MongoDB副本集

在现代数据库应用中，数据的安全性和可用性至关重要。如果我们的网店数据库服务器在双十一当天突然宕机，这会造成多大的损失？这就是为什么我们需要学习MongoDB副本集这个高可用性解决方案。

MongoDB副本集本质上是一个智能的数据备份和故障恢复系统。它通过在多台服务器上保存相同数据的副本，确保即使某台服务器出现问题，我们的应用仍然可以正常运行。 在传统的单机模式下，我们只有一个mongod服务器在工作。这种方式虽然简单，但在生产环境中存在很大风险。如果服务器崩溃、硬件故障或网络问题导致数据损坏，我们可能面临数据丢失的灾难。

副本集通过创建一个服务器组来解决这个问题。在这个组中，有一个「主节点」（Primary）负责处理所有的写入操作，还有多个「从节点」（Secondary）持续同步主节点的数据。当主节点出现故障时，从节点会自动选举出新的主节点，整个过程对应用程序是透明的。

准备实验环境

为了更好地理解副本集的工作原理，我们接下来会在本地搭建一个三节点的副本集进行实验。这种实验环境可以帮助我们深入了解副本集的运行机制，包括故障转移、数据同步等关键特性。 虽然我们的实验是在单台机器上运行多个MongoDB实例，但在实际生产环境中，每个副本集成员都应该部署在独立的服务器上，以避免资源竞争和单点故障。

我们需要为每个MongoDB实例创建独立的数据目录。在Linux或macOS系统中，可以使用以下命令创建三个目录：

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$ mkdir -p ~/data/rs{1,2,3}

这个命令会创建三个目录：~/data/rs1、~/data/rs2和~/data/rs3，分别用于存储三个MongoDB实例的数据。

在Windows系统中，需要使用不同的命令：

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> md c:\data\rs1 c:\data\rs2 c:\data\rs3

数据目录创建完成后，我们就可以开始启动MongoDB实例了。每个实例需要使用不同的端口和数据目录，这样它们就可以在同一台机器上并行运行而不会产生冲突。 现在我们来启动三个MongoDB实例，它们将构成我们的副本集。每个实例都需要指定一些关键参数来确保它们能正确协作。

在Linux或macOS系统中，我们需要在三个不同的终端窗口中分别运行以下命令：

第一个MongoDB实例：

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$ mongod --replSet mdbGuide --dbpath ~/data/rs1 --port 27017 --smallfiles --oplogSize 200

第二个MongoDB实例：

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$ mongod --replSet mdbGuide --dbpath ~/data/rs2 --port 27018 --smallfiles --oplogSize 200

第三个MongoDB实例：

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$ mongod --replSet mdbGuide --dbpath ~/data/rs3 --port 27019 --smallfiles --oplogSize 200

在Windows系统中，命令基本相同，只是数据路径需要调整：

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> mongod --replSet mdbGuide --dbpath c:\data\rs1 --port 27017 --smallfiles --oplogSize 200
> mongod --replSet mdbGuide --dbpath c:\data\rs2 --port 27018 --smallfiles --oplogSize 200
> mongod --replSet mdbGuide --dbpath c:\data\rs3 --port 27019 --smallfiles --oplogSize 200

让我们详细解释一下这些启动参数的含义：

当三个实例都启动成功后，你会看到每个终端窗口都显示MongoDB的启动日志。此时，虽然三个MongoDB实例都在运行，但它们还没有形成副本集，需要我们进行进一步的配置才能让它们协作工作。

网络配置

在我们的实验环境中，所有MongoDB实例都运行在同一台机器上，网络配置相对简单。但在实际的生产部署中，网络配置是一个需要特别注意的关键问题。

网络连通性要求：副本集中的每个成员都必须能够与其他所有成员建立网络连接，包括与自己的连接。如果你在设置过程中遇到成员无法相互通信的错误，很可能是网络配置问题导致的。

从MongoDB 3.6版本开始，mongod进程默认只绑定到本地回环地址（127.0.0.1），这是一个重要的安全改进。如果副本集成员需要部署在不同的服务器上，我们必须明确指定可以被其他成员访问的IP地址。 假设我们有一台服务器的IP地址是192.168.1.100，并且我们希望它作为副本集的一个成员，那么启动命令应该包含--bind_ip参数：

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$ mongod --bind_ip localhost,192.168.1.100 --replSet mdbGuide --dbpath ~/data/rs1 --port 27017 --smallfiles --oplogSize 200

