PostgreSQL Patroni+Citus高可用环境部署(配置读写分离)
基于Patroni的Citus高可用环境部署
1. 前言
Citus是一个非常实用的能够使PostgreSQL具有进行水平扩展能力的插件，或者说是一款以PostgreSQL插件形式部署的基于PostgreSQL的分布式HTAP数据库。本文简单说明Citus的高可用技术方案，并实际演示基于Patroni搭建Citus HA环境的步骤。
2. 技术方案
2.1 Citus HA方案选型
Citus集群由一个CN节点和N个Worker节点组成。CN节点的高可用可以使用任何通用的PG 高可用方案，即为CN节点通过流复制配置主备2台PG机器；Worker节点的高可用除了可以像CN一样采用PG原生的高可用方案，还支持另一种多副本分片的高可用方案。
多副本高可用方案是Citus早期版本默认的Worker高可用方案（当时citus.shard_count默认值为2），这种方案部署非常简单，而且坏一个Worker节点也不影响业务。采用多副本高可用方案时，每次写入数据，CN节点需要在2个Worker上分别写数据，这也带来一系列不利的地方。
- 数据写入的性能下降
- 对多个副本的数据一致性的保障也没有PG原生的流复制强
- 存在功能上的限制，比如不支持Citus MX架构
因此，Citus的多副本高可用方案适用场景有限，Citus 官方文档上也说可能它只适用于append only的业务场景,不作为推荐的高可用方案了(在Citus 6.1的时候，citus.shard_count默认值从2改成了1)。
因此，建议Citus和CN和Worker节点都使用PG的原生流复制部署高可用。
2.2 PG HA支持工具的选型
PG本身提供的流复制的HA的部署和维护都不算很复杂，但是如果我们追求更高程度的自动化，特别是自动故障切换，可以使用一些使用第3方的HA工具。目前有很多种可选的开源工具，下面几种算是比较常用的
- PAF(PostgreSQL Automatic Failover)
- repmgr
- Patroni
它们的比较可以参考: https://scalegrid.io/blog/managing-high-availability-in-postgresql-part-1/
其中Patroni采用DCS(Distributed Configuration Store，比如etcd，ZooKeeper，Consul等)存储元数据，能够严格的保障元数据的一致性，可靠性高；而且它的功能也比较强大。
因此个人推荐使用Patroni（只有2台机器无法部署etcd的情况可以考虑其它方案）。本文介绍基于Patroni的PostgreSQL高可用的部署。
2.3 客户端流量切换方案
PG 主备切换后，访问数据库的客户端也要相应地连接到新的主库。目前常见的有下面几种方案：
-
HAProxy
-
优点
- 可靠
- 支持负载均衡
-
缺点
- 性能损耗
- 需要配置HAProxy自身的HA
-
-
VIP
- 优点
- 无性能损耗，不占用机器资源
- 缺点
- 主备节点IP必须在同网段
- 优点
-
客户端多主机URL
-
优点
- 无性能损耗，不占用机器资源
- 不依赖VIP，易于在云环境部署
- pgjdbc支持读写分离和负载均衡
-
缺点
- 仅部分客户端驱动支持(目前包括pgjdbc，libpq和基于libpq的驱动，如python和php)
- 如果数据库层面没控制好出现了"双主"， 客户端同时向2个主写数据的风险较高
-
根据Citus集群的特点，推荐的候选方案如下
- 应用连接Citus
-
客户端多主机URL
如果客户端驱动支持，特别对Java应用，推荐采用客户端多主机URL访问Citus
-
VIP
-
- Citus CN连接Worker
- VIP
- Worker节点发生切换时动态修改Citus CN上的worker节点元数据
关于Citus CN连接Worker的方式，本文下面的实验中会演示2种架构，采用不同的实现方式。
普通架构
- CN通过Worker的实际IP连接Worekr主节点
- CN上通过监控脚本检测Worker节点状态，Worker发生主备切换时动态修改Citus CN上的元数据
支持读写分离的架构
- CN通过Worker的读写VIP和只读VIP连接Worekr
- CN上通过Patroni回调脚本动态控制CN主节点使用读写VIP，CN备节点使用只读VIP
- Worker上通过Patroni回调脚本动态绑定读写VIP
- Worker上通过keepalived动态绑定只读VIP
3. 实验环境
主要软件
- CentOS 7.8
- PostgreSQL 12
- Citus 10.4
- patroni 1.6.5
- etcd 3.3.25
机器和VIP资源
- Citus CN
- node1：192.168.234.201
- node2：192.168.234.202
- Citus Worker
- node3：192.168.234.203
- node4：192.168.234.204
- etcd
- node4：192.168.234.204
- VIP（Citus CN )
- 读写VIP：192.168.234.210
- 只读VIP：192.168.234.211
环境准备
所有节点设置时钟同步
yum install -y ntpdate
ntpdate time.windows.com && hwclock -w
如果使用防火墙需要开放postgres，etcd和patroni的端口。
- postgres:5432
- patroni:8008
- etcd:2379/2380
更简单的做法是将防火墙关闭
setenforce 0
sed -i.bak "s/SELINUX=enforcing/SELINUX=permissive/g" /etc/selinux/config
systemctl disable firewalld.service
systemctl stop firewalld.service
iptables -F
4. etcd部署
因为本文的主题不是etcd的高可用，所以只在node4上部署单节点的etcd用于实验。生产环境至少需要3台独立的机器，也可以和数据库部署在一起。etcd的部署步骤如下
安装需要的包
yum install -y gcc python-devel epel-release
安装etcd
yum install -y etcd
编辑etcd配置文件/etc/etcd/etcd.conf, 参考配置如下
