云原生在京东丨如何在Kubernetes上部署有状态的云原生应用？（下）

云妹导读：

Kubernetes是云计算历史上增长最快的基础设施项目之一，通过Kubernetes可以方便地部署一套高可用、可扩展的分布式无状态服务。但是越来越多的人希望把数据库这类有状态服务也部署到Kubernetes里面，上篇文章我们介绍了在Kubernetes上部署有状态的服务的几种可行方案。本篇文章我们将以开源社区的Crunchy PostgreSQL Operator为例，带大家部署一个基本功能相对完备的PostgreSQL云服务。

上期回顾

点击阅读：《如何在Kubernetes上部署有状态的云原生应用（上）》

下面我们将以最先进的开源数据库PostgreSQL为例，介绍如何在 Kubernetes 上部署运维有状态云服务（以下所有的操作都是基于Kubernetes 1.14及以上版本来完成的）。

 

Operator出来以前，即使有StatefulSet控制器，将PostgreSQL、MySQL等数据库部署到Kubernetes也是非常复杂的。两年前关于在Kubernetes上部署数据库还有过一场讨论，当时的普遍建议是不要在Kubernetes部署数据库。

 

关于这场讨论可以通过该链接查看：

https://www.reddit.com/r/devops/comments/8m1bp3/databases_on_kubernetes

 

通过StatefulSet在Kubernetes上部署高可用的MySQL服务请参考以下链接：

https://www.kubernetes.org.cn/3985.html

这个方法中yaml文件相当复杂，用户可以参与控制的地方不多。

 

开源的PostgreSQL Operator有CrunchyData/postgres-operator、zalando-incubator/postgres-operator，我们以CrunchyData/postgres-operator为例来讲解如何通过Operator这个新生事物在Kubernetes上管理PostgreSQL数据库，选择它的原因是功能相当完备并且集成了PostgreSQL周边生态相关的应用。

该Operator实现了在Kubernetes上自动化部署PostgreSQL集群，简化了PostgreSQL服务的部署，并通过Kubernetes平台保持PostgreSQL集群的运行状态，其中包含的基本功能有：

 

PostgreSQL集群配置：轻松创建、扩展和删除PostgreSQL集群，同时完全自定义Pod和PostgreSQL配置。

 

高可用性：基于分布式共识的高可用解决方案，支持安全的自动故障转移。使用Pod Anti-Affinity来增强弹性，失败的主数据库会自动恢复，从而缩短恢复时间。

 

灾难恢复：利用开源pgBackRest程序实现备份和还原功能，并包括对全备，增量和差异备份以及有效增量还原的支持。可以设置要保留的备份时间，比较适合较大型的数据库，也通过共享S3存储及多Kubernetes部署实现了跨机房多区域异地灾备。

 

TLS：通过为PostgreSQL服务器启用TLS来保护应用程序和数据服务器之间的通信安全，包括强制所有连接使用TLS。

 

监控方式：使用开源pgMonitor库跟踪PostgreSQL集群的运行状况。

 

PostgreSQL用户管理：使用功能强大的命令给PostgreSQL集群快速添加和删除用户。管理密码过期策略或使用首选的PostgreSQL身份验证方案。

 

升级管理：安全地将PostgreSQL更新应用到您的PostgreSQL集群中，而对可用性的影响最小。

 

高级复制支持：用户可以在异步复制和同步复制之间进行选择，以处理对丢失事务敏感的工作负载。

 

克隆：使用简单的pgo clone命令从现有集群中创建新集群。

 

连接池：使用pgBouncer进行连接池。

 

节点亲和力：将PostgreSQL集群部署到您喜欢的Kubernetes节点。

 

备份策略定制：选择备份的类型（全量，增量，差异备份）以及希望其在每个PostgreSQL集群上发生周期及时间点。

 

备份到S3：将您的备份存储在任何支持S3协议的对象存储系统中。PostgreSQL Operator可以从这些备份中还原和创建新的集群。

多命名空间支持：您可以通过几种不同的部署模型来控制PostgreSQL Operator如何利用Kubernetes命名空间：

• 将PostgreSQL Operator和所有PostgreSQL集群部署到同一名称空间；

• 将PostgreSQL Operator部署到一个名称空间，并将所有PostgreSQL集群部署到另一名称空间；

• 将PostgreSQL Operator部署到一个名称空间，并跨多个命名空间管理PostgreSQL集群；

• 使用pgo create namespace和pgo delete namespace命令动态添加和删除由PostgreSQL Operator管理的名称空间。

