PostgreSQL熱備原理研究及流復(fù)制運(yùn)用

付莎

摘要：高可用性（HA-High Availability）是所有商用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)必須具備的一項(xiàng)基本功能。該文闡述了PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)的高可用性的實(shí)現(xiàn)原理及方法，并對(duì)PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)的原生流復(fù)制功能實(shí)現(xiàn)高可用性熱備功能進(jìn)行了應(yīng)用描述。

關(guān)鍵詞：PostgreSQL；高可用性；熱備；流復(fù)制

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）12-0001-03

Abstract： HA-High Availability is a basic function that all commercial database systems must have. This paper describes the realization principles and methods of HA-high availability PostgreSQL database， and describes the application of PostgreSQL database's native streaming replication function to achieve high availability hot standby function.

Key words： PostgreSQL； HA-High Availability； hot standby； streaming replication

PostgreSQL是一套企業(yè)級(jí)的、跨平臺(tái)、高度可定制的、功能強(qiáng)大的開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。其可靠性、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)一致性等獲得了業(yè)界內(nèi)極高的聲譽(yù)。是唯一能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)零丟失的開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。隨著PostgreSQL的商用逐漸推動(dòng)，在數(shù)據(jù)庫(kù)市場(chǎng)上成為對(duì)標(biāo)Oracle，MSSQL等傳統(tǒng)大型商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者[1]。

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)是所有一切的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)的安全性和一致性是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的重中之重。數(shù)據(jù)可能由于不可預(yù)見(jiàn)的各種原因丟失或損壞，因此數(shù)據(jù)的備份成為保證數(shù)據(jù)安全性的一個(gè)重要的后備手段。在此方面，企業(yè)級(jí)的PostgreSQL提供了多種功能特性保障數(shù)據(jù)的安全和可用性。

1 PostgreSQL數(shù)據(jù)備份

PostgreSQL可實(shí)現(xiàn)三種不同級(jí)別的數(shù)據(jù)備份方法：

SQL轉(zhuǎn)儲(chǔ)：利用pg_dump工具將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)為標(biāo)準(zhǔn)SQL語(yǔ)句組成的文件。需要時(shí)執(zhí)行SQL語(yǔ)句即可恢復(fù)數(shù)據(jù)。此種方式通用性最好，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，可在不同版本及不同操作系統(tǒng)間遷移和恢復(fù)數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)為只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的定期及全量備份。

文件系統(tǒng)級(jí)別備份：利用文件系統(tǒng)直接復(fù)制PostgreSQL數(shù)據(jù)文件進(jìn)行備份操作，獲取一個(gè)數(shù)據(jù)文件的“快照”。需要恢復(fù)或遷移時(shí)，再將“快照”文件拷貝至目標(biāo)路徑。此種方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，但限制條件也比較苛刻。（1）備份和恢復(fù)時(shí)，目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)必須停機(jī)操作。在一些特定系統(tǒng)中，停機(jī)是無(wú)法接受的。（2）只能備份和恢復(fù)整臺(tái)服務(wù)器，不能有針對(duì)性的操作某一特定的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)容量巨大。（3）操作系統(tǒng)和PostgreSQL版本必須一致。

連續(xù)歸檔和時(shí)間點(diǎn)恢復(fù)（PITR）：利用PostgreSQL提供的WAL（預(yù)寫(xiě)式日志）文件的連續(xù)歸檔特性，“備份”WAL文件。在“基礎(chǔ)備份”的基礎(chǔ)上，當(dāng)需要恢復(fù)和遷移數(shù)據(jù)時(shí)，目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)上“重放”WAL，使目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)與原始數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)保持一致。基于“重放”WAL，可實(shí)現(xiàn)“增量”備份、“任意時(shí)間點(diǎn)”恢復(fù)、“溫備”和“熱備”等多種備份方式。此種方式技術(shù)實(shí)現(xiàn)相比較最為復(fù)雜，但可靠性和靈活性上卻最高。在保障系統(tǒng)高可用性情況下，應(yīng)是首選備份技術(shù)[2][4]。

以上三種數(shù)據(jù)備份方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，但相比較下，只有使用WAL連續(xù)歸檔技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份、故障遷移，保障高可用性最為有效和便捷。

