Best Practices für die Optimierung der Leseleistung in Replica Sets

MongoDB Replica Sets sind grundlegend für die Gewährleistung hoher Verfügbarkeit und Datenredundanz in Produktionsumgebungen. Während Failover und Dauerhaftigkeit wichtige Vorteile sind, können schlecht konfigurierte Replica Sets erhebliche Lese-Latenzen einführen und Anwendungen verlangsamen, die auf schnelle Datenabfrage angewiesen sind. Die Optimierung der Leseleistung erfordert eine sorgfältige Abstimmung, wie Daten repliziert werden, wie Lesevorgänge über Mitglieder verteilt werden und welche Konsistenzgarantien Ihre Anwendung wirklich benötigt.

Diese Anleitung untersucht entscheidende Konfigurationseinstellungen – einschließlich Lese-Bedenken (Read Concerns), Schreib-Bedenken (Write Concerns) und Synchronisationsmechanismen –, die die Abfragegeschwindigkeit in einem MongoDB Replica Set direkt beeinflussen. Durch die Implementierung dieser Best Practices können Sie den Abfrage-Durchsatz maximieren und die Latenz in Ihrem verteilten Cluster minimieren.

Verständnis des Lese-Pfads in Replica Sets

In einer Standard-Replica-Set-Bereitstellung ist ein Mitglied als Primärmitglied (Primary) designiert, das alle Schreibvorgänge verarbeitet. Die verbleibenden Mitglieder sind Sekundärmitglieder (Secondaries), die die Daten asynchron vom Primärmitglied replizieren. Anwendungs-Leseanfragen können je nach Konfiguration an das Primärmitglied gerichtet oder über die Sekundärmitglieder verteilt werden.

Die Optimierung von Lesevorgängen bedeutet, die Notwendigkeit einer sofortigen Datenkonsistenz (die oft das Lesen vom Primärmitglied erfordert) gegen den Wunsch, den Datenverkehr vom Primärmitglied zu entlasten (durch Lesen von Sekundärmitgliedern) abzuwägen.

1. Strategischer Einsatz von Read Concerns

Read Concern definiert den Grad der Datenkonsistenz, der für Leseoperationen erforderlich ist. Das Festlegen eines übermäßig strengen Read Concerns, wenn ein laxerer ausreicht, ist eine häufige Ursache für Lese-Latenzen, da die Operation möglicherweise auf Bestätigungen von mehreren Knoten warten muss.

Verfügbare Read Concerns

MongoDB bietet mehrere Read Concerns, die jeweils Latenz gegen Dauerhaftigkeit/Konsistenz abwägen:

Read Concern	Beschreibung	Anwendungsfall
`strong`	Gibt Daten zurück, die garantiert auf der Mehrheit der stimmberechtigten Knoten dauerhaft gespeichert sind. Höchste Konsistenz.	Kritische Transaktionen, bei denen kein Datenverlust toleriert werden kann.
`majority`	Gibt Daten zurück, die als von einer Mehrheit der stimmberechtigten Knoten bestätigt committet markiert wurden. Standardeinstellung.	Allgemeine Lesevorgänge, die hohe Dauerhaftigkeit erfordern.
`local`	Gibt die neuesten Daten zurück, die auf dem gelesenen Mitglied verfügbar sind, unabhängig von der Schreibbestätigung.	Lesevorgänge, die mit einigen veralteten Daten leben können (z. B. Dashboard-Zähler).
`linearizable`	Garantiert, dass die Leseoperation das Ergebnis aller vorherigen Schreiboperationen widerspiegelt, die erfolgreich abgeschlossen wurden, bevor die Lesung initiiert wurde. (Erfordert `majority` Write Concern).
Sehr hohe Latenz aufgrund von Koordination.	Lesevorgänge, die das neueste Schreibergebnis sofort sehen müssen.

