「在 Kubernetes 上运行 Pgpool-Il」实现 PostgreSQL 查询(读)负载均衡和连接池

介绍如何在 Kubernetes 上运行 Pgpool-II 实现 PostgreSQL 读查询负载均衡和连接池。

介绍

因为 PostgreSQL 是一个有状态的应用程序，并且管理 PostgreSQL 有非常具体的要求（例如备份、恢复、自动故障转移等），Kubernetes 的内置功能无法处理这些任务。 因此，需要一个扩展 Kubernetes 功能以创建和管理 PostgreSQL 的 Operator。

PostgreSQL operator 有好几种，比如 Crunchy PostgreSQL Operator、Zalando PostgreSQL Operator 和 KubeDB。但是，这些 operator 不提供查询负载均衡功能。

• Crunchy PostgreSQL Operator
  • https://github.com/CrunchyData/postgres-operator
• Zalando PostgreSQL Operator
  • https://github.com/zalando/postgres-operator
• KubeDB
  • https://github.com/kubedb/operator

结合 PostgreSQL Operator 和 Pgpool-II 在 Kubernetes 上部署具有查询负载均衡和连接池能力的 PostgreSQL 集群。Pgpool-II 可以与上面提到的任何 PostgreSQL Operator 结合使用。

架构

前提条件

在开始配置过程之前，请检查以下前提条件。

• 确保你有一个 Kubernetes 集群，并且安装了 kubectl。
• PostgreSQL Operator 和 PostgreSQL cluster 已安装。

部署 Pgpool-II

Kubernetes 不需要 Pgpool-II 的健康检查、自动故障转移、watchdog 和在线恢复功能。 您只需要启用负载平衡和连接池。

Pgpool-II pod 应该使用以下最低配置：

backend_hostname0 = '<primary service name>'
backend_hostname1 = '<replica service name>'
backend_port0 = '5432'
backend_port1 = '5432'
backend_flag0 = 'ALWAYS_PRIMARY|DISALLOW_TO_FAILOVER'
backend_flag1 = 'DISALLOW_TO_FAILOVER'

failover_on_backend_error = off

sr_check_period = 10                         (when using streaming replication check)
sr_check_user='username of PostgreSQL user'  (when using streaming replication check)

load_balance_mode = on
connection_cache = on
listen_addresses = '*'

有两种配置 Pgpool-II 的方法。

1. 使用环境变量
   • https://kubernetes.io/docs/tasks/inject-data-application/define-environment-variable-container/
2. 使用 ConfigMap
   • https://kubernetes.io/docs/concepts/configuration/configmap/

您可能需要在生产环境中配置客户端身份验证和更多参数。在生产环境中，我们建议使用 ConfigMap 来配置 pgpool.conf 和 pool_hba.conf。

使用环境变量配置 Pgpool-II

Kubernetes 环境变量可以传递给 pod 中的容器。您可以在部署清单中定义环境变量来配置 Pgpool-II 的参数。pgpool-deploy-minimal.yaml 是一个示例清单，包括环境变量的最小设置。您可以下载 pgpool-deploy-minimal.yaml 并修改此清单中的环境变量。

$ curl -LO https://raw.githubusercontent.com/pgpool/pgpool2_on_k8s/master/pgpool-deploy-minimal.yaml

以 PGPOOL_PARAMS_ 开头的环境变量可以转换为 Pgpool-II 的配置参数，这些值可以覆盖默认设置。

在 Kubernetes 上，您只需要指定两个后端节点。根据您的 PostgreSQL 集群信息更新 pgpool-deploy-minimal.yaml。将主服务名称指定为 backend_hostname0。将副本服务名称指定为 backend_hostname1。因为故障转移由 Kubernetes 管理，所以将 DISALLOW_TO_FAILOVER 标志指定给两个节点的 backend_flag，并将 ALWAYS_PRIMARY 标志指定给 backend_flag0。 backend_data_directory 的设置不是必需的。

• backend_hostname
  • https://www.pgpool.net/docs/42/en/html/runtime-config-backend-settings.html#GUC-BACKEND-HOSTNAME
• backend_flag
  • https://www.pgpool.net/docs/42/en/html/runtime-config-backend-settings.html#GUC-BACKEND-FLAG
• backend_data_directory
  • https://www.pgpool.net/docs/42/en/html/runtime-config-backend-settings.html#GUC-BACKEND-DATA-DIRECTORY

例如，清单中定义的以下环境变量，

env:
- name: PGPOOL_PARAMS_BACKEND_HOSTNAME0
  value: "mypostgres"
- name: PGPOOL_PARAMS_BACKEND_HOSTNAME1
  value: "mypostgres-replica"
- name: PGPOOL_PARAMS_BACKEND_FLAG0
  value: "ALWAYS_PRIMARY|DISALLOW_TO_FAILOVER"
- name: PGPOOL_PARAMS_BACKEND_FLAG1
  value: "DISALLOW_TO_FAILOVER"

