高可用PgSQL集群架构设计与落地
把数据库拉起来是一回事，部署专业水准的数据库集群又是另一回事。想要真正用好管好数据库，需要良好的架构设计让多种组件协同配合起来。今天我们就来介绍一下典型的高可用PgSQL集群架构及其 落地方式。
本文将以 Pigsty v0.8 为例，介绍高可用集群的设计与部署。
“ Pigsty针对大规模数据库集群监控与管理而设计，提供业界顶尖的PostgreSQL监控系统与开箱即用的高可用数据库供给方案，为用户带来极致的可观测性与丝滑的数据库使用体验。
Pigsty基于开源生态构建，旨在降低PostgreSQL使用管理的门槛，让所有人都能轻松享受到数据库的乐趣。”
01
—
概览
Pigsty创建的数据库集群是分布式、高可用的数据库集群。
从效果上讲，只要集群中有任意实例存活，集群就可以对外提供完整的读写服务与只读服务。数据库集群中的每个数据库实例在使用上都是幂等的，任意实例都可以通过内建负载均衡组件提供完整的读写服务。
数据库集群可以自动进行故障检测与主从切换，普通故障能在几秒到几十秒内自愈，且期间只读流量不受影响。
图：Pigsty数据库集群样例
一套Pigsty部署在架构上分为两个部分：
基础设施（Infra） ：部署于元节点上，监控，DNS，NTP，DCS，Yum源等基础服务。
数据库集群（PgSQL）：部署于数据库节点上，以集群为单位对外提供数据库服务。
所谓节点，是指用于部署的机器，物理机，虚拟机或Pod，节点分为两种：
元节点（Meta）：部署基础设施，执行控制逻辑，每个Pigsty部署至少需要一个元节点。
数据库节点（Node）：用于部署数据库集群/实例，节点与数据库实例一一对应。
02
—
沙箱样例
以Pigsty附带的四节点沙箱环境为例，沙箱由一个元节点与四个数据库节点组成。其中元节点也被复用为一个数据库节点。沙箱部署有一套基础设施与两套数据库集群。
meta 为元节点，部署有基础设施组件，同时部署有单主数据库集群pg-meta。
node-1，node-2，node-3 为普通数据库节点，部署有一主两从数据库集群pg-test。组件在节点上的分布如下图所示：
图：Pigsty沙箱中包含的节点与组件
下面，我们将依次介绍这几个部分：数据库节点，数据库集群，基础设施
03
—
数据库节点
数据库节点负责运行数据库实例， 在Pigsty中数据库实例固定采用独占式部署，一个节点上有且仅有一个数据库实例，因此节点与数据库实例可以互用唯一标识（IP地址与实例名）。所以下面提到数据库节点时，既可以指称数据库实例，也指称数据库实例所运行的节点。
最简单的数据库部署，就是单个PostgreSQL进程裸跑在单台机器上，实际上不少用户真的就是这么用的。玩一玩当然无所谓，但生产中这样佛系是不行的啊朋友们。
在Pigsty中，一个数据库节点，除了数据库本身还包含了一系列附属组件。
这里以一个典型的主库节点为例，一个典型数据库节点架构如下所示：
图：单个数据库节点架构
业务流量通过VIP进入主库上的负载均衡器HAProxy。HAProxy通过不同的端口将不同性质的流量（生产/离线，读写/只读）分流至具体的节点上。
典型的生产读写流量将通过Pgbouncer池化后打到对应的Postgres数据库实例上。
Postgres数据库由高可用组件Patroni管理，Patroni则依赖Consul进行状态同步与领导者选举。所有服务都会注册至Consul中。其中包括各类用于收集监控指标的Exporter。
当业务访问HAPrxoy上的只读服务时（在线 or 离线），主库上的HAProxy会将流量分发至集群中的从库节点。HAProxy会通过健康检查，从Patroni或PG Exporter获取集群成员的主从身份，完成流量分发工作。
监控基础设施中的Prometheus会从Consul获取所有数据库服务及监控组件的地址，拉取监控数据，并将监控数据与数据库实例相关联。
节点组件
组件交互
vip-manager通过查询Consul获取集群主库信息，将集群专用L2 VIP绑定至主库节点。Haproxy是数据库流量入口，用于对外暴露服务，使用不同端口（543x）区分不同的服务。
Haproxy的9101端口暴露Haproxy的内部监控指标，同时提供Admin界面控制流量。
Haproxy 5433端口默认指向集群主库连接池6432端口
Haproxy 5434端口默认指向集群从库连接池6432端口
Haproxy 5436端口默认直接指向集群主库5432端口
Haproxy 5438端口默认直接指向集群离线实例5432端口
Pgbouncer用于池化数据库连接，缓冲故障冲击，暴露额外指标。
生产服务（高频非交互，5433/5434）必须通过Pgbouncer访问。
直连服务（管理与ETL，5436/5438）必须绕开Pgbouncer直连。
