PostgreSQL Patroni集群組件作用介紹：Patroni、etcd、HAProxy、Keepalived、Watchdog

1. Watchdog 簡介

1.1 核心作用

? 主節點故障檢測

Watchdog 會定時檢測數據庫主節點（或 Pgpool 主節點）的運行狀態。

一旦主節點宕機，它會發起故障切換請求。
? 協調主備切換

多個 Pgpool 節點時，Watchdog 保證只有一個 Pgpool 處于“主”狀態，避免混亂。

使用仲裁機制或投票（通常通過 VIP、網絡心跳或 quorum 判定）決定新的主節點。
? 避免腦裂

防止兩個節點誤判對方故障后“各自稱王”導致的數據不一致。

Watchdog 通過心跳機制（heartbeat）+ 仲裁機制（arbitrator）+ VIP 管理，確保集群有單一主節點。
? 管理 VIP

Watchdog 控制一個浮動 IP（VIP），將其綁定到當前 Pgpool 主節點上。

客戶端連接 VIP，無感知主備切換。

1.2 工作方式

（以 Pgpool-II 為例）
+-------------+???? +-------------+???? +-------------+
|? Pgpool 1?? |<--->|? Pgpool 2?? |<--->|? Pgpool 3?? |
|? (主節點)?? |???? | (備用節點)? |???? | (備用節點)? |
+-------------+???? +-------------+???? +-------------+
??????? |?????????????????? |??????????????????? |
??????? +--- VIP 地址由 Watchdog 綁定在主 Pgpool 上 ---+

節點通過心跳機制與仲裁機制協調主備身份并自動遷移 VIP。

心跳探測：每個 Pgpool Watchdog 互相通過 ping/TCP 檢測存活狀態。

仲裁：可以通過“仲裁者主機”或“第三方 etcd/Zookeeper”做一致性投票。

自動切換 VIP：主 Pgpool 宕機后，VIP 自動遷移到新的主節點。

1.3 應用場景

場景	是否需要 Watchdog
單節點 Pgpool	不需要
多節點 Pgpool + 自動主備切換	必須使用
提供高可用虛擬 IP（VIP）	必須使用
防止腦裂或雙主場景	必須使用

2. etcd 簡介

etcd 是一個開源的、分布式的鍵值存儲系統，廣泛用于服務發現、配置管理和主備協調等場景。

2.1 核心作用

? 存儲 PostgreSQL 集群狀態

etcd 存儲整個 PostgreSQL 集群的元信息和狀態信息，例如：

當前的主節點是誰（Leader）

各節點的健康狀態

Patroni 實例的注冊信息（IP、端口、角色等）

Failover 請求等

這樣，所有節點都可基于 etcd 的一致性視圖做決策，避免分歧。
? 分布式一致性協調器

etcd 基于 Raft 協議，提供分布式系統中一致性的基礎，作用類似：

Zookeeper

Consul

etcd 保證任意節點都能看到相同的集群狀態，從而在故障轉移或主從切換時作出正確判斷。
? 提供鎖機制

Patroni 使用 etcd 的分布式鎖（Leader Key）來決定主節點。

借助 etcd 的 TTL 租約機制，主節點需定期續約，否則失去主控權。

保證只有一個主節點存在（Single Leader），防止腦裂。

2.2 架構示意圖

所有 Patroni 節點向 etcd 注冊自身狀態。

Patroni 主節點持有一個 etcd 的“Leader 鎖”鍵（帶 TTL）。

主節點宕機后 TTL 過期，鎖自動釋放，其他節點競爭新主。

2.3 典型用途

用途	示例系統
服務發現	Kubernetes
配置中心	Istio、Traefik
主備協調	Patroni、TiDB
分布式鎖	主選舉場景

2.4 特性總結

特性	說明
數據一致性	使用 Raft 實現強一致性
高可用部署	支持奇數節點，允許少數節點宕機
分布式鎖	用于主節點選舉
監控 & 續租	主節點失聯自動釋放鎖
易部署	單一二進制與配置文件即可

