【应用】PostgreSQL 流复制配置

centos7 安装 postgresql

下载安装 postgresql-14

# Install the repository RPM:
sudo yum install -y https://download.postgresql.org/pub/repos/yum/reporpms/EL-7-x86_64/pgdg-redhat-repo-latest.noarch.rpm

# Install PostgreSQL:
sudo yum install -y postgresql14-server

# Optionally initialize the database and enable automatic start:
sudo /usr/pgsql-14/bin/postgresql-14-setup initdb

修改配置文件

"/var/lib/pgsql/14/data/postgresql.conf"

listen_addresses = '*'        # what IP address(es) to listen on;
                    # comma-separated list of addresses;
                    # defaults to 'localhost'; use '*' for all
                    # (change requires restart)
port = 5432                # (change requires restart)

"/var/lib/pgsql/14/data/pg_hba.conf"

# IPv4 local connections:
host    all             all             127.0.0.1/32            scram-sha-256
host    all             all             0.0.0.0/0               md5

启动 postgresql-14 服务

启动命令：systemctl start postgresql-14
重启命令：systemctl restart postgresql-14
停止命令：systemctl stop postgresql-14

切换到安装自动创建的 postgres 用户，修改密码（默认无密码）

[root@localhost ~]# su - postgres
-bash-4.2$ psql
psql (14.5)
输入 "help" 来获取帮助信息.

postgres=# ALTER USER postgres ENCRYPTED PASSWORD '961231zqf';
ALTER ROLE
postgres=# exit
-bash-4.2$ exit
登出

使用连接工具 navicat 进行测试，注意关闭防火墙

systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service

时序库 timescaleDB 的安装

执行安装，centOS 中没有对应的安装包，需进行配置

在 root 用户下输入下列命令并执行

yum install https://download.postgresql.org/pub/repos/yum/reporpms/EL-$(rpm -E %{centos})-x86_64/pgdg-redhat-repo-latest.noarch.rpm

配置 timescaledb 仓库

tee /etc/yum.repos.d/timescale_timescaledb.repo <<EOL
[timescale_timescaledb]
name=timescale_timescaledb
baseurl=https://packagecloud.io/timescale/timescaledb/el/$(rpm -E %{rhel})/\$basearch
repo_gpgcheck=1
gpgcheck=0
enabled=1
gpgkey=https://packagecloud.io/timescale/timescaledb/gpgkey
sslverify=1
sslcacert=/etc/pki/tls/certs/ca-bundle.crt
metadata_expire=300
EOL

更新本地仓库列表

yum update

执行安装

yum install timescaledb-2-postgresql-14

修改配置文件/var/lib/pgsql/14/data/postgresql.conf，配置时序库

shared_preload_libraries = 'timescaledb'    # (change requires restart)

创建目录，并将修改后的配置文件复制到该目录下

mkdir -p /etc/postgresql/14/main/
cp /var/lib/pgsql/14/data/postgresql.conf /etc/postgresql/14/main/

使用 navicat 连接数据库，首先创建新的数据库 timescaledb

CREATE DATABASE timescaledb;

连接到新创建的数据库，进行扩展

CREATE EXTENSION IF NOT EXISTS timescaledb;

postgresql-14 主从流复制

主库	从库
192.168.86.133	192.168.86.131

主库配置

修改配置文件："/var/lib/pgsql/14/data/postgresql.conf"，主要关注wal_level属性

wal_level = replica            # minimal, replica, or logical
                               # (change requires restart)

在主库中创建一个用于复制的账号，用户名密码均为 repl

[root@localhost ~]# su - postgres
上一次登录：四 11月  3 17:11:18 CST 2022pts/1 上
-bash-4.2$ psql
psql (14.5)
输入 "help" 来获取帮助信息.

postgres=# create role repl login replication encrypted password 'repl';
CREATE ROLE
postgres=# exit
-bash-4.2$ exit
登出