ETCD_DATA_DIR="/var/lib/etcd/default.etcd" ETCD_LISTEN_PEER_URLS="http://192.168.234.204:2380" ETCD_LISTEN_CLIENT_URLS="http://localhost:2379,http://192.168.234.204:2379" ETCD_NAME="etcd0" ETCD_INITIAL_ADVERTISE_PEER_URLS="http://192.168.234.204:2380" ETCD_ADVERTISE_CLIENT_URLS="http://192.168.234.204:2379" ETCD_INITIAL_CLUSTER="etcd0=http://192.168.234.204:2380" ETCD_INITIAL_CLUSTER_TOKEN="cluster1" ETCD_INITIAL_CLUSTER_STATE="new"
启动etcd
systemctl start etcd
设置etcd自启动
systemctl enable etcd
5. PostgreSQL + Citus + Patroni HA部署
在需要运行PostgreSQL的实例上安装相关软件
安装PostgreSQL 12和Citus
yum install -y https://download.postgresql.org/pub/repos/yum/reporpms/EL-7-x86_64/pgdg-redhat-repo-latest.noarch.rpm
yum install -y postgresql12-server postgresql12-contrib
yum install -y citus_12
安装Patroni
yum install -y gcc epel-release
yum install -y python-pip python-psycopg2 python-devel
pip install --upgrade pip
pip install --upgrade setuptools
pip install patroni[etcd]
创建PostgreSQL数据目录
mkdir -p /pgsql/data
chown postgres:postgres -R /pgsql
chmod -R 700 /pgsql/data
创建Partoni的service配置文件/etc/systemd/system/patroni.service
[Unit] Description=Runners to orchestrate a high-availability PostgreSQL After=syslog.target network.target [Service] Type=simple User=postgres Group=postgres #StandardOutput=syslog ExecStart=/usr/bin/patroni /etc/patroni.yml ExecReload=/bin/kill -s HUP $MAINPID KillMode=process TimeoutSec=30 Restart=no [Install] WantedBy=multi-user.target
创建Patroni配置文件/etc/patroni.yml,以下是node1的配置示例
scope: cn namespace: /service/ name: pg1 restapi: listen: 0.0.0.0:8008 connect_address: 192.168.234.201:8008 etcd: host: 192.168.234.204:2379 bootstrap: dcs: ttl: 30 loop_wait: 10 retry_timeout: 10 maximum_lag_on_failover: 1048576 master_start_timeout: 300 synchronous_mode: false postgresql: use_pg_rewind: true use_slots: true parameters: listen_addresses: "0.0.0.0" port: 5432 wal_level: logical hot_standby: "on" wal_keep_segments: 1000 max_wal_senders: 10 max_replication_slots: 10 wal_log_hints: "on" max_connections: "100" max_prepared_transactions: "100" shared_preload_libraries: "citus" citus.node_conninfo: "sslmode=prefer" citus.replication_model: streaming citus.task_assignment_policy: round-robin initdb: - encoding: UTF8 - locale: C - lc-ctype: zh_CN.UTF-8 - data-checksums pg_hba: - host replication repl 0.0.0.0/0 md5 - host all all 0.0.0.0/0 md5 postgresql: listen: 0.0.0.0:5432 connect_address: 192.168.234.201:5432 data_dir: /pgsql/data bin_dir: /usr/pgsql-12/bin authentication: replication: username: repl password: "123456" superuser: username: postgres password: "123456" basebackup: max-rate: 100M checkpoint: fast tags: nofailover: false noloadbalance: false clonefrom: false nosync: false
其他PG节点的patroni.yml需要相应修改下面4个参数
- scope
- node1，node2设置为cn
- node3，node4设置为wk1
- name
node1~node4分别设置pg1~pg4
- restapi.connect_address
- 根据各自节点IP设置
- postgresql.connect_address
- 根据各自节点IP设置
启动Patroni
在所有节点上启动Patroni。
systemctl start patroni
同一个cluster中，第一次启动的Patroni实例会作为leader运行，并初始创建PostgreSQL实例和用户。后续节点初次启动时从leader节点克隆数据
