CN105224637A - 一种基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法 - Google Patents
一种基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法,包括以下步骤:对在至少两个群集服务器中分别配置数据库和中间件,连接客户端;调用数据库的流复制功能,处理所述群集服务器中的数据复制与同步,配置数据同时储存在所述群集服务器中的储存器;调用数据库的热备份功能,同时设置主机和备机;调用中间件的主/备模式下的故障监测功能,建立主机和备机之间的双机热备份;为客户端访问提供地址共享映射。本发明的有益效果主要在于,用户可以利用上述方法快速搭建基于数据库下的主备/集群应用环境,从而极大地减少企业或个人在数据库主备/集群应用方面的学习、探索与实验成本,产生直接或间接的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于数据库的主备/集群应用的方法,尤其涉及一种基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法。
背景技术
PostgreSQL数据库作为目前功能最强大的开源数据库,受到了越来越多的关注,不少政府机构、企业或单位正在(或计划)将自己的产品从其它数据库(如Oracle)向PostgreSQL数据库迁移,如:
全球最大的CRM软件服务提供商Salesforce开始使用PostgreSQL,并招募了PostgreSQL内核开发者。2012年,美国联邦机构全面转向PostgreSQL阵营;法国也正在积极推动政府机构采用PostgreSQL数据库,从而取代商业数据库。
在国内,越来越多的公司开始使用PostgreSQL数据库,如:斯凯网络的后台数据库基本使用的都是PostgreSQL数据库;去哪儿网也大量使用了PostgreSQL数据库;主流的云服务提供商如亚马逊、阿里云的RDS(关系型数据库服务)同样提供了对PostgreSQL的支持。在国产数据库开发方面,不少厂商选择了以PostgreSQL数据库作为基础来构建自己的数据库产品,如:金仓(KingBase)、神通等。总之,PostgreSQL数据库将迎来越来越广泛的应用前景。
但是,作为一种企业级应用,在将PostgreSQL数据库正式应用于生产系统之前,决策者和技术负责人不得不面对可能出现的下列问题或需求:
A、持续的服务能力
在实际的企业生产环境中,需要数据库服务器能提供不间断的、持续的数据库服务能力,但现实的情况是,由于外部条件、网络环境、设备故障、操作系统故障、软件故障等等一系列原因,我们无法绝对避免单一服务器故障的发生。
B、数据规模
随着生产系统的运行,数据日积月累,数据规模会越来越大,单一查询所耗费的时间越来越长,甚至超出了我们所能容忍的程度,严重影响企业生产系统的正常使用。
C、用户规模
有的生产系统,面对着一个巨大的用户规模,当大规模的并发访问发生时,服务器变得不堪重负,无论是服务器的吞吐量,还是响应速度都无法等到保证,同样严重影响企业生产系统的正常使用。
D、数据可靠性
数据可靠性是几乎所有生产系统中的重中之重,不容许有数据破坏和数据丢失的情况发生,一旦发生也要求能够从备份系统中获得完整的数据恢复,或尽可能的减少数据丢失。
而且,在一个实际的生产系统中,往往上述的各种问题或需求都是同时、并综合性存在的,如果得不到妥善得解决,将严重影响PostgreSQL数据库在企业生产环境中得实际应用。
解决上述问题或需求最有效的办法之一就是采用数据库的主备/集群解决方案,应用主备/集群解决方案后,有的问题虽不能彻底杜绝,却可降低事件发生的概率,或为事后挽救提供可能,或缩短事故恢复时间、减少数据丢失的量;而有的问题却可获得了成倍的性能提升。例如:
A、通过构建“双机热备系统”可以解决服务器故障问题,当主服务器故障时,备用服务器可以迅速接替主服务器提供服务,从而提高服务可靠性和服务持续能力。
B、对数据库(或表)进行水平分割减少单表数据规模,和应用并行查询,可以解决大数据量下单一查询性能低下的问题。
