La guida mostra come utilizzare l'operatore Postgres di Zalando per eseguire il deployment di cluster Postgres in Google Kubernetes Engine (GKE).
PostgreSQL è un potente sistema di database relazionale a oggetti open source con diversi decenni di sviluppo attivo che gli è valsa una solida reputazione per affidabilità, robustezza delle funzionalità e prestazioni.
Questa guida è rivolta ad amministratori della piattaforma, architetti del cloud e professionisti delle operazioni interessati a eseguire PostgreSQL come applicazione di database su GKE anziché utilizzare Cloud SQL per PostgreSQL.
Obiettivi
- Pianifica ed esegui il deployment dell'infrastruttura GKE per Postgres
- Esegui il deployment e configura l'operatore Postgres di Zalando
- Configura Postgres utilizzando l'operatore per garantire disponibilità, sicurezza, osservabilità e prestazioni
Vantaggi
Zalando offre i seguenti vantaggi:
- Un modo dichiarativo e nativo di Kubernetes per gestire e configurare i cluster PostgreSQL
- Alta disponibilità fornita da Patroni
- Supporto per la gestione dei backup mediante bucket Cloud Storage
- Aggiornamenti in sequenza delle modifiche al cluster Postgres, inclusi aggiornamenti rapidi delle versioni minori
- Gestione declarative dell'utente con generazione e rotazione delle password utilizzando risorse personalizzate
- Supporto di TLS, rotazione dei certificati e pool di connessioni
- Clonazione del cluster e replica dei dati
Architettura di deployment
In questo tutorial utilizzerai l'operatore Zalando Postgres per eseguire il deployment e configurare un cluster PostgreSQL ad alta disponibilità in GKE. Il cluster ha una replica leader e due repliche di standby (di sola lettura) gestite da Patroni. Patroni è una soluzione open source manutenuta da Zalando per fornire a Postgres funzionalità di alta disponibilità e failover automatico. In caso di errore del leader, una replica di standby viene promossa automaticamente a ruolo leader.
Esegui inoltre il deployment di un cluster GKE regionale ad alta disponibilità per Postgres, con più nodi Kubernetes distribuiti su diverse zone di disponibilità. Questa configurazione contribuisce a garantire tolleranza di errore, scalabilità e ridondanza geografica. Consente aggiornamenti e manutenzione incrementali, fornendo al contempo SLA per uptime e disponibilità. Per ulteriori informazioni, consulta Cluster regionali.
Il seguente diagramma mostra un cluster Postgres in esecuzione su più nodi e zone in un cluster GKE:
Nel diagramma, Postgres StatefulSet
è distribuito su tre nodi in tre zone diverse. Puoi controllare il modo in cui GKE viene eseguito sui nodi impostando le regole di affinità e anti-affinità dei pod richieste nella specifica della risorsa personalizzata postgresql
. Se una zona non funziona, utilizzando la configurazione consigliata, GKE riprogramma i pod su altri nodi disponibili nel cluster. Per
conservare i dati, utilizza i dischi SSD (premium-rwo
StorageClass), che sono
consigliati nella maggior parte dei casi per i database con carichi elevati a causa della loro
bassa latenza e degli IOPS elevati.
Costi
In questo documento utilizzi i seguenti componenti fatturabili di Google Cloud:
Per generare una stima dei costi basata sull'utilizzo previsto,
utilizza il Calcolatore prezzi.
Al termine delle attività descritte in questo documento, puoi evitare la fatturazione continua eliminando le risorse che hai creato. Per ulteriori informazioni, consulta la sezione Pulizia.
Prima di iniziare
Cloud Shell è preinstallato con il software di cui hai bisogno per questo tutorial, tra cui kubectl
, gcloud CLI, Helm e Terraform. Se non utilizzi Cloud Shell, devi installare gcloud CLI.
- Sign in to your Google Cloud account. If you're new to Google Cloud, create an account to evaluate how our products perform in real-world scenarios. New customers also get $300 in free credits to run, test, and deploy workloads.
- Install the Google Cloud CLI.
-
To initialize the gcloud CLI, run the following command:
gcloud init
-
Create or select a Google Cloud project.
