Các cụm mảnh vỡ trong MongoDB

Một cụm chia nhỏ MongoDB bao gồm chủ yếu gồm ba thành phần chính: mảnh vỡ, máy chủ cấu hình và bộ định tuyến Mongos. Mỗi Shard là một bộ bản sao chứa một tập hợp con của dữ liệu của cụm. Bản sao đặt đảm bảo dự phòng dữ liệu và tính khả dụng cao cho dữ liệu trên mỗi mảnh vỡ. Cấu hình máy chủ lưu trữ siêu dữ liệu và chi tiết cấu hình về cụm, bao gồm ánh xạ các khối dữ liệu đến mảnh vỡ. Mongo hoạt động như một dịch vụ định tuyến giao diện với các ứng dụng khách hàng và hướng truy vấn đến các mảnh vỡ thích hợp dựa trên khóa Shard.

Sharding trong MongoDB được thiết kế để cho phép chia tỷ lệ theo chiều ngang bằng cách phân vùng dữ liệu trên các mảnh vỡ thông qua phím Shard đã chọn. Phân vùng này tạo ra các khối dữ liệu được phân phối đều giữa các mảnh vỡ, cho phép MongoDB lan truyền tải lượng đọc và ghi. Các truy vấn bao gồm phím Shard hoặc tiền tố của khóa Shard ghép có thể được Mongo định tuyến một cách hiệu quả đến các mảnh cụ thể, giảm chi phí truy vấn và cải thiện hiệu suất. Nếu một truy vấn không bao gồm khóa Shard, Mongo có thể phát truy vấn cho tất cả các mảnh vỡ, điều này kém hiệu quả hơn.

Các mảnh vỡ trong một cụm có thể mở rộng; Các mảnh bổ sung có thể được thêm vào một cách linh hoạt để phù hợp với sự tăng trưởng trong khối lượng dữ liệu hoặc tải truy vấn mà không cần thời gian chết. Mỗi Shard là một bản sao để đảm bảo khả năng chịu lỗi và thiết kế cụm tổng thể hỗ trợ tính sẵn sàng cao. MongoDB tự động cân bằng dữ liệu trên các mảnh vỡ, phân phối lại các khối dữ liệu khi cần thiết để duy trì khối lượng công việc chẵn giữa các mảnh vỡ.

Các máy chủ cấu hình đóng một vai trò quan trọng trong việc quản lý siêu dữ liệu của cụm, lưu trữ thông tin về cấu trúc và phân phối dữ liệu của cụm. Máy chủ cấu hình phải được triển khai dưới dạng bản sao cho tính khả dụng cao. Họ đồng bộ hóa với các bộ định tuyến Mongo, trong đó siêu dữ liệu bộ đệm tại địa phương để định tuyến các truy vấn một cách hiệu quả. Trạng thái nhất quán của siêu dữ liệu trong các máy chủ cấu hình là rất cần thiết cho hoạt động chính xác của cụm mảnh vỡ.

Các phiên bản Mongos đóng vai trò là bộ định tuyến truy vấn cung cấp lớp giao diện giữa các ứng dụng khách và cụm bị che mờ. Họ trừu tượng hóa sự phức tạp của môi trường Sharded bằng cách định tuyến các hoạt động đến các mảnh vỡ chính xác dựa trên siêu dữ liệu từ các máy chủ cấu hình. Nhiều trường hợp Mongo có thể được triển khai để cân bằng tải và tính sẵn sàng cao, và chúng nên được đặt gần các máy chủ ứng dụng để giảm độ trễ mạng.

Một khía cạnh quan trọng của các cụm Sharded là sự lựa chọn của Key Shard Key. Khóa Shard chi phối cách dữ liệu được phân vùng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất cụm và phân phối dữ liệu. Chọn khóa Shard thích hợp yêu cầu phân tích khối lượng công việc để đảm bảo phân phối đồng đều các hoạt động đọc và ghi trên các mảnh vỡ. Khi một bộ sưu tập Sharded được tạo bằng một phím Shard cụ thể, việc thay đổi phím Shard rất phức tạp và thường liên quan đến quá trình di chuyển dữ liệu tốn thời gian. Do đó, lựa chọn chính Shard cẩn thận trả trước là quan trọng.