 

完全可定制：

• 为主存储，WAL存储，副本存储和备份存储选择不同的存储类别；

• 为每个PostgreSQL集群部署选择容器资源类；区别应用于主群集和副本群集的资源；

• 使用您私有的镜像存储库，包括支持imagePullSecrets存储库和私有存储库；

• 自定义PostgreSQL配置等。

 

PostgreSQL Operator包含各种组件，这些组件已部署到您的Kubernetes集群中，如下图所示：

PostgreSQL Operator在指定的namespace中以Deployment对象运行，并且最多由四个容器的Pod组成，其中包括：

• Operator：这是PostgreSQL Operator的核心。它包含一系列Kubernetes 控制器，这些控制器将监视事件关注在一系列本地Kubernetes资源（如Job，Pods）以及PostgreSQL Operator自定义的CRD上，如：Pgcluster，Pgtask等。

• ApiServer： 提供了一套Restful API接口，方便用户通过pgo命令行或直接通过HTTP请求与其交互，ApiServer还利用一系列RBAC规则来控制用户对资源的访问权限。

• Scheduler：运行cron并允许用户设置周期性任务（如备份）以Kubernetes Job的方式运行。

• Event：可选组件，一个提供nsq消息队列接口并输出有关Operator内发生的生命周期事件的信息的容器（例如，创建集群，进行备份，创建克隆失败等），可以由pgo watch命令接受消息。

 

下列流程是理解 Operator工作原理的关键：

 

使用Kubernetes的CustomResourceDefinition（CRD）定义若干和 PostgreSQL部署运维相关的资源对象。

 

• pgclusters.crunchydata.com：存储管理PostgreSQL集群所需的信息。其中包括集群名称，要使用的存储和资源类，要运行的PostgreSQL版本，有关如何维护高可用性集群的信息等。

• pgreplicas.crunchydata.com：存储管理PostgreSQL集群中的副本所需的信息。这包括诸如副本数，要使用的存储和资源类，特殊的相似性规则等。

• pgtasks.crunchydata.com：通用CRD，它接受针对集群运行（例如，创建集群，进行备份，执行克隆）所需的一种任务，并通过其工作流跟踪该任务的状态。

• pgpolicies.crunchydata.com：存储对可以对PostgreSQL集群执行的SQL文件的引用。过去它用于管理PostgreSQL集群上的RLS策略。

 

在Kubernetes中部署一个Operator实例，该Operator会持续监听针对这些资源对象的CRUD操作，并观察对象状态。

 

当用户执行了某项操作，例如创建一个PostgreSQL集群时，一个新的 pgcluster 资源对象会被创建。当Operator监听到了pgcluster的创建事件后，会根据用户配置创建符合需求的集群。这里创建了一个基于流复制协议的高可用PostgreSQL集群，使用了Deployment、Service、ConfigMap、PVC等原生 Kubernetes资源对象。

 

当Operator观察到PostgreSQL Cluster的当前状态与期望状态存在差别时，会执行相应的编排操作，保证状态的一致性。

通过helm部署PostgreSQL Operator。

1[root@RDS pgo]# helm search repo  
2NAME                           CHART VERSION   APP VERSION     DESCRIPTION  
3jd_tpaas_repo/customconfig     1               4.3.2       Deploys a custom configuration for postgreSQL  
4jd_tpaas_repo/pgodeployer      1               4.3.2       Deploys a job for the installation of the postg... 