Postgres提供实际数据库服务，通过流复制构成主从数据库集群。
Patroni用于监管Postgres服务，负责主从选举与切换，健康检查，配置管理。
Patroni使用Consul达成共识，作为集群领导者选举的依据。
Consul Agent用于下发配置，接受服务注册，服务发现，提供DNS查询。
所有使用端口的进程服务都会注册至Consul中
PGB Exporter，PG Exporter， Node Exporter分别用于暴露数据库，连接池，节点的监控指标
04
—
数据库集群
生产环境的数据库以集群为单位进行组织，集群是一个由主从复制所关联的一组数据库实例所构成的逻辑实体。每个数据库集群是一个自组织的业务服务单元，由至少一个数据库实例组成。
下图是Pigsty沙箱中提供的测试集群pg-test架构示意图。按照集群视角进行重排并去除了次要组件。这是一个一主两从的三节点集群。通过DNS，L2VIP与HAProxy接入外部流量。
图：从数据库集群的逻辑视角审视架构
集群中的三个数据库节点在部署与使用上是完全幂等的，尽管Postgres数据库有主从之别，但这种主从区别被幂等部署的HAProxy所屏蔽。
HAProxy采用Node Port的方式对外暴露集群服务：例如从效果上说，访问任意实例的5433端口即可访问主库，访问任意实例的5434端口即可访问从库。而且只要集群一息尚存，还有任何一个节点活着，读与写服务都不会中止。这是通过Patroni自动故障切换与Haproxy自动流量切换实现的。如下图所示。
05
—
数据库接入
一个高可用方案有两个最重要的部分，主从切换与流量切换。
主从切换即集群主库发生故障时，集群可以自动选举出新的领导者来。这一点是通过Patroni与Consul保证的。
另一个重要的问题是，当集群发生主从切换后，如何将客户端的流量正确分发至正确的节点上，这一点是通过HAproxy保证的。但是HAProxy本身的可用性又如何保证？
数据库集群提供的服务边界在负载均衡HAPrxoy处止步。用户只需要确保自己可以连接到任何一个存活的集群成员HAProxy即可享受完整的数据库服务。
在上面的例子中，我们使用了一个二层VIP确保多个HAProxy实例的可用性。还有多种变体接入方案可供选择。
每一种方案都有自己的优势与局限性，需要用户自行权衡。
变体：DNS接入
在上面对例子中，使用了二层VIP接入HAproxy，但L2 VIP要求所有数据库实例位于同一个二层网络中。这通常意味着集群位于同一个交换机下，因此交换机反而成为了系统的单点。
使用DNS直接解析至HAProxy则不存在此问题，但流量切换无法如VIP一般快速灵敏：当某节点宕机时，客户端需要及时连接至其他健康节点，DNS使得该过程更为缓慢。DNS与客户端需要更多的工作（轮询/长连接/建连重试）才能绕过此问题。
图：使用DNS接入数据库集群
变体：L4 VIP接入
一种备选项是通过L4 VIP接入。相比DNS，L4 VIP可以实时对所有HAProxy实例进行健康检测与流量分发。允许用户同时使用所有的Haproxy实例均匀承载流量。相比L2 VIP则没有同一二层网络的限制。
但L4 VIP在网络路径中又增加了额外的一跳，会降低性能与吞吐量。
图：使用L4 VIP接入数据库集群
变体：L4 VIP直接接入
L4 VIP与HAProxy都是四层代理，L4 VIP也可以直接取代HAproxy，完成负载均衡的工作，直接将流量分发至数据库或连接池。
在生产环境中，基于DPVS集群的L4 VIP提供了更好的性能与可靠性，同时也可以通过toa模块解决传统4层负载均衡 客户端IP丢失 的问题。
当然，这种方案虽然好处很多，它对基础设施的要求会更高，实施更为复杂。同时没有Haproxy屏蔽主从差异，集群中的每个节点也不再“幂等”。
图：使用L4 VIP直接接入数据库集群
变体：自行解决
此外，用户也可以选择完全绕开HAProxy，采用传统的静态DNS方式，或Consul动态服务发现，或Consul DNS的方式来连接数据库。只要用户能自行确保连接至正确的数据库实例（读写连主库，只读连从库，在线连连接池，离线直连数据库），那么就没有问题。
例如，用户可以使用Consul服务发现寻找集群的主库，或者通过连接串中指定多个IP地址与连接属性的方式定位集群主库，或者通过传统静态DNS的方式手工维护主从信息。
图：使用Consul DNS服务发现接入数据库集群
图：使用传统静态DNS接入数据库集群
图：使用IP地址直连
06
—
基础设施
介绍完数据库集群后，让我们再来看一下数据库集群赖以运行的环境 —— 基础设施。所谓基础设施，就是介于操作系统与数据库集群中间的那一部分 运行时（Runtime） 。
每一套 Pigsty 部署（Deployment） 中，都需要有一些基础设施，才能使整个系统正常工作。基础设施通常由专业的运维团队或云厂商负责，但Pigsty作为一个开箱即用的产品解决方案，将基本的基础设施集成至供给方案中。包括：
