进阶数据库系列（十六）：PostgreSQL 数据库高可用方案_postgresql高可用构架

前面介绍了 PostgreSQL 执行计划、视图与触发器、存储过程、索引、分区分表、事务与并发控制、主从复制相关的知识点，今天我将详细的为大家介绍 PostgreSQL 高可用方案相关知识，希望大家能够从中收获多多！如有帮助，请点在看、转发支持一波！！！

在一个生产系统中，通常都需要用高可用方案来保证系统的不间断运行。PostgreSQL 本身不支持任何多主群集解决方案，例如MySQL或Oracle。尽管如此，仍有许多商业和社区产品提供此实现，以及其他产品，例如PostgreSQL的复制或负载平衡。

本章将详细介绍如何实现PostgreSQL数据库的高可用方案。

高可用架构基础

通常数据库的高可用方案都是让多个数据库服务器协同工作，比如，当一台服务器失效时，另一台服务器可以顶替上去工作，这样就可以不中断对外服务或只中断很短的时间;或者让几台数据库同时提供服务，用户可以访问任意一台数据库，当其中一台出现问题时，访问其他数据库即可。但与为静态页面提供服务的Web服务器不一样的是，数据库中记录了数据，要想在多台数据库中切换，需要进行数据同步，所以数据同步是数据库高可用方案的基础。

各种高可用架构介绍

从解决数据同步问题的方式来看，高可用方案可以分为以下几种。

• 共享磁盘的失效切换或磁盘的底层复制方案:使用共享存储，如SAN存储，一台机器失败后，把SAN存储输出的磁盘挂到另一台机器上，然后把磁盘上的文件系统挂起来后完成切换。

• WAL日志同步或流复制同步的方案:PostgreSQL自身提供了这种方案，通过这个机制，可以搭建主从数据库，当主数据库失败时，把从数据库提升为主库，继续对外提供服务。

• 基于触发器的同步方案:使用触发器记录数据变化，然后同步到另一台数据库上。

• 基于语句复制的中间件:用户不直接连接到底层数据库，而是连接到一个中间件，中间件把数据库的变更发送到底层多台数据库上，从而完成数据的同步。

• 基于改造PostgreSQL源码的方案:修改PostgreSQL源码来截取数据的变更，然后同步到另一台数据库上。

目前随着PostgreSQL自身复制功能的增强，越来越多的技术方案开始基于PostgreSQL自身的复制方案进行设计，改造PostgreSQL源码的开源软件技术方案已越来越不活跃了，如pgcluster软件已发布的最新版本1.3还是在PostgreSQL8.0之上改造的，pgcluster-II目前还没有开源出来。所以本书不再介绍“基于改造PostgreSQL源码的高可用方案”。

更多关于 PostgreSQL 系列的学习文章，请参阅：PostgreSQL 数据库，本系列持续更新中。

服务的可靠性设计

主备方式的高可用方案是通过主备之间的数据同步来实现的，数据同步有异步和同步两种方式。同步方式的优点是在故障切换过程中，数据完全不丢失，但缺点也很明显，主要问题有:

• 影响性能，这是很明显的，一个事务的数据必须写到备库中才能返回。

• 当主备库之间的网络中断时，要不让同步退化为异步，要不就让主库挂起。当然还有一种方案是让一个主库带两个备库，只要有一个备库是正常的，主库就不需要挂起。这个方案的缺点是增加了成本。

如果系统可以容忍故障切换时丢失少量的数据，可以使用数据异步同步的方式。该方案需要避免备库落后主库太多，防止故障切换时丢失太多的数据。

要保证服务中断的时间尽量地少，还需要灵敏的故障检测。但故障检测太灵敏时，误触发的概率也会增加，所以需要选择一个合适的故障检测时间。这个故障检测时间通常在秒级别以上。想要做到秒级别以下是比较困难的。

数据可靠性设计

系统中最重要的资源就是数据，如何保证数据不丢失，是数据库系统中需要重点考虑的事情。导致数据丢失的原因有很多，如硬件故障或损坏、软件Bug、.人为失误等，所以通常要备份数据,除非这个数据库不重要，丢失了也没有关系。

基于共享存储的高可用方案

SAN存储的方案

SAN是“Storage Area Network”的缩写，即“存储区域网络”。与TCP/IP网络不同，“存储区域网络”是专为存储系统而设计的，它使用FC协议，而TCP/IP网络是通用功能的网络,支持各种各样功能的网络。SAN网络的架构与以太网网络类似，通常的架构图如图20-1所示。

在图20-1中，存储设备可以是多台，存储设备和需要使用存储的服务器之间通过光纤线和 SANswitch连接,SAN Switch与以太网中的交换机类似。服务器上也插有类似以太网网卡的HBA卡。