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安装Operator。  

5  [root@RDS pgo]#  helm --namespace pgo install pg-operator jd_tpaas_repo/pgo-deployer   

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部署完成以后查看Operator的状态 。

6  [root@RDS ~]# kubectl -n pgo get all  
7  NAME                                      READY   STATUS    RESTARTS   AGE  
8  pod/crunchy-grafana-77b4b84b57-cgrnn      1/1     Running   0          4m12s  
9  pod/crunchy-prometheus-57788f56fb-lcqsp   1/1     Running   0          4m15s  
10  pod/postgres-operator-7f6d4646cc-zf2dg    4/4     Running   0          4m50s  
11    
12  NAME                         TYPE        CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP   PORT(S)                      AGE  
13  service/crunchy-grafana      ClusterIP   192.168.58.207           3000/TCP                     5m34s  
14  service/crunchy-prometheus   ClusterIP   192.168.62.99            9090/TCP                     5m37s  
15  service/postgres-operator    ClusterIP   192.168.60.155           8080/TCP,4171/TCP,4150/TCP   5m23s  
16    
17  NAME                                 READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE  
18  deployment.apps/crunchy-grafana      1/1     1            1           5m34s  
19  deployment.apps/crunchy-prometheus   1/1     1            1           5m37s  
20  deployment.apps/postgres-operator    1/1     1            1           5m22s  
21    
22  NAME                                            DESIRED   CURRENT   READY   AGE  
23  replicaset.apps/crunchy-grafana-77b4b84b57      1         1         1       4m12s  
24  replicaset.apps/crunchy-prometheus-57788f56fb   1         1         1       4m15s  
25  replicaset.apps/postgres-operator-7f6d4646cc    1         1         1       4m50s  

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我们看到有一个PostgreSQL-Operator Deployment里面包含了4个容器：ApiServer、Operator、Scheduler、 Event，除了Operator，还部署了crunchy-prometheus和crunchy-grafana两个Deployment可以帮助用户进行集中式监控管理。

PostgreSQL Operator的主要目的是围绕PostgreSQL集群的结构创建和更新信息，并传递有关PostgreSQL集群的总体状态和运行状况的信息。目标也是为用户尽可能简化此过程。

 

例如，假设我们要创建一个具有单个副本的高可用PostgreSQL集群，它支持在本地存储和S3中进行备份，并具有内置监控指标收集和集中的日志收集。我们可以利用如下命令来完成：

pgo create cluster hacluster --replica-count=1 --metrics --pgbackrest-storage-type="local,s3"  

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通过pgo命令行创建集群示例：

 

首先为集群创建一个namespace 。

1[root@RDS pgo]# pgo create namespace pgouser2  
2created namespace pgouser2  

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创建集群，带一个副本并开启监控。

3  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 create cluster test-pgcluter-002 --replica-count 1 --metrics  
4  created cluster: test-pgcluter-002  
5  workflow id: cb75373a-518f-49e1-8b6a-55e274d2fc58  
6  database name: test-pgcluter-002  
7  users: 
8  username: testuser password: 7iFe|iS4aF(}:3*6FibWo?jZ   

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查看集群信息。

9  [root@RDS pgo]#  pgo -n pgouser2 show cluster  test-pgcluter-002  
10  cluster : test-pgcluter-002 (crunchy-postgres-ha:centos7-12.3-4.3.2-0)  
11     pod : test-pgcluter-002-b7d8b4bd4-qk5cp (Running) on k8s-node-vm7sjf-yn5hsstwuf (2/2) (primary)  
12     pvc : test-pgcluter-002  
13     pod : test-pgcluter-002-jcfm-6bfff77fcf-vxpn6 (Running) on k8s-node-vmr4ej-yn5hsstwuf (2/2) (replica)  
14     pvc : test-pgcluter-002-jcfm  
15     resources : Memory: 128Mi  
16     storage : Primary=20Gi Replica=20Gi  
17     deployment : test-pgcluter-002  
18     deployment : test-pgcluter-002-backrest-shared-repo  
19     deployment : test-pgcluter-002-jcfm  
20     service : test-pgcluter-002 - ClusterIP (192.168.120.61)  
21     service : test-pgcluter-002-replica - ClusterIP (192.168.123.182)  
22     pgreplica : test-pgcluter-002-jcfm  
23     ...    