2 備份原理

2.1 WAL文件

WAL（Write Ahead Log）預(yù)寫(xiě)式日志文件是PostgreSQL中一個(gè)重要機(jī)制。作用與Oracle中redo log文件作用類似。用于保障數(shù)據(jù)的一致性以及事務(wù)的完整性。避免系統(tǒng)在崩潰時(shí)數(shù)據(jù)還在某級(jí)緩沖中，沒(méi)來(lái)得及寫(xiě)入持久化文件中的臟數(shù)據(jù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不一致性。具體來(lái)說(shuō)，WAL的核心概念是數(shù)據(jù)文件的修改必須在這些動(dòng)作被日志記錄之后才被寫(xiě)入。WAL記錄了完整的操作數(shù)據(jù)以及動(dòng)作，先于數(shù)據(jù)被寫(xiě)入數(shù)據(jù)文件前順序?qū)懭胛募到y(tǒng)。WAL中的每一條記錄使用CRC-32校驗(yàn)碼保護(hù)，首先就保證了WAL的完整性。當(dāng)系統(tǒng)需要重建數(shù)據(jù)時(shí)，由于WAL先于數(shù)據(jù)寫(xiě)入，則可順序“回放”WAL文件中的先前數(shù)據(jù)和操作，直至某一設(shè)定時(shí)間點(diǎn)或WAL文件末尾停止，從而達(dá)到和先前一致的數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)。

WAL被PostgreSQL默認(rèn)劃分成16MB的段文件，按一定規(guī)則順序命名文件并保存于系統(tǒng)pg_xlog目錄下。默認(rèn)情況下WAL被設(shè)置為minimal級(jí)別，該級(jí)別下某些批量操作的WAL可以被安全的跳過(guò)，這樣這些操作能更快地完成。但該級(jí)別不包含有足夠的信息來(lái)從基礎(chǔ)備份和WAL來(lái)重建數(shù)據(jù)。因此構(gòu)架高可用性系統(tǒng)時(shí)必須設(shè)置高于minimal的級(jí)別使用，例如archive或更高級(jí)別，以保證WAL包含有足夠的重建數(shù)據(jù)信息[2]。

2.2 啟用WAL歸檔、傳輸實(shí)現(xiàn)備份

當(dāng)系統(tǒng)啟用archive或更高級(jí)別的WAL級(jí)別時(shí)，我們可通過(guò)歸檔WAL文件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份。Postgresql并沒(méi)有限定我們?cè)趺礃託w檔數(shù)據(jù)，而是提供了一個(gè)參數(shù)來(lái)自定義歸檔動(dòng)作。當(dāng)WAL文件產(chǎn)生后，我們可以簡(jiǎn)單的設(shè)置參數(shù)為拷貝WAL文件至另一磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器目錄，或執(zhí)行復(fù)雜腳本將WAL傳輸至網(wǎng)絡(luò)上另一臺(tái)服務(wù)器。

利用上述WAL技術(shù)特性，我們可以簡(jiǎn)單的描述實(shí)現(xiàn)“雙機(jī)熱備”的過(guò)程。（1）設(shè)置主機(jī)歸檔模式wal_level為archive；（2）主機(jī)使用PostgreSQL提供的pg_basebackup等工具制作一次基礎(chǔ)備份并將備份文件拷貝至備機(jī)，完成一次主被機(jī)間的基礎(chǔ)備份；（3）主機(jī)產(chǎn)生WAL文件后通過(guò)archive_command參數(shù)調(diào)度命令傳輸至備機(jī)；（4）備機(jī)接收到WAL文件后，持續(xù)恢復(fù)主機(jī)的WAL文件，最大限度跟上主機(jī)數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度[1][7]。

當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，此時(shí)由于主備機(jī)間傳輸WAL文件可能具有一定的延時(shí)原因或主機(jī)WAL文件并沒(méi)有填充完一塊（默認(rèn)16MB），還沒(méi)有開(kāi)始傳輸，主備機(jī)間數(shù)據(jù)可能并不一致，備機(jī)落后于主機(jī)。此時(shí)如果使用故障遷移并使用備機(jī)提供數(shù)據(jù)服可能存在一定的數(shù)據(jù)丟失，但在某種程度上已經(jīng)最大限度地保證了系統(tǒng)的可用性[2]。

2.3 PostgreSQL熱備

通過(guò)上述WAL文件在主備服務(wù)器間的歸檔、傳輸以及重放，我們已經(jīng)了解了PostgreSQL的“溫備”原理。如需進(jìn)一步提升備份級(jí)別，實(shí)現(xiàn)真正意義上的熱備，我們必須通過(guò)其他技術(shù)手段減小主備服務(wù)器間的數(shù)據(jù)同步延時(shí)，實(shí)現(xiàn)主備服務(wù)器間的快速同步。