查看cn集群状态
5. 配置Citus
[root@node1 ~]# patronictl -c /etc/patroni.yml list + Cluster: cn (6869267831456178056) +---------+----+-----------+-----------------+ | Member | Host | Role | State | TL | Lag in MB | Pending restart | +--------+-----------------+--------+---------+----+-----------+-----------------+ | pg1 | 192.168.234.201 | | running | 1 | 0.0 | * | | pg2 | 192.168.234.202 | Leader | running | 1 | | | +--------+-----------------+--------+---------+----+-----------+-----------------+ 查看wk1集群状态 [root@node3 ~]# patronictl -c /etc/patroni.yml list + Cluster: wk1 (6869267726994446390) ---------+----+-----------+-----------------+ | Member | Host | Role | State | TL | Lag in MB | Pending restart | +--------+-----------------+--------+---------+----+-----------+-----------------+ | pg3 | 192.168.234.203 | | running | 1 | 0.0 | * | | pg4 | 192.168.234.204 | Leader | running | 1 | | | +--------+-----------------+--------+---------+----+-----------+-----------------+ 为了方便日常操作，设置全局环境变量PATRONICTL_CONFIG_FILE echo 'export PATRONICTL_CONFIG_FILE=/etc/patroni.yml' >/etc/profile.d/patroni.sh 添加以下环境变量到~postgres/.bash_profile export PGDATA=/pgsql/data export PATH=/usr/pgsql-12/bin:$PATH 设置postgres拥有sudoer权限 echo 'postgres ALL=(ALL) NOPASSWD: ALL'> /etc/sudoers.d/postgres
在cn和wk的主节点上创建citus扩展
create extension citus
在cn的主节点上，添加wk1的主节点IP，groupid设置为1。
SELECT * from master_add_node('192.168.234.204', 5432, 1, 'primary');
在Worker的主备节点上分别修改/pgsql/data/pg_hba.conf配置文件，以下内容添加到其它配置项前面允许CN免密连接Worker。
host all all 192.168.234.201/32 trust
host all all 192.168.234.202/32 trust
修改后重新加载配置
su - postgres
pg_ctl reload
注:也可以通过在CN上设置~postgres/.pgpass 实现免密，但是没有上面的方式维护方便。
创建分片表测试验证
create table tb1(id int primary key,c1 text); set citus.shard_count = 64; select create_distributed_table('tb1','id'); select * from tb1;
6. 配置Worker的自动流量切换
上面配置的Worker IP是当时的Worker主节点IP，在Worker发生主备切换后，需要相应更新这个IP。
实现上，可以通过脚本监视Worker主备状态，当Worker主备角色变更时，自动更新Citus上的Worker元数据为新主节点的IP。下面是脚本的参考实现
将以下配置添加到Citus CN主备节点的/etc/patroni.yml里
citus: loop_wait: 10 databases: - postgres workers: - groupid: 1 nodes: - 192.168.234.203:5432 - 192.168.234.204:5432
也可以使用独立的配置文件，如果那样做需要补充认证配置
postgresql: connect_address: 192.168.234.202:5432 authentication: superuser: username: postgres password: "123456"
创建worker流量自动切换脚本/pgsql/citus_controller.py
#!/usr/bin/env python2 # -*- coding: utf-8 -*- import os import time import argparse import logging import yaml import psycopg2 def get_pg_role(url): result = 'unknow' try: with psycopg2.connect(url, connect_timeout=2) as conn: conn.autocommit = True cur = conn.cursor() cur.execute("select pg_is_in_recovery()") row = cur.fetchone() if row[0] == True: result = 'secondary' elif row[0] == False: result = 'primary' except Exception as e: logging.debug('get_pg_role() failed. url:{0} error:{1}'.format( url, str(e))) return result def update_worker(url, role, groupid, nodename, nodeport): logging.debug('call