PostgreSQL 高可用与负载均衡

一、高可用（High Availability, HA）核心目标**

1. 最小化停机时间：确保服务在硬件/软件故障时快速恢复。
2. 数据零丢失：通过同步复制保障数据一致性。
3. 自动故障转移：无需人工干预切换主节点。

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二、主流高可用方案

1. 基于流复制（Streaming Replication）

• 异步复制：

  • 主库写入后无需等待备库确认（可能丢数据）。
  • 适用场景：对数据一致性要求不高的业务。

• 同步复制：

  • 主库提交事务需等待至少一个备库确认（synchronous_commit = on + synchronous_standby_names）。

  • 关键配置：

    ALTER SYSTEM SET synchronous_standby_names = 'standby1';
    

2. 自动故障转移工具

工具	原理	特点
Patroni	基于DCS（etcd/ZooKeeper）协调选举	支持复杂拓扑，与Kubernetes集成最佳
repmgr	轻量级，依赖节点间SSH通信	配置简单，适合中小规模集群
Pgpool-II	集成连接池+故障检测+读写分离	功能全面，但复杂度较高

3. 共享存储方案（如DRBD）

• 多节点共享同一块磁盘（需分布式文件系统如Ceph）。
• 风险点：存储单点故障需额外规避。

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三、负载均衡实现方式

⚠️ 注意：PostgreSQL 原生不支持负载均衡，需借助中间件。

1. 连接池级负载均衡

• PgBouncer / pgpool-II：

  • 将客户端连接分发到多个后端PostgreSQL实例。

  • 读写分离：将读请求路由到备库（需设置default_routing_mode = read in pgpool）。

  • 配置示例（pgpool）：

    backend_hostname0 = 'primary'
    backend_port0 = 5432
    backend_hostname1 = 'replica1'
    backend_port1 = 5432
    

2. 应用层负载均衡

• 使用 HAProxy / Nginx：

  • 通过TCP代理分发连接（仅适用于读操作）。

  • HAProxy 配置片段：

    frontend pg_readbind *:5000default_backend pg_replicasbackend pg_replicasbalance roundrobinserver replica1 192.168.1.2:5432 checkserver replica2 192.168.1.3:5432 check backup
    

3. 服务发现（动态扩容）

• 结合Consul+HAProxy：
  当新备库加入时，Consul自动更新HAProxy后端列表。

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四、关键架构图示例

典型高可用+读写分离架构

Client → HAProxy (VIP)├──→ PgBouncer (Primary) → Master DB (RW)└──→ PgBouncer (Replica) → Standby DB (RO)↑Streaming Replication

• VIP：虚拟IP漂移（Keepalived）
• 监控：Prometheus + Grafana（监控复制延迟）

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五、故障转移（Failover）流程

1. 检测主库失效（如Patroni通过DCS心跳判断）。

2. 提升备库为新主库：

patronictl failover --candidate replica1 --force

3. 重配置集群：

• 更新所有备库的复制源指向新主库。
• 应用层连接池重定向到新VIP。

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六、数据一致性保障

• 同步复制超时处理：
  • 若备库无响应，主库自动降级为异步（synchronous_commit = remote_write）。
• 脑裂（Split-Brain）预防：
  • 使用Quorum机制（需多数节点确认写入）。
  • Patroni配置ttl（锁租期）避免双主。

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七、云原生方案（Kubernetes）

• Operator框架：
  • Crunchy Data / Zalando Postgres Operator：
    • 自动创建StatefulSet + 配置流复制。
    • 内置备份、克隆、监控功能。
• 服务暴露：
  • 读服务：ClusterIP + 多个Endpoint（指向所有副本）。
  • 写服务：固定指向主库的Headless Service。

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八、灾难恢复（Disaster Recovery）

1. 物理备份：pg_basebackup + WAL归档（到S3/MinIO）。
2. 逻辑备份：pg_dump + 定期验证恢复。
3. 跨地域复制：使用级联复制或逻辑解码（Debezium）。

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九、监控指标清单

类别	关键指标	工具
复制状态	pg_stat_replication lag (bytes)	Prometheus + pg_exporter
节点健康	连接数/锁等待/长事务	PGHero
负载均衡	请求分布/错误率	HAProxy Stats

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十、常见陷阱

1. 复制延迟导致读旧数据：

• 解决方案：应用层使用hot_standby_feedback或强制读主库。

2. 连接池耗尽：

• 调整max_connections + 使用PgBouncer复用连接。

3. 自动故障转移误判：

• 设置合理的健康检查超时（如Patroni的loop_wait）。

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附录：命令速查

# 查看复制状态
SELECT client_addr, state, sync_state, write_lag FROM pg_stat_replication;# 手动提升备库（无工具时）
pg_ctl promote -D /var/lib/postgresql/data