域名基础设施：Dnsmasq（部分请求转发至Consul DNS处理）
时间基础设施：NTP
监控基础设施：Prometheus
报警基础设施：Altermanager
可视化基础设施：Grafana
本地源基础设施：Yum/Nginx
分布式配置存储：Consul/etcd
Pigsty基础设施：元数据库MetaDB，管理组件Ansible，定时任务，与其他高级特性组件。
基础设施部署于 元节点 上。每一套部署中都包含一个或多个元节点用于基础设施部署。
元节点
在每套环境中，Pigsty最少需要一个 元节点 ，该节点将作为整个环境的控制中心。元节点负责各种管理工作：保存状态，管理配置，发起任务，收集指标，等等。整个环境的基础设施组件，Nginx，Grafana，Prometheus，Alertmanager，NTP，DNS Nameserver，DCS都将部署在元节点上。
同时，元节点也将用于部署元数据库 （Consul 或 Etcd），用户也可以使用已有的外部DCS集群。如果将DCS部署至元节点上，建议在生产环境使用3个元节点，以充分保证DCS服务的可用性。DCS外的基础设施组件都将以对等副本的方式部署在所有元节点上。元节点的数量要求最少1个，推荐3个，建议不超过5个。
元节点上运行的服务如下所示：
部署于元节点上的基础设置架构如下图所示：
图：部署于元节点上的基础设施组件
其主要交互关系如下：
Dnsmasq提供环境内的DNS解析服务（可选用已有Nameserver）
部分DNS解析将转交由Consul DNS进行
Nginx对外暴露所有Web服务，通过域名进行区分转发。
Yum Repo是Nginx的默认服务器，为环境中所有节点提供从离线安装软件的能力。
Grafana是Pigsty监控系统的载体，用于可视化Prometheus与CMDB中的数据。
Prometheus是监控用时序数据库。
Consul Server用于保存DCS的状态，达成共识，服务元数据查询。
NTP服务用于同步环境内所有节点的时间（可选用已有NTP服务器）
Pigsty相关组件：
用于执行剧本，发起控制的Ansible
用于支持各种高级功能的MetaDB（也是一个标准的数据库集群）
定时任务控制器（备份，清理，统计，巡检，高级特性暂未加入）
Prometheus默认从Consul获取所有需要抓取的Exporter，并为其关联身份信息。
Prometheus从Exporter拉取监控指标数据，进行预计算加工后存入自己的TSDB中。
Prometheus计算报警规则，将报警事件发往Alertmanager处理。
基础设施与数据库的关系
以单个 元节点 和 单个 数据库节点 构成的环境为例，架构如下图所示：
图：基础设施与数据库节点
元节点与数据库节点之间的交互主要包括：
数据库集群/节点的域名依赖元节点的Nameserver进行解析。
数据库节点软件安装需要用到元节点上的Yum Repo。
数据库集群/节点的监控指标会被元节点的Prometheus收集。
Pigsty会从元节点上发起对数据库节点的管理
执行集群创建，扩缩容，用户、服务、HBA修改；日志收集、垃圾清理，备份，巡检等
数据库节点的Consul会向元节点的DCS同步本地注册的服务，并代理状态读写操作。
数据库节点会从元节点（或其他NTP服务器）同步时间
07
—
如何拥有？
介绍完Pigsty中高可用数据库集群的架构之后，让我们回到用户最关心的问题上来。如何拥有这样一套生产级数据库集群方案？
负责任的开发者不应该装完逼就跑，只讲自己多牛逼，不给别人解决实际问题。
Pigsty是开源免费（您想赞助掏钱我举双手资瓷！）的数据库供给方案。在Pigsty中拥有这样的数据库集群，只需要两步：
首先准备好机器，填入集群基本信息（IP地址，集群名，实例编号，实例角色）
然后运行剧本，一键拉起
实际上，不仅仅是数据库集群，整个基础设施与所有数据库集群都可以通过这样的命令一键拉起，而且还附带有开箱即用的顶级PostgreSQL监控系统。
详细的文档，可以参考这里：https://pigsty.cc
08
—
广告时间
Pigsty v0.8已经进入RC阶段，冻结新功能，承诺API稳定，可放心用于生产。
v1.0 GA 版本将于近期释出，不晚于2021-06-01。
另外据悉有数据库厂商在洗稿集成，说到底模仿是最高的致敬。我并不介意别人拿去卖钱商用，Apache2.0协议允许闭源商用。但很介意弄点字符串替换和样式替换然后说这是自研自主独立创新blahblah。这违反了Apache2.0协议中对于Copyright Notice的要求。
后续Pigsty开源版本除了升级PG大版本与Bug修复不会再有功能更新，当然这对于生产使用来说也许是一件好事。