分布式注册服务中心etcd在云原生引擎中的实践

作者：王雷

etcd是什么

etcd是云原生架构中重要的基础组件，由CNCF孵化托管。ETCD是用于共享配置和服务发现的分布式，一致性的KV存储系统，是CoreOS公司发起的一个开源项目，授权协议为Apache。etcd 基于Go语言实现，主要用于共享配置，服务发现，集群监控，leader选举，分布式锁等场景。在微服务和 Kubernates 集群中不仅可以作为服务注册发现，还可以作为 key-value 存储的中间件。

提到键值存储系统，在大数据领域应用最多的当属ZOOKEEPER，而ETCD可以算得上是后起之秀了。在项目实现，一致性协议易理解性，运维，安全等多个维度上，ETCD相比Zookeeper都占据优势。

ETCD vs ZK

	ETCD	ZK
一致性协议	Raft协议	ZAB（类Paxos协议）
运维方面	方便运维	难以运维
项目活跃度	活跃	没有etcd活跃
API	ETCD提供HTTP+JSON, gRPC接口，跨平台跨语言	ZK需要使用其客户端
访问安全方面	ETCD支持HTTPS访问	ZK在这方面不支持

etcd的架构

etcd 是一个分布式的、可靠的 key-value 存储系统，它用于存储分布式系统中的关键数据，这个定义非常重要。

通过下面这个指令，了解一下etcd命令的执行流程，其中etcdctl：是一个客户端，用来操作etcd。

etcdctl put key test

通常etcd都是以集群的方式来提供服务的，etcdctl操作命令的时候，会对应到leader当中的gRPC Server

gRPC Server

用来接收客户端具体的请求进行处理，但是不仅仅是处理客户端的连接，它同时负责处理集群当中节点之间的通讯。

wal: Write Ahead Log（预写式日志）

etcd 的数据存储方式。除了在内存中存有所有数据的状态以及节点的索引以外，etcd 就通过 WAL 进行持久化存储。WAL 中，所有的数据提交前都会事先记录日志。实现事务日志的标准方法；执行写操作前先写日志，跟mysql中redo类似，wal实现的是顺序写。

当执行put操作时，会修改etcd数据的状态，执行具体的修改的操作，wal是一个日志，在修改数据库状态的时候，会先修改日志。put key test会在wal记录日志，然后会进行广播，广播给集群当中其他的节点设置key的日志。其他节点之后会返回leader是否同意数据的修改，当leader收到一半的请求，就会把值刷到磁盘中。

snapshot

etcd 防止 WAL 文件过多而设置的快照，用于存储某一时刻etcd的所有数据。Snapshot 和 WAL 相结合，etcd 可以有效地进行数据存储和节点故障恢复等操作。

boltdb

相当于mysql当中的存储引擎，etcd中的每个key都会创建一个索引，对应一个B+树。

etcd重要的特性

•存储：数据分层存储在文件目录中，类似于我们日常使用的文件系统；

•Watch 机制：Watch 指定的键、前缀目录的更改，并对更改时间进行通知；

•安全通信：支持 SSL 证书验证；

•高性能：etcd 单实例可以支持 2K/s 读操作，官方也有提供基准测试脚本；

•一致可靠：基于 Raft 共识算法，实现分布式系统内部数据存储、服务调用的一致性和高可用性；

•Revision 机制：每个 Key 带有一个 Revision 号，每进行一次事务便加一，因此它是全局唯一的，如初始值为 0，进行一次 Put 操作，Key 的 Revision 变为 1，同样的操作，再进行一次，Revision 变为 2；换成 Key1 进行 Put 操作，Revision 将变为 3。这种机制有一个作用，即通过 Revision 的大小就可知道写操作的顺序，这对于实现公平锁，队列十分有益；

•lease机制：lease 是分布式系统中一个常见的概念，用于代表一个分布式租约。典型情况下，在分布式系统中需要去检测一个节点是否存活的时，就需要租约机制。

首先创建了一个 10s 的租约，如果创建租约后不做任何的操作，那么 10s 之后，这个租约就会自动过期。接着将 key1 和 key2 两个 key value 绑定到这个租约之上，这样当租约过期时 etcd 就会自动清理掉 key1 和 key2，使得节点 key1 和 key2 具备了超时自动删除的能力。

如果希望这个租约永不过期，需要周期性的调用 KeeyAlive 方法刷新租约。比如说需要检测分布式系统中一个进程是否存活，可以在进程中去创建一个租约，并在该进程中周期性的调用 KeepAlive 的方法。如果一切正常，该节点的租约会一致保持，如果这个进程挂掉了，最终这个租约就会自动过期。

