信创环境下PostgreSQL高可用架构实践

一、信创替代背景与选型依据

在金融、能源、政务等关键信息基础设施领域，Oracle/MySQL 商业替换已成为政策强制要求。PG 凭借协议兼容 MySQL（pg_dump、FDW）、ACID 完整、插件生态丰富，成为信创替换首选。

核心选型维度对比：

二、PG流复制+Patroni高可用架构

2.1 架构拓扑

// 推荐架构（3节点）
// +------------------+     +------------------+     +------------------+
// |  pg-node-1       |     |  pg-node-2       |     |  pg-node-3       |
// |  (Primary)       |<--->|  (Replica)       |<--->|  (Replica)       |
// |  192.168.1.10    |     |  192.168.1.11    |     |  192.168.1.12    |
// |  :5432           |     |  :5432           |     |  :5432           |
// +--------+---------+     +------------------+     +------------------+
//          |
// +--------+---------+
// |  etcd-1          |   // etcd 集群（3节点，保存 leader 状态）
// |  192.168.1.20    |
// +-------------------+
// 访问层：HAProxy --> 自动路由到 Primary :5432

// etcd 自动主从切换原理：
// 1. 节点挂掉 → etcd 失去心跳 10s
// 2. etcd 发起 Leader Election
// 3. 剩余节点数 >= 2 时可选出新 Primary
// 4. Patroni 执行 promote，新主从备升至 Active
// 5. HAProxy 自动更新后端（通过 API 或 Consul Template）

2.2 环境初始化（3台服务器）

// 每台服务器执行（替换 hostname）
// pg-node-1: export NODE_NAME=pg1; PG_VERSION=16
// pg-node-2: export NODE_NAME=pg2
// pg-node-3: export NODE_NAME=pg3

// 1. 安装依赖（以 Ubuntu/Kylin 为例）
apt-get update && apt-get install -y \
  postgresql-16 postgresql-contrib-16 postgresql-16-repack \
  etcd patroni python3-yaml haproxy curl

// 2. 配置 etcd（/etc/etcd/etcd.conf）
ETCD_NAME=$NODE_NAME
ETCD_LISTEN_CLIENT_URLS="http://0.0.0.0:2379"
ETCD_ADVERTISE_CLIENT_URLS="http://192.168.1.20:2379"
ETCD_INITIAL_CLUSTER="pg1=http://192.168.1.10:2380,pg2=http://192.168.1.11:2380,pg3=http://192.168.1.12:2380"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_TOKEN="pg-ha-cluster"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_STATE="new"

// 3. 启动 etcd
systemctl enable etcd && systemctl start etcd
etcdctl --endpoints=http://192.168.1.10:2379 member list
// 预期：3个成员状态 healthy

2.3 Patroni 配置

# /etc/patroni.yml (pg-node-1 示例)
scope: pg-ha-cluster
namespace: /service/
name: pg1

restapi:
  listen: 192.168.1.10:8008
  connect_address: 192.168.1.10:8008

etcd:
  hosts: 192.168.1.10:2379,192.168.1.11:2379,192.168.1.12:2379

bootstrap:
  dcs:
    ttl: 30
    loop_wait: 10
    retry_timeout: 10
    maximum_lag_on_failover: 1048576  # 1MB，防止脑裂
    postgresql:
      use_pg_rewind: true
      parameters:
        max_connections: 200
        shared_buffers: 4GB
        wal_level: replica
        hot_standby_feedback: on
        max_wal_senders: 10
        max_replication_slots: 10

postgresql:
  listen: 0.0.0.0:5432
  connect_address: 192.168.1.10:5432
  data_dir: /var/lib/postgresql/16/main
  authentication:
    replication:
      username: replicator
      password: "replicator_pass"  # 生产用 Vault 管理
    superuser:
      username: postgres
      password: "your_secure_password"
    rewind:
      username: rewind_user
      password: "rewind_pass"

