ETCD作为开源、分布式、高可用、强一致性的key-value存储系统，提供了配置共享和服务发现等众多功能。目前已广泛应用在kubernetes、ROOK、CoreDNS、M3以及openstack等领域。本文作者基于公司内部的场景需求，对etcd进行了介绍，并对选主机制进行了实践，下来就跟随作者一起学习下吧。
背景介绍
在实际生产环境中，有很多应用在同一时刻只能启动一个实例，例如更新数据库的操作，多个实例同时更新不仅会降低系统性能，还可能导致数据的不一致。但是单点部署也使得系统的容灾性减弱，比如进程异常退出。目前进程保活，也有很多方案，如supervisor和systemd。但是，如果宿主机down掉呢？所有的进程保活方法都会无济于事。本文基于etcd自带的leader选举机制，轻松的使服务具备了高可用性。
Etcd简介
Etcd是一个开源的、高度一致的分布式key-value存储系统。由Go语言实现，具有很好的跨平台性。主要用于配置共享和服务发现。通过raft算法维护集群中各个节点的通信和数据一致性，节点之间是对等的关系，即使leader节点故障，会很快选举出新的leader，保证系统的正常运行。目前已广泛应用在kubernetes、ROOK、CoreDNS、M3、openstack等领域。
特性：
- 接口操作简单，提供了http+json和grpc接口。
- 可选的ssl客户端认证，支持https访问。
- 每个实例支持1000的QPS，适用于存储数据量小但更新和访问频繁的数据。
- 数据按照文件系统的方式，分层存储，数据持久化。
- 监视特定的键或目录的变化，并对值的更改做出响应，适用于消息的发布和订阅。
Etcd架构及工作原理
架构
Etcd的架构如下图所示，主要分为四部分。HTTP server、Store、Raft和WAL。
- HTTP server：为用户提供的Api请求。
- Store：用于处理 etcd 支持的各类功能的事务，包括数据索引、节点状态变更、监控与反馈、事件处理与执行等等。
- Raft：利用raft算法，保证节点之间数据的强一致性。
- WAL：数据存储方式。通过 WAL 进行数据持久化存储。Snapshot 存储数据的状态快照；Entry 表示存储的具体日志内容。
工作原理
ETCD集群是一个分布式系统，每个ETCD节点都维护了一个状态机，并且存储了完整的数据，任意时刻至多存在一个有效的主节点。主节点处理所有来自客户端的读写操作。其中状态机的状态转换规则如下：
ETCD中每个节点的状态集合为（Follower、Candidate、Leader），集群初始化时候，每个节点都是Follower角色，当Follower在一定时间内没有收到来自主节点的心跳，会将自己角色改变为Candidate，并发起一次选主投票；当收到包括自己在内超过半数节点赞成后，选举成功；当收到票数不足半数选举失败，或者选举超时。若本轮未选出主节点，将进行下一轮选举。当某个Candidate节点成为Leader后，Leader节点会通过心跳与其他节点同步数据，同时参与竞选的Candidate节点进入Follower角色。
Etcd集群搭建及基本应用
部署环境
三台系统为centos7的虚机，IP地址如下：10.143.74.10810.202.252.14710.202.254.213下来以10.143.74.108为例，介绍安装与配置步骤。
一键安装etcd
1、创建安装脚本build.sh。
ETCD_VER=v3.4.7# choose either URLGOOGLE_URL=https://storage.googleapis.com/etcdGITHUB_URL=https://github.com/etcd-io/etcd/releases/downloadDOWNLOAD_URL=${GITHUB_URL}rm -f /tmp/etcd-${ETCD_VER}-linux-amd64.tar.gzrm -rf /tmp/etcd-download-test && mkdir -p /tmp/etcd-download-testcurl -L ${DOWNLOAD_URL}/${ETCD_VER}/etcd-${ETCD_VER}-linux-amd64.tar.gz -o /tmp/etcd-${ETCD_VER}-linux-amd64.tar.gztar xzvf /tmp/etcd-${ETCD_VER}-linux-amd64.tar.gz -C /tmp/etcd-download-test –strip-components=1rm -f /tmp/etcd-${ETCD_VER}-linux-amd64.tar.gzcp /tmp/etcd-download-test/etcd /usr/binetcd –versioncp /tmp/etcd-download-test/etcdctl /usr/binetcdctl version
2、或者执行以下命令，脚本已上传到公网S3存储。
wget -qO- http://pub-shbt.s3.360.cn/v2s3/build-20200419214912.sh | bash
etcd配置和systemd保活
1、 创建etcd配置文件/etc/etcd/etcd.conf。
ETCD_NAME=instance01ETCD_DATA_DIR=”/usr/local/etcd/data”ETCD_LISTEN_CLIENT_URLS=”http://10.143.74.108:2379,http://127.0.0.1:2379″ETCD_ADVERTISE_CLIENT_URLS=”http://10.143.74.108:2379″ETCD_INITIAL_ADVERTISE_PEER_URLS=”http://10.143.74.108:2380″ETCD_LISTEN_PEER_URLS=”http://10.143.74.108:2380″ETCD_INITIAL_CLUSTER=”instance01=http://10.143.74.108:2380,instance02=http://10.202.253.147:2380,instance03=http://10.202.254.213:2380″ETCD_INITIAL_CLUSTER_STATE=new
注释：
- ETCD_NAME：本member的名称；
- ETCD_DATA_DIR：存储数据的目录；
- ETCD_LISTEN_CLIENT_URLS：用于监听客户端etcdctl或者curl连接；
- ETCD_ADVERTISE_CLIENT_URLS: 本机地址， 用于通知客户端，客户端通过此IPs与集群通信;
- ETCD_INITIAL_ADVERTISE_PEER_URLS：本机地址，用于通知集群member，与member通信；
