1、緒論
etcd作爲華爲雲PaaS的核心部件，實現了PaaS大多數組件的數據持久化、集羣選舉、狀態同步等功能。如此重要的一個部件，我們只有深入地理解其架構設計和內部工作機制，才能更好地學習華爲雲Kubernetes容器技術，笑傲雲原生的“江湖”。本系列將從整體框架再細化到內部流程，對etcd的代碼和設計進行全方位解讀。本文是《深入淺出etcd》系列的第一篇，重點解析etcd的架構和代碼框架，下文所用到的代碼均基於etcd v3.2.X版本。
另，由華爲雲容器服務團隊傾情打造的《雲原生分佈式存儲基石：etcd深入解析》一書已正式出版，各大平臺均有發售，購書可瞭解更多關於分佈式key—value存儲和etcd的相關內容！
2、etcd簡介
etcd是一個分佈式的key-value存儲系統，底層通過Raft協議進行leader選舉和數據備份，對外提供高可用的數據存儲，能有效應對網絡問題和機器故障帶來的數據丟失問題。同時它還可以提供服務發現、分佈式鎖、分佈式數據隊列、分佈式通知和協調、集羣選舉等功能。爲什麼etcd如此重要？因爲etcd是Kubernetes的後端唯一存儲實現，毫不誇張地說，etcd就是Kubernetes的“心臟”。
2.1 Raft協議
要理解etcd分佈式協同的工作原理，必須提到Raft算法。Raft算法是斯坦福的Diego Ongaro、John Ousterhout兩人以易懂（Understandability）爲目標設計的一致性共識算法。在此之前，提到共識算法(Consensus Algorithm)必然會提到Paxos，但是Paxos的實現和理解起來都非常複雜，以至於Raft算法提出者的博士論文中，作者提到，他們用了將近一年時間研究這個算法的各種解釋，但還是沒有完全理解這個算法。Paxos的算法原理和真正實現也有很大的距離，實現Paxos的系統，如Chubby，對Paxos進行了很多的改進有優化，但是細節卻是不爲人所知的。 Raft協議採用分治的思想，把分佈式協同的問題分爲3個問題：
選舉： 一個新的集羣啓動時，或者老的leader故障時，會選舉出一個新的leader；
日誌同步： leader必須接受客戶端的日誌條目並且將他們同步到集羣的所有機器；
安全： 保證任何節點只要在它的狀態機中生效了一條日誌條目，就不會在相同的key上生效另一條日誌條目。
一個Raft集羣一般包含數個節點，典型的是5個，這樣可以承受其中2個節點故障。每個節點實際上就是維護一個狀態機，節點在任何時候都處於以下三種狀態中的一個。
leader：負責日誌的同步管理，處理來自客戶端的請求，與Follower保持這heartBeat的聯繫；
follower：剛啓動時所有節點爲Follower狀態，響應Leader的日誌同步請求，響應Candidate的請求，把請求到Follower的事務轉發給Leader；
candidate：負責選舉投票，Raft剛啓動時由一個節點從Follower轉爲Candidate發起選舉，選舉出Leader後從Candidate轉爲Leader狀態。
節點啓動以後，首先都是follower狀態，在follower狀態下，會有一個選舉超時時間的計時器(這個時間是在配置的超時時間基礎上加一個隨機的時間得來的)。如果在這個時間內沒有收到leader發送的心跳包，則節點狀態會變成candidate狀態，也就是變成了候選人，候選人會循環廣播選舉請求，如果超過半數的節點同意選舉請求，則節點轉化爲leader狀態。如果在選舉過程中，發現已經有了leader或者有更高的任期值的選舉信息，則自動變成follower狀態。處於leader狀態的節點如果發現有更高任期值的leader存在，則也是自動變成follower狀態。
Raft把時間劃分爲任期(Term)(如下圖所示)，任期是一個遞增的整數，一個任期是從開始選舉leader到leader失效的這段時間。有點類似於一屆總統任期，只是它的時間是不一定的，也就是說只要leader工作狀態良好，它可能成爲一個獨裁者，一直不下臺。
2.2 etcd的代碼整體架構
從大體上可以將其劃分爲以下4個模塊：
-
http：負責對外提供http訪問接口和http client
-
raft 狀態機：根據接受的raft消息進行狀態轉移，調用各狀態下的動作。
-
wal 日誌存儲：持久化存儲日誌條目。
- kv數據存儲：kv數據的存儲引擎，v3支持不同的後端存儲，當前採用boltdb。通過boltdb支持事務操作。
相對於v2，v3的主要改動點爲：
-
使用grpc進行peer之間和與客戶端之間通信；
- v2的store是在內存中的一棵樹，v3採用抽象了一個kvstore，支持不同的後端存儲數據庫。增強了事務能力。
去除單元測試代碼，etcd v2的代碼行數約40k，v3的代碼行數約70k。
2.3 典型內部處理流程
我們將上面架構圖的各個部分進行編號，以便下文的處理流程介紹中，對應找到每個流程處理的組件位置。
2.3.1 消息入口