2.4 HAProxy 负载均衡

# /etc/haproxy/haproxy.cfg
global
    log /dev/log local0
    maxconn 2000

defaults
    log     global
    mode    tcp
    timeout connect 10s
    timeout client  1m
    timeout server  1m

frontend pg_front
    bind *:5432
    default_backend pg_back

backend pg_back
    option httpchk GET /master
    http-check expect status 200
    server pg1 192.168.1.10:5432 check port 8008
    server pg2 192.168.1.11:5432 check port 8008 backup
    server pg3 192.168.1.12:5432 check port 8008 backup

三、国产OS适配性验证

3.1 适配要点

以 统信 UOS 1060a 和 麒麟 V10 SP1 为测试基准，PG16 均适配良好。但仍需关注：

3.2 UOS 下添加 PG 源

// UOS 1060a 添加 PostgreSQL 官方源
cat <<'EOF' | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/pgdg.list
deb http://apt.postgresql.org/pub/repos/apt/ focal-pgdg main
EOF

wget -qO - https://www.postgresql.org/media/keys/ACCC4CF8.asc | \
  sudo apt-key add -
sudo apt update
sudo apt install -y postgresql-16 postgresql-client-16

// 验证
pg_lsclusters
# 预期：Ver Cluster Port Status Owner Data directory
#       16 main    5432 online   postgres /var/lib/postgresql/16/main

四、性能调优与监控

4.1 核心参数

# postgresql.conf 核心调优（生产环境）
shared_buffers = 4GB           # 约总内存的 25%（16G机器）
work_mem = 64MB                # 复杂排序/哈希用
maintenance_work_mem = 512MB   # VACUUM/CREATE INDEX
effective_cache_size = 12GB    # 约总内存的 75%
random_page_cost = 1.1         # SSD 下调（默认4.0机械盘）
effective_io_concurrency = 200 # SSD

# 信创环境强制
ssl = on
ssl_cert_file = '/etc/ssl/certs/server.crt'
ssl_key_file = '/etc/ssl/private/server.key'

# 监控
shared_preload_libraries = 'pg_stat_statements,pg_stat_kcache'

4.2 pg_stat_statements 分析

-- 查找最耗时的 SQL（Top 10）
SELECT
  substring(query, 1, 60) AS short_query,
  round(total_exec_time::numeric, 2) AS total_time,
  calls,
  round(mean_exec_time::numeric, 2) AS mean_time,
  round(max_exec_time::numeric, 2) AS max_time
FROM pg_stat_statements
ORDER BY total_exec_time DESC
LIMIT 10;

-- 发现慢查询后，创建索引
CREATE INDEX CONCURRENTLY idx_orders_created_at
  ON orders (created_at);

五、故障演练与恢复验证

5.1 手动触发主从切换

// 在 pg-node-1 (主) 上执行，模拟主节点宕机
patronictl pause pg-ha-cluster  # 暂停自动选主（观察用）

// 在 pg-node-2 上：手动提升
patronictl switch pg-ha-cluster --master pg2  # 强制切换到 pg2

// 确认 pg2 状态
patronictl list pg-ha-cluster
# 预期：Member -- Leader -- Member state
#       pg1   -- pg2   -- Stop leader's gracefull switchover
#       pg2   -- pg2   -- Master -- running
#       pg3   -- pg2   -- Secondary -- running

// 恢复 pg1：
patronictl resume pg-ha-cluster
# pg1 会自动跟随 pg2 变为 Replica，无需手动干预

扩展：监控与可观测性方案

PG HA 集群的监控需要覆盖两层：PG 实例层和 Patroni 协调层：

• PG 实例监控：使用 pg_exporter 采集连接数、事务量、锁等待、WAL 延迟、复制延迟等关键指标。这些指标通过 Prometheus 聚合后，可以在 Grafana 中配置告警阈值。
• Patroni 协调层监控：Patroni 通过 REST API 暴露自身状态（/patroni 端点），监控其 leader 切换次数、etcd 通信延迟、Failover 触发原因等。
• 告警策略：复制延迟超过 5 秒触发 P2 告警、主节点宕机 10 秒未触发 Failover 触发 P1 告警、WAL 文件积累超过 1000 触发磁盘空间告警。

