在數(shù)字化時(shí)代的今天，我們都認(rèn)同數(shù)據(jù)會創(chuàng)造價(jià)值。為了最大化數(shù)據(jù)的價(jià)值，我們不停的建立著數(shù)據(jù)遷移的管道，從同構(gòu)到異構(gòu)，從關(guān)系型到非關(guān)系型，從云下到云上，從數(shù)倉到數(shù)據(jù)湖，試圖在各種場景挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值。而在這縱橫交錯的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，邏輯復(fù)制扮演著極其重要的角色。

讓我們將視角從復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拉回其中的一個端點(diǎn)，從PostgreSQL出發(fā)，對其邏輯復(fù)制的原理進(jìn)行解密。

概念與原理

邏輯復(fù)制，是基于復(fù)制標(biāo)識復(fù)制數(shù)據(jù)及其變化的一種方法。區(qū)別于物理復(fù)制對頁面操作的描述，邏輯復(fù)制是對事務(wù)及數(shù)據(jù)元組的一種描述。

圖-WAL數(shù)據(jù)流示例

如圖所示，物理復(fù)制的數(shù)據(jù)流是對tablespace/database/filenode文件的塊進(jìn)行操作，而邏輯復(fù)制的內(nèi)容是對元組進(jìn)行描述。

接下來我們來看邏輯復(fù)制中的幾個概念：

*復(fù)制槽

復(fù)制槽是記錄復(fù)制狀態(tài)的一組信息。由于WAL（預(yù)寫式日志）文件在數(shù)據(jù)真正落盤后會刪除，復(fù)制槽會防止過早清理邏輯復(fù)制解析所需的WAL日志。在邏輯復(fù)制中，每個插槽從單個數(shù)據(jù)庫流式傳輸一系列更改，創(chuàng)建復(fù)制槽需要指定其使用的輸出插件，同時(shí)創(chuàng)建復(fù)制槽時(shí)會提供一個快照。

*輸出插件

輸出插件負(fù)責(zé)將WAL日志解碼為可讀的格式，常用的插件用test_decoding(多用來測試)，pgoutput（默認(rèn)使用），wal2json（輸出為json）。PostgreSQL定義了一系列回調(diào)函數(shù)，我們除了使用上述插件，可以通過回調(diào)函數(shù)編寫自己的輸出插件。

圖-復(fù)制槽數(shù)據(jù)流

*復(fù)制協(xié)議與消息

通過復(fù)制協(xié)議，我們可以從源端獲取WAL數(shù)據(jù)流。例如通過PSQL工具建議復(fù)制連接

psql "dbname=postgres replication=database"

開啟流式傳輸WAL

START_REPLICATION[ SLOT slot_name] [ PHYSICAL] XXX/XXX[ TIMELINE tli]

無論是物理復(fù)制，還是邏輯復(fù)制，使用PostgreSQL的發(fā)布訂閱或者pg_basebackup搭建流復(fù)制，都是通過復(fù)制協(xié)議與定義的消息進(jìn)行交互（物理復(fù)制和邏輯復(fù)制數(shù)據(jù)流內(nèi)容不同）

圖- WAL數(shù)據(jù)流消息類型

圖-邏輯復(fù)制中的XLogData消息

*工作流程

當(dāng)我們了解了概念之后，來看一下整個解析的工作流程。由于WAL文件里一個事務(wù)的內(nèi)容并不一定是連續(xù)的，所以需要通過Reorder后放在buffer中，根據(jù)事務(wù)ID組織成一條消息，COMMIT后發(fā)送給輸出插件，輸出插件解析后將消息流發(fā)送給目標(biāo)端。

圖-邏輯解析工作流程

問題與演進(jìn)

當(dāng)我們掌握了邏輯復(fù)制的原理，計(jì)劃使用其構(gòu)建我們的數(shù)據(jù)遷移應(yīng)用之前，我們還有一些問題并沒有解決。讓我們來一起看看是什么亟待解決的問題，以及我們?nèi)绾芜M(jìn)行處理。

*問題一：Failover slot

為了高可用性，數(shù)據(jù)庫至少會存在一主一備的架構(gòu)，當(dāng)主庫故障進(jìn)行高可用切換時(shí)，備庫卻沒有相應(yīng)的復(fù)制槽信息，也就是缺少failover slot。這是由于保存slot信息的物理文件，未同步至備庫。那么我們?nèi)绾问謩觿?chuàng)建一個faliover slot呢？

1. 主庫創(chuàng)建復(fù)制槽，檢查備庫wal文件是否連續(xù)

2. 復(fù)制包含slot信息的物理文件至備庫，在pg_repslot目錄下

3. 備庫重啟，重啟后才可以看到復(fù)制槽信息，原因是讀取slot物理文件的函數(shù)StartupReplicationSlots只會在postmaster進(jìn)程啟動時(shí)調(diào)用。

4. 定期查詢主庫slot狀態(tài)，使用pg_replication_slot_advance函數(shù)推進(jìn)備庫復(fù)制槽

自此，我們在備庫上也有了相應(yīng)的信息，手動實(shí)現(xiàn)了failover slot。PostgreSQL生態(tài)中著名的高可用軟件Patroni也是以這種方式進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，區(qū)別只是在Patroni查詢主庫slot狀態(tài)時(shí)將信息寫入了DCS中，備庫拿到DCS中的位點(diǎn)信息進(jìn)行推進(jìn)。