修改配置文件："/var/lib/pgsql/14/data/pg_hba.conf"，添加下列配置

host    replication     repl      192.168.86.131/32       md5

重启主库服务

systemctl restart postgresql-14

至此主库配置完毕

从库配置

首先停止从库服务

systemctl stop postgresql-14

删除数据库主目录 data

[root@localhost ~]# cd /var/lib/pgsql/14
[root@localhost 14]# rm -rf data

使用pg_basebackup命令同步数据库

[root@localhost 14]# pg_basebackup -h 192.168.86.133 -p 5432 -U repl -R -F p -P -D data

参数说明：
选项    说明
-p    主库数据库端口
-U    流复制用户
-W    使用密码验证，要用replica的密码
-Fp   备份输出正常的数据库目录
-Xs   使用流复制的方式进行复制
-Pv   输出复制过程的详细信息
-R    为备库创建recovery.conf文件。但是pgsql 10以后的新版本的pgsql不需要这个文件了。
-D    指定创建的备库的数据库目录

重新启动从库数据库服务

systemctl restart postgresql-14

若存在启动失败问题，则可能是权限问题导致

[root@localhost 14]# systemctl restart postgresql-14
Job for postgresql-14.service failed because the control process exited with error code. See "systemctl status postgresql-14.service" and "journalctl -xe" for details.
[root@localhost 14]# systemctl status postgresql-14
● postgresql-14.service - PostgreSQL 14 database server
   Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/postgresql-14.service; disabled; vendor preset: disabled)
   Active: failed (Result: exit-code) since 五 2022-11-04 08:37:21 CST; 35s ago
     Docs: https://www.postgresql.org/docs/14/static/
  Process: 1392 ExecStartPre=/usr/pgsql-14/bin/postgresql-14-check-db-dir ${PGDATA} (code=exited, status=1/FAILURE)

11月 04 08:37:21 localhost.localdomain systemd[1]: Starting PostgreSQL 14 database server...
11月 04 08:37:21 localhost.localdomain systemd[1]: postgresql-14.service: control process exited, code=exited status=1
11月 04 08:37:21 localhost.localdomain systemd[1]: Failed to start PostgreSQL 14 database server.
11月 04 08:37:21 localhost.localdomain systemd[1]: Unit postgresql-14.service entered failed state.
11月 04 08:37:21 localhost.localdomain systemd[1]: postgresql-14.service failed.

重新为 postgres 用户授权，启动服务成功

[root@localhost 14]# chown -R  postgres:postgres /var/lib/pgsql/14/data
[root@localhost 14]# systemctl start postgresql-14

至此简单的主从流复制配置完成，可连接数据库进行操作进行检验，从库为只读库，可以在主库执行下列命令查询从库相关信息

select pid,state,client_addr,sync_priority,sync_state,sent_lsn,write_lsn from pg_stat_replication;

同步流复制与异步流复制

流复制分为同步流复制和异步流复制：

• 同步流复制：可以在主库故障时确保数据的一致，但是当网络或者备库出现问题时，会导致主库的事务 hang 住；

• 异步流复制：不会影响主库的性能，但是在主库故障时，可能会丢掉小部分数据；

异步流复制转换为同步流复制

上述的流复制配置过程为异步流复制的配置过程，可以通过指令查看当前的数据库状态

使用 postgres 用户登录数据库，执行查询，可以看到sync_state对应的值为async

select * from pg_stat_replication;

修改主库配置文件/var/lib/pgsql/14/data/postgresql.conf，配置ynchronous_standby_names属性

synchronous_standby_names = 'slave'

重新启动主数据库

cd /usr/pgsql-14/bin/
./pg_ctl restart

使用 postgres 用户登录备用数据库，查询备库状态，保存conninfo字段的信息

select * from pg_stat_wal_receiver;

修改备库的系统设置，新值为上一步保存的conninfo字段信息加上application_name=slave

alter system set primary_conninfo = 'application_name=slave user=repl password=repl channel_binding=disable host=192.168.86.133 port=5432 sslmode=disable sslcompression=0 ssl_min_protocol_version=TLSv1.2 gssencmode=disable krbsrvname=postgres target_session_attrs=any';