# pg_exporter 采集的配置（prometheus.yml）
scrape_configs:
  - job_name: 'postgresql'
    static_configs:
      - targets: ['pg-node-1:9187', 'pg-node-2:9187', 'pg-node-3:9187']
    
  - job_name: 'patroni'
    static_configs:
      - targets: ['pg-node-1:8008', 'pg-node-2:8008', 'pg-node-3:8008']

扩展：信创环境下的网络隔离策略

金融和政务场景通常要求数据库层网络隔离：PG 集群仅允许内网访问，外部通过安全网关路由：

# pg_hba.conf 限制：仅允许 Patroni 节点和 HAProxy 访问
# TYPE  DATABASE        USER            ADDRESS                 METHOD
local   all             all                                     peer
host    all             replicator      192.168.1.11/32         md5
host    all             replicator      192.168.1.12/32         md5
host    all             proxy_user      192.168.1.100/32        md5  # HAProxy only
host    all             all             0.0.0.0/0               reject  # 拒绝所有其他连接

# 同时配置主机防火墙
iptables -A INPUT -p tcp --dport 5432 -s 192.168.1.0/24 -j ACCEPT
iptables -A INPUT -p tcp --dport 5432 -j DROP

总结

信创环境下的 PG HA 方案已经非常成熟：Patroni 提供自动选主与故障转移，etcd 提供集群状态共识，HAProxy 提供透明路由。关键指标：RTO（恢复时间目标）< 30秒（自动切换，依赖 etcd 心跳）、RPO（恢复点目标）= 0（全同步复制模式）。经过充分故障演练后，该架构可支撑信创系统生产级 SLA。

扩展：PG 在金融生产环境中的迁移策略

将现有业务从 Oracle 迁移到 PG 时，推荐使用双写迁移方案而非一次性切换：

第一阶段进行数据库克隆，在新 PG 集群上构建和旧库结构一致的数据副本。使用 dblink 或 CDC 工具（如 pglogical）实现主库到 PG 的实时同步。这个阶段需要验证数据一致性，对关键字段进行逐行比对，确保数值精度、字符编码、时区处理等细节完全一致。

第二阶段开启双写模式，业务代码在写入主库的同时异步写入 PG 集群。通过配置读写分离，逐步将查询流量切换到 PG。通常先切 10% 的只读流量，观察 48 小时后确认无误，再逐步提升到 50%、80%，最终 100% 切换到 PG 集群。

整个过程需要配合完善的回滚方案。双写期间主库和 PG 都保持可写状态，如果发现严重问题可以立即切回主库，业务几乎无感知。

扩展：数据库加密与备份策略

透明数据加密(TDE)

信创场景要求数据落盘加密。PG 16 原生支持 TDE（需企业版或社区补丁）：

-- 开启 TDE（PG16+）
ALTER SYSTEM SET tde.enabled = on;
ALTER SYSTEM SET tde.encryption_algorithm = 'aes-256-gcm';
SELECT pg_reload_conf();

-- 创建加密表空间（敏感数据专用）
CREATE TABLESPACE encrypted_ts LOCATION '/data/tde' OWNER postgres;

-- 创建表时指定加密表空间
CREATE TABLE payment_orders (...) TABLESPACE encrypted_ts;

定时备份方案

#!/bin/bash
# /etc/cron.daily/pg-backup.sh
BACKUP_DIR="/data/pg-backups"
DATE=$(date +%Y%m%d_%H%M%S)

# 全量备份（Base Backup）
pg_basebackup -h localhost -U postgres \
  -D ${BACKUP_DIR}/base-${DATE} \
  -Ft -z -P --wal-method=stream

# 保留最近 7 天
find ${BACKUP_DIR} -name "base-*" -mtime +7 -delete

# 逻辑备份关键表（可单独恢复）
pg_dump -U postgres payment_db -t orders -t transactions \
  -f ${BACKUP_DIR}/orders-${DATE}.sql.gz --compress=9

扩展：国内可替代生态对比