Bottled Water简介

Bottled Water是Confluent公司开发的一款可以将postgresql数据库转换为kafka events的工具。

Bottled Water可以实时地将postgresql的变化推送至kafka中。有以下几个主要特性:

• 支持postgresql 9.4及以后版本。不限数据库的schema。
• 无需schema changes，无需触发器及额外表。(但是需要添加一个扩展)
• 几乎不影响数据库本身性能。
• 事务一致性的输出。即: 只有写入操作成功commit数据库之后才会将变化写入kafka，顺序与commit顺序一致。
• 容错。在进程崩溃、机器故障、网络中断等情况下不会丢失数据。

为什么使用Bottled Water

在某些场景下，可能需要将数据存储在不止一个数据存储中。比如，为了搜索方便快速，可能会考虑冗余存储一份数据到elasticsearch或某些缓存数据库中；为了迁移到不同的数据库，在迁移过程中也可能会同时存储多种不同的数据库。

这种需求下，常见的一种实现方式是“dual writes”，即应用程序内部做这样的处理 —— 将变更的数据同时并行写入不同的数据库中。如下图所示:

"dual writes"的做法是有隐患的，会受到竞态条件(race conditions)和可靠性问题的影响，造成不同的数据库之间的差异越来越大，最终变得难以修复。

从数据库快照中重建缓存或索引有利于消除从dump重建的不一致性。但是，在一个大型数据库这个过程将是十分缓慢低效的，需要找到一种方案使其更快。

如果能模仿数据库主从之间复制的过程，将数据库的修改变成流，携带每一次修改的消息，并且完全按照写入顺序重放这些修改，那么将得到一份一模一样的数据库，并且这种做法比dual writes效率好，可靠性更高。

一个更加理想的工作流程如下图所示:

Bottled Water就是按照上述工作流程设计的工具，将postgresql的变更存入kafka中。

Bottled Water工作原理

Bottled Water就是模拟数据库主从复制的过程，将数据库的变化写入kafka中。

其中，这个过程使用了postgresql 9.4版本引入的新特性logical decoding，可以从一个数据库中提取出consistent snapshot和连续的change events流，提取出的数据按照行级别推送至kafka中。默认情况下，会在kafka中对每个表创建一个同名topic，以存储change events。

有关逻辑解码(logical decoding)的概念和过程描述，可以参考postgresql的文档: http://www.postgres.cn/docs/9.4/logicaldecoding-explanation.html

Bottled Water项目在使用中包含了两个部分:

• postgresql的扩展bottledwater。
• 一个可执行程序bottledwater，负责从postgresql中将变更内容推送至kafka中。

bottledwater这个可执行程序在启动时会创建一个名为bottledwater的复制槽(通过命令行参数可修改复制槽的名字，复制槽如果已存在就不会新建)，以存储数据库的更改，并且追踪已消耗的diff。由于复制槽会保留最后被消耗掉的diff位置，因此，即使bottledwater正常或异常退出，也不会丢失数据库的diff追踪，下次启动会接着上次的break point继续执行。由于复制槽本身不保留消费者的状态，每个消费者只能得到最后一个消费者停止消费之后的修改，所以特别注意不要启动多个bottledwater连接同一个复制槽。

Bottled Water使用方法

安装

按照官方文档的说明，有三种方法可以上手使用: docker、源码编译、ubuntu ppa。本文将使用第三种方案，使用的环境为Ubuntu 14.04，postgresql 9.4讲解。

添加Bottled Water的ppa源，然后安装两个软件包即可:

$ sudo apt-add-repository -y ppa:stub/bottledwater
$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install postgresql-9.4-bottledwater bottledwater

使用上述命令安装postgresql-9.4-bottledwater扩展和bottledwater可执行程序。

使用前配置

Bottled Water会连接到postgresql获取相关数据，连接的账户需要有replication权限，pg中数据库的变化存储在WAL中(类似于mysql的binlog)，至少需要replication权限才能读取WAL。