这个配置告诉MongoDB同时监听本地回环地址和指定的网络接口，这样其他副本集成员就可以通过网络IP地址连接到这个实例。

在配置网络访问前，需优先充分评估和落实数据库的安全防护措施。MongoDB实例一旦绑定至公网IP，便可能暴露在外部网络环境，从而面临诸多安全威胁。

• 身份认证机制：生产环境下必须启用MongoDB的用户认证（Authentication），确保仅有具备合法凭据的客户端可以访问数据库资源。这是抵御未经授权访问的基础措施。
• 数据传输加密：副本集各成员节点之间会同步数据、交换心跳信号等，在生产应用中建议强制开启TLS/SSL，对所有节点间网络通信进行加密，有效防止数据在传输过程中遭受中间人攻击或被非法窃取。
• 存储加密：除了传输层加密，同样应当启用存储层加密（如MongoDB的加密存储引擎），对落地到磁盘的数据进行加密保护，以防止数据因物理介质泄露、丢失等风险而被非法获取。

初始化副本集

现在我们的三个MongoDB实例已经在运行，但它们还不知道彼此的存在。接下来我们需要创建一个配置文档来告诉它们如何协作，并将这个配置发送给其中一个实例，让它负责将配置传播给其他成员。

首先，我们需要启动mongo shell并连接到其中一个MongoDB实例。打开一个新的终端窗口，使用以下命令连接到运行在27017端口的实例：

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$ mongo --port 27017

连接成功后，我们会进入MongoDB的交互式shell环境。现在需要创建一个副本集配置文档，这个文档定义了副本集的结构和成员信息。 在mongo shell中输入以下配置：

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> rsconf = {
  _id: "mdbGuide",
  members: [
    {_id: 0, host: "localhost:27017"},
    {_id: 1, host: "localhost:27018"},
    {_id: 2, host: "localhost:27019"}
  ]
}

该配置文档各字段含义如下：

• _id: "mdbGuide"：副本集名称。此字段必须与所有成员启动时指定的--replSet参数严格一致，是副本集全局唯一的标识。该名称用于实现成员间身份确认与集群归属校验，确保仅相同标识的mongod实例能够组成同一副本集。
• members数组：成员列表。该数组声明了副本集内所有成员的详细信息，每一项为一个节点配置对象，需至少包含以下核心字段：
  • _id：成员ID。该值在副本集内必须为唯一的非负整数，主要用于集群内部对成员节点进行快速索引和选举管理。
  • host：成员主机地址。采用主机名:端口号的规范格式（如"localhost:27017"），用于定位和连接具体实例。所有参与节点的host信息应能够保证网络互通性。

如需哪天更高阶的配置，可扩展上述成员对象，增加如priority优先级、arbiterOnly仲裁角色等高级参数，实现更灵活的集群行为控制。

配置文档创建完成后，我们使用rs.initiate()命令来初始化副本集：

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> rs.initiate(rsconf)
{ "ok" : 1, "operationTime" : Timestamp(1234567890, 1) }

如果命令执行成功，会返回一个包含「ok: 1」的响应。此时，连接到27017端口的MongoDB实例会解析这个配置，并向其他成员发送消息，通知它们新的副本集配置。 所有成员加载配置后，它们会开始选举过程来确定哪个成员成为主节点。这个过程通常在几秒钟内完成，之后副本集就可以开始处理读写操作了。

你可以使用rs.status()命令来查看副本集的当前状态：

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> rs.status()

这个命令会返回详细的状态信息，包括每个成员的角色（主节点或从节点）、同步状态、以及各种时间戳。在输出中，你会看到其中一个成员的「stateStr」字段显示为「PRIMARY」，其他成员显示为「SECONDARY」。

副本集辅助函数

MongoDB提供了一系列以「rs」开头的辅助函数来简化副本集管理。这些函数实际上是对底层数据库命令的封装，让我们能够更方便地操作副本集。 例如，rs.initiate(config)函数等价于以下数据库命令：

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> db.adminCommand({"replSetInitiate" : config})

了解这些底层命令很有用，因为在某些情况下，直接使用命令可能比使用辅助函数更灵活。你可以使用rs.help()来查看所有可用的副本集辅助函数。 当副本集成功初始化后，你就拥有了一个完全功能的高可用性数据库集群。即使其中一台服务器出现故障，剩余的服务器也能够继续提供服务，确保应用程序的持续运行。

现在让我们通过实际操作来观察副本集是如何工作的。如果你的shell提示符显示当前连接的是主节点，我们就可以开始进行写入操作了。如果不是，请退出shell并连接到主节点。 首先，让我们向主节点写入一些测试数据：