Optimierungstipp: Standardmäßig `local` oder `majority` verwenden

Für nicht-kritische Lesevorgänge (wie das Laden von selten aktualisierten Konfigurationsdaten oder zwischengespeicherten Ergebnissen) verwenden Sie auf Sekundärmitgliedern den Read Concern local. Dies vermeidet jede Synchronisierungsverzögerung.

Beispiel: Festlegen des Read Concerns auf Sitzungsebene

// Read Concern für diese spezifische Sitzung auf 'local' setzen
const session = mongoClient.startSession({ readConcern: { level: "local" } });

// Find-Operation mit der Sitzung
db.collection('mydata').find().session(session).toArray();

Warnung: Das Lesen mit local Concern auf einem Sekundärmitglied kann dazu führen, dass Daten gelesen werden, die noch nicht repliziert wurden, was zu veralteten Ergebnissen führt.

2. Verteilung von Lesevorgängen über Sekundärmitglieder

Standardmäßig leitet MongoDB Lesevorgänge an das Primärmitglied weiter. Um die Leseleistung zu skalieren, müssen Sie Lesevorgänge explizit an Sekundärmitglieder richten, indem Sie Read Preference-Einstellungen verwenden.

Verständnis von Read Preference

Read Preference gibt an, welche Mitglieder des Replica Sets für die Erfüllung von Leseanfragen in Frage kommen und in welcher Reihenfolge sie ausgewählt werden sollten.

Gängige Read Preferences umfassen:

primary: (Standard) Nur das Primärmitglied ist berechtigt.
primaryPreferred: Versucht zuerst das Primärmitglied; greift auf ein Sekundärmitglied zurück, wenn das Primärmitglied nicht verfügbar ist.
secondary: Nur Sekundärmitglieder sind berechtigt. Wenn keine Sekundärmitglieder verfügbar sind, schlägt die Operation fehl.
secondaryPreferred: Bevorzugt Sekundärmitglieder; greift auf das Primärmitglied zurück, wenn keine Sekundärmitglieder verfügbar sind.
nearest: Wählt das Mitglied (Primär oder Sekundär) mit der geringsten Netzwerklatenz zum Client aus.

Optimierungstipp: Verwendung von `secondaryPreferred` oder `nearest`

Für die meisten Lese-intensiven Anwendungen verteilt die Verwendung von secondaryPreferred die Abfragelast auf alle verfügbaren Sekundärmitglieder und reduziert die Last auf dem Primärmitglied erheblich.

Wenn Sie geografisch verteilte Anwendungsserver haben, ist nearest oft die beste Wahl, da es die Netzwerklatenz für den Client minimiert, auch wenn es gelegentlich das Primärmitglied trifft.

Beispiel: Verbindung mit secondaryPreferred

Wenn Sie Ihren Anwendungs-Treiber verbinden, geben Sie die Read Preference an:

const uri = "mongodb://host1,host2,host3/?replicaSet=rs0&readPreference=secondaryPreferred";
// Oder über Verbindungsoptionen bei der Treiber-Einrichtung
const options = {
  readPreference: "secondaryPreferred"
};

3. Verwaltung der Sekundär-Synchronisation und des Lags

Wenn Sie Lesevorgänge an Sekundärmitglieder weiterleiten, hängt die Leistung dieser Lesevorgänge vollständig davon ab, wie schnell die Sekundärmitglieder mit dem Primärmitglied mithalten. Hoher Replikations-Lag bedeutet, dass Sekundärmitglieder veraltete Daten servieren, oder wenn der Lag zu hoch ist, können Lesevorgänge fehlschlagen oder abgebrochen werden.

Überwachung des Replikations-Lags

Überwachen Sie immer die optimeDate-Differenz zwischen dem Primärmitglied und den Sekundärmitgliedern. Tools wie rs.printReplicationInfo() oder Überwachungssysteme (z. B. MongoDB Cloud Manager/Ops Manager) sind unerlässlich.

// Auf einem Sekundärmitglied ausführen
rs.printReplicationInfo()

// Die gemeldete Verzögerungszeit überprüfen
// Achten Sie auf das Feld 'secsBehindPrimary'.