一個etcd節點運行以後，有3個通道接收外界消息，以kv數據的增刪改查請求處理爲例，介紹這3個通道的工作機制。 1. client的http調用：會通過註冊到http模塊的keysHandler的ServeHTTP方法處理。解析好的消息調用EtcdServer的Do()方法處理。(圖中2) 2. client的grpc調用：啓動時會向grpc server註冊quotaKVServer對象，quotaKVServer是以組合的方式增強了kvServer這個數據結構。grpc消息解析完以後會調用kvServer的Range、Put、DeleteRange、Txn、Compact等方法。kvServer中包含有一個RaftKV的接口，由EtcdServer這個結構實現。所以最後就是調用到EtcdServer的Range、Put、DeleteRange、Txn、Compact等方法。(圖中1) 3. 節點之間的grpc消息：每個EtcdServer中包含有Transport結構，Transport中會有一個peers的map，每個peer封裝了節點到其他某個節點的通信方式。包括streamReader、streamWriter等，用於消息的發送和接收。streamReader中有recvc和propc隊列，streamReader處理完接收到的消息會將消息推到這連個隊列中。由peer去處理，peer調用raftNode的Process方法處理消息。(圖中3、4)
2.3.2 EtcdServer消息處理
對於客戶端消息，調用到EtcdServer處理時，一般都是先註冊一個等待隊列，調用node的Propose方法，然後用等待隊列阻塞等待消息處理完成。Propose方法會往propc隊列中推送一條MsgProp消息。 對於節點間的消息，raftNode的Process是直接調用node的step方法，將消息推送到node的recvc或者propc隊列中。 可以看到，外界所有消息這時候都到了node結構中的recvc隊列或者propc隊列中。(圖中5)
2.3.3 node處理消息
node啓動時會啓動一個協程，處理node的各個隊列中的消息，當然也包括recvc和propc隊列。從propc和recvc隊列中拿到消息，會調用raft對象的Step方法，raft對象封裝了raft的協議數據和操作，其對外的Step方法是真正raft協議狀態機的步進方法。當接收到消息以後，根據協議類型、Term字段做相應的狀態改變處理，或者對選舉請求做相應處理。對於一般的kv增刪改查數據請求消息，會調用內部的step方法。內部的step方法是一個可動態改變的方法，將隨狀態機的狀態變化而變化。當狀態機處於leader狀態時，該方法就是stepLeader；當狀態機處於follower狀態時，該方法就是stepFollower；當狀態機處於Candidate狀態時，該方法就是stepCandidate。leader狀態會直接處理MsgProp消息。將消息中的日誌條目存入本地緩存。follower則會直接將MsgProp消息轉發給leader，轉發的過程是將先將消息推送到raft的msgs數組中。 node處理完消息以後，要麼生成了緩存中的日誌條目，要麼生成了將要發送出去的消息。緩存中的日誌條目需要進一步處理(比如同步和持久化)，而消息需要進一步處理髮送出去。處理過程還是在node的這個協程中，在循環開始會調用newReady，將需要進一步處理的日誌和需要發送出去的消息，以及狀態改變信息，都封裝在一個Ready消息中。Ready消息會推行到readyc隊列中。(圖中5)
2.3.4 raftNode的處理
raftNode的start()方法另外啓動了一個協程，處理readyc隊列(圖中6)。取出需要發送的message，調用transport的Send方法並將其發送出去(圖中4)。調用storage的Save方法持久化存儲日誌條目或者快照(圖中9、10)，更新kv緩存。 另外需要將已經同步好的日誌應用到狀態機中，讓狀態機更新狀態和kv存儲，通知等待請求完成的客戶端。因此需要將已經確定同步好的日誌、快照等信息封裝在一個apply消息中推送到applyc隊列。
2.3.5 EtcdServer的apply處理
EtcdServer會處理這個applyc隊列，會將snapshot和entries都apply到kv存儲中去(圖中8)。最後調用applyWait的Trigger，喚醒客戶端請求的等待線程，返回客戶端的請求。
3、重要的數據結構
3.1 EtcdServer
type EtcdServer struct {
// 當前正在發送的snapshot數量
inflightSnapshots int64
//已經apply的日誌index
appliedIndex uint64
//已經提交的日誌index，也就是leader確認多數成員已經同步了的日誌index
committedIndex uint64
//已經持久化到kvstore的index
consistIndex consistentIndex
//配置項
Cfg *ServerConfig
//啓動成功並註冊了自己到cluster，關閉這個通道。
readych chan struct{}
//重要的數據結果，存儲了raft的狀態機信息。
r raftNode
//滿多少條日誌需要進行snapshot
snapCount uint64
//爲了同步調用情況下讓調用者阻塞等待調用結果的。
w wait.Wait
//下面3個結果都是爲了實現linearizable 讀使用的
readMu sync.RWMutex
readwaitc chan struct{}
readNotifier *notifier
//停止通道
stop chan struct{}
