挖一挖MongoDB的备份与还原（实现指定时间点还原和增量备份还原）

一  研究背景需求

目前作者所在公司的MongoDB数据库是每天凌晨做一次全库完整备份，但数据库出现故障时，只能保证恢复到全备时间点，比如，00:30 做的完整备份，而出现故障是下午18:00，那么现有的备份机制只可以恢复到00:30，即丢失00:30 – 18:00 的操作数据。

此外，我们现在的副本集没有delay节点，当出现误操作或需要恢复到指定时间点操作时，目前灾备机制也不支持此操作。上线这种备份方案，心里总是惶惶的。

并且细究mongodump机制原理，此命令在运行过程中并不会把数据库锁死（或建立快照，以保证整个库冻结在一个固定的时间点），实现数据库完整性，而是细化到集合级别，如此，会导致数据完整性问题。 例如，集合A中存放了订单概要信息，集合B中存放了订单的所有明细，那么只有一个订单有完整的明细时才是正确的状态。那么备份时，如果备份集合A处于时间点x，而备份集合B处于x之后的一个时间点y时，可以想象A和B中的数据极有可能不对应而失去意义（部分订单有订单明细而没有订单概要信息）。

二  原理分析

关系型数据库，例如MySQL ,SQL Server 都有事务日志（或bin log），会将数据库的DML 、 DDL、DCL等操作记录在事务文件中,可以通过日志备份搭建还原体系。MongoDB没有此类机制和数据文件，难以实现。

但MongoDB 副本集 有通过 oplog（主要记录在local数据库oplog.rs集合中） 实现节点间的同步，此集合记录了数据库的OP操作，记录的是整个mongod实例一段时间内的所有变更（插入/更新/删除）操作。

是否可以考虑通过oplog.rs集合的备份还原来解决以上问题（数据完整性；不能还原到指定时间点；时效性差。）。

值得注意的是，oplog为replica set或者master/slave模式专用，standalone模式运行mongodb并不推荐。

查看mongodb备份命令Mongodump，其中有一个相关参数oplog。

Mongodump 中--oplog参数

参数	参数说明
--oplog	Use oplog for taking a point-in-time snapshot

 

该参数的主要作用是我们在导出库集合数据的同时生成一个oplog.bson文件，里面存放了开始进行dump到dump结束之间所有的op log 操作。

 

注意：--oplog选项只对全库导出有效。

相应的 Mongorestore 中与 Oplog 相关的参数

参数	参数说明
oplogReplay	replay oplog for point-in-time restore
oplogLimit	only include oplog entries before the provided Timestamp
oplogFile	oplog file to use for replay of oplog

三 验证测试

3.1 场景1  备份还原后，如何保证数据一致性、完整性

在Insert数据过程中，备份数据库，为说明问题，数据插入跨越整个备份过程。

3.1.1 在不使用--oplog 参数下备份还原

Step 1 向数据库ygtest041602插入数据，源库没有集合order0531、orderdetial

插入语句：

for(var i = 0; i < 10000; i++)

{ db.order0531.insert({a: i});};

 

 

for(i=0;i<300000;i++)

{ db.orderdetial.insert({"id":i,"name":"shenzheng","addr":"龙岗","date":new Date()}); };

 

step 2  在上述命令执行期间 执行mongodump 备份

./mongodump -h 172.177.XXX.XXX --port 端口 --authenticationDatabase admin -u 用户名 -p 密码 --gzip -o /data/mongodb_back/mongotestdump

Step 3 还原上述备份文件 

./mongorestore -h 172.177.XXX.XXX --port 端口  --authenticationDatabase admin -u 用户名 -p 密码  --gzip /data/mongodb_back/mongotestdump

Step 4 检查源库Insert 语句， 执行完毕（一定是mongodump完毕，再insert结束；但不强调，mongorestore与insert的时间关系）

