01 . etcd简介原理,应用场景及部署,简单使用

etcd简介

Etcd是CoreOS团队于2013年6月发起的开源项目,他的目标是构建一个高可用的分布式键值(key-value)数据库,etcd内部采用raft协议作为一致性算法,etcd基于Go语言实现.

特点

// 简单:  安装配置简单,而且提供了HTTP API进行交互,使用也很简单.
// 安全:  支持SSL证书验证
// 快速:  根据官方提供的benchmark数据,单实例支持每秒2k+读操作
// 可靠:  采用raft算法,实现分布式系统数据的可用性和一致性.

Etcd vs zk

本文选取ZK作为典型代表与ETCD进行比较，而不考虑[Consul]项目作为比较对象，原因为Consul的可靠性和稳定性还需要时间来验证（项目发起方自身服务并未使用Consul, 自己都不用...

# 一致性协议： ETCD使用[Raft]协议， ZK使用ZAB（类PAXOS协议），前者容易理解，方便工程实现；
# 运维方面：ETCD方便运维，ZK难以运维；
# 项目活跃度：ETCD社区与开发活跃，ZK已经快死了；
# 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在这方面缺失；

读写性能

按照官网给出的[Benchmark], 在2CPU，1.8G内存，SSD磁盘这样的配置下，单节点的写性能可以达到16K QPS, 而先写后读也能达到12K QPS。这个性能还是相当可观的。

概念术语

// Raft:  etcd所采用的保证分布式系统强一致性的算法
// Node:  一个Raft状态机实例
// Member: 一个etcd实例,他管理着一个Node,并且可以为客户端请求提供服务
// Cluster:  由多个Member构成可以协同工作的etcd集群
// Peer:  对同一etcd集群另一个Member的称呼
// Client: 向etcd集群发送http请求的客户端
// WAL:   预写式日志,etcd用于持久化存储的日志格式
// snapshot: etcd防止WAL文件过多而设置的快照,存储etcd数据状态
// Proxy: etcd的一种模式,为etcd集群提供反向代理服务.
// Leader:  Raft算法中通过竞选而产生的处理所有数据提交的节点.
// Follower:  竞选失败的节点作为Raft中的从属节点,为算法提供强一致性保证.
// Candidate:  当Follower超过一定时间接受不到Leader的心跳时转变为Candidate开始竞选.
// Term:  某个节点成为Leader到下一次竞选时间,称为一个Term.
// Index:  数据项编号,Raft中通过Term和Index来定位数据

数据读写顺序

为了保证数据的强一致性,etcd集群中所有数据流向都是同一个方向,从Leader (主节点) 流向Follower,也就是所有Follower的数据必须与Leader保证一致,如果不一致会被覆盖.

用户对于etcd集群所有节点进行读写

// 读取:  由于集群所有节点数据是强一致性的,读取可以从集群中随便哪个节点进行读取数据.

// 写入: etcd集群有leader,如果写入往leader写入,可以直接写入,然后Leader节点会把写入分发给所有Follower,如果往Follower写入,然后Leader节点会把写入分发给所有Follower.

leader选举

假设三个节点的集群,三个节点上均运行Timer(每个Timer持续时间是随机的),Raft算法使用随机Timer来初始化Leader选举流程,第一个节点率先完成了Timer,随后他就会向其他两个节点发送成为Leader的请求,其他节点接收到后会以投票回应然后第一个节点被选举为Leader.

成为Leader后,该节点会以固定时间间隔向其他节点发送通知,确保自己仍然是Leader,有些情况下当Follower收不到Leader的通知后,比如Leader节点宕机或者失去了连接,其他节点会重复之前选举过程选举出新的Leader.

判断数据是否写入

etcd认为写入请求被Leader节点处理并分给了多数节点后,就是一个成功的写入,那么多少节点如何判定尼,假设总节点数就是N,那么多数节点Quorum=N/2+1, 关于如何确定etcd集群应该有多少个的问题,用Instances减去Quorom就是集群中容错节点(允许出故障节点)的数量.