重新启动从数据库

cd /usr/pgsql-14/bin/
./pg_ctl restart

重新查看主库状态

postgres=# select * from pg_stat_replication ;
 pid  | usesysid | usename | application_name |  client_addr   | client_hostname | client_port |         backend_start         | backend_xmin |   state   |  sent_lsn  | write_lsn
| flush_lsn  | replay_lsn |    write_lag    |    flush_lag    |   replay_lag    | sync_priority | sync_state |          reply_time
------+----------+---------+------------------+----------------+-----------------+-------------+-------------------------------+--------------+-----------+------------+------------
+------------+------------+-----------------+-----------------+-----------------+---------------+------------+-------------------------------
 1915 |    24577 | repl    | slave            | 192.168.86.131 |                 |       47664 | 2022-11-09 09:52:11.088431+08 |              | streaming | 0/DD99DFA8 | 0/DD99DFA8
| 0/DD99DFA8 | 0/DD99DFA8 | 00:00:00.001495 | 00:00:00.002756 | 00:00:00.003071 |             1 | sync       | 2022-11-09 09:52:11.469006+08
(1 行记录)

重新查看备库状态

postgres=# select * from pg_stat_wal_receiver ;
 pid  |  status   | receive_start_lsn | receive_start_tli | written_lsn | flushed_lsn | received_tli |      last_msg_send_time       |     last_msg_receipt_time     | latest_end_ls
n |       latest_end_time       | slot_name |  sender_host   | sender_port |
                                           conninfo

------+-----------+-------------------+-------------------+-------------+-------------+--------------+-------------------------------+-------------------------------+--------------
--+-----------------------------+-----------+----------------+-------------+--------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------
 1626 | streaming | 0/DD000000        |                 1 | 0/DD99DFA8  | 0/DD99DFA8  |            1 | 2022-11-09 09:52:41.495931+08 | 2022-11-09 09:52:41.491104+08 | 0/DD99DFA8
  | 2022-11-09 09:52:11.4719+08 |           | 192.168.86.133 |        5432 | user=repl password=******** channel_binding=disable dbname=replication host=192.168.86.133 port=5432 ap
plication_name=slave fallback_application_name=walreceiver sslmode=disable sslcompression=0 sslsni=1 ssl_min_protocol_version=TLSv1.2 gssencmode=disable krbsrvname=postgres target_
session_attrs=any
(1 行记录)

至此异步流复制切换同步流复制完成，可以使用客户端连接进行验证测试。

流复制的相关参数

• 日志级别wal_level：该参数决定了有多少信息写入 WAL 日志

  • 默认值replica，该模式支持流复制与归档，同时支持备库的只读查询；

  • minimal：对实例 crash 恢复所需要的进行记录，其余不记录日志，该模式记录的日志信息不足以支撑 WAL 的流复制与归档；

  • logic：在 replica 的基础上增加一些信息以支持逻辑解码，该模式会增大 WAL 日志，尤其是大量 update、delete 的库；

• 同步模式synchronous_commit：该参数决定数据同步的模式

  • off：对于本机的 WAL 日志不需要写入到磁盘就可以提交，是一种异步模式，存在数据丢失的风险；

  • local：不管有没有从库，只需要保证本机的 WAL 日志写入到磁盘就可以提交；

  • remote_write：等待主库的日志写入到磁盘，同时日志传送到从库的缓存当中才能提交，生产环境下一般选择该模式；

  • on：若不存在从库，则需要本机 WAL 写入磁盘后才能提交；若存在同步从库，则需要等待远程从库的 WAL 也写入到磁盘后才能提交；

  • remote_apply：PG 高版本的功能，需要从库将更改写入磁盘并回放日志成功，用于负载均衡、读写分离等；

• 从机复制列表synchronous_standby_names：该参数用于在主机上配置从机的复制列表

  • synchronous_standby_names=‘s1’代表 s1 备机返回就可以提交（s1 为备机名）；

  • synchronous_standby_names=’*’代表匹配任意主机，也就是任意主机返回就可以提交；

• max_wal_senders：指定 WAL 日志发送进程的最大并发连接数，设置为 0 表示禁用 replication；

• checkpoint_timeout：自动 WAL 检查点之间的最长时间，合理值为 30s 到 1day 之间，默认值 5min。增加这个参数的值会增加崩溃恢复所需的时间。