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> use test
> for (i = 0; i < 1000; i++) {
    db.products.insert({productId: i, name: "商品" + i, price: Math.random() * 1000})
  }

这个循环会在test数据库的products集合中插入1000个商品文档。我们可以验证数据是否成功写入：

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> db.products.count()
1000

现在让我们来验证这些数据是否已经自动复制到从节点。我们需要连接到其中一个从节点来检查。在当前的shell中，我们可以创建一个到从节点的新连接，这里我们选择连接到27018端口：

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> secondaryConn = new Mongo("localhost:27018")
> secondaryDB = secondaryConn.getDB("test")

现在尝试从从节点读取数据：

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> secondaryDB.products.find()

执行上述命令后，您可能会遇到如下错误信息：「not master and slaveOk=false」。这是MongoDB设计中的一项关键安全机制，用于防止客户端默认从可能存在数据延迟的从节点读取数据。

如需在从节点上执行查询操作，我们则需要手动设置slaveOk标志：

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> secondaryConn.setSlaveOk()

注意这个设置是针对连接（secondaryConn）而不是数据库（secondaryDB）的。现在我们就可以正常查询从节点了：

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> secondaryDB.products.find().limit(5)
{ "_id" : ObjectId("..."), "productId" : 0, "name" : "商品0", "price" : 123.45 }
{ "_id" : ObjectId("..."), "productId" : 1, "name" : "商品1", "price"

太好了！现在我们可以看到数据已经成功复制到从节点。让我们来验证数据数量是否一致：

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> secondaryDB.products.count()
1000

现在让我们来尝试向从节点写入数据，看看会发生什么：

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> secondaryDB.products.insert({productId: 1001, name: "测试商品", price: 999})
WriteResult({ "writeError" : { "code" : 10107, "errmsg" : "not master" } })

正如预期的那样，从节点拒绝了写入操作。这个限制确保了数据的一致性，所有的写入操作都必须通过主节点进行，然后再同步到从节点。

故障转移

副本集具备高可用性的关键机制之一是自动故障转移。当现有主节点发生异常或失联时，剩余的从节点会通过选举流程自动推举出新的主节点，以保障整体服务的可用性和数据一致性。下面我们来演示一遍这个过程。

首先我们可以通过执行 db.isMaster() 命令，实时查看当前副本集的主节点与成员状态：

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> db.isMaster()
{
  "hosts" : [
    "localhost:27017",
    "localhost:27018", 
    "localhost:27019"
  ],
  "setName" : "mdbGuide",
  "ismaster" : true,
  "primary" : "localhost:27017",
  "me" : "localhost:27017",
  ...
}

假设当前主节点是localhost:27017，我们现在模拟这个节点的故障。在连接到主节点的shell中执行 db.adminCommand({"shutdown" : 1}) 命令，该命令会关闭主节点：

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> db.adminCommand({"shutdown" : 1})

执行这个命令后，主节点会关闭，你会看到shell连接中断的错误信息。不用担心，这是正常现象。 现在让我们观察故障转移过程。使用之前创建的从节点连接来检查副本集状态：

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> secondaryDB.isMaster()

你可能需要等待几秒钟，然后重复执行这个命令。很快你会看到输出中的「primary」字段指向了一个新的节点（比如localhost:27018），这表明选举过程已经完成，新的主节点已经产生。

现在我们可以重新启动之前关闭的MongoDB实例。找到运行27017端口实例的终端窗口，使用相同的启动命令重新启动它：

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$ mongod --replSet mdbGuide --dbpath ~/data/rs1 --port 27017 --smallfiles --oplogSize 200

这个实例重新启动后，会自动作为从节点加入副本集，并开始同步在其离线期间错过的数据变更。 通过这个演示，我们看到了副本集如何在几秒钟内自动处理节点故障，确保数据库服务的持续可用性。这种自动故障转移能力是副本集在生产环境中如此重要的原因。

动态配置

副本集支持在不中断服务的情况下动态调整配置，包括添加、移除或修改成员，极大地提升了系统在生产环境中的可维护性与扩展性。

添加新成员

当业务发展需要提升系统的读性能或增强高可用性时，可以通过rs.add()方法向副本集添加新的成员：

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> rs.add("localhost:27020")

这个命令会将运行在27020端口的MongoDB实例添加到副本集中。当然，你需要确保这个实例已经启动并使用相同的副本集名称。 新成员加入后，它会自动开始从其他成员同步数据。这个过程叫做「初始同步」，这个过程通常需要一些时间，具体取决于数据量的大小。