3. Patroni 簡介

Patroni 是一個開源的 PostgreSQL 高可用（HA）管理工具，專為構建自動化主備切換、健康檢查、集群協調的 PostgreSQL 集群而設計。

它不是數據庫本身，而是一個控制器，負責維護 PostgreSQL 的主從架構，并在主節點宕機時自動選擇一個新主節點，保證服務連續性。

3.1 核心作用

? 自動主從切換

當 Patroni 監測到主庫不可用時，會自動發起主從切換流程。

通過協調系統（如 etcd、Consul、ZooKeeper）選出新的主節點。
? 分布式選主

依賴后端協調服務（如 etcd）的分布式鎖（leader key）機制，確保只有一個主節點存在。

有效防止腦裂（Split-Brain）現象。
? 集群狀態管理

所有 Patroni 節點將自己的狀態（角色、健康、PostgreSQL 配置等）注冊到共享存儲（如 etcd）。

客戶端如 HAProxy、pgbouncer 可以通過 Patroni API 查詢集群健康信息。
? 自動配置 PostgreSQL 復制

Patroni 自動配置 streaming replication（流復制），支持同步或異步模式。

自動處理 pg_hba.conf、主備配置差異、recovery.conf（或 standby.signal）等。
? 提供 REST API 接口

每個節點運行一個 HTTP REST API，可用于：

查詢節點狀態

手動發起 failover/switchover

管理維護模式（pause/resume）

3.2 架構示意圖

+----------------------+????????? +----------------------+
|?? PostgreSQL 主節點? |????????? |?? PostgreSQL 從節點? |
|????? Patroni???????? | <----->? |????? Patroni???????? |
+----------------------+????????? +----------------------+
????????? |???????????????????????????????? |
????????? +-------------+?? +---------------+
????????????????????????? | ??|
???????????????????? +---------+
???????????????????? |? etcd?? |? <- 協調主選舉
???????????????????? +---------+
所有節點通過 etcd 協調主節點身份。

Patroni 定期健康檢查本地 PostgreSQL，并與集群中其他節點同步狀態。

3.3 配套工具

工具/組件	作用
etcd / Consul	分布式一致性協調
HAProxy / pgbouncer	客戶端連接負載均衡
WAL-G / Barman	備份與恢復

3.4 Patroni vs 其它 HA 方案

特性	Patroni	Pgpool-II	repmgr
主從切換	自動	半自動（需配置）	自動或手動
狀態協調	etcd/Consul 支持	無狀態或 Watchdog	無（自己維護）
配置自動化	高	中	中
架構復雜度	中	高（需 watchdog）	低（輕量）

4. HAProxy 簡介

在 PostgreSQL 高可用集群中，HAProxy 充當的是客戶端訪問的統一入口，起到流量轉發、負載均衡、故障切換引導的作用。

4.1 核心作用

? 客戶端統一訪問入口

無論 PostgreSQL 的主節點如何切換，客戶端始終通過 HAProxy 的 IP 和端口連接。

客戶端無需知道誰是當前主節點，避免頻繁改配置。
? 主從識別自動轉發

HAProxy 可結合 Patroni 的 REST API 判斷當前主庫。

根據主備角色，將寫請求轉發到主庫，將讀請求轉發到從庫（可實現讀寫分離）。
? 負載均衡

在讀請求場景中（例如只讀查詢、BI分析），HAProxy 可將請求負載均衡到多個只讀從庫。
? 健康檢查

自動探測數據庫節點是否在線。

可通過 TCP 檢查 PostgreSQL 端口、或調用 Patroni 的 /health HTTP API 返回狀態。
? 支持 VIP 高可用

多個 HAProxy 節點 + VIP 浮動可實現自身的高可用，不再是單點。

4.2 架構示意圖

HAProxy 架構圖（結合 Patroni）

+-------------+??????? +------------------+
|?? 客戶端???? | -----> |?? HAProxy 節點??? |
+-------------+??????? +--------+---------+
?????????????????????????????? |
???????? +---------------------+---------------------+
?? ??????|???????????????????? |???????????????????? |
+-------------+?? +-------------------+?? +-------------------+
| Patroni 主庫 |?? | Patroni 從庫 1??? |?? | Patroni 從庫 2??? |
+-------------+?? +-------------------+?? +-------------------+

