: 50, // 连接池大小
  connectTimeoutMS: 5000,
  socketTimeoutMS: 30000
});

分片集群的元数据缓存机制

mongos通过以下机制优化元数据访问：

1. 惰性加载：只在需要时从配置服务器获取元数据
2. 定期刷新：默认300秒刷新一次元数据缓存
3. 版本校验：每次路由前检查元数据版本是否过期

可以通过以下命令手动刷新缓存：

// 刷新所有数据库的元数据
db.adminCommand({ flushRouterConfig: 1 });

// 刷新特定集合的元数据
db.getSiblingDB("config").cache.databases.flush();

配置服务器与mongos的性能调优

配置服务器优化：

• 使用SSD存储元数据
• 单独部署配置服务器，不与其他服务共享资源
• 监控oplog增长情况

mongos优化：

• 增加mongos实例数量
• 调整chunk大小（默认64MB）
• 优化查询模式尽量使用分片键

监控命令示例：

// 查看mongos状态
db.adminCommand({ mongosStatus: 1 });

// 检查配置服务器延迟
db.runCommand({ serverStatus: 1 }).metrics.repl.network;

分片集群中的事务支持

MongoDB 4.0+版本支持跨分片事务，这对配置服务器和mongos提出了新要求：

1. 配置服务器需要记录事务状态
2. mongos需要协调跨分片事务
3. 需要更精确的时钟同步

事务示例代码：

const session = client.startSession();
try {
  session.startTransaction({
    readConcern: { level: "snapshot" },
    writeConcern: { w: "majority" }
  });
  
  await orders.insertOne({ user_id: "U1001", amount: 100 }, { session });
  await inventory.updateOne(
    { product: "A001" }, 
    { $inc: { stock: -1 } }, 
    { session }
  );
  
  await session.commitTransaction();
} catch (error) {
  await session.abortTransaction();
  throw error;
} finally {
  session.endSession();
}

配置服务器备份策略

配置服务器的备份至关重要，推荐策略包括：

1. 常规副本集备份
2. 配置文件备份
3. 元数据导出

备份命令示例：

# 使用mongodump备份配置服务器
mongodump --host configReplSet/cfg1:27019,cfg2:27019,cfg3:27019 \
  --db config --out /backup/config-$(date +%F)

mongos的监控指标

关键监控指标包括：

1. 查询路由延迟
2. 配置缓存命中率
3. 连接数使用情况
4. 操作错误率

Prometheus监控配置示例：

scrape_configs:
  - job_name: 'mongos'
    static_configs:
      - targets: ['mongos1:27017', 'mongos2:27017']
    metrics_path: '/metrics'
    params:
      format: ['prometheus']