所以在集群中推荐的最少节点数量是3个,因为1和2个节点的容错点数都是0,一旦有一个节点宕掉,整个集群就不能正常工作了.

etcd架构及解析

架构图

架构解析

从etcd的架构图中我们可以看到, etcd主要分为四个部分:

// HTTP Server: 用于处理用户发送的API请求以及其他的etcd节点的同步与心跳信息请求
// Store: 用于处理etcd支持的各类功能的事务,包含数据索引,节点状态变更,监控与反馈,事件处理与执行等等,是etcd对用户提供的大多数API功能的具体实现
// Raft: Raft强一致性算法的具体实现,是etcd的核心.
// WAL: Write Ahead Log(预写式日志),是etcd的数据存储方式,除了在内存中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.
// Shapshot是为了防止数据过多而进行的状态快照.
// Entry表示存储的具体日志内容

通常,一个用户的请求发送过来,会经由HTTP Server转发给Store进行具体的事务处理,如果涉及到节点的修改,则交给Raft模块进行状态的变更,日志的记录,然后再同步给别的etcd节点以确认数据提交,最后进行数据的提交,再次同步.

应用场景

服务发现/注册

前后端业务注册发现

中间件以及后端服务在etcd中注册,前端和中间件可以很轻松的从etcd中发现相关服务器然后服务器之间根据调用关系相互绑定调用

多组后端服务器注册发现

后端多个无状态相同副本app可以同时注册到etcd中,前端可以通过haproxy从etcd中获取到后端的ip和端口组,然后进行请求转发,可以用来故障转移屏蔽后端端口以及后端多组app实例.

消息发布和订阅

etcd可以充当消息中间件,生产者可以往etcd中注册topic并发送消息,消费者从etcd中订阅topci,来获取生产者发送至etcd中的消息.

负载均衡

后端多组相同的服务提供者可以经自己服务注册到etcd中,etcd并且会与注册的服务进行监控检查,服务请求这首先从etcd中获取到可用的服务提供者真正的ip:port, 然后对此多组服务发送请求,etcd在其中充当了负载均衡的功能.

分布式通知与协调

// 当etcd watch服务发现丢失,会通知服务检查
// 控制器向etcd发送启动服务,etcd通知服务进行相应操作
// 当服务完成work会将状态更新至etcd, etcd对应会通知用户

分布式锁,分布式队列

// 有多个node, etcd根据每个node来创建对应的node的队列,根据不同的队列可以在etcd中找到对应的competitor

集群监控与Leader竞选

etcd可以根据raft算法在多个node节点来选举出leader.

单机部署

yum -y install etcd
systemctl enable etcd

grep -Ev "^#|^$" /etc/etcd/etcd.conf
ETCD_DATA_DIR="/var/lib/etcd/default.etcd"
ETCD_LISTEN_CLIENT_URLS="http://localhost:2379"
ETCD_NAME="default"
ETCD_ADVERTISE_CLIENT_URLS="http://localhost:2379"

集群部署

最好部署奇数位,能达到更好的集群容错

cat /etc/hosts
127.0.0.1   localhost localhost.localdomain localhost4 localhost4.localdomain4
::1         localhost localhost.localdomain localhost6 localhost6.localdomain6
192.168.43.233 etcd1
192.168.43.130 etcd2
192.168.43.246 etcd3

安装etcd

yum -y install etcd

mkdir -p /data/app
chown etcd:etcd /data/app -R
systemctl enable etcd

etcd配置

参数说明

# —data-dir 指定节点的数据存储目录，这些数据包括节点ID，集群ID，集群初始化配置，Snapshot文件，若未指定—wal-dir，还会存储WAL文件；
# —wal-dir 指定节点的was文件的存储目录，若指定了该参数，wal文件会和其他数据文件分开存储。
# —name 节点名称
# —initial-advertise-peer-urls 告知集群其他节点url.
# — listen-peer-urls 监听URL，用于与其他节点通讯
# — advertise-client-urls 告知客户端url, 也就是服务的url
# — initial-cluster-token 集群的ID
# — initial-cluster 集群中所有节点