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查看集群的服务状态。  

 24  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 test  test-pgcluter-002  
 25  cluster : test-pgcluter-002  
 26     Services  
 27         primary (192.168.120.61:5432): UP  
 28         replica (192.168.123.182:5432): UP  
 29     Instances  
 30         primary (test-pgcluter-002-b7d8b4bd4-qk5cp): UP  
 31         replica (test-pgcluter-002-jcfm-6bfff77fcf-vxpn6): UP  

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不难看到集群中包含两个Deployment，对应的两个Pod各绑定一个PVC，暴露出两个Service：

Service-Primary：test-pgcluter-002 - ClusterIP (192.168.120.61) 负责用户的读写请求；

Service-Replica： test-pgcluter-002-replica - ClusterIP (192.168.123.182)负责用户的只读请求。

 

集群创建成功以后，Pod和Service的状态都是Up，处于正常运行状态。

 

PostgreSQL的一大优点是它的可靠性：它非常稳定，通常可以“正常工作”。但是，在部署PostgreSQL的环境中可能会发生某些事情，从而影响其正常运行时间，包括：

• 数据库存储磁盘发生故障或发生其他一些硬件故障；

• 数据库所在的网络无法访问；

• 主机操作系统变得不稳定并崩溃；

• 密钥数据库文件已损坏；

• 数据中心丢失。

 

可能还会由于正常操作而导致停机事件，例如执行小版本升级，操作系统的安全修补，硬件升级或其他维护。

 

为此，在Crunchy PostgreSQL Operator 创建的集群中每一个PostgreSQL容器里面都包含Patroni工具，由Patroni通过raft 分布式共识的特性来处理PostgreSQL的高可用。

 

Patroni是一个用Python编写的开源工具套件，用于管理PostgreSQL集群的高可用性。Patroni没有构建自己的一致性协议，而是巧妙地利用了分布式配置存储（DCS）提供的一致性模型。它支持的DCS解决方案包括：Zookeeper，etcd，Consul和Kubernetes。Crunchy PostgreSQL Operator中采用的是Kubernetes的ConfigMap作为其DCS。

 

Patroni确保PostgreSQL HA集群的端到端设置，包括流复制。它支持各种方式创建备用节点，并且可以像模板一样工作，可以根据需要进行自定义。这个功能丰富的工具通过RestFul API和称为patronictl的命令行程序暴露其功能。它通过使用其运行状况检查API处理负载均衡来支持与HAProxy集成。在Operator中是通过处理Kubernetes的Service来实现，Patroni还借助回调来支持事件通知，这些回调是由某些操作触发的脚本。通过提供暂停/恢复功能，它使用户能够执行任何维护操作。

 

 

最初，需要安装PostgreSQL和Patroni二进制文件。完成此操作后，您还需要设置HA DCS配置。需要在yaml配置文件中指定所有用于引导集群的必要配置，并且Patroni将使用该文件进行初始化。在第一个节点上，Patroni初始化数据库，从DCS获取领导者锁，并确保该节点作为主节点运行。

 

下一步是添加备用节点，Patroni为此提供了多个选项。默认情况下，Patroni使用pg_basebackup创建备用节点，并且还支持WAL-E、pgBackRest、Barman等自定义方法来创建备用节点。Patroni使添加备用节点变得非常简单，并且可以处理所有引导任务和流复制的设置。集群设置完成后，Patroni将主动监视集群并确保其处于正常状态。主节点每ttl秒更新一次领导者锁（默认值：30秒）。当主节点无法更新领导者锁时，Patroni会触发选举，并且获得领导者锁的节点将被选举为新的主节点。

 

在分布式系统中，共识在确定一致性方面起着重要作用，而Patroni使用DCS来达成共识。只有持有领导者锁的节点才能成为主节点，并且领导者锁是通过DCS获得的。如果主节点未持有领导者锁，那么Patroni将立即将其降级以作为备用节点运行。这样，在任何时间点，系统中都只能运行一个主服务器。

 

我们通过下面一系列的图片来演示Patroni在集群的Failover发生后重新选主的过程：

图 A 显示了一个集群暂时的稳定状态，Pod A是当前的主节点，每隔一段时间就要刷新一次自己的心跳信息，保持自己领导者的地位，其对应的PostgreSQL在集群中是Primary的角色。Pod B 和 Pod C一直在watch leader，集群中有两个Service，master service其后挂载的endpoint指向带有label=master标签的Pod，replica service其后挂载的endpoint指向带有label=replica标签的Pod；

 

图B 示意某一时刻，Pod A发生了故障，没有及时更新心跳，超过ttl=30s后，Kubernetes会通知 Pod B、Pod C主节点Pod A心跳缺失超时信息。