Einfluss von Write Concern auf die Sekundärleistung

Obwohl sich dieser Artikel auf Lesevorgänge konzentriert, können hohe Write Concern-Einstellungen indirekt die Leseleistung beeinträchtigen, indem sie das Primärmitglied verlangsamen, was wiederum dazu führt, dass die Sekundärmitglieder weiter zurückfallen.

Zum Beispiel muss das Primärmitglied auf die Bestätigung w: 'majority' für Schreibvorgänge warten, bevor es fortfahren kann. Wenn Bestätigungen langsam erfolgen (aufgrund von Netzwerksättigung oder überlasteten Sekundärmitgliedern), verlangsamt sich die gesamte Replikationspipeline.

Best Practice für Write Concern (Indirekte Leseoptimierung): Stellen Sie sicher, dass Ihr Write Concern angemessen eingestellt ist. Wenn Sie viele Sekundärmitglieder haben, kann die Verwendung eines niedrigeren w:-Wertes (z. B. w: 2 anstelle von w: majority) die Fähigkeit des Primärmitglieds, Schreibvorgänge anzuwenden, beschleunigen und den Sekundärmitgliedern helfen, aktuell zu bleiben.

4. Indizierung und Abfrageoptimierung

Keine Konfigurationseinstellung kann eine schlecht geschriebene Abfrage ausgleichen. Das grundlegende Prinzip schneller Lesevorgänge bleibt eine robuste Indizierung.

Wichtige Indizierungsüberlegungen

Abgedeckte Abfragen (Covered Queries): Entwerfen Sie Abfragen, die vollständig von einem Index erfüllt werden können, ohne Dokumente von der Festplatte zu lesen. Dies sind die schnellsten möglichen Lesevorgänge.
Index-Ausrichtung: Stellen Sie sicher, dass Indizes mit den Feldern übereinstimmen, die in Ihren find(), sort() und projection() Klauseln verwendet werden.
Vermeiden von Collection Scans: Überprüfen Sie immer im Abfrage-Profiler, ob Leseoperationen Indizes verwenden (IXSCAN) und keine vollständigen Collection Scans (COLLSCAN) durchführen.

Abstimmung von Abfrage-Timeouts

Wenn eine Anwendung auf ein stark verzögertes Sekundärmitglied trifft, kann die Abfrage möglicherweise mit einem Timeout fehlschlagen. Konfigurieren Sie angemessene Timeouts in Ihrer Anwendung, um temporäre Verzögerungen ordnungsgemäß zu behandeln, möglicherweise durch Rückgriff auf das Primärmitglied oder erneuten Versuch später, anstatt unbegrenzt hängen zu bleiben.

Zusammenfassung der Leseoptimierungsschritte

Um eine optimale Leseleistung in Ihrem MongoDB Replica Set zu erzielen, befolgen Sie diese umsetzbaren Schritte:

Lesetypen identifizieren: Klassifizieren Sie Lesevorgänge in zwei Gruppen: diejenigen, die starke Konsistenz benötigen (verwenden Sie Primary/Strong Read Concern), und diejenigen, die eventual consistency tolerieren (verwenden Sie Secondaries/Local Read Concern).
Read Preference konfigurieren: Setzen Sie die Verbindungszeichenfolge oder die Sitzungsoptionen so, dass secondaryPreferred oder nearest für den Großteil des Anwendungsverkehrs verwendet wird.
Lag überwachen: Überwachen Sie kontinuierlich den Replikations-Lag (secsBehindPrimary). Wenn der Lag konstant hoch ist, untersuchen Sie Probleme mit der Sekundär-Hardware oder dem Netzwerk.
Write Concerns überprüfen: Stellen Sie sicher, dass Write Concerns das Primärmitglied nicht übermäßig verlangsamen, was die Sekundärmitglieder von frischen Daten aushungert.
Gründlich indizieren: Verifizieren Sie, dass alle häufig ausgeführten Lesepfade durch effiziente Indizes abgedeckt sind.