etcd1

[root@etcd1 ~]# egrep "^#|^$" /etc/etcd/etcd.conf -v
ETCD_DATA_DIR="/data/app/etcd"
ETCD_LISTEN_PEER_URLS="http://192.168.43.233:2380"
ETCD_LISTEN_CLIENT_URLS="http://127.0.0.1:2379,http://192.168.43.233:2379"
ETCD_NAME="etcd1"
ETCD_INITIAL_ADVERTISE_PEER_URLS="http://192.168.43.233:2380"
ETCD_ADVERTISE_CLIENT_URLS="http://127.0.0.1:2379,http://192.168.43.233:2379"
ETCD_INITIAL_CLUSTER="etcd1=http://192.168.43.233:2380,etcd2=http://192.168.43.130:2380,etcd3=http://192.168.43.246:2380"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_TOKEN="etcd-token"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_STATE="new"

etcd2

[root@etcd2 ~]#  egrep "^#|^$" /etc/etcd/etcd.conf -v
ETCD_DATA_DIR="/data/app/etcd"
ETCD_LISTEN_PEER_URLS="http://192.168.43.130:2380"
ETCD_LISTEN_CLIENT_URLS="http://127.0.0.1:2379,http://192.168.43.130:2379"
ETCD_NAME="etcd2"
ETCD_INITIAL_ADVERTISE_PEER_URLS="http://192.168.43.130:2380"
ETCD_ADVERTISE_CLIENT_URLS="http://127.0.0.1:2379,http://192.168.43.130:2379"
ETCD_INITIAL_CLUSTER="etcd1=http://192.168.43.233:2380,etcd2=http://192.168.43.130:2380,etcd3=http://192.168.43.246:2380"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_TOKEN="etcd-token"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_STATE="new"

etcd3

[root@etcd-3 ~]#  egrep "^#|^$" /etc/etcd/etcd.conf -v
ETCD_DATA_DIR="/data/app/etcd"
ETCD_LISTEN_PEER_URLS="http://192.168.43.246:2380"
ETCD_LISTEN_CLIENT_URLS="http://127.0.0.1:2379,http://192.168.43.246:2379"
ETCD_NAME="etcd3"
ETCD_INITIAL_ADVERTISE_PEER_URLS="http://192.168.43.246:2380"
ETCD_ADVERTISE_CLIENT_URLS="http://127.0.0.1:2379,http://192.168.43.246:2379"
ETCD_INITIAL_CLUSTER="etcd1=http://192.168.43.233:2380,etcd2=http://192.168.43.130:2380,etcd3=http://192.168.43.246:2380"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_TOKEN="etcd-token"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_STATE="new"

验证集群服务

[root@etcd-3 ~]# systemctl status etcd
● etcd.service - Etcd Server
   Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/etcd.service; enabled; vendor preset: disabled)
   Active: active (running) since Thu 2020-08-27 00:45:52 CST; 2min 12s ago
 Main PID: 1385 (etcd)
   CGroup: /system.slice/etcd.service
           └─1385 /usr/bin/etcd --name=etcd3 --data-dir=/data...

Aug 27 00:45:52 etcd-3 etcd[1385]: ready to serve client requ...
Aug 27 00:45:52 etcd-3 etcd[1385]: serving insecure client re...
Aug 27 00:45:52 etcd-3 etcd[1385]: ready to serve client requ...
Aug 27 00:45:52 etcd-3 etcd[1385]: serving insecure client re...
Aug 27 00:45:52 etcd-3 systemd[1]: Started Etcd Server.
Aug 27 00:45:52 etcd-3 etcd[1385]: 2407f8cc1c4a982 initialzed...
Aug 27 00:45:52 etcd-3 etcd[1385]: established a TCP streamin...
Aug 27 00:45:52 etcd-3 etcd[1385]: established a TCP streamin...
Aug 27 00:45:52 etcd-3 etcd[1385]: established a TCP streamin...
Aug 27 00:45:53 etcd-3 etcd[1385]: established a TCP streamin...
Hint: Some lines were ellipsized, use -l to show in full.