将在 pgpool.conf 中转换为以下配置参数。

backend_hostname0 = 'mypostgres'
backend_hostname1 = 'mypostgres-replica'
backend_flag0 = 'ALWAYS_PRIMARY|DISALLOW_TO_FAILOVER'
backend_flag1 = 'DISALLOW_TO_FAILOVER'

然后，您需要定义包含 PostgreSQL 用户的用户名和密码的环境变量，用于客户端身份验证。

配置清单后，运行以下命令部署 Pgpool-II。

kubectl apply -f pgpool-deploy-minimal.yaml

使用 ConfigMap 配置 Pgpool-II

或者，您可以使用 Kubernetes ConfigMap 来存储整个 pgpool.conf 和 pool_hba.conf。ConfigMap 可以作为卷挂载到 Pgpool-II 的容器中。

您可以从以下存储库下载定义 ConfigMap 和 Deployment 的示例清单文件。

• pgpool2_on_k8s
  • https://github.com/pgpool/pgpool2_on_k8s

curl -LO https://raw.githubusercontent.com/pgpool/pgpool2_on_k8s/master/pgpool-configmap.yaml
curl -LO https://raw.githubusercontent.com/pgpool/pgpool2_on_k8s/master/pgpool-deploy.yaml

定义 ConfigMap 的清单采用以下格式。您可以根据您的配置偏好对其进行更新。要使用 pool_hba.conf 进行客户端身份验证，您需要打开 enable_pool_hba。 默认为关闭。

• enable_pool_hba
  • https://www.pgpool.net/docs/42/en/html/runtime-config-connection.html#GUC-ENABLE-POOL-HBA

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: pgpool-config
  labels:
    name: pgpool-config
data:
  pgpool.conf: |-
    listen_addresses = '*'
    port = 9999
    socket_dir = '/var/run/pgpool'
    pcp_listen_addresses = '*'
    pcp_port = 9898
    pcp_socket_dir = '/var/run/pgpool'
    backend_hostname0 = 'postgres'
...
  pool_hba.conf: |-
    local   all         all                               trust
    host    all         all         127.0.0.1/32          trust
    host    all         all         ::1/128               trust
    hostssl all         all         0.0.0.0/0             md5

然后，您需要定义包含 PostgreSQL 用户的用户名和密码的环境变量，用于客户端身份验证。

运行以下命令创建 ConfigMap 并部署引用此 ConfigMap 的 Pgpool-II pod。

kubectl apply -f pgpool-configmap.yaml
kubectl apply -f pgpool-deploy.yaml

部署 Pgpool-II 后，您可以使用 kubectl get pod 和 kubectl get svc 命令查看 Pgpool-II pod 和服务。

Pgpool-II 配置

后端设置

在 Kubernetes 上，您只需要指定两个后端节点。指定主服务名称为 backend_hostname0，副本服务名称为 ackend_hostname1。

backend_hostname0 = '<primary service name>'
backend_hostname1 = '<replica service name>'
backend_port0 = '5432'
backend_port1 = '5432'

自动故障转移

Pgpool-II 能够定期连接到已配置的 PostgreSQL 后端并检查 PostgreSQL 的状态。 如果检测到错误，Pgpool-II 将触发故障转移。在 Kubernetes 上，Kubernetes 会监控 PostgreSQL 的 Pod，如果一个 Pod 宕机，Kubernetes 会重启一个新的 Pod。您需要禁用 Pgpool-II 的自动故障转移，因为 Kubernetes 不需要 Pgpool-II 的自动故障转移。

将 PostgreSQL node 0 指定为主节点 (ALWAYS_PRIMARY)，因为即使主节点或副本 pod 扩展、重新启动或发生故障转移，服务名称也不会更改。

backend_flag0 ='ALWAYS_PRIMARY|DISALLOW_TO_FAILOVER'
backend_flag1 ='DISALLOW_TO_FAILOVER'
failover_on_backend_error = off

将密码注册到 pool_passwd

Pgpool-II 使用包含 PostgreSQL 用户密码的 pool_passwd 文件执行身份验证。

• pool_passwd
  • https://www.pgpool.net/docs/42/en/html/runtime-config-connection.html#GUC-POOL-PASSWD

在 Pgpool-II pod 启动时，Pgpool-II 自动执行 pg_md5 命令，根据 <some string>_USERNAME 和 <some string>_PASSWORD 格式定义的环境变量生成 pool_passwd。

• pg_md5
  • https://www.pgpool.net/docs/42/en/html/pg-md5.html

代表 PostgreSQL 用户的用户名和密码的环境变量必须按以下格式定义：

username: <some string>_USERNAME
password: <some string>_PASSWORD

使用 Secret 定义环境变量是保证用户凭据安全的推荐方法。在大多数 PostgreSQL Operators 中，创建 PostgreSQL 集群时会自动创建几个定义 PostgreSQL 用户凭据的 Secret。 使用 kubectl get secret 命令检查现有的 Secret。