C、通过连接池和负载均衡技术,可以降低连接消耗,分担查询压力,从而解决多用户条件下并发处理响应慢、系统吞吐能力有限的问题。
D、通过数据复制和备份,以多份数据的方式提高数据可靠性,减少数据丢失的后顾之忧。
然而,PostgreSQL数据库虽然为上述某些问题和需求的解决提供了一些基础的功能支持,但到目前为止还没有针对上述问题和需求提供可用的、完善的解决方案。
发明内容
针对上述问题和需求,本发明提供一种基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法。该方法通过选择和利用第三方工具或中间件与PostgreSQL数据库的现有功能集成,实现了主备/集群应用的整体解决方案,使得用户可以本方案提供的技术支持,快速搭建基于PostgreSQL数据库下的主备/集群应用环境,从而极大地减少企业或个人在PostgreSQL数据库主备/集群应用方面的学习、探索与实验成本,产生直接或间接的经济效益。
本发明采用的技术方案为一种基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法,该方法包括以下步骤:对在至少两个群集服务器中分别配置数据库和中间件,使客户端与群集服务器连接;调用数据库的流复制功能,处理所述群集服务器中的数据复制与同步,并且通过阵列的方式配置数据同时储存在所述群集服务器中的储存器,比如磁盘;调用数据库的热备份功能,同时设置一个群集服务器为主机,并设置另一个群集服务器为可读的备机;调用中间件的主/备模式下的故障监测功能,实现所述主机故障时的自动故障迁移,从而建立主机和备机之间的双机热备份;为客户端访问提供地址共享映射,使一个或多个客户端对主机和备机的访问与对单一数据库服务器的访问方式完全相同。
优选地,其中所述的中间件为Pgpool-II中间件系统。
作为进一步的改进,所述的方法还包括:调用所述中间件的看门狗功能,进行双Pgpool-II服务配置以消除单点故障。
作为进一步的改进,所述的方法还包括:在中间件中配置监控进程,用于在主机和备机之间定期传输心跳检测信号。
作为进一步的改进,其中为客户端访问提供地址共享映射的步骤还包括:调用中间件的虚拟飘移IP功能,为客户端的访问提供一致的地址共享映射。
作为进一步的改进,所述的方法还包括:当主数据库故障时,通过中间件将备机的数据库提升为主数据库,同时将原主机的数据库迁出集群,在修复原主数据库故障修复后,从新主数据库生成新备数据并恢复到修复的数据库中,然后使修复的数据库服务器作为备机。
作为进一步的改进,所述的方法还包括:使主机和备机对等,按照给定的时间执行轮流切换,使得在主机故障恢复后不将修复故障的数据库服务器恢复作为主机;利用中间件负载比例分配和数据库备机可读的功能,在读取数据期间实施负载均衡集群,用于减轻主机压力。
作为进一步的改进,所述的方法还包括:直接通过中间件的连接池和连接数限制功能,限制主机及备机的连接数。
作为进一步的改进,所述的方法还包括:使中间件的服务器和数据库服务器共用,以提高通信效率。
作为进一步的改进,所述的方法还包括在群集数据库服务器空闲期间或者维护期间执行以下任意的一种或多种测试:正常数据访问测试、负载均衡测试、大规模并发访问测试、中间件故障迁移测试、数据库主机的故障与恢复测试、数据库备机的故障与恢复测试和集群数据库服务持续能力测试。
本发明的有益效果为:兼具主备/集群双重特性,既可提高服务可靠性、又可提高数据可靠性,同时,具备负载均衡、连接池等功能;具有数据库服务和中间件服务的可靠性;既具有数据复制提供的数据可靠性,又有RAID(磁盘阵列)配置提供的磁盘数据可靠性;所采用的数据库及中间件均为开源、免费产品,中间件服务器和数据库服务器共用,既可以提高通信效率,也可减少硬件成本;为用户测试依据本方案配置过程所搭建的应用环境是否具备本方案所描述的功能,提供了统一的测试方法及测试用例,操作方便;数据库服务器主/备对等,轮流切换,故障恢复后可以不用Failback(自动恢复,即是使故障恢复后的服务器恢复为故障前的服务器),使得配置更简单,处理更高效。
附图说明
图1所示为根据本发明方法的示例性原理框图;
图2所示为根据本发明方法的网络拓扑示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明的方案作详细且具体的描述解析,但这些实施例仅是示例性的例子,不旨在限制本发明的范围。