[root@etcd-3 ~]# ss -atnlp |grep etcd
LISTEN     0      128    192.168.43.246:2379                     *:*                   users:(("etcd",pid=1385,fd=7))
LISTEN     0      128    127.0.0.1:2379                     *:*                   users:(("etcd",pid=1385,fd=6))
LISTEN     0      128    192.168.43.246:2380                     *:*                   users:(("etcd",pid=1385,fd=5))

[root@etcd-3 ~]# etcdctl cluster-health
member 2407f8cc1c4a982 is healthy: got healthy result from http://127.0.0.1:2379
member 7d37bdfae6fd099b is healthy: got healthy result from http://127.0.0.1:2379
member 94362b802cdd1767 is healthy: got healthy result from http://127.0.0.1:2379
cluster is healthy

[root@etcd-3 ~]# etcdctl member list
2407f8cc1c4a982: name=etcd3 peerURLs=http://192.168.43.246:2380 clientURLs=http://127.0.0.1:2379,http://192.168.43.246:2379 isLeader=false
7d37bdfae6fd099b: name=etcd1 peerURLs=http://192.168.43.233:2380 clientURLs=http://127.0.0.1:2379,http://192.168.43.233:2379 isLeader=true
94362b802cdd1767: name=etcd2 peerURLs=http://192.168.43.130:2380 clientURLs=http://127.0.0.1:2379,http://192.168.43.130:2379 isLeader=false

动态发现启动etcd集群

https://developer.aliyun.com/article/765312

简单使用

增加

set

[root@etcd-3 ~]# etcdctl set /testdir/testkey "hello"
hello

# 支持的选项包括
--ttl '0' 该键值的超时时间(单位为妙), 不配置(默认为0)则永不超时.
--swap-with-value value  若该键的值为value,则进行设置操作
--swap-with-index '0'   若该键现在值为索引,则进行设置操作

mk

# 如果给定的键不存在,则创建一个新的键值,例如:
[root@etcd-3 ~]# etcdctl mk /testdir/testkey2 "hello"
hello

# 当键存在就会报错
[root@etcd-3 ~]# etcdctl mk /testdir/testkey "hello"
Error:  105: Key already exists (/testdir/testkey) [10]

# 支持的选项为:
--ttl '0' # 超时时间(单位为秒),不配置(默认为0),则永不超时

mkdir

# 如果给定的键目录不存在,则创建一个新的键目录.
[root@etcd-3 ~]# etcdctl mkdir youmen

[root@etcd-3 ~]# etcdctl mkdir youmen
Error:  105: Key already exists (/youmen) [12]

# 支持的选项
--ttl  '0'  # 超时时间(单位为秒),不配置(默认为0)则永不超时

setdir

# 创建一个键目录,如果目录不存在就创建,如果目录存在更新目录TTL
[root@etcd-3 ~]# etcdctl setdir testdir3
[root@etcd-3 ~]# etcdctl setdir testdir3
Error:  102: Not a file (/testdir3) [13]

# 支持的选项
--ttl  '0'  # 超时时间(单位为秒),不配置(默认为0)则永不超时

删除

rm

# 删除某个键值
[root@etcd-3 ~]# etcdctl rm /testdir/testkey  hello
PrevNode.Value: hello

# 支持的选项为:
# --dir  如果键是个空目录或键值对则删除
# --recursive  删除目录和所有子健
# --with-value  检查现有的值是否匹配
# --with-index '0'  检查现有的index是否匹配

rmdir

# 删除一个空目录,或者键值对
[root@etcd-3 ~]# etcdctl rmdir testdir3

[root@etcd-3 ~]# etcdctl rmdir testdir3
Error:  100: Key not found (/testdir3) [15]

更新

update

# 当键存在时,更新值内容
[root@etcd-3 ~]# etcdctl set /testdir/testkey "hello"
hello
[root@etcd-3 ~]# etcdctl update /testdir/testkey "hello2"
hello2

updatedir

# 更新一个已经存在的目录
etcdctl updatedir testdir2

查询

get

# 获取指定键的值
[root@etcd-3 ~]# etcdctl get /testdir/testkey
hello2

# 当键不存在时,则会报错,例如
[root@etcd-3 ~]# etcdctl get /testdir/testkeydsf
Error:  100: Key not found (/testdir/testkeydsf) [18]

# 支持选项
# --sort   对结果进行排序
# --consistent 将请求发给主节点,保证获取内容的一致性

ls

# 列出目标(默认为根目录)下的键或者子目录,默认不显示子目录中内容:

[root@etcd-3 ~]# etcdctl mk /testdir2/testkey "hello"
hello
[root@etcd-3 ~]# etcdctl ls /testdir2/
/testdir2/testkey