-
Create a Google Cloud project:
gcloud projects create PROJECT_ID
Replace
PROJECT_ID
with a name for the Google Cloud project you are creating. -
Select the Google Cloud project that you created:
gcloud config set project PROJECT_ID
Replace
PROJECT_ID
with your Google Cloud project name.
-
-
Make sure that billing is enabled for your Google Cloud project.
-
Enable the Compute Engine, IAM, GKE, Backup for GKE APIs:
gcloud services enable compute.googleapis.com
iam.googleapis.com container.googleapis.com gkebackup.googleapis.com - Install the Google Cloud CLI.
-
To initialize the gcloud CLI, run the following command:
gcloud init
-
Create or select a Google Cloud project.
-
Create a Google Cloud project:
gcloud projects create PROJECT_ID
Replace
PROJECT_ID
with a name for the Google Cloud project you are creating. -
Select the Google Cloud project that you created:
gcloud config set project PROJECT_ID
Replace
PROJECT_ID
with your Google Cloud project name.
-
-
Make sure that billing is enabled for your Google Cloud project.
-
Enable the Compute Engine, IAM, GKE, Backup for GKE APIs:
gcloud services enable compute.googleapis.com
iam.googleapis.com container.googleapis.com gkebackup.googleapis.com -
Grant roles to your user account. Run the following command once for each of the following IAM roles:
roles/storage.objectViewer, roles/container.admin, roles/iam.serviceAccountAdmin, roles/compute.admin, roles/gkebackup.admin, roles/monitoring.viewer
gcloud projects add-iam-policy-binding PROJECT_ID --member="user:USER_IDENTIFIER" --role=ROLE
- Replace
PROJECT_ID
with your project ID. -
Replace
USER_IDENTIFIER
with the identifier for your user account. For example,user:myemail@example.com
. - Replace
ROLE
with each individual role.
- Replace
Configura l'ambiente
Per configurare l'ambiente:
Imposta le variabili di ambiente:
export PROJECT_ID=PROJECT_ID export KUBERNETES_CLUSTER_PREFIX=postgres export REGION=us-central1
Sostituisci
PROJECT_ID
con il tuo ID progetto Google Cloud.Clona il repository GitHub:
git clone https://github.com/GoogleCloudPlatform/kubernetes-engine-samples
Passa alla directory di lavoro:
cd kubernetes-engine-samples/databases/postgres-zalando
Crea l'infrastruttura del cluster
In questa sezione esegui uno script Terraform per creare un cluster GKE regionale privato e ad alta disponibilità.
Puoi installare l'operatore utilizzando un cluster standard o Autopilot.
Standard
Il seguente diagramma mostra un cluster GKE regionale privato standard di cui è stato eseguito il deployment in tre zone diverse:
Esegui il deployment di questa infrastruttura:
export GOOGLE_OAUTH_ACCESS_TOKEN=$(gcloud auth print-access-token)
terraform -chdir=terraform/gke-standard init
terraform -chdir=terraform/gke-standard apply \
-var project_id=${PROJECT_ID} \
-var region=${REGION} \
-var cluster_prefix=${KUBERNETES_CLUSTER_PREFIX}
Quando richiesto, digita yes
. Il completamento di questo comando potrebbe richiedere diversi minuti e il cluster potrebbe mostrare uno stato di disponibilità.
Terraform crea le seguenti risorse:
- Una rete VPC e una subnet privata per i nodi Kubernetes
- Un router per accedere a internet tramite NAT
- Un cluster GKE privato nella regione
us-central1
- Un pool di nodi con la scalabilità automatica abilitata (da uno a due nodi per zona, minimo un nodo per zona)
- Un
ServiceAccount
con autorizzazioni di logging e monitoraggio - Backup per GKE per il ripristino di emergenza
- Google Cloud Managed Service per Prometheus per il monitoraggio dei cluster
L'output è simile al seguente:
...
Apply complete! Resources: 14 added, 0 changed, 0 destroyed.
...