在根据本发明的实施例中,采用两台数据库服务器,充用利用PostgreSQL数据库自身内置的“流复制(StreamingReplication)”及HotStandby功能,实现数据的复制及数据库的主/备基础功能。同时,利用Pgpool-II的故障监测功能,编程实现主库故障发生时的备库自动提升(Promote),达到数据库服务高可用(HighAvailability)的目的;利用pgpool-II的连接池及负载均衡功能,实现连接管理和读的负载均衡;利用pgpool-II“看门狗”的功能,实现pgpool-II自身的高可用(HighAvailability)。该方案的逻辑架构图1所示,网络拓扑如图2所示。
在本实施例中,可遵循以下配置过程示例:
硬件配置
设备说明 | 本地IP | 共享IP | 其它说明 |
集群服务器_A | 210.10.5.144 | 210.10.5.188 | 双网卡 |
集群服务器_B | 210.10.5.145 | 210.10.5.188 | 双网卡 |
网关服务器 | 210.10.5.143 | 无 | |
应用/Web服务器 | 210.10.5.113 | 无 | |
管理客户机 | 210.10.5.118 | 无 | |
局域网交换机 | 无 | 无 |
上述所列设备,指的是完整部署本发明所涉及到的设备以及相应的外围设备,而属于执行根据本发明的方法的设备只有“集群服务器_A”和“集群服务器_B”。
软件配置
根据本发明一个实施例的配置过程
本部分的配置过程是基于操作系统等软件已安装配置完毕的环境下实施。配置过程包括以下8个步骤:
(1)安装PostgreSQL数据库
在群集服务器_A(210.10.5.144)和群集服务器_B(210.10.5.145)上分别执行以下过程:
A、将安装文件拷贝到对应IP地址的服务器上,确保root用户对安装文件有可执行权限;
B、切换到安装文件所在目录,启动PostgreSQL安装程序图形界面,设置安装目录设置、数据目录、数据库端口、用户密码等;
C、设置环境变量;
D、测试数据库访问;
E、配置客户端验证配置文件;
F、配置PostgreSQL,编辑对应目录下的配置文件,设置下列各个参数项,比如监听地址、监听端口、最大允许的连接数、共享缓存等;
G、测试PostgreSQL服务启/停;
H、测试集群服务器_A与集群服务器_B可互相访问。
(2)配置流复制+HotStandby
1)在集群服务器_A(210.10.5.144)上创建业务数据库:
利用备份/恢复或执行SQL脚本的方式,在集群服务器_A(210.10.5.144)上创建业务数据库,并确保正确创建和可访问。
2)修改配置
A、在两服务器上修改相应的配置文件,允许其互相复制;
B、在两服务器上修改相应的配置文件,设置下列参数项的值;
wal_level=hot_standby//日志级别
max_wal_senders=10//最大wal日志发送进程数
hot_standby=on//打开热备开关
3)在集群服务器_B上创建基础备份
A、停止集群服务器_B上的数据库服务;
B、删除集群服务器_B上的数据目录下,除配置文件以外的所有文件;
C、从集群服务器_A上验证操作员的账户和密码后备份数据;
D、查看配置文件内容,确保内容正确,否则修正;
E、更改集群服务器_B上的数据目录的所有者;
F、启动备库(210.10.5.145);
G、验证备库(210.10.5.145)上的业务数据库是否已经存在,验证数据库对象与数据内容是否与主库(210.10.5.144)完成一致;
H、在主库(210.10.5.144)上执行SQL。
(3)验证数据复制及HotStandby功能
1)数据复制
A、在主库(210.10.5.144)上创建新表,比如命名为test01,并插入记录;
B、在备库(210.10.5.145)上查看表test01数据,是否与主库一致;
C、在备库(210.10.5.145)上往表test01中试图插入数据,应提示;
2)Standby功能
A、停止备库(210.10.5.145)上的数据库服务;