移除成员

如果某个成员不再需要或需要进行维护，我们可以使用rs.remove()函数将其从副本集中移除：

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> rs.remove("localhost:27017")
{ "ok" : 1, "operationTime" : Timestamp(1234567890, 2) }

查看和修改配置

如果你想查看当前的副本集配置，可以通过执行 rs.config() 命令以查询当前副本集的详细配置信息：

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> rs.config()
{
  "_id" : "mdbGuide",
  "version" : 3,
  "protocolVersion" : NumberLong(1),
  "members" : [
    {
      "_id" : 1,
      "host" : "localhost:27018",
      "arbiterOnly" : false,
      "buildIndexes" : true,
      "hidden"

注意配置中的「version」字段，它在每次配置变更时都会递增。这个版本号帮助副本集成员跟踪配置变更的历史。

高级配置修改

对于更复杂的配置修改，我们可以直接编辑配置文档并使用rs.reconfig()函数应用变更。 比如，假设我们想要修正一个成员的主机名（在实际场景中，这可能是因为服务器迁移或DNS变更）：

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> var config = rs.config()
> config.members[0].host = "newserver.example.com:27017"
> rs.reconfig(config)

这种方法可以用于任何复杂的配置变更，比如同时添加多个成员、修改成员属性等。rs.reconfig()函数比单独使用rs.add()和rs.remove()更加强大和灵活，因为它可以用于任何合法的配置变更。

副本集设计原则

多数决策机制

MongoDB副本集采用多数决策原则来保证数据一致性和系统可靠性。无论是主节点（Primary）的选举、主节点的存续，还是写操作的“多数确认”，均要求超过半数成员的同意。只有在获得集群多数成员认可的前提下，相关操作才会被视为成功，从而有效防止脑裂等分布式系统常见问题。

下表展示了不同规模副本集的多数要求：

这个多数是基于副本集配置中的总成员数计算的，不管有多少成员当前不可用。

为什么需要多数决策？

让我们通过一个具体场景来理解这个设计的重要性。假设我们有一个5成员的副本集，其中3个成员突然失去连接（宕机）：

在这种情况下，剩余的2个成员无法达到多数要求（至少需要3个），因此它们无法选举出主节点。这看起来可能令人沮丧，但实际上这是一个非常明智的设计，因为如果允许少数派选举主节点，就会出现灾难性的「脑裂」现象：两个分区都有自己的主节点，都在接受写入操作，导致数据不一致，进而产生潜在业务风险。

网络分区的挑战

考虑另一种可能的情况：也许那3个成员并没有真正宕机，而是由于网络故障导致了网络分区（网络隔离）：

在这种网络分区的情况下，如果我们允许少数派选举主节点，也会出现刚才我们提到的的「脑裂」现象。 通过要求多数决策，数据中心B的3个成员可以正常选举主节点并继续服务，而数据中心A的2个成员则会保持从节点状态，拒绝写入操作。这样就避免了数据分歧的风险。

基于多数决策的原则，有几种推荐的副本集部署模式：

• 主数据中心模式：将多数成员部署在主数据中心，少数成员部署在备用数据中心。这种模式适合有明确主备数据中心的场景。只要主数据中心正常，副本集就能正常运行。但如果主数据中心出现问题，副本集将变为只读状态。
• 三地部署模式：在两个主要数据中心各部署相等数量的成员，然后在第三个地点部署一个「仲裁者」成员。这种模式下，任何一个数据中心出现问题，剩余的成员仍能形成多数，保证服务的连续性。

深入选举机制

副本集的选举过程是一个精心设计的分布式共识算法，基于RAFT协议的思想但针对MongoDB的特殊需求进行了定制。 选举在以下情况下会被触发：

• 主节点不可达：当从节点无法在指定时间内（默认10秒）收到主节点的心跳信号时，它们会认为主节点已经失效并开始选举过程。
• 副本集初始化：当新建立的副本集首次启动时，需要通过选举确定第一个主节点。
• 主节点主动让位：在某些维护场景下，主节点可能会主动让位，触发新的选举。

选举过程遵循严格的步骤：

心跳和健康检测

MongoDB 副本集成员间基于定期心跳（默认每2秒一次）机制实现健康检查与状态同步。心跳消息除传递节点可达性信息外，还包含成员当前角色、oplog 位点以及数据滞后情况等关键元数据，支撑集群一致性与高可用运维。