update worker. role:{0} groupid:{1} nodename:{2} nodeport:{3}'.format( role, groupid, nodename, nodeport)) try: sql = "select nodeid,nodename,nodeport from pg_dist_node where groupid={0} and noderole = '{1}' order by nodeid limit 1".format( groupid, role) conn = psycopg2.connect(url, connect_timeout=2) conn.autocommit = True cur = conn.cursor() cur.execute(sql) row = cur.fetchone() if row is None: logging.error("can not found nodeid whose groupid={0} noderole = '{1}'".format(groupid, role)) return False nodeid = row[0] oldnodename = row[1] oldnodeport = str(row[2]) if oldnodename == nodename and oldnodeport == nodeport: logging.debug('skip for current nodename:nodeport is same') return False sql= "select master_update_node({0}, '{1}', {2})".format(nodeid, nodename, nodeport) ret = cur.execute(sql) logging.info("Changed worker node {0} from '{1}:{2}' to '{3}:{4}'".format(nodeid, oldnodename, oldnodeport, nodename, nodeport)) return True except Exception as e: logging.error('update_worker() failed. role:{0} groupid:{1} nodename:{2} nodeport:{3} error:{4}'.format( role, groupid, nodename, nodeport, str(e))) return False def main(): parser = argparse.ArgumentParser(description='Script to auto setup Citus worker') parser.add_argument('-c', '--config', default='citus_controller.yml') parser.add_argument('-d', '--debug', action='store_true', default=False) args = parser.parse_args() if args.debug: logging.basicConfig(format='%(asctime)s %(levelname)s: %(message)s', level=logging.DEBUG) else: logging.basicConfig(format='%(asctime)s %(levelname)s: %(message)s', level=logging.INFO) # read config file f = open(args.config,'r') contents = f.read() config = yaml.load(contents, Loader=yaml.FullLoader) cn_connect_address = config['postgresql']['connect_address'] username = config['postgresql']['authentication']['superuser']['username'] password = config['postgresql']['authentication']['superuser']['password'] databases = config['citus']['databases'] workers = config['citus']['workers'] loop_wait = config['citus'].get('loop_wait',10) logging.info('start main loop') loop_count = 0 while True: loop_count += 1 logging.debug("##### main loop start [{}] #####".format(loop_count)) dbname = databases[0] cn_url = "postgres://{0}/{1}?user={2}&password={3}".format( cn_connect_address,dbname,username,password) if(get_pg_role(cn_url) == 'primary'): for worker in workers: groupid = worker['groupid'] nodes = worker['nodes'] ## get role of worker nodes primarys = [] secondarys = [] for node in nodes: wk_url = "postgres://{0}/{1}?user={2}&password={3}".format( node,dbname,username,password) role = get_pg_role(wk_url) if role == 'primary': primarys.append(node) elif role == 'secondary': secondarys.append(node) logging.debug('Role info groupid:{0} primarys:{1} secondarys:{2}'.format( groupid,primarys,secondarys)) ## update worker node for dbname in databases: cn_url = "postgres://{0}/{1}?user={2}&password={3}".format( cn_connect_address,dbname,username,password) if len(primarys) == 1: nodename = primarys[0].split(':')[0] nodeport = primarys[0].split(':')[1] update_worker(cn_url, 'primary', groupid, nodename, nodeport) """ Citus的pg_dist_node元数据中要求nodename:nodeport必须唯一，所以无法同时支持secondary节点的动态更新。 