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@t-kataymin株式会社 東芝

Kubernetes operator "Kubegres"で、PostgreSQLのクラスタ化を検証

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最近(2021年4月)Kubegresがリリースされたので使ってみました。本記事では、minikube上でKubegresをインストールして設定する手順をまとめました。

Kubegresはコンテナ管理を自動化するKubernetesのOperatorのひとつで、PostgreSQLのHAクラスタを構築できるものです。また、minikubeはローカルマシン上に簡単にKubernetesクラスタを構築できるツールです。

これらを使ってPostgreSQLを冗長化してみます。Podの構成は以下の図のようになっています。
PostgreSQLサーバ構成

PostgreSQLは、まずは1台のPRIMARYと2台のREPLICAで構成し、あとでREPLICAを1台追加します。アプリケーションを想定したPodを用意し、そこからPostgreSQLにアクセスしてみます。
また、自動フェイルオーバー、Dockerイメージのアップデートの確認も行いました。

今回使用したツールのバージョンは以下のとおりです。

  • kubegres v1.1 (postgres 13.2)
  • minikube v1.18.1
  • kubectl v1.20
  • Docker v20.10.6

minikubeのインストールと起動

  1. 必要なパッケージをインストールします。

    $ sudo apt install conntrack

  2. minikube本体を公式サイトの手順に従ってインストールします。例えば、

    $ curl -LO https://storage.googleapis.com/minikube/releases/latest/minikube-linux-amd64
$ sudo install minikube-linux-amd64 /usr/local/bin/minikube

  3. minikube用にシステムのプロキシを設定します（参考）。プロキシを使わない場合はスキップしてください。

    • 10.96.0.0/12,192.168.99.0/24,192.168.39.0/24 をNO_PROXYに設定する。
    • HTTPプロキシだけでなく、HTTPS_PROXYの設定をお忘れなく。

  4. 起動します。

    $ minikube start --driver=none

  5. 確認します。以下のように表示されればOKです。

    $ minikube profile list
|----------|-----------|---------|-----------|------|---------|---------|-------|
| Profile  | VM Driver | Runtime |    IP     | Port | Version | Status  | Nodes |
|----------|-----------|---------|-----------|------|---------|---------|-------|
| minikube | none      | docker  | 10.0.2.15 | 8443 | v1.20.2 | Running |     1 |
|----------|-----------|---------|-----------|------|---------|---------|-------|

kubectlのインストール

  1. 公式サイトの手順に従ってインストールします。バイナリをダウンロードし、パスの通ったところに配置します。

    $ curl -LO "https://storage.googleapis.com/kubernetes-release/release/$(curl -s https://storage.googleapis.com/kubernetes-release/release/stable.txt)/bin/linux/amd64/kubectl"
$ chmod +x ./kubectl
$ sudo mv ./kubectl /usr/local/bin/kubectl

  2. 確認します。以下のようにバージョンが表示されればOKです。

    $ kubectl version --client
Client Version: version.Info{Major:"1", Minor:"20", GitVersion:"v1.20.5", GitCommit:"6b1d87acf3c8253c123756b9e61dac642678305f", GitTreeState:"clean", BuildDate:"2021-03-18T01:10:43Z", GoVersion:"go1.15.8", Compiler:"gc", Platform:"linux/amd64"}

Kubegresのインストール

こちらも公式サイトの手順に従ってインストールします。

Operatorのインストール

  1. 以下のコマンドを実行します。

    $ kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/reactive-tech/kubegres/v1.1/kubegres.yaml

  2. 確認します。以下のように4つのリソースが表示されればOKです。

    $ kubectl get all -n kubegres-system
NAME                                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE
pod/kubegres-controller-manager-5b6797895c-ph9gj   2/2     Running   0          4m48s

NAME                                                  TYPE        CLUSTER-IP      EXTERNAL-IP   PORT(S)    AGE
service/kubegres-controller-manager-metrics-service   ClusterIP   10.99.241.122   <none>        8443/TCP   4m48s

NAME                                          READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
deployment.apps/kubegres-controller-manager   1/1     1            1           4m48s

NAME                                                     DESIRED   CURRENT   READY   AGE
replicaset.apps/kubegres-controller-manager-5b6797895c   1         1         1       4m48s