3流復(fù)制

3.1 流復(fù)制原理

PostgreSQL流復(fù)制是PostgreSQL9.0版本后才提供的功能，它的基本原理與上述主服務(wù)器WAL日志歸檔后傳輸至備服務(wù)器并重放以保證主備服務(wù)器數(shù)據(jù)一致情形類似。但流復(fù)制從PostgreSQL系統(tǒng)層面對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化。首先主備服務(wù)器間使用PostgreSQL提供的TCP協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)連接，不再使用archive_command參數(shù)命令進(jìn)行第三方WAL文件傳輸。主服務(wù)器在數(shù)據(jù)變動(dòng)并產(chǎn)生WAL記錄后（并不需要完整一塊16MB文件，僅為一次操作記錄）立即將記錄以TCP數(shù)據(jù)流的方式傳送給備服務(wù)器，而不必等到 WAL文件被填充后成才進(jìn)行傳輸[2]。此種機(jī)制極大的縮減了主備服務(wù)器間的數(shù)據(jù)同步延遲，擁有更高效的可用度。同時(shí)PostgreSQL9.0版本后提供了Hot Standby功能，支持備機(jī)在流復(fù)制基礎(chǔ)上同步主服務(wù)器數(shù)據(jù)的同時(shí)還能提供備機(jī)數(shù)據(jù)的只讀訪問(wèn)。此特性極大地提升了用戶體驗(yàn)，也使數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫(xiě)分離、負(fù)載均衡等功能從PostgreSQL系統(tǒng)層面提供了技術(shù)實(shí)現(xiàn)（之前版本只能通過(guò)第三方插件形式實(shí)現(xiàn)）。PostgreSQL9.2版本后提供了級(jí)聯(lián)復(fù)制功能，在實(shí)現(xiàn)主備服務(wù)器流復(fù)制數(shù)據(jù)同步的同時(shí)，備服務(wù)器還可將WAL轉(zhuǎn)發(fā)給其他下位備機(jī)，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的集群。流復(fù)制技術(shù)為數(shù)據(jù)庫(kù)的熱備、高可用性、負(fù)載均衡等提供了原生技術(shù)支持[5][6]。

當(dāng)啟用PostgreSQL主備服務(wù)器流復(fù)制功能后，將有walsender、walreceiver和startup三個(gè)進(jìn)程啟動(dòng)參與整個(gè)流復(fù)制功能。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)walsender進(jìn)程從主服務(wù)器啟動(dòng)，主要負(fù)責(zé)將主服務(wù)器產(chǎn)生的WAL日志記錄發(fā)送給下位機(jī)；walreceiver進(jìn)程則從備服務(wù)器啟動(dòng)，對(duì)應(yīng)walsender進(jìn)程與之通訊，主要負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā)送的WAL日志記錄；startup進(jìn)程則從備服務(wù)器啟動(dòng)，主要負(fù)責(zé)將walreceiver進(jìn)程接收到WAL日志記錄在備服務(wù)器上“回放”，以便達(dá)到主備服務(wù)器間的數(shù)據(jù)同步。在級(jí)聯(lián)模式下，一臺(tái)備服務(wù)器可能同時(shí)啟動(dòng)三個(gè)進(jìn)程，即既負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的WAL日志記錄并回放，同時(shí)也將WAL日志記錄繼續(xù)發(fā)往下位機(jī)[3][5]。

3.2 異步流復(fù)制

PostgreSQL默認(rèn)情況下啟用的為異步流復(fù)制模式。此模式下主服務(wù)器不等待備機(jī)確認(rèn)，主服務(wù)器上數(shù)據(jù)成功提交即視為操作完成。并將完成結(jié)果反饋給前臺(tái)提交此操作的客戶端。

假設(shè)上述操作完成后主服務(wù)器崩潰，某些已被提交的WAL日志還沒(méi)來(lái)得及復(fù)制到備服務(wù)器（例如網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等），如此時(shí)進(jìn)行了故障遷移，由于備服務(wù)器上則沒(méi)有這筆操作數(shù)據(jù)，但此時(shí)前臺(tái)客戶端卻得到了操作成功指令，這時(shí)將導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

再如主服務(wù)器上數(shù)據(jù)已成功提交，但還沒(méi)來(lái)得及復(fù)制到備服務(wù)器（例如網(wǎng)絡(luò)延時(shí)），并且運(yùn)行著負(fù)載均衡架構(gòu)，備服務(wù)器提供只讀查詢服務(wù)，那么此時(shí)使用備服務(wù)器查詢到的結(jié)果將和主服務(wù)器數(shù)據(jù)不同，產(chǎn)生了數(shù)據(jù)不一致。