- ETCD_LISTEN_PEER_URLS：用于监听集群中其它member的连接；
- ETCD_INITIAL_CLUSTER：描述集群中所有节点的信息，本member根据此信息去联系其他member；
- ETCD_INITIAL_CLUSTER_STATE：集群状态，新建集群时候设置为new，若是想加入某个已经存在的集群设置为existing。
2、 创建etcd的systemd配置文件 /usr/lib/systemd/system/etcd.service。
[Unit] Description=Etcd Server After=network.target [Service] Type=simple WorkingDirectory=/var/lib/etcd/ EnvironmentFile=-/etc/etcd/etcd.conf ExecStart=/usr/bin/etcd KillMode=process Restart=always RestartSec=3 LimitNOFILE=655350 LimitNPROC=655350 PrivateTmp=false SuccessExitStatus=143 [Install] WantedBy=multi-user.target
3、 启动etcd。
systemctl daemon-reload
systemctl enable etcd.service
systemctl start etcd.service
4、 查看etcd集群状态。
HOST_1=10.143.74.108
HOST_2=10.202.253.147
HOST_3=10.202.254.213
ENDPOINTS=$HOST_1:2379,$HOST_2:2379,$HOST_3:2379
etcdctl -w table –endpoints=$ENDPOINTS endpoint status
5、 读写以及删除操作。
6、 watch监听操作。
至此，在10.143.74.108主机上，我们已经成功安装、启动etcd服务，并测试了基本的功能。其他两台机器的配置类似，在此不再做介绍。
Etcd选主在Go中的实践什么是选主机制呢？举个例子，在军事演习中，我们总会发现某架预警机周围分布着多架战斗机和歼击机，他们统一听从预警机的调度，有序的完成消灭敌军的任务。那么在这个集群中，预警机就类似于我们选主中的master，某个集群有且只有一个master，完成任务的分发等工作，其他节点配合行动，当这个master节点挂掉之后，要能够立刻选出新的节点作为master。
下来我们一起看下项目中如何利用etcd的选主机制来实现应用的高可用吧。1、安装clientv3。
go get "github.com/coreos/etcd/clientv3"
2、添加常量。
3、编写client节点竞选函数campaign。
func campaign(c *clientv3.Client, election string, prop string) {
for {
//gets the leased session for a client
s, err := concurrency.NewSession(c, concurrency.WithTTL(15))
if err != nil {
log.Println(err)
continue
}
//returns a new election on a given key prefix
e := concurrency.NewElection(s, election)
ctx := context.TODO()
//Campaign puts a value as eligible for the election on the prefix key.
//Multiple sessions can participate in the election for the same prefix,
//but only one can be the leader at a time
if err = e.Campaign(ctx, prop); err != nil {
log.Println(err)
continue
}
log.Println(“elect: success”)
leaderFlag = true
select {
case <-s.Done():
leaderFlag = false
log.Println(“elect: expired”)
}
}
}
4、添加竞选成功后执行的动作run。
func run() {
log.Println("[info] Service master")
log.Println("[info] Task start.")
}
5、编写入口函数，创建client节点，参与竞选master，竞选成功，执行任务。
func Start() {
donec := make(chan struct{})
//create a client
cli, err := clientv3.New(clientv3.Config{Endpoints: g.Config().Etcd.Addr,Username:g.Config().Etcd.User,Password:g.Config().Etcd.Password})
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
defer cli.Close()
go campaign(cli, prefix, prop)
go func() {
ticker := time.NewTicker(time.Duration(10) * time.Second)
for {
select {
case <-ticker.C:
{
if leaderFlag == true{
run()
return
}else{
log.Println(“[info] Service is not master”)
}
}
}
}
}()
<-donec
}
6、 测试运行结果。选主成功的节点输出：
选主失败的节点输出：
Master节点进程退出后，之前的非master节点，自动竞选为master节点。
总结
通过etcd中的选主机制，我们实现了服务的高可用。同时利用systemd对etcd本身进行了保活，只要etcd服务所在的机器没有宕机，进程就具备了容灾性。当然，一个etcd集群，不仅仅可以对一个服务提供高可用，我们可以将多个服务注册在一个etcd集群中，同时利用etcd所提供的共享配置和服务发现，此外，etcd还有很多值得深入研究的技术，比如raft一致性算法等等，希望和大家能够一起深入交流。