PostgreSQLの管理者ユーザの認証情報の設定と適用

  1. my-postgres-secret.yamlファイルを作成し、以下の内容を記述します。

    apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: mypostgres-secret
  namespace: default
type: Opaque
stringData:
  superUserPassword: postgresSuperUserPsw
  replicationUserPassword: postgresReplicaPsw

    superUserPasswordで指定する部分がpostgresユーザのパスワード、replicationUserPasswordで指定する部分がレプリケーション用ユーザのパスワードです。

  2. ファイルが作成できたら、以下のコマンドで適用します。

    $ kubectl apply -f my-postgres-secret.yaml

PostgreSQLのサーバ構成の設定と適用

  1. my-postgres.yamlファイルを作成し、以下の内容を記述します。

    apiVersion: kubegres.reactive-tech.io/v1
kind: Kubegres
metadata:
  name: mypostgres
  namespace: default
spec:
   replicas: 3
   image: postgres:13.2
   database:
      size: 200Mi
      storageClassName: standard
   env:
      - name: POSTGRES_PASSWORD
        valueFrom:
           secretKeyRef:
              name: mypostgres-secret
              key: superUserPassword
      - name: POSTGRES_REPLICATION_PASSWORD
        valueFrom:
           secretKeyRef:
              name: mypostgres-secret
              key: replicationUserPassword

    replicas: 3として、3台のPostgreSQLを起動するように指定します。

  2. ファイルが作成できたら、以下のコマンドで適用します。

    $ kubectl apply -f my-postgres.yaml

これで、PostgreSQLが自動で立ち上がり、レプリケーションが開始されます。

動作確認

動作確認のために、PostgreSQLにアクセスするためのPodを別途用意しました。
そのPodからplsqを使いPRIMARY/REPLICAに接続してみます。

plsq用のPodの作成

  1. 今回、psqlが使えるPodを用意するために、postgres:13.2のイメージを使いました。
    以下の内容をpsql.yamlファイルに記述します。

    apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: psql-pod
  namespace: default  
spec:
  containers:
    - name: psql
      image: postgres:13.2
      env:
      - name: POSTGRES_PASSWORD
        value: pgpwd

  2. ファイルが作成できたら、以下のコマンドで適用します。

    $ kubectl apply -f psql.yaml

PostgreSQLへのアクセス

  • まず以下のコマンドを実行してPodの状態を確認します。3台のPodのステータスがRunningになっていればOKです。

    $ kubectl get pods -o wide
NAME             READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP           NODE       NOMINATED NODE   READINESS GATES
mypostgres-1-0   1/1     Running   0          3m      172.17.0.6   hostname   <none>           <none>
mypostgres-2-0   1/1     Running   0          2m46s   172.17.0.7   hostname   <none>           <none>
mypostgres-3-0   1/1     Running   0          2m34s   172.17.0.8   hostname   <none>           <none>

  • PRIMARYに接続してみます。
    PRIMARYにはmypostgresというホスト名でアクセスできます。
    以下のコマンドでPostgreSQLに接続します。

    $ kubectl exec -it psql-pod -- psql -h mypostgres -U postgres

    ここでパスワードを聞かれるので、my-postgres-secret.yamlファイルで設定したpostgresSuperUserPswを入力します。
    レプリケーション状態を確認します。

    postgres=# SELECT pg_is_in_recovery();
 pg_is_in_recovery 
-------------------
 f
(1 row)

    fが返っているのはPRIMARYとして動作しているということです。
    PRIMARY上でテーブルを作成してみます。

    postgres=# CREATE TABLE tbl(a integer, b text);
postgres=# INSERT INTO tbl VALUES(1, 'AAA');

  • 次にREPLICAに接続してみます。
    やり方はPRIMARYのときと同様です。REPLICAにはmypostgres-replicaというホスト名でアクセスできます。REPLICAは複数台ありますが、Kubegresがそのうちのひとつを自動で選択してくれます。

    $ kubectl exec -it psql-pod -- psql -h mypostgres-replica -U postgres

    レプリケーション状態を確認すると、tが返りREPLICAとして動作していることが確認できます。

    postgres=# SELECT pg_is_in_recovery();
 pg_is_in_recovery 
-------------------
 t
(1 row)