• checkpoint_completion_target：指定检查点完成的目标，该值在 0 - 1 之间。假如我的 checkpoint_timeout 设置是 30min，而 WAL 日志生成了10G，那么设置成 0.5 就允许在 15min 内完成 checkpoint，调大这个值就可以降低c heckpoint 对性能的影响，但是万一数据库出现故障，那么这个值设置越大数据就越危险。

• max_wal_size：在自动检查点之间允许 WAL 日志的最大容量，默认为 1 GB，增加这个参数的值会增加崩溃恢复所需的时间。

主从流复制原理

在 PostgreSQL 9.1 版本之前，主从复制以 WAL 日志为基本单位，主库写完一个 WAL 日志后才传送到备库，这导致主备数据库之间的延迟很大。

PostgreSQL 9.1 引入了主备流复制，传输的单位时 WAL 日志的 record，备库不断从主库同步相应的数据。

PostgreSQL WAL 日志

PostgreSQL 的流复制实际上就是通过 WAL 日志进行数据同步的过程。WAL 全称 Write Ahead Log，即预写式日志。

WAL 日志十分重要，其核心思想就是：先写入日志文件，再写入数据。

当数据库中的数据发生变更时，主要存在下列几个重要的节点：

• change 发生时：数据库首先将变更的内容计入 wal buffer，再将变更后的数据写入 data buffer；

• commit 发生时：数据库将 wal buffer 中的数据刷新到磁盘；

• checkpoint 发生时：数据库将所有的 data buffer 刷新到磁盘；

主从流复制架构

PostgreSQL 主从流复制的核心主要包括三个进程：

• walsender：用于主库发送 WAL 日志到从库；

• walreceiver：用于从库接收主库的 WAL 日志；

• startup：用于从库 apply 日志；
  

主从流复制的过程

1. 主从数据库启动后，备库启动 walreceiver 进程，向主库发送请求连接；

2. 主库接收到请求后，启动 walsender 进程，与 walreceiver 建立 TCP 连接；

3. 从库发送最新的 WAL LSN 给主库（LSN 可以理解为日志的偏移量）；

4. 主库进行 LSN 对比，同时定期向从库发送心跳信息来确认备库的可用性，并将没有传递的 WAL 日志发送；

5. 从库调用函数将 WAL 写入缓存，然后将 WAL 刷新到磁盘；

基于 docker swarm 的主从流复制配置

docker swarm 集群的搭建过程参照：docker swarm 集群搭建

配置前准备

编写 docker compose 模板文件，对服务进行配置。本配置启动一主一从两个数据库，直接使用时序库官方提供的 timescaledb 镜像

version: "3"
services:
# postgres-1 服务
  postgres-1:
    image: timescale/timescaledb:latest-pg14
    networks:
      - my-multi-host-network
    environment:
      - POSTGRES_DB=postgres
      - POSTGRES_USER=postgres
      - POSTGRES_PASSWORD=961231zqf
    volumes:
      - /root/postgresql/data:/var/lib/postgresql/data
    ports:
      - 5432:5432
    deploy:
      placement:
        constraints:
          - node.hostname == node01


# postgres-2 服务
  postgres-2:
    image: timescale/timescaledb:latest-pg14
    networks:
      - my-multi-host-network
    environment:
      - POSTGRES_DB=postgres
      - POSTGRES_USER=postgres
      - POSTGRES_PASSWORD=961231zqf
    volumes:
      - /root/postgresql/data:/var/lib/postgresql/data
    ports:
      - 5433:5432
    deploy:
      placement:
        constraints:
          - node.hostname == node02