一个可能的回避方法是为每个worker配置2个IP地址，一个作为parimary角色时使用，另一个作为secondary角色时使用。 if len(secondarys) >= 1: nodename = secondarys[0].split(':')[0] nodeport = secondarys[0].split(':')[1] update_worker(cn_url, 'secondary', groupid, nodename, nodeport) elif len(secondarys) == 0 and len(primarys) == 1: nodename = primarys[0].split(':')[0] nodeport = primarys[0].split(':')[1] update_worker(cn_url, 'secondary', groupid, nodename, nodeport) """ time.sleep(loop_wait) if __name__ == '__main__': main()
创建该脚本的service配置文件/etc/systemd/system/citus_controller.service
[Unit] Description=Auto update primary worker ip in Citus CN After=syslog.target network.target [Service] Type=simple User=postgres Group=postgres ExecStart=/bin/python /pgsql/citus_controller.py -c /etc/patroni.yml KillMode=process TimeoutSec=30 Restart=no [Install] WantedBy=multi-user.target
在cn主备节点上都启动Worker流量自动切换脚本
systemctl start citus_controller
7. 读写分离
根据上面的配置，Citus CN不会访问Worker的备机，这些备机闲着也是闲着，能否把这些备节用起来，让Citus CN支持读写分离呢？具体而言就是让CN的备机优先访问Worker的备机，Worker备节故障时访问Worker的主机。
Citus本身支持读写分离功能，可以把一个Worker的主备2个节点作为2个”worker"分别以primary和secondary的角色加入到同一个worker group里。但是，由于Citus的pg_dist_node元数据中要求nodename:nodeport必须唯一，所以前面的动态修改Citus元数据中的worker IP的方式无法同时支持primary节点和secondary节点的动态更新。
解决办法有2个
方法1：Citus元数据中只写固定的主机名，比如wk1，wk2...，然后通过自定义的Worker流量自动切换脚本将这个固定的主机名解析成不同的IP地址写入到/etc/hosts里，在CN主库上解析成Worker主库的IP，在CN备库上解析成Worker备库的IP。
方法2：在Worker上动态绑定读写VIP和只读VIP。在Citus元数据中读写VIP作为primary角色的worker，只读VIP作为secondary角色的worker。
Patroni动态绑VIP的方法参考基于Patroni的PostgreSQL高可用环境部署.md，对Citus Worker，读写VIP通过回调脚本动态绑定；只读VIP通过keepalived动态绑定。
下面按方法2进行配置。
创建Citus集群时，在CN的主节点上，添加wk1的读写VIP(192.168.234.210)和只读VIP（192.168.234.211），分别作为primary worker和secondary worker，groupid设置为1。
SELECT * from master_add_node('192.168.234.210', 5432, 1, 'primary'); SELECT * from master_add_node('192.168.234.211', 5432, 1, 'secondary');
为了让CN备库连接到secondary的worker，还需要在CN备库上设置以下参数
alter system set citus.use_secondary_nodes=always; select pg_reload_conf();
这个参数的变更只对新创建的会话生效，如果希望立即生效，需要在修改参数后杀掉已有会话。
现在分别到CN主库和备库上执行同一条SQL，可以看到SQL被发往不同的worker。
CN主库（未设置citus.use_secondary_nodes=always）：
postgres=# explain select * from tb1; QUERY PLAN ------------------------------------------------------------------------------- Custom Scan (Citus Adaptive) (cost=0.00..0.00 rows=100000 width=36) Task Count: 32 Tasks Shown: One of 32 -> Task Node: host=192.168.234.210 port=5432 dbname=postgres -> Seq Scan on tb1_102168 tb1 (cost=0.00..22.70 rows=1270 width=36) (6 rows)
CN备库（设置了citus.use_secondary_nodes=always）：