4.3 示例場景

功能需求	HAProxy 配置方式
主庫寫請求	frontend → backend 主節點（只選 leader）
從庫讀請求	frontend → backend 所有 follower 節點
健康檢查	每隔幾秒請求 Patroni API
故障自動切換	新主上線后自動切換到新主
多個 HAProxy 節點	使用 Keepalived + VIP

4.4 示例配置片段

主庫健康檢查：
frontend pgsql_front
??? bind *:5432
??? default_backend pgsql_primary

backend pgsql_primary
??? option httpchk GET /master
??? server node1 192.168.1.101:5432 check port 8008
??? server node2 192.168.1.102:5432 check port 8008
??? server node3 192.168.1.103:5432 check port 8008
說明：

port 8008 是 Patroni 默認的 HTTP API 端口。

GET /master 是自定義腳本或 HTTP 返回判斷是否為主庫。

4.5 特性總結

功能	說明
寫請求引導	只連接主庫，防止寫入從庫
讀寫分離	可配置多個 frontend/backend
故障自動繞行	通過健康檢查繞過不可用節點
無感主備切換	客戶端無需關心實際主節點地址

5. Keepalived 簡介

在 PostgreSQL 高可用架構中，Keepalived 的主要作用是：通過 VRRP 協議提供高可用的虛擬IP（VIP）漂移機制，確保即使服務節點發生故障，客戶端仍然能通過一個固定 IP 無縫訪問數據庫或中間件（如 HAProxy），實現 PostgreSQL 集群訪問地址的高可用。

5.1 核心作用

? 虛擬 IP (VIP) 漂移

Keepalived 運行在多個節點上，多個節點共享一個 VIP（Virtual IP）。

其中一個節點是 MASTER，持有該 VIP，其他為 BACKUP。

MASTER 節點宕機時，VIP 自動漂移到 BACKUP 節點，實現 IP 的高可用。

? 服務可用性監控

Keepalived 可配置腳本或進程監控（如 HAProxy、PostgreSQL）。

若檢測到服務失敗，可主動釋放 VIP 并由其它節點接管。

? 實現無單點的訪問入口

通常結合 HAProxy 或 Pgpool-II 使用，確保即使一個代理節點宕機，客戶端依然可用。

5.2 架構示意圖

+------------+?? VIP?? +------------+?? +-----------------+
| HAProxy A | <------> | HAProxy B |---| Patroni/Postgres|
| Keepalived|???????? |Keepalived |?? +------------------+
+------------+???????? +------------+

客戶端通過 VIP（如 192.168.1.100:5432）訪問，無感切換。

工作機制簡述：

? Keepalived 使用 VRRP 協議，維持節點優先級（priority）來決定誰持有 VIP。

? 定期心跳檢測：

如果 MASTER 掉線，BACKUP 自動提升為 MASTER，接管 VIP。

當原 MASTER 恢復，可以自動重新接管（可配置）。

5.3 示例配置

vrrp_instance VI_1 {
??? state MASTER
??? interface eth0
??? virtual_router_id 51
??? priority 100
??? advert_int 1
??? authentication {
??????? auth_type PASS
??????? auth_pass 1234
??? }
??? virtual_ipaddress {
??????? 192.168.1.100
??? }
??? track_script {
??????? chk_haproxy
??? }
}

vrrp_script chk_haproxy {
??? script "/etc/keepalived/check_haproxy.sh"
??? interval 2
??? weight -10
}
說明：

priority 決定主備優先級。

track_script 可用于檢測 HAProxy 是否存活。

若腳本返回非 0，則降低優先級，觸發 VIP 漂移。

5.4 特性總結

功能	說明
VIP 漂移	提供固定訪問 IP，屏蔽后端節點變化
節點高可用	后備節點自動接管服務
主備監控	可結合 HAProxy/Pgpool 狀態做切換
零停機切換	客戶端連接不中斷，無感知漂移