Autopilot
Il seguente diagramma mostra un cluster GKE Autopilot regionale privato:
Esegui il deployment dell'infrastruttura:
export GOOGLE_OAUTH_ACCESS_TOKEN=$(gcloud auth print-access-token)
terraform -chdir=terraform/gke-autopilot init
terraform -chdir=terraform/gke-autopilot apply \
-var project_id=${PROJECT_ID} \
-var region=${REGION} \
-var cluster_prefix=${KUBERNETES_CLUSTER_PREFIX}
Quando richiesto, digita yes
. Il completamento di questo comando potrebbe richiedere diversi minuti e il cluster potrebbe mostrare uno stato di disponibilità.
Terraform crea le seguenti risorse:
- Una rete VPC e una subnet privata per i nodi Kubernetes
- Un router per accedere a internet tramite NAT
- Un cluster GKE privato nella regione
us-central1
- Un
ServiceAccount
con autorizzazione per il logging e il monitoraggio - Google Cloud Managed Service per Prometheus per il monitoraggio dei cluster
L'output è simile al seguente:
...
Apply complete! Resources: 12 added, 0 changed, 0 destroyed.
...
Connettiti al cluster
Configura kubectl
per comunicare con il cluster:
gcloud container clusters get-credentials ${KUBERNETES_CLUSTER_PREFIX}-cluster --region ${REGION}
Esegui il deployment dell'operatore Zalando nel cluster
Esegui il deployment dell'operatore Zalando nel tuo cluster Kubernetes utilizzando un grafico Helm.
Aggiungi il repository del grafico Helm dell'operatore Zalando:
helm repo add postgres-operator-charts https://opensource.zalando.com/postgres-operator/charts/postgres-operator
Crea uno spazio dei nomi per l'operatore Zalando e il cluster Postgres:
kubectl create ns postgres kubectl create ns zalando
Esegui il deployment dell'operatore Zalando utilizzando lo strumento a riga di comando Helm:
helm install postgres-operator postgres-operator-charts/postgres-operator -n zalando \ --set configKubernetes.enable_pod_antiaffinity=true \ --set configKubernetes.pod_antiaffinity_preferred_during_scheduling=true \ --set configKubernetes.pod_antiaffinity_topology_key="topology.kubernetes.io/zone" \ --set configKubernetes.spilo_fsgroup="103"
Non puoi configurare le impostazioni
podAntiAffinity
direttamente nella risorsa personalizzata che rappresenta il cluster Postgres. Imposta invece le impostazionipodAntiAffinity
a livello globale per tutti i cluster Postgres nelle impostazioni dell'operatore.Controlla lo stato del deployment dell'operatore Zalando utilizzando Helm:
helm ls -n zalando
L'output è simile al seguente:
NAME NAMESPACE REVISION UPDATED STATUS CHART APP VERSION postgres-operator zalando 1 2023-10-13 16:04:13.945614 +0200 CEST deployed postgres-operator-1.10.1 1.10.1
Esegui il deployment di Postgres
La configurazione di base per l'istanza del cluster Postgres include i seguenti componenti:
- Tre repliche Postgres: una leader e due repliche di standby.
- L'allocazione delle risorse della CPU di una richiesta di CPU e due limiti di CPU, con richieste e limiti di memoria di 4 GB.
- Tolleranza,
nodeAffinities
etopologySpreadConstraints
configurati per ogni carico di lavoro, garantendo una distribuzione adeguata sui nodi Kubernetes, utilizzando i rispettivi node pool e diverse zone di disponibilità.
Questa configurazione rappresenta la configurazione minima richiesta per creare un cluster Postgres pronto per la produzione.
Il seguente manifest descrive un cluster Postgres:
Questo manifest contiene i seguenti campi:
spec.teamId
: un prefisso per gli oggetti cluster che sceglispec.numberOfInstances
: il numero totale di istanze per un clusterspec.users
: l'elenco di utenti con privilegispec.databases
: l'elenco dei database nel formatodbname: ownername
spec.postgresql
: parametri postgresspec.volume
: parametri di Persistent Diskspec.tolerations
: il modello di pod di tolleranza che consente di pianificare i pod del cluster sui nodipool-postgres
spec.nodeAffinity
: il modello di podnodeAffinity
che indica a GKE che i pod del cluster preferiscono essere pianificati sui nodipool-postgres
.spec.resources
: richieste e limiti per i pod del clusterspec.sidecars
: un elenco di contenitori sidecar contenentipostgres-exporter
Per ulteriori informazioni, consulta Cluster manifest reference nella documentazione di Postgres.