若某一节点连续10秒未收到心跳响应，则被其他成员认定为不可达，从而可能发起自动主节点选举。此超时窗口在降低误判概率、平衡服务可用性与网络波动容忍度之间做出权衡。只有在节点长时间失联才会触发选举，避免因瞬时抖动导致频繁的主从切换，保障业务连续性。

副本集成员配置

截至目前，副本集成员通常采用默认配置，即所有节点具有相同的角色与权重。然而在生产环境中，常常需要针对特定成员进行定制化配置，以实现更精细的集群管理。 例如，可以为核心节点分配更高的主节点优先级，或将部分成员设为对客户端不可见的隐藏节点，从而满足容灾、备份、只读分析等多样化业务需求。

优先级配置

优先级是一个数值（0到100），用来表示成员「想要」成为主节点的强烈程度。默认值是1，优先级为0的成员永远不会成为主节点，被称为「被动成员」。

设置高优先级成员

假设我们有一台性能更强的服务器，希望它优先成为主节点：

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> rs.add({"host": "powerfulserver:27017", "priority": 1.5})

一旦这个高优先级成员完成数据同步并追上其他成员的进度，当前的主节点会自动让位，让这个新成员成为主节点。这个过程是平滑的，不会导致数据丢失。

配置被动成员

有时我们希望某些成员永远不成为主节点，比如用于备份或分析的服务器：

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> var config = rs.config()
> config.members[2].priority = 0
> rs.reconfig(config)

隐藏成员

隐藏成员是一种特殊的从节点，它们对客户端应用不可见，也不会被优先选择作为数据同步源。这种配置适用于备份服务器或性能较低的机器。 要将一个成员设置为隐藏，必须同时将其优先级设为0，即成为「被动成员」：

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> var config = rs.config()
> config.members[2].hidden = true
> config.members[2].priority = 0
> rs.reconfig(config)

配置完成后，使用db.isMaster()命令时，隐藏成员不会出现在hosts列表中：

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> db.isMaster()
{
  "hosts" : [
    "server1:27017",
    "server2:27017"
    // 隐藏成员不会显示在这里
  ],
  ...
}

但在rs.status()和rs.config()的输出中仍然可以看到隐藏成员，因为这些是管理命令，会显示所有成员的信息。

仲裁者成员

仲裁者是一种特殊的副本集成员，它们不存储数据，唯一的作用就是参与选举投票。这种设计主要为了解决两成员副本集的多数决策问题。

在只有两个数据存储节点的小型部署中，添加仲裁者可以满足多数决策的要求。仲裁者可以运行在相对低配的服务器上，因为它不需要存储数据或处理查询，也不会被客户端连接。

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> rs.addArb("arbiter-server:27017")

或者使用完整的配置格式：

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> rs.add({"_id": 4, "host": "arbiter-server:27017", "arbiterOnly": true})

仲裁者一旦添加就无法改变角色，不能将普通成员改为仲裁者，也不能将仲裁者改为数据成员。

仲裁者的数量应该控制在最多一个。添加多个仲裁者不仅没有好处，反而可能降低集群的稳定性。例如，在三成员集群中添加仲裁者会使多数要求从2个增加到3个，实际上降低了可用性。

索引构建控制

在某些场景下，我们可能不希望某个从节点构建索引，比如专门用于数据备份或离线批处理的节点。

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> var config = rs.config()
> config.members[3].buildIndexes = false
> config.members[3].priority = 0  // 必须同时设为0
> rs.reconfig(config)

这个设置是永久性的。一旦配置了buildIndexes: false，该成员就无法再被重新配置为构建索引。如果需要改变这个设置，必须将成员从副本集中移除，删除其所有数据，然后重新添加并让其完全重新同步。

延迟从节点

MongoDB支持配置延迟从节点，可使指定成员有意延后主节点一定时间应用oplog，从而实现数据延迟同步。这一机制常用于防止误操作导致的数据丢失，为数据恢复提供额外的安全保障：

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> var config = rs.config()
> config.members[4].slaveDelay = 3600  // 延迟1小时
> config.members[4].priority = 0
> config.members[4].hidden = true
> rs.reconfig(config)

成员标签

副本集成员还可以配置标签，用于更精细的读写偏好控制和数据分布策略。标签是任意的键值对，可以表示地理位置、硬件类型等属性：

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> var config = rs.config()
> config.members[0].tags = {"datacenter": "east", "usage": "production"}
> config.members[1].tags = {"datacenter": "east", "usage": "production"}
> config.members[2].tags = {"datacenter"

主节点确认：新主节点开始发送心跳信号，其他成员确认其权威性并转变为从节点。