    PRIMARY上で作成したテーブルをSEELCTしてみると、REPLICA上でも見ることができます。

    postgres=# SELECT * FROM tbl;
 a |  b  
---+-----
 1 | AAA
(1 row)

自動フェイルオーバーの確認

ふたつの方法でPRIMARYに異常を発生させてみます。

  1. PRIMARYのPodを落とす方法
  2. PRIMARYのPostgreSQLのプロセスを終了させる方法

PRIMARYのPodを落としてみる

  1. まずPRIMARYのPodを特定します。
    以下のコマンドを実行すると、Endpointsが172.17.0.6になっています。

    $ kubectl describe services mypostgres
Name:              mypostgres
Namespace:         default
Labels:            app=mypostgres
                   replicationRole=primary
Annotations:       <none>
Selector:          app=mypostgres,replicationRole=primary
Type:              ClusterIP
IP Families:       <none>
IP:                None
IPs:               None
Port:              <unset>  5432/TCP
TargetPort:        5432/TCP
Endpoints:         172.17.0.6:5432
Session Affinity:  None
Events:            <none>

    「PostgreSQLへのアクセス」の冒頭で確認したPod状態と照らし合わせると、PRIMARYのPodはmypostgres-1-0であることがわかります。

  2. 次のコマンドでPodを落とします。

    $ kubectl delete pod mypostgres-1-0
pod "mypostgres-1-0" deleted

  3. Podの状態を確認します。
    mypostgres-1-0を落とした直後は、mypostgres-2-0とmypostgres-3-0のみしかありませんが、しばらくするとmypostgres-4-0が自動で立ち上がります。

    $ kubectl get pods -o wide
NAME             READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP           NODE       NOMINATED NODE   READINESS GATES
mypostgres-2-0   1/1     Running   0          16s   172.17.0.6   hostname   <none>           <none>
mypostgres-3-0   1/1     Running   0          69m   172.17.0.8   hostname   <none>           <none>
mypostgres-4-0   1/1     Running   0          16s   172.17.0.7   hostname   <none>           <none>

  4. PRIMARYを確認します。
    これまでと同様に、ホスト名にmypostgresを指定してPRIMARYに接続してみます。

    $ kubectl exec -it psql-pod -- psql -h mypostgres -U postgres
postgres=# SELECT pg_is_in_recovery();
 pg_is_in_recovery 
-------------------
 f
(1 row)

    このようにPodが終了する前と同じ手段でアクセスできることが確認できました。
    以下のように、mypostgres-2-0が新しくPRIMARYになっていました。

    $ kubectl describe services mypostgres | grep Endpoints
Endpoints:         172.17.0.6:5432

このように、自動フェイルオーバー・自動フェイルバックが行われることが確認できました。
PostgreSQLへのアクセスのときの状態と比べてると分かるように、PRIMARYのPod名は変わるものの、以前と変わらず同じホスト名mypostgresでアクセスできます。

PRIMARYのPostgreSQLのプロセスを終了させてみる

  1. 次のコマンドでPod内のプロセスを終了させます。

    $ kubectl exec -it mypostgres-2-0 -- /bin/bash
root@mypostgres-2-0:/# kill 1

  2. Podの状態を確認します。
    プロセスをキルすると、以下のように自動的にPodが終了します。

    $ kubectl get pods -o wide
NAME             READY   STATUS        RESTARTS   AGE     IP           NODE       NOMINATED NODE   READINESS GATES
mypostgres-2-0   0/1     Terminating   1          5m14s   172.17.0.6   hostname   <none>           <none>
mypostgres-3-0   1/1     Running       0          74m     172.17.0.8   hostname   <none>           <none>
mypostgres-4-0   1/1     Running       0          5m1s    172.17.0.7   hostname   <none>           <none>

    しばらくすると、mypostgres-5-0が自動で立ち上がります。

    $ kubectl get pods -o wide
NAME             READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP           NODE       NOMINATED NODE   READINESS GATES
mypostgres-3-0   1/1     Running   0          31s     172.17.0.6   hostname   <none>           <none>
mypostgres-4-0   1/1     Running   0          5m48s   172.17.0.7   hostname   <none>           <none>
mypostgres-5-0   1/1     Running   0          19s     172.17.0.8   hostname   <none>           <none>