Crea un cluster Postgres di base
Crea un nuovo cluster Postgres utilizzando la configurazione di base:
kubectl apply -n postgres -f manifests/01-basic-cluster/my-cluster.yaml
Questo comando crea una risorsa personalizzata PostgreSQL dell'operatore Zalando con:
- Richieste e limiti di CPU e memoria
- Incompatibilità e affinità per distribuire le repliche dei pod di cui è stato eseguito il provisioning tra i nodi GKE.
- Un database
- Due utenti con autorizzazioni di proprietario del database
- Un utente senza autorizzazioni
Attendi che GKE avvii i carichi di lavoro richiesti:
kubectl wait pods -l cluster-name=my-cluster --for condition=Ready --timeout=300s -n postgres
Il completamento di questo comando potrebbe richiedere alcuni minuti.
Verifica che GKE abbia creato i workload Postgres:
kubectl get pod,svc,statefulset,deploy,pdb,secret -n postgres
L'output è simile al seguente:
NAME READY STATUS RESTARTS AGE pod/my-cluster-0 1/1 Running 0 6m41s pod/my-cluster-1 1/1 Running 0 5m56s pod/my-cluster-2 1/1 Running 0 5m16s pod/postgres-operator-db9667d4d-rgcs8 1/1 Running 0 12m NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE service/my-cluster ClusterIP 10.52.12.109 <none> 5432/TCP 6m43s service/my-cluster-config ClusterIP None <none> <none> 5m55s service/my-cluster-repl ClusterIP 10.52.6.152 <none> 5432/TCP 6m43s service/postgres-operator ClusterIP 10.52.8.176 <none> 8080/TCP 12m NAME READY AGE statefulset.apps/my-cluster 3/3 6m43s NAME READY UP-TO-DATE AVAILABLE AGE deployment.apps/postgres-operator 1/1 1 1 12m NAME MIN AVAILABLE MAX UNAVAILABLE ALLOWED DISRUPTIONS AGE poddisruptionbudget.policy/postgres-my-cluster-pdb 1 N/A 0 6m44s NAME TYPE DATA AGE secret/my-user.my-cluster.credentials.postgresql.acid.zalan.do Opaque 2 6m45s secret/postgres.my-cluster.credentials.postgresql.acid.zalan.do Opaque 2 6m44s secret/sh.helm.release.v1.postgres-operator.v1 helm.sh/release.v1 1 12m secret/standby.my-cluster.credentials.postgresql.acid.zalan.do Opaque 2 6m44s secret/zalando.my-cluster.credentials.postgresql.acid.zalan.do Opaque 2 6m44s
L'operatore crea le seguenti risorse:
- Un StatefulSet Postgres, che controlla tre repliche di pod per Postgres
- Un
PodDisruptionBudgets
, che garantisce almeno una replica disponibile - Il servizio
my-cluster
, che ha come target solo la replica leader - Il servizio
my-cluster-repl
, che espone la porta Postgres per le connessioni in entrata e per la replica tra le repliche di Postgres - Il servizio headless
my-cluster-config
per ottenere l'elenco delle repliche dei pod Postgres in esecuzione - Secret con le credenziali utente per accedere al database e alla replica tra i nodi Postgres
Eseguire l'autenticazione in Postgres
Puoi creare utenti Postgres e assegnargli le autorizzazioni di database. Ad esempio, il seguente manifest descrive una risorsa personalizzata che assegna utenti e ruoli:
apiVersion: "acid.zalan.do/v1"
kind: postgresql
metadata:
name: my-cluster
spec:
...
users:
mydatabaseowner:
- superuser
- createdb
myuser: []
databases:
mydatabase: mydatabaseowner
In questo manifest:
- L'utente
mydatabaseowner
ha i ruoliSUPERUSER
eCREATEDB
, che consentono diritti di amministratore completi (ad es. gestire la configurazione di Postgres, creare nuovi database, tabelle e utenti). Non devi condividere questo utente con i clienti. Ad esempio, Cloud SQL non consente ai clienti di avere accesso agli utenti con il ruoloSUPERUSER
. - All'utente
myuser
non sono stati assegnati ruoli. Questo segue la best practice di utilizzareSUPERUSER
per creare utenti con privilegi minimi. I diritti granulari vengono concessi amyuser
damydatabaseowner
. Per mantenere la sicurezza, devi condividere le credenzialimyuser
solo con le applicazioni client.