图C示意Pod B和Pod C都会发起检查集群中其他节点的状态，均会发现主节点Pod A Failed，从而重新发起选举主节点流程，Pod B和Pod C谁的wal_position更大谁将是下一轮主节点，如果一样大就会发生竞争，先抢到领导者锁的节点将成为下一轮的主节点。如图D所示意，Pod B成功抢到了领导者锁。

图E示意抢到领导者锁的Pod B对应的PostgreSQL会被提升为Master，Pod C中的PostgreSQL会向Pod B的PostgreSQL同步数据。Pod B会周期刷新自己的心跳，巩固自己领导者的地位，Pod C会一直Watch Leader。到此，集群又进入下一轮稳定状态。

 

图F示意因为Operator要保证集群的replica的个数，会拉起一个新的Pod D，作为replica加入到集群中，从Pod B的PostgreSQL同步数据，并且带有replica的label，其endpoint会挂载到replica service下面。

 

实际操作示意：

删除Primary的Pod 。

1  [root@RDS pgo]# kubectl -n pgouser2 delete pod test-pgcluter-002-b7d8b4bd4-qk5cp  
2  pod "test-pgcluter-002-b7d8b4bd4-qk5cp” deleted  
3  稍等片刻......  

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查看集群的状态 

4  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 show cluster  test-pgcluter-002  
5  cluster : test-pgcluter-002 (crunchy-postgres-ha:centos7-12.3-4.3.2-0)  
6     pod : test-pgcluter-002-b7d8b4bd4-97qqp (Running) on k8s-node-vm7sjf-yn5hsstwuf (2/2) (replica)  
7     pvc : test-pgcluter-002  
8     pod : test-pgcluter-002-jcfm-6bfff77fcf-vxpn6 (Running) on k8s-node-vmr4ej-yn5hsstwuf (2/2) (primary)  
9     pvc : test-pgcluter-002-jcfm  
10    resources : Memory: 128Mi  
11    storage : Primary=20Gi Replica=20Gi  
12    deployment : test-pgcluter-002  
13    deployment : test-pgcluter-002-backrest-shared-repo  
14    deployment : test-pgcluter-002-jcfm  
15    service : test-pgcluter-002 - ClusterIP (192.168.120.61)
16    service : test-pgcluter-002-replica - ClusterIP (192.168.123.182)  
17    pgreplica : test-pgcluter-002-jcfm  
18    ...  
19
20    [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 test  test-pgcluter-002  
21    cluster : test-pgcluter-002 
22    Services  
23        primary (192.168.120.61:5432): UP  
24        replica (192.168.123.182:5432): UP  
25    Instances  
26       replica (test-pgcluter-002-b7d8b4bd4-97qqp): UP  
27       primary (test-pgcluter-002-jcfm-6bfff77fcf-vxpn6): UP  

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可以看到原来的Replica Pod：test-pgcluter-002-jcfm-6bfff77fcf-vxpn6 变成了Primary，Operator又新建了一个Pod：test-pgcluter-002-b7d8b4bd4-97qqp 作为replica 运行，其挂载的还是原来Primary的PVC：test-pgcluter-002，Services相对于集群创建的时候没有发生变化，还是primary （192.168.120.61:5432） 和 replica （192.168.123.182:5432），连接的用户除了有秒级别的闪断基本没有感知。

 

 

通过pgo scale来进行水平扩容，以下命令对集群test-pgcluter-002水平扩容增加一个replica节点。

1  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 scale test-pgcluter-002 --replica-count=1  
2  WARNING: Are you sure? (yes/no): yes  
3  created Pgreplica test-pgcluter-002-tbrl  