类比redis的expire，redis expore key ttl，如果key过期的话，到了过期时间，redis会删除这个key。etcd的实现：将过期时间相同的key全部绑定一个全局的对象，去管理过期，etcd只需要检测这个对象的过期。通过多个 key 绑定在同一个 lease 的模式，我们可以将超时间相似的 key 聚合在一起，从而大幅减小租约刷新的开销，在不失灵活性同时能够大幅提高 etcd 支持的使用规模。

在引擎中的场景

服务注册发现

etcd基于Raft算法，能够有力的保证分布式场景中的一致性。各个服务启动时注册到etcd上，同时为这些服务配置键的TTL时间。注册到etcd上的各个服务实例通过心跳的方式定期续租，实现服务实例的状态监控。服务提供方在 etcd 指定的目录（前缀机制支持）下注册服务，服务调用方在对应的目录下查询服务。通过 watch 机制，服务调用方还可以监测服务的变化。

引擎服务包含两大模块，一个是master服务，一个是调度服务。

master服务

master服务启动成功后，向etcd注册服务，并且定时向etcd发送心跳

server, err := NewServiceRegister(key, serviceAddress, 5)
	if err != nil {
		logging.WebLog.Error(err)
	}

定时向etcd发送心跳

//设置续租 定期发送需求请求
	leaseRespChan, err := s.cli.KeepAlive(context.Background(), resp.ID)

调度服务

调度服务作为服务的消费者，监听服务目录：key=/publictest/pipeline/

// 从etcd中订阅前缀为 "/pipeline/" 的服务
go etcdv3client.SubscribeService("/publictest/pipeline/", setting.Conf.EtcdConfig)

监听put和delete操作，同时在本地维护serverslist，如果有put或者delete操作，会更新本地的serverslist

客户端发现指客户端直接连接注册中心，获取服务信息，自己实现负载均衡，使用一种负载均衡策略发起请求。优势可以定制化发现策略与负载均衡策略，劣势也很明显，每一个客户端都需要实现对应的服务发现和负载均衡。

watch机制

etcd可以Watch 指定的键、前缀目录的更改，并对更改时间进行通知。BASE引擎中，缓存的清除策略借助etcd来实现。

缓存过期策略：在编译加速的实现中，每个需要缓存的项目都有对应的缓存key，通过etcd监控key，并且设置过期时间，例如7天，如果在7天之内再次命中key，则通过lease进行续约；7天之内key都没有被使用，key就会过期删除，通过监听对应的前缀，在过期删除的时候，调用删除缓存的方法。

storage.Watch("cache/",
		func(id string) {
			//do nothing
		},
		func(id string) {
			CleanCache(id)
		})

除此之外，引擎在流水线取消和人工确认超时的场景中，也使用到了etcd的watch机制，监听某一个前缀的key，如果key发生了变化，进行相应的逻辑处理。

集群监控与****leader选举机制

集群监控：通过 etcd 的 watch 机制，当某个 key 消失或变动时，watcher 会第一时间发现并告知用户。节点可以为 key 设置租约（TTL），比如每隔 30 s 向 etcd 发送一次心跳续约，使代表该节点的 key 保持存活，一旦节点故障，续约停止，对应的 key 将失效删除。如此，通过 watch 机制就可以第一时间检测到各节点的健康状态，以完成集群的监控要求。

Leader 竞选：使用分布式锁，可以很好地实现 Leader 竞选（抢锁成功的成为 Leader）。Leader 应用的经典场景是在搜索系统中建立全量索引。如果每个机器分别进行索引建立，不仅耗时，而且不能保证索引的一致性。通过在 etcd 实现的锁机制竞选 Leader，由 Leader 进行索引计算，再将计算结果分发到其它节点。

类似kafka的controller选举，引擎的调度服务启动，所有的服务都注册到etcd的/leader下面，其中最先注册成功的节点成为leader节点，其他节点自动变成follow。

leader节点负责从redis中获取任务，根据负载均衡算法，将任务派发给对应的go master服务。

follow节点监听leader节点的状态，如果leader节点服务不可用，对应节点删除，follow节点会重新抢占，成为新的leader节点。

同时leader设置在etcd中的leader标识设置过期时间为60s，leader每隔30s更新一次。follow每隔30s到etcd中通告自己存活，并检查leader存活。