Memorizzare le password
Devi utilizzare il scram-sha-256
metodo consigliato per l'archiviazione delle password. Ad esempio, il manifest seguente descrive una risorsa personalizzata che specifica la crittografia scram-sha-256
utilizzando il campo postgresql.parameters.password_encryption
:
apiVersion: "acid.zalan.do/v1"
kind: postgresql
metadata:
name: my-cluster
spec:
...
postgresql:
parameters:
password_encryption: scram-sha-256
Ruota le credenziali utente
Puoi
ruotare le credenziali utente
che sono archiviate nei secret di Kubernetes con Zalando. Ad esempio, il seguente manifest descrive una risorsa personalizzata che definisce la rotazione delle credenziali utente utilizzando il campo usersWithSecretRotation
:
apiVersion: "acid.zalan.do/v1"
kind: postgresql
metadata:
name: my-cluster
spec:
...
usersWithSecretRotation:
- myuser
- myanotheruser
- ...
Esempio di autenticazione: connessione a Postgres
Questa sezione mostra come eseguire il deployment di un client Postgres di esempio e connetterti al database utilizzando la password di un segreto Kubernetes.
Esegui il pod client per interagire con il cluster Postgres:
kubectl apply -n postgres -f manifests/02-auth/client-pod.yaml
Le credenziali degli utenti
myuser
emydatabaseowner
vengono prese dai secret correlati e montate come variabili di ambiente nel pod.Collega il pod quando è pronto:
kubectl wait pod postgres-client --for=condition=Ready --timeout=300s -n postgres kubectl exec -it postgres-client -n postgres -- /bin/bash
Connettiti a Postgres e prova a creare una nuova tabella utilizzando le credenziali
myuser
:PGPASSWORD=$CLIENTPASSWORD psql \ -h my-cluster \ -U $CLIENTUSERNAME \ -d mydatabase \ -c "CREATE TABLE test (id serial PRIMARY KEY, randomdata VARCHAR ( 50 ) NOT NULL);"
Il comando dovrebbe non riuscire con un errore simile al seguente:
ERROR: permission denied for schema public LINE 1: CREATE TABLE test (id serial PRIMARY KEY, randomdata VARCHAR...
Il comando non va a buon fine perché gli utenti senza privilegi assegnati per impostazione predefinita possono solo accedere a Postgres ed elencare i database.
Crea una tabella con le credenziali
mydatabaseowner
e concedi tutti i privilegi sulla tabella amyuser
:PGPASSWORD=$OWNERPASSWORD psql \ -h my-cluster \ -U $OWNERUSERNAME \ -d mydatabase \ -c "CREATE TABLE test (id serial PRIMARY KEY, randomdata VARCHAR ( 50 ) NOT NULL);GRANT ALL ON test TO myuser;GRANT ALL ON SEQUENCE test_id_seq TO myuser;"
L'output è simile al seguente:
CREATE TABLE GRANT GRANT
Inserisci dati casuali nella tabella utilizzando le credenziali
myuser
:for i in {1..10}; do DATA=$(tr -dc A-Za-z0-9 </dev/urandom | head -c 13) PGPASSWORD=$CLIENTPASSWORD psql \ -h my-cluster \ -U $CLIENTUSERNAME \ -d mydatabase \ -c "INSERT INTO test(randomdata) VALUES ('$DATA');" done
L'output è simile al seguente:
INSERT 0 1 INSERT 0 1 INSERT 0 1 INSERT 0 1 INSERT 0 1 INSERT 0 1 INSERT 0 1 INSERT 0 1 INSERT 0 1 INSERT 0 1
Ottieni i valori inseriti:
PGPASSWORD=$CLIENTPASSWORD psql \ -h my-cluster \ -U $CLIENTUSERNAME \ -d mydatabase \ -c "SELECT * FROM test;"
L'output è simile al seguente:
id | randomdata ----+--------------- 1 | jup9HYsAjwtW4 2 | 9rLAyBlcpLgNT 3 | wcXSqxb5Yz75g 4 | KoDRSrx3muD6T 5 | b9atC7RPai7En 6 | 20d7kC8E6Vt1V 7 | GmgNxaWbkevGq 8 | BkTwFWH6hWC7r 9 | nkLXHclkaqkqy 10 | HEebZ9Lp71Nm3 (10 rows)
Esci dalla shell del pod:
exit
Informazioni su come Prometheus raccoglie le metriche per il cluster Postgres
Il seguente diagramma mostra come funziona la raccolta delle metriche Prometheus:
Nel diagramma, un cluster privato GKE contiene:
- Un pod Postgres che raccoglie le metriche sul percorso
/
e sulla porta9187
- Raccoglitori basati su Prometheus che elaborano le metriche del pod Postgres
- Una risorsa
PodMonitoring
che invia le metriche a Cloud Monitoring
Google Cloud Managed Service per Prometheus supporta la raccolta delle metriche nel formato Prometheus. Cloud Monitoring utilizza una dashboard integrata per le metriche di Postgres.
Zalando espone le metriche del cluster nel formato Prometheus utilizzando il componente postgres_exporter come contenitore sidecar.
Crea la
PodMonitoring
risorsa per eseguire lo scraping delle metriche perlabelSelector
:kubectl apply -n postgres -f manifests/03-prometheus-metrics/pod-monitoring.yaml
Nella console Google Cloud, vai alla pagina Dashboard dei cluster GKE.
Vai alla dashboard dei cluster GKE
La dashboard mostra un tasso di importazione delle metriche diverso da zero.
Nella console Google Cloud, vai alla pagina Dashboard.
Apri la dashboard Panoramica di Prometheus per PostgreSQL. La dashboard mostra il numero di righe recuperate. Il provisioning automatico della dashboard potrebbe richiedere diversi minuti.
Connettiti al pod client:
kubectl exec -it postgres-client -n postgres -- /bin/bash
Inserisci dati casuali:
for i in {1..100}; do DATA=$(tr -dc A-Za-z0-9 </dev/urandom | head -c 13) PGPASSWORD=$CLIENTPASSWORD psql \ -h my-cluster \ -U $CLIENTUSERNAME \ -d mydatabase \ -c "INSERT INTO test(randomdata) VALUES ('$DATA');" done
Aggiorna la pagina. I grafici Righe e Blocchi si aggiornano per mostrare lo stato effettivo del database.
Esci dalla shell del pod:
exit
Esegui la pulizia
Elimina il progetto
Delete a Google Cloud project:
gcloud projects delete PROJECT_ID
Elimina singole risorse
Imposta le variabili di ambiente.
export PROJECT_ID=${PROJECT_ID} export KUBERNETES_CLUSTER_PREFIX=postgres export REGION=us-central1
Esegui il comando
terraform destroy
:export GOOGLE_OAUTH_ACCESS_TOKEN=$(gcloud auth print-access-token) terraform -chdir=terraform/FOLDER destroy \ -var project_id=${PROJECT_ID} \ -var region=${REGION} \ -var cluster_prefix=${KUBERNETES_CLUSTER_PREFIX}
Sostituisci
FOLDER
congke-autopilot
ogke-standard
.Quando richiesto, digita
yes
.Trova tutti i dischi scollegati:
export disk_list=$(gcloud compute disks list --filter="-users:* AND labels.name=${KUBERNETES_CLUSTER_PREFIX}-cluster" --format "value[separator=|](name,zone)")
Elimina i dischi:
for i in $disk_list; do disk_name=$(echo $i| cut -d'|' -f1) disk_zone=$(echo $i| cut -d'|' -f2|sed 's|.*/||') echo "Deleting $disk_name" gcloud compute disks delete $disk_name --zone $disk_zone --quiet done
Elimina il repository GitHub:
rm -r ~/kubernetes-engine-samples/
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