異步流復(fù)制雖然有可能產(chǎn)生上述問(wèn)題，但異步流復(fù)制只需主服務(wù)確認(rèn)即可的特性大大提升了系統(tǒng)的負(fù)載。在部分非關(guān)鍵的系統(tǒng)應(yīng)用中也是一種可選方案[2]。

3.3 同步流復(fù)制

PostgreSQL開(kāi)啟配置參數(shù)synchronous_commit=on即可開(kāi)啟同步流復(fù)制。同步流復(fù)制能夠保證一個(gè)事務(wù)的所有修改都能被傳送到一臺(tái)同步備服務(wù)器。在請(qǐng)求同步流復(fù)制時(shí)，一個(gè)寫(xiě)事務(wù)的每次提交將一直等待，直到收到一個(gè)確認(rèn)表明該提交在主服務(wù)器和備服務(wù)器上都已經(jīng)被寫(xiě)入到磁盤(pán)上的事務(wù)日志中。即保證主備服務(wù)器WAL日志雙雙落盤(pán)才返回成功[2][6]。此時(shí)雖然增加了主備服務(wù)期間來(lái)回通訊確認(rèn)的等待時(shí)間，延長(zhǎng)了前臺(tái)客戶端請(qǐng)求事務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。但等待確認(rèn)提高了用戶對(duì)于修改不會(huì)丟失的信心。此外如果有多臺(tái)備服務(wù)器連接主服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，通過(guò)配置參數(shù)synchronous_standby_names，還可設(shè)置等待全部或其中某幾臺(tái)完成WAL落盤(pán)確定即返回成功。在多臺(tái)數(shù)據(jù)同步的集群中，可在高可用性和系統(tǒng)性能上找到一個(gè)平衡點(diǎn)[2][7]。

4 流復(fù)制應(yīng)用

上述已就PostgreSQL的備份和流復(fù)制構(gòu)建熱備進(jìn)行了原理和理論闡述。本節(jié)將就PostgreSQL雙機(jī)同步流復(fù)制實(shí)現(xiàn)熱備和故障遷移應(yīng)用給出實(shí)現(xiàn)方案。目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)雙機(jī)異地PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)容災(zāi)熱備。

預(yù)設(shè)主備機(jī)IP地址：主機(jī)192.10.1.100 備機(jī)192.10.1.101。下述配置文件*.conf都默認(rèn)位于PostgreSQL安裝路徑data目錄下。PostgreSQL9.3以上版本。

4.1 主機(jī)postgresql.conf文件配置

設(shè)置listen_addresses = '*'；主服務(wù)器開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng)所有客戶地址訪問(wèn)許可，默認(rèn)值為只能監(jiān)聽(tīng)本機(jī)訪問(wèn)，網(wǎng)絡(luò)上其他服務(wù)器不允許連接。

設(shè)置wal_level = hot_standby；主服務(wù)WAL日志級(jí)別使用hot_standby級(jí)別，此級(jí)別下日志記錄的信息和上文提到的archive相同，但外加了從WAL重建運(yùn)行事務(wù)狀態(tài)所需的其他信息，流復(fù)制必須設(shè)置此級(jí)別。

設(shè)置max_wal_senders=2；設(shè)置向備服務(wù)器進(jìn)行發(fā)送walsender進(jìn)程的最大連接數(shù)。本例中由于是使用雙機(jī)熱備，連接數(shù)2即可。

設(shè)置wal_keep_segments = 128；設(shè)置WAL文件被重用的最大值，確保舊的WAL段不會(huì)被太早重用（文件系統(tǒng)會(huì)對(duì)WAL進(jìn)行循環(huán)覆蓋使用以便節(jié)約磁盤(pán)空間）。避免由于主機(jī)數(shù)據(jù)量巨大，而備機(jī)還尚未處理，而主機(jī)已經(jīng)覆蓋了待未傳輸至備機(jī)處理的WAL文件。可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載情況調(diào)整[2]。

設(shè)置synchronous_commit=on；設(shè)置事務(wù)為同步模式。保證備機(jī)將提交記錄寫(xiě)入到持久化存儲(chǔ)中，主機(jī)事務(wù)才能成功返回[1][7]。