    この方法でも自動フェイルオーバーが行われることが確認できました。

REPLICAの追加

「PostgreSQLのサーバ構成の設定と適用」で使用した、my-postgres.yamlファイルを編集します。
このファイルでreplicas: 4としてPostgreSQLサーバ数を4に変更します。

$ kubectl apply -f my-postgres.yaml
$ kubectl get pods -o wide
NAME             READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP           NODE       NOMINATED NODE   READINESS GATES
mypostgres-3-0   1/1     Running   0          12m   172.17.0.6   hostname   <none>           <none>
mypostgres-4-0   1/1     Running   0          17m   172.17.0.7   hostname   <none>           <none>
mypostgres-5-0   1/1     Running   0          11m   172.17.0.8   hostname   <none>           <none>
mypostgres-6-0   1/1     Running   0          14s   172.17.0.9   hostname   <none>           <none>

mypostgres-6-0というPodが立ち上がり、4台構成とすることができました。

Dockerイメージのアップデート

稼働中のPostgreSQLのバージョン（PodのDockerイメージ）を更新してみます。

準備

まず、現在使用しているDockerイメージを確認します。postgres:13.2であることがわかりました。

$ kubectl get pods -o=jsonpath='{range .items[*]}{"\n"}{.metadata.name}{":\t"}{range .spec.containers[*]}{.image}{", "}{end}{end}' |sort

mypostgres-3-0:	postgres:13.2, 
mypostgres-4-0:	postgres:13.2, 
mypostgres-5-0:	postgres:13.2, 
mypostgres-6-0:	postgres:13.2,

今回は新しいイメージとしてpostgres:myversionを作成して、Podに反映させてみます。

DockerイメージのIDを確認し、

$ docker images | grep postgres
postgres                                  13.2       26c8bcd8b719   2 weeks ago     314MB
postgres                                  latest     26c8bcd8b719   2 weeks ago     314MB

新しくタグを切ります。

$ docker tag 26c8bcd8b719 postgres:myversion

アップデートの実施

  1. my-postgres.yamlで、image: postgres:myversionに変更し、適用します。

    $ kubectl apply -f my-postgres.yaml

  2. Podの状態を確認すると、Podがひとつずつ終了して再起動されます。

    $ kubectl get pods -o wide
NAME             READY   STATUS        RESTARTS   AGE   IP           NODE       NOMINATED NODE   READINESS GATES
mypostgres-3-0   1/1     Running       0          27m   172.17.0.6   hostname   <none>           <none>
mypostgres-4-0   1/1     Running       0          32m   172.17.0.7   hostname   <none>           <none>
mypostgres-5-0   1/1     Running       0          26m   172.17.0.8   hostname   <none>           <none>
mypostgres-6-0   0/1     Terminating   0          15m   172.17.0.9   hostname   <none>           <none>

  3. すべてのPodが再起動されたあと、Dockerイメージを確認します。

    $ kubectl get pods -o=jsonpath='{range .items[*]}{"\n"}{.metadata.name}{":\t"}{range .spec.containers[*]}{.image}{", "}{end}{end}' |sort

mypostgres-3-0:	postgres:myversion, 
mypostgres-4-0:	postgres:myversion, 
mypostgres-5-0:	postgres:myversion, 
mypostgres-6-0:	postgres:myversion,

すべてのPodのDockerイメージがpostgres:myversionとなり、ローリングアップデートが行われることが確認できました。

おわりに

Kubegresを使ってPostgreSQL4台でHAクラスタを簡単に構成することができました。
また、Kubegresで自動フェイルオーバー・自動フェイルバック、REPLICA追加およびローリングアップデートを行えることを確認しました。
今回のデフォルトの設定では、PostgreSQL上にはpostgresユーザ、postgresデータベースが作成されます。
任意のユーザあるいはデータベースを作成して起動させる方法は、別途紹介したいと思います。

参考文献

https://www.kubegres.io/
https://kubernetes.io/
https://minikube.sigs.k8s.io/
https://www.sraoss.co.jp/tech-blog/pgsql/kubernetes-postgres-operator/
https://qiita.com/Esfahan/items/f5c846088281c39f73a4

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