# 支持选项
# --sort   对结果进行排序
# --recursive  如果目录下有子目录,则递归输出其中的内容-p ,对于输出为目录,在最后添加/进行区分

watch

# 检测一个键值的变化,一旦键值发生更新,就会输出最新的值并退出.
# 例如用户更新testkey键值为hello watch
[root@etcd2 ~]# etcdctl get /testdir2/testkey
hello
[root@etcd2 ~]# etcdctl set /testdir2/testkey "hello watch"
hello watch

[root@etcd-3 ~]# etcdctl watch testdir2/testkey
hello watch

# --forever   一直检测到用户按CTRL+C退出
# --after-index '0'  在指定index之前一直监测
# --recursive    返回所有的键值和子键值

exec-watch

# 检测一个键值的变化,一旦键值发生更新,就执行指定命令
[root@etcd-3 ~]# etcdctl get /testdir2/testkey
hello watch
[root@etcd-3 ~]# etcdctl set /testdir2/testkey "hello exec-watch"
hello exec-watch

[root@etcd2 ~]# etcdctl exec-watch testdir2/testkey -- sh -c 'ls /'
bin   data  etc   lib	 media	opt   root  sbin  sys  usr
boot  dev   home  lib64  mnt	proc  run   srv   tmp  var

# --after-index '0'   在指定index之前一直监测
# --recursive   返回所有键值和子键值

备份

# 备份etcd的数据
[root@etcd-3 ~]# etcdctl backup  --data-dir /data/app/etcd --backup-dir /home/etcd_backup_2020_08_27
2020-08-27 10:48:47.833840 I | ignoring EntryConfChange raft entry
2020-08-27 10:48:47.833904 I | ignoring EntryConfChange raft entry
2020-08-27 10:48:47.833913 I | ignoring EntryConfChange raft entry
2020-08-27 10:48:47.833959 I | ignoring member attribute update on /0/members/7d37bdfae6fd099b/attributes
2020-08-27 10:48:47.833976 I | ignoring member attribute update on /0/members/94362b802cdd1767/attributes
2020-08-27 10:48:47.833990 I | ignoring member attribute update on /0/members/2407f8cc1c4a982/attributes
2020-08-27 10:48:47.834002 I | ignoring member attribute update on /0/members/2407f8cc1c4a982/attributes

# 支持选项
# --data-dir    etcd的数据目录
# --backup-dir   备份到指定路径

member

# 通过list,add,remove命令列出,添加,删除etcd实例到etcd集群中

查看集群中存在节点

[root@etcd-3 ~]# etcdctl member list
2407f8cc1c4a982: name=etcd3 peerURLs=http://192.168.43.246:2380 clientURLs=http://127.0.0.1:2379,http://192.168.43.246:2379 isLeader=true
7d37bdfae6fd099b: name=etcd1 peerURLs=http://192.168.43.233:2380 clientURLs=http://127.0.0.1:2379,http://192.168.43.233:2379 isLeader=false
94362b802cdd1767: name=etcd2 peerURLs=http://192.168.43.130:2380 clientURLs=http://127.0.0.1:2379,http://192.168.43.130:2379 isLeader=false

删除集群中存在的节点

[root@etcd-3 ~]# etcdctl member remove 94362b802cdd1767

向集群中新加节点

[root@etcd-3 ~]# etcdctl add etcd4 http://192.168.43.254:2380

节点迁移

在生产环境中，不可避免遇到机器硬件故障。当遇到硬件故障发生的时候，我们需要快速恢复节点。ETCD集群可以做到在不丢失数据的，并且不改变节点ID的情况下，迁移节点。

# 1）停止待迁移节点上的etc进程；
# 2）将数据目录打包复制到新的节点；
# 3）更新该节点对应集群中peer url，让其指向新的节点；
# 4）使用相同的配置，在新的节点上启动etcd进程；

小结

etcd默认只保存1000个历史事件,不适合大量更新的场景,这样会导致数据丢失,典型应用场景是配置管理和服务发现,这些场景都是读多写少的

相比于zookeeper,etcd使用起来简单很多,不过要实现真正的服务发现功能,etcd还需要和其他工具(比如registerator,confd等)一起实现服务的自动注册和更新

目前etcd还没有图形化工具

本文部分摘自

https://segmentfault.com/a/1190000023047434