4.2 主機(jī)pg_hba.conf文件配置

增加配置項(xiàng)：host replication postgres 192.10.1.101/32 md5；增加IP192.10.1.101備機(jī)使用用戶postgres 使用流復(fù)制功能訪問(wèn)許可。

上述配置完畢后重啟PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，以便新設(shè)置項(xiàng)生效。

4.3 主機(jī)進(jìn)行基礎(chǔ)備份

a.開(kāi)啟pgsql程序，執(zhí)行命令：select pg_start_backup（'basebackup'）；此命令將使系統(tǒng)進(jìn)入備份模式，執(zhí)行基礎(chǔ)備份。

b.待執(zhí)行完畢后拷貝出data數(shù)據(jù)目錄備用。

c.拷貝完畢后執(zhí)行select pg_stop_backup（）；此命令系統(tǒng)終止備份模式并讓在備份期間寫(xiě)入的最后一個(gè)WAL段文件能準(zhǔn)備好被歸檔[1][2]。

4.4 備機(jī)拷貝文件

刪除備機(jī)data目錄下所有文件，并將上一步主機(jī)拷貝出的data目錄下所有文件拷貝至備機(jī)data目錄下。

4.5 備機(jī)postgresql.conf文件配置

設(shè)置hot_standby=on；開(kāi)啟備機(jī)在歸檔恢復(fù)期間或備機(jī)模式下開(kāi)啟只讀查詢模式。

4.6 備機(jī)recover.conf文件配置

備機(jī)創(chuàng)建recover.conf文件，并放置于data目錄下。

設(shè)置standby_mode = 'on'；指定為備機(jī)模式啟動(dòng)；

設(shè)置recovery_target_timeline = 'latest'；使備機(jī)恢復(fù)到歸檔中能找到的最新的時(shí)間線，保持和主機(jī)的數(shù)據(jù)同步。

設(shè)置primary_conninfo='host=192.10.1.100 user=postgres password=主機(jī)登陸口令'；設(shè)置備機(jī)連接主機(jī)進(jìn)行流復(fù)制的連接字符串。

4.7 備機(jī)啟動(dòng)

上述配置完成后啟動(dòng)備機(jī)即可完成PostgreSQL雙機(jī)同步熱備服務(wù)器配置。

4.8 故障遷移

假設(shè)最壞的情況發(fā)生了，主機(jī)崩潰無(wú)法繼續(xù)提供服務(wù)，此時(shí)可使用故障遷移將備機(jī)提升為主機(jī)，從只讀模式提升為提供讀寫(xiě)服務(wù)。保障系統(tǒng)的高可用性。故障遷移必須手動(dòng)操作，有兩種方式：

備機(jī)recover.conf配置文件中設(shè)置trigger_file項(xiàng)，值為某一系統(tǒng)中文件路徑。在服務(wù)器作為備機(jī)使用時(shí)，此路徑上的文件必須不存在。如需將備機(jī)提升為提供讀寫(xiě)服務(wù)器，則建立此路徑文件即可。當(dāng)備機(jī)檢測(cè)到文件存在后，立即退出備機(jī)恢復(fù)模式，提升為獨(dú)立主機(jī)模式，提供完整讀寫(xiě)服務(wù)。

在備機(jī)上執(zhí)行pg_ctl premote -D ‘備機(jī)數(shù)據(jù)目錄路徑。效果及原理與a相同，即命令備機(jī)停止備機(jī)恢復(fù)模式，提升為獨(dú)立主機(jī)模式[1]。

在某些特定應(yīng)用場(chǎng)景下本方案仍具有一定的可優(yōu)化。例如使用PostgreSQL9.4版本后提供的復(fù)制槽（Replication Slots）技術(shù)提供的自動(dòng)WAL檢測(cè)技術(shù)，替換wal_keep_segments參數(shù)功能。避免未同步的WAL段被主機(jī)替換刪除。或設(shè)置tcp_keepalive參數(shù)，避免長(zhǎng)時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)導(dǎo)致前臺(tái)客戶端事務(wù)提交的等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[7]。例如PostgreSQL10版本提供的邏輯復(fù)制技術(shù)，只同步應(yīng)用需要的特定表，完成更復(fù)雜的集群應(yīng)用等等[8]。

至此使用PostgreSQL流復(fù)制功能實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備服務(wù)器搭建完成。

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[8] 周正中.PostgreSQL 10.0 邏輯復(fù)制原理與最佳實(shí)踐[EB/OL].（2017-02-28）.https：//yq.aliyun.com/ articles/71128.