使用SAN共享存储的 PostgreSQL高可用方案的架构图 如图20-2所示。

从该架构图看，两台数据库服务器共享一块或多块从存储上划出的磁盘。磁盘上格式化了文件系统，PostgreSQL的数据文件就存在此文件系统上。在主/备库上都可以看到此共享磁盘，在主库上此磁盘上的文件系统是挂起来的，备库上此文件系统没有挂起。当主库发生故障时，由第三方的高可用软件把文件系统在备库上挂起，然后再在备库上启动数据库即完成了切换。

实际上进行高可用切换时，并不像上面所说的这么简单，当主库发生故障时，可能只是主库与外部的网络断开了，它与存储设备的连接还是好的，同时文件系统还挂着，如果此时把文件系统在另一台机器上挂起来，像Ext3、Ext4、xfs等文件是不能同时在两台机器上挂起来的，同时挂起时，两台机器都会对文件系统进行写操作，这就会导致文件系统的损坏。

为了避免这种情况，最常用的方法是主库没有收到心跳时就自动重启（相当于“自杀”)，或者备库在挂文件系统之前通过其他办法，如向服务器的IPMI接口(IPMI是智能平台管理接口的简称，是一种开放标准的硬件管理接口)发送重启主机的命令，让主库重启可阻止主库对文件系统的写操作。

另一种方法是使用存储提供的“reserve_lock”功能，备机在挂起文件系统之前，通知存储，让存储不允许主库写此磁盘以避免文件系统的损坏。更多关于 PostgreSQL 系列的学习文章，请参阅：PostgreSQL 数据库，本系列持续更新中。

DRBD的方案

SAN存储比较昂贵，使用该方案的成本较高。还有一种类似共享存储的廉价方案，即使用DRBD仿真共享存储的方案。

DRBD是“Distributed Replicated Block Device”的缩写，DRBD是一个开源软件，它的大部分功能都是在Linux内核中实现的，目前大多数Linux发行版本中都已带有DRBD软件。DRBD是通过用软件实现的、无共享的、服务器之间块设备内容的复制软件。

DRBD有以下两种模式。

• 单主模式:只有主设备可以写，备设备不可以写。

• 双主模式:两个设备都可以读写。

数据同步的方式有以下三种。

• 协议A:异步复制协议，本地写成功后立即返回，数据放在发送buffer中，可能丢失。

• 协议B:内存同步(半同步)复制协议。本地写成功并将数据发送到对方后立即返回，如果双机掉电，数据可能丢失。

• 协议C:同步复制协议。本地和对方写成功确认后返回。如果双机掉电或磁盘同时损坏，数据可能丢失。

WAL日志同步或流复制同步的方案

持续复制归档的standby的方法

在PostgreSQL9.X之前的版本中，不支持流复制时只能通过拷贝归档在主备库之间实现同步。不过相对于流复制，手工复制归档文件同步可以做到更灵活，若需要备库落后主库一段时间来防止人工误删除等逻辑错误，可以写一个脚本，使其每过一段时间才把主库上的归档拷贝到备库上，让备库应用这些日志，这样就可以保证备库一定是落后主库一定时间的。在落后的这段时间内，如果主库被误删除了数据，还可以在备库上找回相应的数据。

异步流复制的方案

当使用异步流复制的方案时，进行高可用切换会丢失部分数据。这个方案可以用于切换时容忍丢失少量数据的场景中。这个方案的架构图如图20-4所示。

基于同步流复制方案

当使用同步流复制时，如果主库与从库之间的网络中断或从库出现问题，主库也会被hang 住，而此时只有一个主库和一个从库，那么是无法做高可用方案的。PostgreSQL的解决方案是使用两个从库，只要有一个从库是正常的，主库就不会 hang 住。这个方案的架构如图20-5所示。

更多关于 PostgreSQL 系列的学习文章，请参阅：PostgreSQL 数据库，本系列持续更新中。

基于触发器的同步方案

方案的特点

前面讲解了基于共享存储和WAL日志同步的高可用方案，这两种方案都是对整个数据库实例进行同步的，而本节讲解的基于触发器的同步方案，则可以做到只同步一部分数据，它更为灵活，但也有以下几个缺点:

• 对数据库的性能影响较大。

• 不能同步DDL。

• 用户和权限的变更也不能同步。

基于触发器方案的同步软件介绍

基本此方案做的同步软件较多，常见的开源软件有:

• slony

• bucardo

• skype公司开发的 longdist

后续

在众多Postgresql 高可用模式中，主要的参与者有两位，Patroni 与 repmgr 。

Repmgr 是一款开源的基于postgres复制基础上的高可用软件，他基于2ndQuadrant 公司开发而来，提供完整的基于从安装到部署，从设置到管理以及监控的一体化的postgresql 高可用方案，并且支持手动的POSTGRESQL 高可用切换和自动切换的方案，支持看门狗的模式。

Patroni 本身起源于一个 Governor 的分支，来自于一个 compose 项目，在 Zalando 中被改进的原来越好用。https://github.com/zalando/patroni，这是一个 python 编写的开源工具组件，通过他来进行 POSTGRESQL 的集群高可用性的支持，通过分布式存储的方式来完成一致性模型，目前一般配合 etcd 基于 raft 协议的分布式系统来使用。