<左右滑动以查看完整代码>

查看扩容以后的集群状态： 

4  [root@RDS pgo]#  pgo -n pgouser2 show cluster  test-pgcluter-002  
5  cluster : test-pgcluter-002 (crunchy-postgres-ha:centos7-12.3-4.3.2-0)  
6    pod : test-pgcluter-002-b7d8b4bd4-97qqp (Running) on k8s-node-vm7sjf-yn5hsstwuf (2/2) (replica)  
7    pvc : test-pgcluter-002  
8    pod : test-pgcluter-002-jcfm-6bfff77fcf-vxpn6 (Running) on k8s-node-vmr4ej-yn5hsstwuf (2/2) (primary)  
9    pvc : test-pgcluter-002-jcfm  
10    pod : test-pgcluter-002-tbrl-7d69bc5fb9-8xmx2 (Running) on k8s-node-vmwnpv-yn5hsstwuf (2/2) (replica)  
11    pvc : test-pgcluter-002-tbrl  
12    resources : Memory: 128Mi  
13    storage : Primary=20Gi Replica=20Gi  
14    deployment : test-pgcluter-002  
15    deployment : test-pgcluter-002-backrest-shared-repo  
16    deployment : test-pgcluter-002-jcfm  
17    deployment : test-pgcluter-002-tbrl  
18    service : test-pgcluter-002 - ClusterIP (192.168.120.61)  
19    service : test-pgcluter-002-replica - ClusterIP (192.168.123.182)  

<左右滑动以查看完整代码>

通过增加一个名为test-pgcluter-002-tbr的Deployment，增加了一个replica。新建的pod为test-pgcluter-002-tbrl-7d69bc5fb9-8xmx2，绑定的pvc：test-pgcluter-002-tbrl，暴露的服务还是原来的两个Service：primary (192.168.120.61:5432)、replica (192.168.123.182:5432) 。Service replica 后面对应着两个replica节点的Pod暴露的endpoint，对用户数据面没有影响。

 

以下命令查看可以缩容的replica节点：

1  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 scaledown test-pgcluter-002 --query  
2  Cluster: test-pgcluter-002  
3  REPLICA                 STATUS        NODE          REPLICATION LAG         PENDING RESTART  
4  test-pgcluter-002        running       k8s-node-vm7sjf-yn5hsstwuf               0 MB                   false  
5  test-pgcluter-002-tbrl    running       k8s-node-vmwnpv-yn5hsstwuf               0 MB                   false  

<左右滑动以查看完整代码>

通过pgo scaledown命令进行缩容：

6  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 scaledown test-pgcluter-002 --target test-pgcluter-002  
7  WARNING: Are you sure? (yes/no): yes  
8  deleted replica test-pgcluter-002  

<左右滑动以查看完整代码>

查看集群的详情：

9  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 show cluster test-pgcluter-002  
10  cluster : test-pgcluter-002 (crunchy-postgres-ha:centos7-12.3-4.3.2-0)  
11    pod : test-pgcluter-002-jcfm-6bfff77fcf-vxpn6 (Running) on k8s-node-vmr4ej-yn5hsstwuf (2/2) (primary)  
12    pvc : test-pgcluter-002-jcfm  
13    pod : test-pgcluter-002-tbrl-7d69bc5fb9-8xmx2 (Running) on k8s-node-vmwnpv-yn5hsstwuf (2/2) (replica)  
14    pvc : test-pgcluter-002-tbrl  
15    resources : Memory: 128Mi  
16    storage : Primary=20Gi Replica=20Gi  
17    deployment : test-pgcluter-002-backrest-shared-repo  
18    deployment : test-pgcluter-002-jcfm  
19    deployment : test-pgcluter-002-tbrl  
20    service : test-pgcluter-002 - ClusterIP (192.168.120.61)  
21    service : test-pgcluter-002-replica - ClusterIP (192.168.123.182)  
22  …   

<左右滑动以查看完整代码>

我们不难发现，Pod：test-pgcluter-002 和其关联的 PVC：test-pgcluter-002 已经被回收，两个Service还是保持在原来的状态primary (192.168.120.61:5432)、replica (192.168.123.182:5432)，对用户数据面没有影响。

 

 

通过pgo update cluster命令来修改集群的cpu和memory资源。

1  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 update cluster test-pgcluter-002 --memory 256Mi --cpu 1  
2  Updating CPU resources can cause downtime.  
3  Updating memory resources can cause downtime.  
4  WARNING: Are you sure? (yes/no): yes  
5  updated pgcluster test-pgcluter-002  
6  
7  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 show cluster test-pgcluter-002  
8  
9  cluster : test-pgcluter-002 (crunchy-postgres-ha:centos7-12.3-4.3.2-0)  
10    pod : test-pgcluter-002-jcfm-54ff784874-jfwgk (Running) on k8s-node-vmr4ej-yn5hsstwuf (2/2) (replica)  
11    pvc : test-pgcluter-002-jcfm  
12    pod : test-pgcluter-002-tbrl-8695b6d956-j9pdv (Running) on k8s-node-vmwnpv-yn5hsstwuf (2/2) (primary)  
13    pvc : test-pgcluter-002-tbrl  
14    resources : CPU: 1 Memory: 256Mi  