postgres=# explain select * from tb1; QUERY PLAN ------------------------------------------------------------------------------- Custom Scan (Citus Adaptive) (cost=0.00..0.00 rows=100000 width=36) Task Count: 32 Tasks Shown: One of 32 -> Task Node: host=192.168.234.211 port=5432 dbname=postgres -> Seq Scan on tb1_102168 tb1 (cost=0.00..22.70 rows=1270 width=36) (6 rows)
由于CN也会发生主备切换，``citus.use_secondary_nodes`参数必须动态调节。这可以使用Patroni的回调脚本实现
创建动态设置参数的/pgsql/switch_use_secondary_nodes.sh
所有节点的Patroni配置文件都修改后，重新加载Patroni配置
#!/bin/bash DBNAME=postgres KILL_ALL_SQL="select pg_terminate_backend(pid) from pg_stat_activity where backend_type='client backend' and application_name <> 'Patroni' and pid <> pg_backend_pid()" action=$1 role=$2 cluster=$3 log() { echo "switch_use_secondary_nodes: $*"|logger } alter_use_secondary_nodes() { value="$1" oldvalue=`psql -d postgres -Atc "show citus.use_secondary_nodes"` if [ "$value" = "$oldvalue" ] ; then log "old value of use_secondary_nodes already be '${value}', skip change" return fi psql -d ${DBNAME} -c "alter system set citus.use_secondary_nodes=${value}" >/dev/null rc=$? if [ $rc -ne 0 ] ;then log "fail to alter use_secondary_nodes to '${value}' rc=$rc" exit 1 fi psql -d ${DBNAME} -c 'select pg_reload_conf()' >/dev/null rc=$? if [ $rc -ne 0 ] ;then log "fail to call pg_reload_conf() rc=$rc" exit 1 fi log "changed use_secondary_nodes to '${value}'" ## kill all existing connections killed_conns=`psql -d ${DBNAME} -Atc "${KILL_ALL_SQL}" | wc -l` rc=$? if [ $rc -ne 0 ] ;then log "failed to kill connections rc=$rc" exit 1 fi log "killed ${killed_conns} connections" } log "switch_use_secondary_nodes start args:'$*'" case $action in on_start|on_restart|on_role_change) case $role in master) alter_use_secondary_nodes never ;; replica) alter_use_secondary_nodes always ;; *) log "wrong role '$role'" exit 1 ;; esac ;; *) log "wrong action '$action'" exit 1 ;; esac 修改Patroni配置文件/etc/patroni.yml，配置回调函数 postgresql: ... callbacks: on_start: /bin/bash /pgsql/switch_use_secondary_nodes.sh on_restart: /bin/bash /pgsql/switch_use_secondary_nodes.sh on_role_change: /bin/bash /pgsql/switch_use_secondary_nodes.sh
patronictl reload cn
CN上执行switchover后，可以看到use_secondary_nodes参数发生了修改
8. 参考
/var/log/messages: Sep 10 00:10:25 node2 postgres: switch_use_secondary_nodes: switch_use_secondary_nodes start args:'on_role_change replica cn' Sep 10 00:10:25 node2 postgres: switch_use_secondary_nodes: changed use_secondary_nodes to 'always' Sep 10 00:10:25 node2 postgres: switch_use_secondary_nodes: killed 0 connections
- 基于Patroni的PostgreSQL高可用环境部署.md
- 《基于Patroni的Citus高可用方案》（PostgreSQL中国用户大会2019分享主题）
- https://patroni.readthedocs.io/en/latest/
- http://blogs.sungeek.net/unixwiz/2018/09/02/centos-7-postgresql-10-patroni/
- https://scalegrid.io/blog/managing-high-availability-in-postgresql-part-1/
- https://jdbc.postgresql.org/documentation/head/connect.html#connection-parameters
- https://www.percona.com/blog/2019/10/23/seamless-application-failover-using-libpq-features-in-postgresql/