Trong môi trường sản xuất, các thực tiễn tốt cho các cụm mảnh vỡ bao gồm triển khai các máy chủ cấu hình và mảnh vỡ dưới dạng các bản sao trên nhiều trung tâm dữ liệu để đảm bảo khả năng chịu lỗi và tính sẵn sàng cao. Mỗi mảnh vỡ được khuyến nghị là một bộ bản sao ba nút. Các cụm yêu cầu ít nhất hai mảnh vỡ, mặc dù các cụm mảnh ghép đơn có thể được sử dụng nếu Sharding được lên kế hoạch trong tương lai.

Sharding cải thiện công suất cơ sở dữ liệu bằng cách tăng giới hạn lưu trữ thông qua lưu trữ dữ liệu phân tán trên các mảnh vỡ. Nó cũng cải thiện hiệu suất bằng cách phân phối các lần đọc và ghi, cho phép xử lý khối lượng công việc thông lượng cao hơn. Ngoài ra, một cụm mảnh vỡ có thể duy trì tính khả dụng một phần trong quá trình ngừng hoạt động của Shard; Mặc dù dữ liệu về các mảnh vỡ bị ảnh hưởng có thể không thể truy cập được, cụm tiếp tục phục vụ các yêu cầu trên các mảnh có sẵn.

Trong một cụm bị che khuất, dữ liệu được chia thành các khối trong phạm vi được xác định bởi khóa Shard. MongoDB định cấu hình kích thước chunk ảnh hưởng đến cách phân chia và cân bằng dữ liệu trên các mảnh vỡ. Các quy trình di chuyển và cân bằng chunk được cụm được xử lý tự động để duy trì phân phối dữ liệu và hiệu suất tối ưu. Sự cân bằng tự động này đảm bảo không có mảnh vỡ nào trở thành nút cổ chai hiệu suất hoặc điểm nóng lưu trữ.

Các cụm Sharded cũng hỗ trợ các khu vực (Sharding nhận biết thẻ), cho phép dữ liệu được nhóm và giới hạn ở các mảnh cụ thể dựa trên các hiệp hội khu vực. Tính năng này cho phép địa phương dữ liệu được kiểm soát hơn và hữu ích cho các yêu cầu phân phối địa lý hoặc tuân thủ. Các khu vực được chỉ định phạm vi của các giá trị khóa Shard và liên kết với các mảnh vỡ để kiểm soát vị trí dữ liệu chi tiết hơn.

Hạn chế và cân nhắc hoạt động bao gồm sự phức tạp của việc quản lý nhiều mảnh và tăng chi phí vận hành. Độ trễ mạng giữa các thành phần và chi phí duy trì siêu dữ liệu của máy chủ cấu hình và định tuyến có thể ảnh hưởng đến hiệu suất nếu không được quản lý đúng. Triển khai nhiều bộ định tuyến và máy chủ cấu hình Mongo và giám sát sức khỏe của họ là điều cần thiết để tránh suy thoái hiệu suất. Số lượng các trường hợp Mongo phải được cân bằng vì các trường hợp Mongo quá mức có thể dẫn đến giao tiếp thường xuyên với các máy chủ cấu hình và tác động có thể có đến hiệu suất của cụm.

Một số giới hạn được áp dụng trong các phiên bản được lưu trữ hoặc quản lý của các cụm thu nhỏ MongoDB như Azure Cosmos DB cho API MongoDB, bao gồm số lượng Shard, lưu trữ và giới hạn tài nguyên trên mỗi shard hoặc cụm. Các giới hạn cụ thể về nền tảng khác nhau và có thể cao hơn với các tầng cao cấp.