一、概述

PostgreSQL（简称PG）数据库的高可用实现方案旨在确保在硬件、软件故障发生时，能够将业务从发生故障的数据库节点迁移至备用节点，从而保证业务的连续性和数据的可靠性。高可用方案通常包括数据复制、负载均衡、故障转移等技术手段。本文将详细介绍几种常见的PostgreSQL高可用实现方案，并给出具体的配置示例。

二、高可用方案详解

1. Pgpool-II

Pgpool-II是一个用于PostgreSQL的连接池和负载均衡中间件，它位于数据库服务器与客户端的中间层。Pgpool-II提供连接池功能，降低建立连接带来的开销，同时增加系统的吞吐量。此外，它还支持负载均衡和故障转移功能。

1.1 连接池

Pgpool-II通过保存与PostgreSQL服务器的连接，并在具有相同属性（如用户名、数据库、协议版本）的新连接进来时重用这些连接，从而减少连接开销，提高系统吞吐量。

1.2 负载均衡

Pgpool-II的负载均衡功能适用于只读场景。当数据库运行在复制模式或主备模式下，SELECT语句运行在集群中任何一个节点都能返回一致的结果。Pgpool-II能将查询语句分发到集群的各个数据库中，从而提升系统的吞吐量。

1.3 故障转移

当集群中的主库不可用时，Pgpool-II能够探测到并且激活备库，实现故障转移。Pgpool-II支持多种工作模式，包括原始模式、连接池模式、内置复制模式、主备模式、并行模式等。

1.4 示例配置

以下是Pgpool-II的一个简单配置示例：

# pgpool.conf配置文件示例
listen_addresses = '*'
port = 9999
backend_hostname0 = 'node1'
backend_port0 = 5432
backend_weight0 = 1
backend_data_directory0 = '/var/lib/pgsql/15/data'
backend_hostname1 = 'node2'
backend_port1 = 5432
backend_weight1 = 1
backend_data_directory1 = '/var/lib/pgsql/15/data'
backend_hostname2 = 'node3'
backend_port2 = 5432
backend_weight2 = 1
backend_data_directory2 = '/var/lib/pgsql/15/data'

# 启用负载均衡
load_balance_mode = on

# 启用故障转移
failover_command = '/usr/local/bin/failover.sh %d %h %p %D %m'

# 其他配置...

在上面的配置中，listen_addresses和port指定了Pgpool-II监听的地址和端口。backend_hostname、backend_port、backend_weight和backend_data_directory分别指定了后端数据库的地址、端口、权重和数据目录。load_balance_mode设置为on以启用负载均衡功能，failover_command指定了故障转移时执行的脚本。

2. Patroni

Patroni是一个基于Python开发的PostgreSQL高可用和自动故障切换框架。它使用etcd、Consul等分布式一致性存储来保存集群状态，并支持自动化的故障检测和切换，减少人工干预。

2.1 自动故障转移

Patroni会监控主节点和副本节点的活跃度，并可以在检测到主节点故障时自动将其切换到备用节点。它使用分布式一致性存储来确保集群状态的实时同步和一致性。

2.2 防止脑裂

Patroni通过确保故障库真挂来防止脑裂现象。当检测到主节点故障时，它会尝试杀死主节点的PostgreSQL进程，如果无法杀死，则通过Linux看门狗直接重启该节点，从而避免脑裂现象的发生。

2.3 配置示例

以下是Patroni的一个简单配置示例：

# patroni.yml配置文件示例
bootstrap:
  dcs:
    loop_wait: 10
    retry_timeout: 10
    ttl: 30
    postgresql:
      parameters:
        archive_mode: "on"
        archive_command: "cp %p /data/pg_arch/%f"
        max_wal_senders: 5
        wal_level: replica
        wal_keep_segments: 8
        archive_timeout: 60s
        hot_standby: "on"
        max_connections: 100
  initdb:
  - encoding: UTF8
  - data-checksums
  pg_hba:
  - host replication repl 0.0.0.0/0 md5
  - host all all 0.0.0.0/0 md5
  - hostssl all all 0.0.0.0/0 md5
  users:
    admin:
      password: secretpassword
      options:
        - createrole
        - createdb
  post_init:
  - /usr/local/bin/post_init.sh
postgresql:
  name: postgresql0
  scope: postgresql
  restapi:
    listen: 0.0.0.0:8008
  data_dir: /data/pg_data
  config_dir: /data/pg_config
  authentication:
    replication:
      username: repl
      password: repl_password
    superuser:
      username: postgres
      password: postgres_password
  parameters:
    unix_socket_directories: '.'

