PostgreSQL高可用集群部署

PostgreSQL 是一个功能强大的开源关系型数据库系统，其高可用性和可扩展性一直是企业级应用的重要需求。为了确保数据库服务的持续可用性，部署 PostgreSQL 高可用集群是非常关键的一步。本文将详细介绍如何设计和部署一个 PostgreSQL 高可用集群，并深入解析相关技术概念。

1. PostgreSQL 高可用的基本概念

在讨论 PostgreSQL 高可用集群之前，我们需要了解一些基本概念：

• 主从复制（Master-Slave Replication）：通过主节点（Master）将数据同步到从节点（Slave），从而实现数据冗余。
• 流复制（Streaming Replication）：一种基于 WAL（Write-Ahead Logging）的日志流传输机制，用于实时同步主从节点的数据。
• 故障转移（Failover）：当主节点发生故障时，自动或手动切换到从节点以继续提供服务。
• PITR（Point-In-Time Recovery）：通过备份和日志重放恢复到指定时间点的状态。

2. PostgreSQL 高可用集群架构设计

一个典型的 PostgreSQL 高可用集群通常由以下组件组成：

2.1 主节点与从节点

主节点负责处理写操作（如 INSERT、UPDATE、DELETE），并将其修改通过流复制同步到一个或多个从节点。从节点可以用于读操作，分担主节点的压力。

2.2 哨兵服务（Sentinel 或 Patroni）

哨兵服务用于监控主节点状态，并在主节点不可用时触发故障转移。常见的哨兵工具包括：

• Patroni：基于 Zookeeper、etcd 或 Consul 的高可用管理工具。
• Repmgr：专注于 PostgreSQL 复制管理的工具。

2.3 负载均衡器

负载均衡器（如 HAProxy 或 PgBouncer）用于分发客户端请求到主节点或从节点，优化资源利用。

2.4 存储层

使用共享存储（如 NFS、Ceph）或本地存储结合同步机制，确保数据一致性。

3. PostgreSQL 高可用集群部署步骤

3.1 环境准备

假设我们有三台服务器：

• 主节点（Master）：192.168.1.10
• 从节点1（Standby1）：192.168.1.11
• 从节点2（Standby2）：192.168.1.12

安装 PostgreSQL 并配置基础环境：

sudo apt update
sudo apt install postgresql postgresql-contrib

3.2 配置主节点

编辑主节点的配置文件 /etc/postgresql/14/main/postgresql.conf，启用流复制：

wal_level = replica
max_wal_senders = 3
wal_keep_size = 1GB
archive_mode = on
archive_command = 'test ! -f /var/lib/postgresql/wal_archive/%f && cp %p /var/lib/postgresql/wal_archive/%f'
listen_addresses = '*'

编辑 /etc/postgresql/14/main/pg_hba.conf，允许从节点连接：

host    replication     all             192.168.1.0/24          md5

重启主节点服务：

sudo systemctl restart postgresql

3.3 配置从节点

在从节点上创建基础备份：

sudo -u postgres pg_basebackup -h 192.168.1.10 -D /var/lib/postgresql/14/main -U replicator -v -P --wal-method=stream

创建 recovery.conf 文件（PostgreSQL 12 及以上版本为 postgresql.auto.conf）：

standby_mode = 'on'
primary_conninfo = 'host=192.168.1.10 port=5432 user=replicator password=yourpassword'
trigger_file = '/tmp/failover.trigger'

启动从节点服务：

sudo systemctl start postgresql

3.4 配置 Patroni

安装 Patroni 和 etcd：

pip install patroni
sudo apt install etcd

编写 Patroni 配置文件（patroni.yml）：

scope: my_cluster
name: postgres0

restapi:
  listen: 192.168.1.10:8008
  connect_address: 192.168.1.10:8008

etcd:
  host: 127.0.0.1:2379

postgresql:
  name: postgres0
  scope: my_cluster
  data_dir: /data/postgres
  parameters:
    wal_level: replica
    max_wal_senders: 3
    archive_mode: on
  replication:
    username: replicator
    password: yourpassword

启动 Patroni：

patroni /path/to/patroni.yml

4. 故障转移流程

当主节点发生故障时，Patroni 会自动选择一个健康的从节点晋升为主节点。以下是故障转移的逻辑流程图：

sequenceDiagram
    participant Monitor as Sentinel/Patroni
    participant Master as 主节点
    participant Standby as 从节点
    participant Client as 客户端

    Note over Monitor: 检测到主节点不可用
    Monitor->>Standby: 触发选举逻辑
    Standby-->>Monitor: 返回健康状态
    Monitor->>Standby: 晋升为主节点
    Standby-->>Client: 开始接收写请求

5. 扩展讨论

5.1 数据一致性 vs 性能

流复制提供了两种模式：

• 同步复制（Synchronous Replication）：确保所有写操作在主节点和从节点上都完成，保证强一致性但可能影响性能。
• 异步复制（Asynchronous Replication）：主节点无需等待从节点确认即可继续处理请求，性能更高但存在数据丢失风险。

5.2 监控与告警

使用 Prometheus 和 Grafana 监控 PostgreSQL 集群的运行状态，设置关键指标（如延迟、连接数）的告警规则。

5.3 数据备份策略

定期进行全量备份和增量备份，结合 PITR 实现灾难恢复能力。