需要修改WAL的日志级别为logical。本例中，我们将创建一个repl账户，具有REPLICATION权限。

打开/etc/postgresql/9.4/main/postgresql.conf文件，修改以下属性:

wal_level = logical             # 默认WAL级别minimal，不符合要求，需要调整为logical
max_wal_senders = 8
wal_keep_segments = 4
max_replication_slots = 4

打开/etc/postgresql/9.4/main/pg_hba.conf，增加以下内容:

local   replication     repl                 trust
host    replication     repl  127.0.0.1/32   trust
host    replication     repl  ::1/128        trust

重启postgresql服务，让配置生效:

sudo service postgresql restart

以管理员身份(postgres)登录psql，进行创建角色操作:

$ sudo -u postgres psql
psql (9.4.8)
Type "help" for help.

postgres=#

CREATE ROLE repl WITH REPLICATION PASSWORD 'password' LOGIN;

至此使用前的配置已全部完成。

Bottled Water使用演示

我们创建一个数据库mybw，包含一个表test，让Bottled Water追踪mybw.test这张表的变化。

CREATE DATABASE mybw;
c mybw
CREATE EXTENSION bottledwater; -- 创建bottledwater扩展
CREATE TABLE test (id serial primary key,value text);

在另一个终端，启动bottledwater可执行程序:

$ bottledwater -d postgres://repl:password@127.0.0.1/mybw -b 172.16.250.10:9092 -f json

解释一下上述命令行:

• -d参数指定postgresql的URL，这里使用repl账户，密码password连接至mybw数据库
• -b参数指定kafka broker，以逗号分割多个broker
• -f参数指定输出格式为json，默认格式为avro。为了演示简单这里选择了json

执行成功后，终端输出如下，应该无任何报错:

Writing messages to Kafka in JSON format
Created replication slot "bottledwater",capturing consistent snapshot "0049D495-1".
INFO:  bottledwater_export: Table public.test is keyed by index test_pkey
Snapshot complete,streaming changes from 2/44DAB970.

现在向mybw.test这张表插入一条记录:

INSERT INTO test (value) values('hello world!');

此时从kafka中可以看到如下的消息:

$ kafka-console-consumer --zookeeper localhost --topic test --from-beginning --property print.key=true
{"id": {"int": 1}}	{"id": {"int": 1},"value": {"string": "hello world!"}}

继续执行以下会修改数据库的sql:

INSERT INTO test (value) values('hello');
UPDATE test SET value = 'world' WHERE id = 2;
DELETE FROM test WHERE id = 2;

那么可以观察到kafka中多了以下几条消息:

{"id": {"int": 2}}	{"id": {"int": 2},"value": {"string": "hello"}}
{"id": {"int": 2}}	{"id": {"int": 2},"value": {"string": "world"}}
{"id": {"int": 2}}	null

官方文档中，对kafka中消息格式的描述如下:

• Bottled Water为每个数据库表在kafka中创建一个同名的topic(可以通过-p参数设置topic前缀)
• 每条消息使用表的主键作为kafka message的key，整行记录作为message value
• insert和update操作，message value将会是行的新值
• delete操作，message value将会是null
• 如果表没有主键，Bottled Water将不会处理此表。可以通过--allow-unkeyed参数强行使用

最后，只需要使用一个kafka consumer连接kafka就可以实时获取到数据库表的变更了。

总结

Bottled Water总体来说使用还是很方便的，并且响应速度十分灵敏。即使停掉bottledwater进程，下次启动时也会继续上次的断点，不会丢失数据。需要使用postgresql与kafka结合方案的可以考虑。

参考资料

• Bottled Water: Real-time integration of PostgreSQL and Kafka
• bottledwater-pg README
• Streaming Replication - PostgreSQL wiki
• postgresql文档: 章 46. 逻辑解码

（编辑：李大同）

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