Step 5 待语句执行完毕后，比较 源库和 还原库 的数据。

源库

还原库

我们看到集合orderdetial在两个数据库不一致，有差异。即这种备份还原 无法保证数据一致性。

3.1.2 增加 参数--oplog 参数下备份还原

Step 1 删除 上次测试中遗留的集合 和 备份文件

Step 2 启动insert命令

for(var i = 0; i < 10000; i++)

{ db.order0531.insert({a: i});};

 

for(i=0;i<150000;i++)

{ db.orderdetial.insert({"id":i,"name":"shenzheng","addr":"龙岗","date":new Date()}); };

 

Step 3 执行备份命令

./mongodump -h 172.177.XXX.XXX --port 端口  --oplog --authenticationDatabase admin -u 用户名 -p密码  --gzip -o /data/mongodb_back/mongotestdump

从打印结果来看，有对oplog命令的输出，查看备份文件 多了一个 oplog.bson 文件

Step 4 执行还原命令，增加参数  --oplogReplay

./mongorestore -h 172.177.XXX.XXX --port 端口  --oplogReplay --authenticationDatabase admin -u 用户名 -p 密码  --gzip /data/mongodb_back/mongotestdump

从执行情况来看，此类还原命令有还原oplog

Step 5 比对数据

源库

还原库

 

本场景测试结论:

虽然结果数据仍不一致，但从后者的备份还原过程可以看出，有对oplog做单独的处理。

数据可以保证以oplog结尾为准，实现了多集合（表）的时间一致性（MongoDB本身特性，不保证体现数据库的事务一致性）。

 

3.2 场景二  还原到指定时间点

 

 

使用场景3.1.2 的备份文件，测试还原到备份过程中的某个时刻。从上次备份过程可知，开始时间为2018-05-31T11:13:46.501+0800，结束时间为 2018-05-31T11:14:12.961+0800

此轮测试还原点选择在此时间段内。时间还原点的选择，假如我们还原到orderdetial 集合"_id" : ObjectId("5b0f6876c52291864d3485b9")的插入时的时间点。

查看此时间点对应的时间和操作序列，在源库local中的oplog.rs 集合查询。

（oplog.rs集合的数据意义，我们在其他章节介绍，在此不做赘述）

"ts" : Timestamp(1527736438, 858)

此文档对应的 "id" : 9719.0，插入时间为2018-05-31T11:13:58.721+0800 【正好，在mongodump的过程中】

 

Step 1 删除还原服务器中的还原库（上面测试遗留的数据库）

Step 2 执行还原命令，通过--oplogLimit 参数指定时间点，时间点为上一步查到的Timestamp(1527736438, 858)

./mongorestore -h 172.177.XXX.XXX --port 端口  --oplogReplay --oplogLimit "1527736438:858" --authenticationDatabase admin -u 用户名 -p 密码  /data/mongodb_back/mongotestdump

Step 3 结果验证

从print 出来的执行过程来看，相同的备份文件，相同的还原环境，添加--oplogLimit "1527736438:858" 参数的 replay Oplog，要小于上次不带--oplogLimit参数的全还原。

本次还原，添加 --oplogLimit，只还原了 824 KB 的oplog

2018-05-31T16:55:21.975+0800     replaying oplog

2018-05-31T16:55:22.724+0800     oplog  85.9KB

2018-05-31T16:55:25.720+0800     oplog  575KB

2018-05-31T16:55:27.231+0800     oplog  842KB

2018-05-31T16:55:27.231+0800     done

 上次，没有添加 --oplogLimit，默认全还原，所以还原了3.22MB oplog。

2018-05-31T11:23:33.770+0800     replaying oplog

2018-05-31T11:23:34.682+0800     oplog  146KB

2018-05-31T11:23:40.686+0800     oplog  1.10MB

2018-05-31T11:23:49.688+0800     oplog  2.61MB

2018-05-31T11:23:52.680+0800     oplog  3.11MB

2018-05-31T11:23:53.246+0800     oplog  3.22MB

2018-05-31T11:23:53.246+0800     done

这也容易理解。全还原一定大于指定时间的部分还原。

数据检验 ：

（1）此时最大ID为"id" : 9718.0，和参数值对应的ID值连续

（2）此过程共还原数据9719，低于全还原的63862

 

