PostgreSQL hat sich als eine der führenden Open-Source-Datenbanken etabliert, die zahlreiche Funktionen für Skalierung, Hochverfügbarkeit und Datenintegration bietet. Eine dieser wichtigen Funktionen ist die logische Replikation, die eine feingranulare Kontrolle über die Datenverteilung ermöglicht. Während viele Anwendungen zunächst mit einer einzelnen PostgreSQL-Datenbank starten, wachsen sie oft schnell auf komplexere Architekturen mit mehreren Datenbankinstanzen oder Regionen an. Genau hier spielt die logische Replikation ihre Stärken aus. Sie überträgt auf Zeilenebene Veränderungen zwischen Systemen und erlaubt so eine flexible Synchronisation der Daten, ohne die Einschränkungen der physischen Replikation.
Durch ein Publish-Subscribe-Modell werden dabei gezielt ausgewählte Tabellen und Daten übertragen, was den Aufbau modularer und leicht erweiterbarer Systeme fördert. Um die logische Replikation einzusetzen, ist es entscheidend, zuerst die Unterschiede zur physischen Replikation zu verstehen. Physische Replikation spiegelt die gesamte Datenbank byteweise auf eine oder mehrere Standby-Instanzen und ist vor allem für Hochverfügbarkeit und Disaster Recovery geeignet. In diesem Modell bleiben die Replikate ausschließlich lesbar, was die Skalierung von Leseoperationen unterstützt, aber wenig Flexibilität für spezielle Anwendungsfälle bietet. Die logische Replikation hingegen dekodiert die im Write-Ahead Log (WAL) erfassten Änderungen auf logischer Ebene und überträgt SQL-Operationen wie INSERT, UPDATE und DELETE gezielt an Abonnenten.
Das ermöglicht nicht nur die selektive Replikation einzelner Tabellen, sondern auch das Einrichten von schreibbaren Replikaten sowie die Integration verschiedener PostgreSQL-Versionen. Allerdings repliziert die logische Replikation keine Änderungen am Datenbankschema, wie etwa neue Spalten oder Indizes. Dies ist ein wichtiger Aspekt, den man bei der Planung berücksichtigen muss. Die Einrichtung der logischen Replikation beginnt mit dem Aufsetzen zweier Serverinstanzen – eine dient als Publisher, der die Daten bereitstellt, und eine andere als Subscriber, der die Daten empfängt. Auf dem Publisher sind einige Konfigurationsanpassungen entscheidend.
Zum einen muss die WAL-Stufe auf „logical“ eingestellt werden, damit die nötigen Informationen für die logische Dekodierung enthalten sind. Ebenso müssen die Parameter für die maximale Anzahl an Replikationsslots und WAL-Sendern ausreichend hoch gesetzt werden, damit mehrere Verbindungen verarbeitet werden können. Die Einstellung von „listen_addresses“ auf einen Wert wie "*" stellt sicher, dass externe Verbindungen vom Subscriber akzeptiert werden. Um die Verbindung abzusichern, ist es ratsam, in der pg_hba.conf entsprechende Regeln für die Replikationsauthentifizierung zu hinterlegen und dedizierte Replikationsbenutzer mit sorgfältig vergebenen Rechten einzurichten.
Nach der Konfiguration wird die Datenbank für die logische Veröffentlichung vorbereitet. Dazu wird eine Datenbank angelegt, in der eine Beispiel-Tabelle mit verschiedenen Spalten und initialen Datensätzen erstellt wird. Die Table Definition sollte unbedingt einen Primärschlüssel enthalten, um die Replikationsidentität sicherzustellen und Konflikte zu vermeiden. Der finale Schritt auf dem Publisher umfasst das Erstellen einer Publication, die exakt definiert, welche Tabellen und Spalten weitergegeben werden sollen. Auf dem Subscriber sind keine speziellen Änderungen an der Serverkonfiguration erforderlich, da dieser ausschließlich auf den Datenempfang ausgerichtet ist.
Wichtig ist jedoch, dass die Ziel-Datenbank und das zu replizierende Schema, also Tabellen mit identischer Struktur, vorher angelegt sind. Anschließend wird eine Subscription angelegt, die über eine Verbindungszeichenfolge die Daten vom Publisher anfordert und die vorher definierte Publication abonniert. Sobald die Subscription aktiv ist, startet automatisch eine Synchronisation der initialen Daten und danach werden alle weiteren Änderungen fortlaufend übertragen. Die erfolgreiche Datenreplikation lässt sich einfach durch Abfragen der Zieltabelle verifizieren. Ein fundamentales Konzept der logischen Replikation ist die Beziehung zwischen Publication, Subscription und Replication Slot.