B、在主库(210.10.5.144)上往test01表中增加、修改、删除记录;
C、重新启动备库;
D、查看备库(210.10.5.145)上test01表中的数据,应与主库上完全一致;
E、停止主库,看备库是否可以继续支持只读查询(应该要可以);
F、将备库提升为主库(执行命令:pg_ctlpromote);
G、在备库(210.10.5.145)上往test01表中增加、修改、删除记录(此时应允许修改);
H、重新启动主库(210.10.5.144),查看主库上test01表中的数据变化(此时应没有变化);
I、在主库(210.10.5.144)上执行SQL,如果没有结果输出,表明此时主/备关系已接触;
J、按照第(2)步骤中的3)在集群服务器_B(210.10.5.145)上重建基础备份。
(4)安装pgpool-II
在集群服务器_A(210.10.5.144)和集群服务器_B(210.10.5.145)上执行分别以下过程:
A、源码安装pgpool-II,
将pgpool-II安装文件拷贝到对应地址的服务器上,解压源码文件,切换到安装目录下执行编译安装;
B、安装pgpool_regclass(在数据库节点上);
C、建立insert_lock表(在数据库节点上);
D、安装语言函数(在数据库节点上);
E、设置环境变量,创建环境变量文件,确保该文件具有可执行权限;
F、配置pgpool-II管理端用户身份验证文件;
G、配置pgpool连接许可文件;
H、配置pgpool-II访问后端数据库时所使用的用户名/密码对),用户名必须是后端数据库实际存在的用户名,一般设置为超级用户,然后生成相应的配置文件内容,然后配置或确认以下内容:监听地址、服务端口、管理端监听地址、管理端口、后端数据库节点、数据库IP地址、数据库端口、负载比重、数据目录、是否允许Failover、主进程ID文件位置、制定子模式为“流复制”标志、流复制检查参数、健康检查参数等;
J、启动pgpool-II;
K、验证pgpool-II配置,用psql工具连接到pgpool-II连接池,查看节点情况,对test01表进行增、删、改、查等操作后,直接连接到备库(210.10.5.145)上查看数据库表test01的数据是否发生了相应的变化,如相应变化则表示pgpool-II配置成功。
(5)配置自动Failover
1)配置集群服务器_A与集群服务器_B通过SSH无密码互访;
2)编制Failover自动化脚本,确保脚本文件权限;
3)编制数据恢复自动化脚本,确保脚本文件权限;
配置的自动化脚本可以实施根据本发明方法的控制程序,用于主备/群集恢复,将在下文详细描述。
(6)配置pgpool-II双机热备
1)修改配置
修改主机和备机上的相应配置文件,修改并确认下面参数值:
“看门狗”参数、信任服务器地址、虚拟IP(漂移IP)地址、存活监测参数、心跳信号参数、心跳判“死”时间(比如30秒未收到心跳信息则认为对方已失效)、另一台pgpool-II服务器的通信参数等;
2)启动主库和备库上的Pgpool-II服务;
3)验证Pgpool-II的“双机热备”
A、查看“漂移IP”地址(210.10.5.188)
B、通过“漂移IP”地址,用psql工具连接到pgpool-II连接池
C、停止主机上的pgpool-II服务,查看“漂移IP”的变化
D、查看备机上“漂移IP”的变化(应切到了该机上)
E、验证通过“漂移IP”是否继续可以访问数据库。
(7)集群启动/停止步骤
1)启动步骤
A、启动主机PostgreSQL数据库
B、启动备机PostgreSQL数据库
C、启动主机Pgpool-II服务
D、启动备机Pgpool-II服务;
2)停止步骤
A、停止备机Pgpool-II服务
B、停止主机Pgpool-II服务
C、停止备机PostgreSQL数据库
D、停止主机PostgreSQL数据库。
(8)集群故障处理
1)Pgpool-II服务故障
Pgpool-II服务故障时,会通过“漂移IP”地址的自动切换,将请求路由到“备用”的Pgpoo-II服务器上,对外服务不中断。
故障处理方法:修复有故障的Pgpool-II服务,重新启动即可。
2)PostgreSQL服务故障