*問題二：DDL同步

原生的邏輯復(fù)制不支持解析DDL語句，我們可以使用事件觸發(fā)器來進(jìn)行處理。

1. 使用事件觸發(fā)器感知表結(jié)構(gòu)變更，記錄到DDL_RECORD表中，并將該表通過邏輯復(fù)制進(jìn)行發(fā)布。

2. 接收端獲取到該表的數(shù)據(jù)變更，即可處理為相應(yīng)DDL語句進(jìn)行執(zhí)行。

圖-事件觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)DDL同步

*問題三：雙向同步

當(dāng)數(shù)據(jù)遷移涉及雙向同步的管道時(shí)，例如想實(shí)現(xiàn)雙主雙寫，對數(shù)據(jù)庫同一對象進(jìn)行操作，就會出現(xiàn)WAL循環(huán)。

圖-相同表雙向同步導(dǎo)致數(shù)據(jù)循環(huán)

部分DTS應(yīng)用為了解決這個問題會創(chuàng)建輔助表，在事務(wù)中先對輔助表進(jìn)行操作，通過解析到對輔助表的操作而得知該記錄是有DTS應(yīng)用插入，從而過濾該事務(wù)，不再循環(huán)解析。PostgreSQL對事務(wù)提供了Origin記錄，無須輔助表，通過pg_replication_origin_session_setup函數(shù)或者發(fā)布訂閱中的replorigin_create即可指定Origin ID。

指定Origin ID后，我們除了可以解析后通過DTS應(yīng)用進(jìn)行過濾，還也可以通過解析插件中的FilterByOriginCB回調(diào)函數(shù)在解析過程中過濾，這種方式減少了數(shù)據(jù)傳輸，效率更高。

圖-test_decoding中OriginFilter函數(shù)DEMO

*其他問題

除了以上三個問題，還有一些使用的問題或限制。這里列出了一些，不再展開，僅簡要說明。

Toast處理：對于toast值(消息格式中可以判斷)，我們在處理時(shí)一般使用占位符進(jìn)行處理，接收端接收到占位符就不對這一列進(jìn)行處理，雖然有些麻煩，但這也是在和傳輸toast值的方案中權(quán)衡的結(jié)果。

心跳表：由于復(fù)制槽記錄的XMIN是全局的，當(dāng)我們發(fā)布的表一直沒有更新時(shí)，XMIN沒有推進(jìn)導(dǎo)致WAL積壓，我們可以創(chuàng)建一張心跳表，周期性寫入數(shù)據(jù)并發(fā)布，使XMIN進(jìn)行推進(jìn)。

大事務(wù)延遲：根據(jù)前文提到的工作流程我們可以知道默認(rèn)事務(wù)在COMMIT后才會進(jìn)行解析，這對于大事務(wù)來說勢必會導(dǎo)致延遲，PG14版本提供了streamin模式進(jìn)行解析，即事務(wù)進(jìn)行中進(jìn)行解析并發(fā)送至接收端。

應(yīng)用與實(shí)踐

前兩節(jié)我們從原理及問題的角度對PostgreSQL進(jìn)行了解密，接下來我們看如何通過我們掌握的邏輯復(fù)制原理，進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移的應(yīng)用與實(shí)踐。

*全量與增量同步

在真實(shí)的數(shù)據(jù)遷移場景中，大部分都是全量和增量都要同步的場景，并且我們打通了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ篮螅矊@條通道的安全，效率，以及功能的擴(kuò)展，例如清洗，脫敏等ETL能力提出了新的要求。我們先來看一下如何實(shí)現(xiàn)全量與增量的同步。

圖-數(shù)據(jù)流向示意圖

主要流程包括：

1. 創(chuàng)建復(fù)制槽并導(dǎo)出快照

2. 根據(jù)快照進(jìn)行全量數(shù)據(jù)遷移

3. 根據(jù)復(fù)制槽進(jìn)行增量數(shù)據(jù)的遷移

我們使用了PG數(shù)據(jù)庫或者消息隊(duì)列MQ作為數(shù)據(jù)代理，全量與增量解析可以同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)全量數(shù)據(jù)處理完畢后，狀態(tài)機(jī)通知增量處理程序進(jìn)行增量發(fā)布。而對于代理中的數(shù)據(jù)，可以在解析后進(jìn)行預(yù)處理。

*自建實(shí)例遷移上云實(shí)踐

最后和大家分享一個自建實(shí)例遷移上云的實(shí)踐，該案例是將自建的PG10版本實(shí)例遷移至京東云上的RDS PG 11版本，通過對增量數(shù)據(jù)的回流以及數(shù)據(jù)校驗(yàn)保證了數(shù)據(jù)安全與業(yè)務(wù)平穩(wěn)切換。

圖-數(shù)據(jù)遷移上云

DTS應(yīng)用主要分為如下幾個階段：

1. 數(shù)據(jù)檢查階段：檢查主鍵，權(quán)限，配置

2. 數(shù)據(jù)遷移階段：結(jié)構(gòu)，存量，增量數(shù)據(jù)遷移，監(jiān)控遷移狀態(tài)

3. 應(yīng)用遷移階段：切換域名，引入流量

4. 回滾階段：增量數(shù)據(jù)回流，若出現(xiàn)問題可快速回滾。