本场景测试结论:

使用参数--oplogReplay –oplogLimit 可以将数据库还原到指定时刻。

 

3.3 场景三 oplog.rs 集合中导出数据进行还原

在场景2 中的 oplog.bson 是我们在mongodump 全库时，添加参数--oplog参数后自动生成的。 全库备份，受限于性能损耗和资源限制，不能高频率执行和长时间存储。考虑到副本集的oplog保存在oplog.rs集合中，此轮测试验证是否只从oplog.rs导出，就可以保证数据连续性。即从oplog.rs导出的数据是否可以替代mongodump过程中产生的oplog.bson.

类似于我们从oplog.rs集合中导出MySQL的binlog文件，也类似于SQL Server Log日志，可以实现增量备份与增量还原。

Step 1 在上述场景中继续测试，我们已经执行全库还原，只是时间点还原到"id" : 9718.0 对应的数据。

Step 2 删除 上次全备过程中产生的备份文件

Step 3 为增加试验效果，再次在源库插入部分数据

for(var i = 0; i < 10000; i++)

{ db.order0531.insert({a: i});};

 

for(i=0;i<200000;i++)

{ db.orderdetial.insert({"id":i,"name":"shenzheng","addr":"龙岗","date":new Date()}); };

step 4 将数据库local中集合oplog.rs 导出（建议导出时，增加时间参数，例如一小时内的或大于某时间时刻。注意，此处的测试场景中，我们选择的Timestamp(1527552239,1)，在我们场景2中的Timestamp(1527736438, 858)的前面，故意时间重叠）

./mongodump -h 172.177.XXX.XXX --port 端口 --authenticationDatabase admin -u 用户名 -p 密码 -d local -c oplog.rs  --query '{ts:{$gte:Timestamp(1527552239,1)}}' -o /data/mongodb_back/mongotestoplog

step 5 将备份产生的文件local/oplog.rs.bson，copy至还原路径下，并将其命名为oplog.bson

cp ./mongotestoplog/local/oplog.rs.bson ./mongotestdump/oplog.bson

step 6 执行还原命令

./mongorestore -h 172.177.XXX.XXX --port 端口  --oplogReplay --authenticationDatabase admin -u 用户名 –p 密码  /data/mongodb_back/mongotestdump

step 7 数据验证

还原库

源库

两者数据一致

 

本场景测试结论:

（1）dumprestor 命令，可以接受从别处而来，除了--oplog之外，可人为获取的从oplog.rs中导出；还原时需重命名（step 5）。

（2）可以实现数据库的增量备份与增量还原。我们可以设置Job，每小时从集合oplog.rs中导出一份操作日志。然后再利用这些文件中进行还原。注意此处的增量，是针对数据变化的，不是针对上次的全库备份。此概念与关系型数据库中的增量备份还原不同，其实更像关系型数据库中的日志备份和还原。

（3）oplog有一个非常重要的特性——幂等性（idempotent）。即对一个数据集合，使用oplog中记录的操作重放时，无论被重放多少次，其结果会是一样的。举例来说，如果oplog中记录的是一个插入操作，并不会因为你重放了两次，数据库中就得到两条相同的记录。

四 总结 

1. MongoDB 不支持事务，无法保证备份还原命令中的事务完整性、业务一致性（无关系数型据库中基于事务日志的重做还原机制）。但结合命令参数--oplog，可以实现数据、业务的时间一致性。

2. 数据库还原时，结合参数--oplogReplay  --oplogLimit实现指定时间点的还原。

3. 搭建副本集的MongoDB，定期导出oplog.rs,可以实现增量备份与增量还原。

 

 

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