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用户在用pgo create cluster创建集群的时候可以通过参数--cpu ，--memory和--pvc-size来指定集群所用的cpu，内存和存储的大小，集群创建完成以后，还可以通过pgo update cluster命令来修改 cpu和memory资源配置，pvc大小的变更需要csi支持，如京东的chubaofs等。

 

 

出于安全的考虑，周期性的备份对于生产级别的数据库服务来说是非常重要的，Crunchy PostgreSQL Operator提供了全量备份，差异备份，增量备份，周期性的备份和周期性的WAL文件归档。

 

备份策略定制：选择备份的类型（全量，增量，差异备份）以及希望其在每个PostgreSQL集群上执行的频率及时间点。

备份到S3：将您的备份存储在任何支持S3协议的对象存储系统中，Operator可以从这些备份还原和创建新集群。

示例：

创建用s3备份的cluster 

1  pgo create cluster test-pgcluter-004 -n pgouser2 --pgbackrest-storage-type s3 --pgbackrest-s3-region cn-north-1 --pgbackrest-s3-endpoint s3.cn-north-1.jdcloud-oss.com --pgbackrest-s3-key 7FD8AC9D8XX --pgbackrest-s3-key-secret BE059515AXYX --pgbackrest-s3-bucket caas-test --replica-count 1 --metrics  
2  created cluster: test-pgcluter-004  
3  workflow id: 7c1ae19b-937d-441f-80ff-ff50ac8943b0  
4  database name: test-pgcluter-004  
5  users:  
6  username: testuser password: (Ev{k)VoEWStc8mW\ryL3r10  

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创建备份 

7  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 backup test-pgcluter-004 --pgbackrest-storage-type s3  
8  created Pgtask backrest-backup-test-pgcluter-004  

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查看备份

9  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 show backup test-pgcluter-004  
10  cluster: test-pgcluter-004  
11  storage type: s3  
12  stanza: db  
13     status: ok  
14     cipher: none  
15     db (current)  
16         wal archive min/max (12-1)  
17         full backup: 20200710-022111F  
18             timestamp start/stop: 2020-07-10 10:21:11 +0800 CST / 2020-07-10 10:22:11 +0800 CST  
19             wal start/stop: 000000010000000000000002 / 000000010000000000000003  
20             database size: 31.1MiB, backup size: 31.1MiB  
21             repository size: 3.7MiB, repository backup size: 3.7MiB  
22             backup reference list:  

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周期备份设置 

23  pgo create schedule --schedule="* * * * *" --schedule-type=pgbackrest --pgbackrest-backup-type=full test-pgcluter-004  

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使用简单的pgo clone命令从现有集群中创建新集群。

通过命令pgo clone从源集群test-pgcluter-007克隆创建新的集群test-pgcluter-008，并打开监控。

1  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 clone test-pgcluter-007 test-pgcluter-008 --pgbackrest-storage-source s3 --enable-metrics  
2  Created clone task for:  test-pgcluter-008  
3  workflow id is  232b0c7b-fb13-451e-a65f-194ee3fe2413  
4   

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克隆过程中的任务顺序 

5  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 show workflow 232b0c7b-fb13-451e-a65f-194ee3fe2413  
6  parameter           value  
7  ---------           -----  
8  clone 1.1: create pvc2020-07-10T06:33:59Z  
9  clone 1.2: sync pgbackrest repo2020-07-10T06:33:59Z  
10  clone 2: restoring backup2020-07-10T06:34:23Z  
11  clone 3: cluster creating2020-07-10T06:35:16Z  
12  pg-cluster          test-pgcluter-008  
13  task submitted      2020-07-10T06:33:59Z  
14  workflowid          232b0c7b-fb13-451e-a65f-194ee3fe2413  
15  