A备库故障
备库故障,不影响总体服务,Pgpool-II会把备机迁出集群,所有负载由主机负担;
故障处理步骤:
*修复备库
*重新启动备库(备库会自动同步主库数据)
*将备库加入集群
B主库故障
主库故障,总体服务有瞬时中断,Pgpool-II会自动把备库提升(promote)为主库,同时将原主库迁出集群,所有负载由新的主库(原备库)来负担;
故障处理步骤:
*修复原主库
*从新主库上进行基础备份,制作新的备库。在原主库上执行下列命令:
*启动新备库
*将新备库加入集群。
上述配置过程不仅说明了本方案所使用的软/硬件配置情况,而且展示了详细的配置步骤及配置参数,发明使用者依据此配置过程,可快速搭建出本方案所示的应用环境。
在根据本发明的实施例中的控制程序包括以下两部分:
(1)主数据库故障时,实现备数据库快速提升(Promote)为主数据库的控制程序pgpool_failover_stream.sh,主要代码如下:
(2)原主数据库故障修复后,从新主数据库一步快速生成新备数据库的控制程序pg_recover_from_master.sh,主要代码如下:
控制程序的表述为本方案中需要编程实现的环节,提供了可重用的、经测试的、现成的程序样本。用于在实施过程中可以直接使用程序样本,或只需在样本的基础上做简单的修改来实现根据本发明的方法。
本发明所示方案中的测试方法,定义了对实施完成后的主备/集群应用环境进行各种“功能测试”和“性能对比测试”所采用的测试方法和测试用例。主要测试内容包括:故障下的服务持续能力、负载均衡、故障迁移(Failover)、故障恢复,通过pgpool-II连接数据库与直连数据库时的读/写性能差异。
该测试方法表述为一组预先设计好的测试用例。
功能测试,本部分测试主备/集群环境的基本功能,具体如下表:
【1】正常访问
【2】负载均衡
【3】Pgpool-II的故障迁移
【4】PostgreSQL备库故障与恢复
【5】PostgreSQL主库故障与恢复
【6】服务持续能力
性能对比测试在“直接连接”和“通过集群服务连接”两种情况下进行SQL查询、存储过程、JDBC读/写的性能差异,以此来评估集群方案本身所带来的系统开销,具体如下表:
【7】SQL查询
【8】存储过程
【9】JDBC批量写
【10】JDBC批量读
【11】大规模并发访问
根据本发明的方案在综合性、整体性(或完备性)、低成本和实用性对比现有技术具备如下的优点:
A、解决方案功能的综合性
该方案兼具主备/集群双重特性,既可提高服务可靠性、又可提高数据可靠性,同时,具备负载均衡、连接池等功能;
服务可靠性,既包括数据库服务的可靠性,又包括中间件服务的可靠性;
数据可靠性,既包括数据复制提供的可靠性,又包括RAID配置提供的磁盘可靠性。
B、综合利用了PostgreSQL数据库自身和第三方软件提供的功能
充用利用PostgreSQL数据库自身内置的“流复制(StreamingReplication)”及HotStandby功能,实现数据的复制及数据库的主/备基础功能;
利用pgpool-II的故障监测功能,编程实现主库故障发生时的备库自动提升(Promote),达到数据库服务高可用(HighAvailability)的目的;
利用pgpool-II的连接池及负载均衡功能,实现连接管理和读的负载均衡;
利用pgpool-II“看门狗”的功能,进行双pgpool-II服务配置,实现pgpool-II自身的高可用(HighAvailability),消除“单点故障”。
C、该方案中综合应用了方案设计者本人编写的控制程序
主数据库故障时,实现备数据库快速提升(Promote)为主数据库的控制程序;
原主数据库故障修复后,从新主数据库一步快速生成新备数据库的控制程序。
D、方案内容的完备性与全面性
根据本发明的技术方案及实施例内容综合了设计目标、设计思想、方案表述、配置过程、控制程序和测试方法,使得方案采用者仅借助于本方案提供的支持,就可以完成方案搭建的所有工作。
E、建设和使用成本低
该方案不需要额外的硬件设备投入,比如存储磁盘;
所采用的数据库及中间件均为开源、免费产品;
中间件服务器和数据库服务器共用,既可以提高通信效率,也可减少硬件成本。
F、用户透明性和简易性