在上面的配置中，bootstrap部分指定了初始化数据库集群时的一些参数和命令。postgresql部分指定了PostgreSQL实例的名称、范围、REST API监听地址、数据目录和配置目录等信息。authentication部分指定了复制和超级用户的用户名和密码。

3. Corosync+Pacemaker

Corosync+Pacemaker是一个开源的高可用资源管理器组合，常用于实现PostgreSQL的高可用性。Corosync负责提供HA心跳信息传输功能，而Pacemaker则负责资源管理、资源代理和故障转移决策。

3.1 心跳信息传输

Corosync通过简单的配置文件来定义信息传递的方式和协议等，实现各节点间的心跳信息传输。这样，各节点就能实时了解其他节点的状态信息。

3.2 资源管理和故障转移

Pacemaker位于HA集群架构中资源管理、资源代理（RA）这个层次。它通过与Corosync协作，根据底层主机传递的消息来判断服务的运行状态，并在必要时将服务迁移到其他主机上运行，从而实现高可用。

3.3 配置示例

以下是Corosync+Pacemaker的一个简单配置示例：

# corosync.conf配置文件示例
totem {
    version: 2
    secauth: off
    transport: udpu
    interface {
        ringnumber: 0
        bindnetaddr: 192.168.1.0
        mcastaddr: 226.94.1.1
        mcastport: 5405
        ttl: 1
    }
}

logging {
    fileline: off
    to_logfile: /var/log/cluster/corosync.log
    to_syslog: yes
    debug: off
    timestamp: on
    logger_subsys {
        subsys: QUORUM
        debug: off
    }
}

quorum {
    provider: corosync_votequorum
    two_node: 1
}

nodelist {
    node {
        ring0_addr: 192.168.1.1
        nodeid: 1
    }
    node {
        ring0_addr: 192.168.1.2
        nodeid: 2
    }
}

# crm.sh配置文件示例
primitive pgsql ocf:heartbeat:pgsql \
    params config="/etc/postgresql/13/main/postgresql.conf" \
    pgdata="/var/lib/pgsql/13/data" \
    pgctl="/usr/pgsql-13/bin/pg_ctl" \
    op start timeout="45s" \
    op stop timeout="45s" \
    op monitor interval="10s" timeout="20s"

ms ms_pgsql pgsql \
    meta master-max="1" master-node-max="1" clone-max="2" \
    clone-node-max="1" notify="true"

colocation col_pgsql inf: ms_pgsql:Master \
    inf: vip_pgsql

order ord_pgsql inf: ms_pgsql:promote vip_pgsql:start

在上面的配置中，corosync.conf文件定义了Corosync的心跳信息传输配置，包括传输协议、绑定网络地址、组播地址和端口等信息。crm.sh文件定义了Pacemaker的资源配置，包括PostgreSQL实例、主备关系、虚拟IP地址等资源的管理和监控。

三、高可用方案比较

1. Pgpool-II

Pgpool-II是一款工作在PostgreSQL服务器和PostgreSQL数据库客户端之间的中间件，提供连接池、复制、负载均衡、限制过多连接等功能。它通过连接池功能降低建立连接带来的开销，提高系统吞吐量；负载均衡功能则适用于只读场景，将查询语句分发到集群的各个数据库中，提升系统吞吐量。当集群中的主库不可用时，Pgpool-II能够探测到并激活备库，实现故障转移。然而，Pgpool-II的性能可能受到VIP切换的影响，且读写分离时性能会折损。

2. Patroni

Patroni是一个由Zalando研发的高可用解决方案，它使用外部存储如ZooKeeper或etcd来实现自动故障检测、恢复和转移。Patroni能够监视PostgreSQL集群的健康状态，并在检测到主节点故障时自动执行故障恢复操作，将其中一个从节点晋升为主节点。它还支持自动故障转移、数据一致性和完整性保障，以及外部共享配置存储等功能。Patroni的部署选项广泛，不仅可以在云环境中运行，还可以部署在物理硬件上。

3. Corosync+Pacemaker

Corosync+Pacemaker是一种开源的高可用解决方案，通常结合使用以构建高可用性集群。Corosync负责在集群节点之间提供消息传递、组成员资格管理、心跳检测等功能，而Pacemaker则是一个集群资源管理器，负责管理集群中所有资源的启动、停止、迁移等操作。它们共同确保在节点故障或服务异常时，资源能够自动在其他健康节点上接管。Corosync+Pacemaker提供了丰富的功能和灵活性，适用于各种高可用性需求。

总结

PostgreSQL的高可用实现方案多种多样，其中Pgpool-II、Patroni和Corosync+Pacemaker是三种常见的选择。Pgpool-II作为中间件，提供连接池、负载均衡和故障转移功能，适用于需要提高吞吐量和可用性的场景，但读写分离时性能会有所折损。Patroni则通过外部存储实现自动故障检测、恢复和转移，确保数据一致性和完整性，适合对高可用性和数据要求严格的环境。而Corosync+Pacemaker作为集群资源管理和心跳检测方案，提供了丰富的功能和灵活性，适用于各种高可用性需求，但配置和管理相对复杂。在选择时，需根据具体业务需求、性能要求、部署环境和团队技术能力综合考虑，选择最适合的方案。