例如，创建 mypostgres-postgres-secret 来存储 postgres 用户的用户名和密码。 要引用这个 secret，您可以定义如下环境变量：

env:
- name: POSTGRES_USERNAME
  valueFrom:
     secretKeyRef:
       name: mypostgres-postgres-secret
       key: username
- name: POSTGRES_PASSWORD
  valueFrom:
     secretKeyRef:
       name: mypostgres-postgres-secret
       key: password

启动 Pgpool-II pod 时，会在 /opt/pgpool-II/etc 下自动生成 pool_passwd 和 pcp.conf。

$ kubectl exec <pgpool pod> -it -- cat /opt/pgpool-II/etc/pool_passwd
postgres:md53175bce1d3201d16594cebf9d7eb3f9d

$ kubectl exec <pgpool pod> -it -- cat /opt/pgpool-II/etc/pcp.conf
postgres:e8a48653851e28c69d0506508fb27fc5

流复制检查

Pgpool-II 能够定期连接到已配置的 PostgreSQL 后端并检查复制延迟。要使用此功能，需要 sr_check_user 和 sr_check_password。如果 sr_check_password 留空，Pgpool-II 将尝试从 pool_passwd 获取 sr_check_user 的密码。

• sr_check_user
  • https://www.pgpool.net/docs/42/en/html/runtime-streaming-replication-check.html#GUC-SR-CHECK-USER
• sr_check_password
  • https://www.pgpool.net/docs/42/en/html/runtime-streaming-replication-check.html#GUC-SR-CHECK-PASSWORD

下面是一个使用 postgres 用户每隔 10 秒连接到 PostgreSQL 以执行流式复制检查的示例。因为 sr_check_password 留空，所以 Pgpool-II 会从 pool_passwd 中获取 postgres 用户的密码。

sr_check_period = 10
sr_check_user='postgres'

创建 secret 存储 sr_check_user 中指定的 PostgreSQL 用户的用户名和密码，并配置环境变量以引用创建的 Secret。 在大多数 PostgreSQL Operators 中，创建 PostgreSQL 集群时会自动创建几个定义 PostgreSQL 用户凭据的 secret。使用 kubectl get secret 命令检查现有的 secret。

例如，下面的环境变量引用了 Secret mypostgres-postgres-secret。

env:
- name: POSTGRES_USERNAME
  valueFrom:
     secretKeyRef:
       name: mypostgres-postgres-secret
       key: username
- name: POSTGRES_PASSWORD
  valueFrom:
     secretKeyRef:
       name: mypostgres-postgres-secret
       key: password

但是，在 Kubernetes 上，Pgpool-II 连接到任何副本，而不是连接到所有副本。 即使有多个副本，Pgpool-II 也将它们作为一个副本进行管理。因此，Pgpool-II 可能无法正确确定复制延迟。要禁用此功能，请配置以下参数：

sr_check_period = 0

SSL 设置

打开 ssl 以启用 SSL 连接。

ssl = on

当 ssl = on 时，在 Pgpool-II 启动时，会在 /opt/pgpool-II/certs/ 下自动生成私钥文件和证书文件。 ssl_key 和 ssl_cert 会自动配置私钥文件和证书文件的路径。

此外，要仅允许 SSL 连接，请将以下记录添加到 pool_hba.conf 中。

hostssl    all         all         0.0.0.0/0             md5

带监控的 Pgpool-II

Pgpool-II Exporter 是 Pgpool-II 指标的 Prometheus 导出器。

• Pgpool-II Exporter
  • https://github.com/pgpool/pgpool2_exporter

示例清单 pgpool-deploy-metrics.yaml 用于在 Pgpool-II Pod 中部署 Pgpool-II 容器和 Pgpool-II Exporter 容器。

spec:
  containers:
  - name: pgpool
    image: pgpool/pgpool
  ...
  - name: pgpool-stats
    image: pgpool/pgpool2_exporter
  ...

下载示例清单 pgpool-deploy-metrics.yaml。

$ curl -LO https://raw.githubusercontent.com/pgpool/pgpool2_on_k8s/master/pgpool-deploy-metrics.yaml

然后，配置 Pgpool-II 和 Pgpool-II Exporter。以下是 Pgpool-II Exporter 容器中用于连接 Pgpool-II 的环境变量的设置。

env:
- name: POSTGRES_USERNAME
  valueFrom:
    secretKeyRef:
      name: mypostgres-postgres-secret
      key: username
- name: POSTGRES_PASSWORD
  valueFrom:
    secretKeyRef:
      name: mypostgres-postgres-secret
      key: password
- name: PGPOOL_SERVICE
  value: "localhost"
- name: PGPOOL_SERVICE_PORT
  value: "9999"

配置 Pgpool-II 和 Pgpool-II Exporter 后，部署 Pgpool-II Pod。

kubectl apply -f pgpool-configmap.yaml
kubectl apply -f pgpool-deploy-metrics.yaml

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