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克隆完成以后查看新的集群test-pgcluter-008信息  

16  [root@RDS pgo]# pgo -n pgouser2 show cluster test-pgcluter-008  
17  cluster : test-pgcluter-008 (crunchy-postgres-ha:centos7-12.3-4.3.2-0)  
18     pod : pgo-backrest-repo-sync-test-pgcluter-008-beje-b99pp (Succeeded) on k8s-node-vmj91e-yn5hsstwuf (0/1) (unknown)  
19     pvc : test-pgcluter-008-pgbr-repo  
20     pod : test-pgcluter-008-59cbf78584-cld7j (Running) on k8s-node-vm7sjf-yn5hsstwuf (2/2) (primary)  
21     pvc : test-pgcluter-008  
22     resources : Memory: 128Mi  
23     ...  

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不难从 show workflow的输出中看到克隆大体流程：先为新集群创建一个pvc，然后通过pgbackrest将老集群的备份信息同步到新PVC中，再恢复增量WAL文件，最后用刚才的PVC创建集群。

 

一个完备的系统少不了监控和告警，由Crunchy PostgreSQL Operator创建的PostgreSQL集群可以选择通过Prometheus Exporters提供性能指标。指标收集器（metric exporter）包含在数据库集群的每个Pod里面，为数据库容器提供实时监控指标收集。为了存储和查看这些数据，还有需要使用Grafana和Prometheus两个组件，用户可以通过最新版本的helm chart部署Operator项目自带的Grafana和Prometheus组件。

 

Prometheus收集到的监控指标显示如下：

示例图片是集群中WAL文件积压空间的相关监控信息，图片中阶梯下降的线展示了集群里面wal文件由12GB左右的积压数据，降到0GB的过程，期间PostgreSQL的archive commoand通过pgbackrest在周期性的做WAL文件归档操作，示例中WAL文件积压消化的有点慢，可以调整pgbackrest的并行度加速。更美观更多维度的监控信息可以通过Grafana展示，如下一小节所示。

 

Grafana监控指标信息显示：

容器生成的日志对于系统至关重要，因为它们提供了有关系统运行状况的详细记录。PostgreSQL日志非常详细，并且有些信息只能从日志中获取（但不仅限于）：

• 用户的连接和断开。

• 检查点统计。

• PostgreSQL服务器错误。

 

跨多个主机聚合容器日志可让管理员很方便的审核、调试问题并防止违规行为。

本文首先探讨了一下在Kubernetes上部署有状态的服务的几种可行方案，然后以开源社区的Crunchy PostgreSQL Operator为例部署了一个基本功能相对完备的PostgreSQL云服务。我们可以看到Operator屏蔽了复杂应用的编排细节，大大降低了它们在Kubernetes中的使用门槛，而且能做到对应用非常复杂而又精细的管理和控制，能够帮助开发人员实现所有主流云厂商相同云产品的同等功能。同时，借助于强大的Kubernetes，系统更健壮、扩展更灵活方便，如果您有其它复杂应用需要部署，也建议采用Operator方式来部署。

 

参考资料

1.CrunchyData/postgres-operator: 

https://github.com/CrunchyData/postgres-operator

2.zalando/postgres-operator:

https://github.com/zalando/postgres-operator

3.Patroni组件：

https://github.com/zalando/patroni

4.K8s应用管理之道 - 有状态服务：

https://developer.aliyun.com/article/689685spm=a2c6h.13262185.0.0.40eb6ca1qCAqyQ

5.Managing High Availability in PostgreSQL — Part 3  Patroni：

https://scalegrid.io/blog/managing-high-availability-in-postgresql-part-3/

6.https://thenewstack.io/different-approaches-for-building-stateful-kubernetes-applications/

7.Databases on Kubernetes:

https://www.reddit.com/r/devops/comments/8m1bp3/databases_on_kubernetes 

8.https://www.slideshare.net/jkatz05/operating-postgresql-at-scale-with-kubernetes-137132067?from_action=save

9.https://www.slideshare.net/AlexanderKukushkin1/patroni-kubernetesnative-postgresql-companion

10.https://github.com/operator-framework/awesome-operators  

11.https://www.kubernetes.org.cn/3985.html