Die Publication definiert den Datenfeed vom Publisher, die Subscription empfängt und verarbeitet diesen Feed, und der Replikationsslot stellt sicher, dass keine Änderungen im WAL verloren gehen, indem er die letzte empfangene Position jedes Subscriptionsclients verfolgt. Die Replikationsslots sind besonders wichtig, da sie verhindern, dass WAL-Dateien vorzeitig gelöscht werden. Sollten Subscriber verzögert arbeiten oder nicht erreichbar sein, kann dies zu einer Anhäufung von WAL-Daten auf dem Publisher führen, was Speicherplatz beansprucht. Daher ist die regelmäßige Überwachung dieser Slots und der WAL-Retentionsgröße Empfehlenswert. Die Replikationsidentität stellt ein weiteres zentrales Element dar.
Für alle Tabelle, die über die logische Replikation synchronisiert werden sollen, ist es notwendig eindeutige Identifikatoren festzulegen. Normalerweise ist dies der Primärschlüssel, der PostgreSQL standardmäßig als REPLICA IDENTITY verwendet. Sollte eine Tabelle über alternative Schlüssel verfügen, kann diese Einstellung angepasst werden, um Konflikte oder ineffiziente Updates zu vermeiden. Die logische Replikation repliziert keine schemaverändernde DDL-Befehle automatisch. Das heißt, alle Änderungen wie das Hinzufügen von Spalten oder das Anpassen von Indizes müssen manuell sowohl auf dem Publisher als auch auf den Subscriber-Instanzen durchgeführt werden.
Für eine saubere Schema-Änderung empfiehlt es sich, den Replikationsprozess vorübergehend zu pausieren, die Änderungen schrittweise zuerst am Subscriber und dann am Publisher einzuspielen, um Synchronisationsprobleme zu vermeiden. Sobald die Änderungen abgeschlossen sind, kann die Replikation wieder aktiviert werden und arbeitet wie gewohnt weiter. Für den produktiven Einsatz der logischen Replikation sind weitere Aspekte zu berücksichtigen. Dazu zählt der Umgang mit Sequenzen, die nicht automatisch synchronisiert werden. Werden in replizierten Tabellen Sequenzwerte genutzt, so müssen passende Maßnahmen auf Subscriber-Seite getroffen werden, um Inkonsistenzen zu vermeiden.
Zudem gilt es, andere Datenbankobjekte wie Views, Trigger oder benutzerdefinierte Datentypen ebenso auf den Subscriber zu übertragen. Gerade bei ENUM-Typen ist die Identität und Reihenfolge der Werte essenziell für die Konsistenz. Konflikte stellen eine besondere Herausforderung bei der logischen Replikation dar. Im Falle von doppelten Schlüsselverletzungen oder anderen Inkonsistenzen stoppt der Replikationsprozess und muss manuell korrigiert werden. Häufige Ursachen sind Datenabweichungen, fehlende oder unpassende Indizes sowie fehlende Berechtigungen.
Die Fehlerbehebung erfolgt durch Datenbereinigung oder Anpassung der Schema-Strukturen, bevor die Replikation wieder aufgenommen werden kann. Insgesamt eröffnet die logische Replikation moderne Wege, um PostgreSQL-Datenbanken flexibel miteinander zu verbinden, zu skalieren und für komplexe Anwendungsszenarien vorzubereiten. Sie erlaubt gezielte Datenverteilung mit voller Kontrolle über das Replikationsverhalten und eignet sich ideal für Zero-Downtime-Upgrades, Multi-Region-Deployments und die Integration heterogener Systeme. Obwohl der Umgang mit Schema-Änderungen und Konflikten manuelle Eingriffe erfordert, ist die gesteigerte Flexibilität und Skalierbarkeit ein deutlicher Vorteil gegenüber der physischen Replikation. Für Entwickler und Datenbankadministratoren bedeutet dies eine leistungsfähige Möglichkeit, verteilte PostgreSQL-Architekturen zu realisieren und ihre Systeme zukunftssicher aufzubauen.
Wer die Grundprinzipien verstanden und erste Setups getestet hat, kann mit der logischen Replikation leistungsfähige, skalierbare Lösungen schaffen, die individuelle Geschäftsanforderungen passgenau erfüllen.