# 网络配置
networks:
  my-multi-host-network:
    driver: overlay

分别在 node 1 节点与 node 2 节点新建映射卷文件夹，映射路径需要与配置文件中路径相对应，同时在两个节点新建名为 postgres 的用户

mkdir -p /root/postgres/data
useradd postgres

在主节点 master 按照上述 compose 文件启动服务

docker stack deploy -c docker_postgres.yml postgres

使用下列命令可以查看服务的运行情况

docker service ls

主库配置

在主数据库节点 node 1 进行配置，使用下列指令查询当前节点正在运行的容器

docker ps

以 postgres 用户进入 timescale/timescaledb:latest-pg14 容器，其中e052dfa54dbf为容器的 CONTAINER ID

docker exec -it -u postgres e052dfa54dbf /bin/bash

进入/var/lib/postgresql/data/，修改配置文件postgresql.conf

cd /var/lib/postgresql/data/
vi postgresql.conf

主要修改wal_level属性，取消对应行前面的注释

wal_level = replica                     # minimal, replica, or logical
                                        # (change requires restart)

进入/var/lib/postgresql/data/，修改配置文件pg_hba.conf

cd /var/lib/postgresql/data/
vi postgresql.conf

在文件末尾添加如下配置

host    replication     repl      0.0.0.0/0       md5

登录数据库，创建用于复制的账号，用户名与密码均为 repl

bash-5.1$ psql
psql (14.1)
Type "help" for help.

postgres=# create role repl login replication encrypted password 'repl';
CREATE ROLE
postgres=# exit

在容器内重新启动主数据库

pg_ctl restart

重新查看 node 1 的服务，查看数据库是否启动成功，若启动成功则主库配置完毕

从库配置

在从数据库节点 node 2 进行配置，使用下列指令查询当前节点正在运行的容器

docker ps

以 postgres 用户进入容器

docker exec -it -u postgres d853cdb73a76 /bin/bash

进入/var//lib/postgresql/，清空 data 文件夹中的所有数据

cd /var/lib/postgresql/
rm -rf data/*

利用pg_basebackup指令从主数据库将数据复制到从库，使用 repl 账号，密码为 repl

pg_basebackup -h 192.168.86.131 -p 5432 -U repl -R -F p -P -D data

执行完成后，等待容器自动重启，重启时将会退出容器。退出容器后查看 node 2 节点运行的容器状态，此时容器 ID 将会变换，若容器正常运行则主从异步流复制配置完毕

测试同步状态

使用 navicat 连接两个数据库，在主库中使用下列语句查询主从配置信息

select * from pg_stat_replication;

在主库中执行相应的增删改语句，查看从库的复制情况，从库为只读库

CREATE TABLE test(id INT);

DROP TABLE test;

异步流复制转换为同步流复制

在主库节点 node 1 查询当前数据库的主从复制状态，此时sync_state字段值为async

select usename, application_name, client_addr, state, sync_state from pg_stat_replication;

使用 postgres 用户进入主库节点 node 1 的 pg 库容器内部进行配置

docker ps
docker exec -it -u postgres 01e4813649de /bin/bash

修改配置文件postgresql.conf

cd /var/lib/postgresql/data/
vi postgresql.conf

配置属性synchronous_standby_names

synchronous_standby_names = 'slave'     # standby servers that provide sync rep
                                # method to choose sync standbys, number of sync standbys,
                                # and comma-separated list of application_name
                                # from standby(s); '*' = all

配置完成后重新启动主数据库并查看容器运行情况，主库配置完成

使用 navicat 等工具连接从库，使用下列语句查询复制信息

select * from pg_stat_wal_receiver;

记录查询结果中connifo字段值，并在原始值字段前添加application_name=slave，然后执行系统变量的更新（application_name属性的值为之前设置的synchronous_standby_names属性值）

alter system set primary_conninfo = 'application_name=slave user=repl password=repl channel_binding=prefer dbname=replication host=192.168.86.131 port=5432 fallback_application_name=walreceiver sslmode=prefer sslcompression=0 sslsni=1 ssl_min_protocol_version=TLSv1.2 gssencmode=prefer krbsrvname=postgres target_session_attrs=any';

使用 postgres 用户进入从库容器内部，重新启动数据库

docker ps
docker exec -it -u postgres b4bff118dae5 /bin/bash
pg_ctl restart

重新查询从库节点 node 2 容器运行状态，若正常运行则从库配置完毕

在主库中重新查询数据库复制信息，此时sync_state字段值变为sync，配置成功

select usename, application_name, client_addr, state, sync_state from pg_stat_replication;