利用Pgpool-II的“虚拟飘移IP”功能,为客户端访问提供透明一致的地址映射,客户端对集群的访问与对单一数据库的访问方式完全一致;
数据库服务器主/备对等,轮流切换,故障恢复后不Failback,使得配置更简单,处理更高效。
应当指出并强调的是,本发明中所述的PostgreSQL数据库主备/集群应用解决方案具有一定的可扩展性和配置灵活性,例如:可扩展成一主多备、pgpool-II独立服务器、同步复制等。对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,可以轻易地做出上述扩展和灵活配置,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法,其特征在于包括以下步骤:
对在至少两个的群集服务器中分别配置数据库和中间件,使客户端与群集服务器连接;
调用数据库的流复制功能,处理所述群集服务器中的数据复制与同步,并且通过阵列的方式配置数据同时储存在所述群集服务器中的存储器中;
调用数据库的热备份功能,同时设置一个群集服务器为主机,并设置另一个群集服务器为可读的备机;
调用中间件的主/备模式下的故障监测功能,实现所述主机故障时的自动故障迁移,从而建立主机和备机之间的双机热备份;
为客户端访问提供地址共享映射,使一个或多个客户端对主机和备机的访问与对单一数据库服务器的访问方式完全相同。
2.根据权利要求1所述的基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法,其中所述的中间件为Pgpool-II中间件系统。
3.根据权利要求2所述的基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法,还包括:
调用所述中间件的看门狗功能,进行双Pgpool-II服务配置以消除单点故障。
4.根据权利要求2所述的基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法,还包括:
在中间件中配置监控进程,用于在主机和备机之间定期传输心跳检测信号。
5.根据权利要求2所述的基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法,其中为客户端访问提供地址共享映射的步骤还包括:
调用中间件的虚拟飘移IP功能,为客户端的访问提供一致的地址共享映射。
6.根据权利要求1所述的基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法,还包括:
当主数据库故障时,通过中间件将备机的数据库提升为主数据库,同时将原主机的数据库迁出集群,在修复原主数据库故障修复后,从新主数据库生成新备数据并恢复到修复的数据库中,然后使修复的数据库服务器作为备机。
7.根据权利要求1所述的基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法,还包括:
使主机和备机对等,按照给定的时间执行轮流切换,使得在主机故障恢复后不将修复故障的数据库服务器恢复作为主机;
利用中间件负载比例分配和数据库备机可读的功能,在读取数据期间实施负载均衡集群,用于减轻主机压力。
8.根据权利要求1所述的基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法,还包括:
直接通过中间件的连接池和连接数限制功能,限制主机及备机的连接数。
9.根据权利要求1所述的基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法,还包括:
使中间件的服务器和数据库服务器共用,以提高通信效率。
10.根据权利要求1所述的基于PostgreSQL数据库的主备/集群应用的综合性方法,还包括在群集数据库服务器空闲期间或者维护期间执行以下任意的一种或多种测试:正常数据访问测试、负载均衡测试、大规模并发访问测试、中间件故障迁移测试、数据库主机的故障与恢复测试、数据库备机的故障与恢复测试和集群数据库服务持续能力测试。
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