//停止時關閉這個通道
stopping chan struct{}
//etcd的start函數中的循環退出，會關閉這個通道
done chan struct{}
//錯誤通道，用以傳入不可恢復的錯誤，關閉raft狀態機。
errorc chan error
//etcd實例id
id types.ID
//etcd實例屬性
attributes membership.Attributes
//集羣信息
cluster *membership.RaftCluster
//v2的kv存儲
store store.Store
//用以snapshot
snapshotter *snap.Snapshotter
//v2的applier，用於將commited index apply到raft狀態機
applyV2 ApplierV2
//v3的applier，用於將commited index apply到raft狀態機
applyV3 applierV3
//剝去了鑑權和配額功能的applyV3
applyV3Base applierV3
//apply的等待隊列，等待某個index的日誌apply完成
applyWait wait.WaitTime
//v3用的kv存儲
kv mvcc.ConsistentWatchableKV
//v3用，作用是實現過期時間
lessor lease.Lessor
//守護後端存儲的鎖，改變後端存儲和獲取後端存儲是使用
bemu sync.Mutex
//後端存儲
be backend.Backend
//存儲鑑權數據
authStore auth.AuthStore
//存儲告警數據
alarmStore *alarm.AlarmStore
//當前節點狀態
stats *stats.ServerStats
//leader狀態
lstats *stats.LeaderStats
//v2用，實現ttl數據過期的
SyncTicker *time.Ticker
//壓縮數據的週期任務
compactor *compactor.Periodic
//用於發送遠程請求
peerRt http.RoundTripper
//用於生成請求id
reqIDGen *idutil.Generator
// forceVersionC is used to force the version monitor loop
// to detect the cluster version immediately.
forceVersionC chan struct{}
// wgMu blocks concurrent waitgroup mutation while server stopping
wgMu sync.RWMutex
// wg is used to wait for the go routines that depends on the server state
// to exit when stopping the server.
wg sync.WaitGroup
// ctx is used for etcd-initiated requests that may need to be canceled
// on etcd server shutdown.
ctx context.Context
cancel context.CancelFunc
leadTimeMu sync.RWMutex
leadElectedTime time.Time}
3.2 raftNode
raftNode是Raft節點，維護Raft狀態機的步進和狀態遷移。
type raftNode struct {
// Cache of the latest raft index and raft term the server has seen.
// These three unit64 fields must be the first elements to keep 64-bit
// alignment for atomic access to the fields.
//狀態機當前狀態，index代表當前已經apply到狀態機的日誌index，term是最新日誌條目的term，lead是當前的leader id
index uint64
term uint64
lead uint64
//包含了node、storage等重要數據結構
raftNodeConfig
// a chan to send/receive snapshot
msgSnapC chan raftpb.Message
// a chan to send out apply
applyc chan apply
// a chan to send out readState
readStateC chan raft.ReadState
// utility
ticker *time.Ticker
// contention detectors for raft heartbeat message
td *contention.TimeoutDetector
stopped chan struct{}
done chan struct{}}
3.3 node
type node struct {
//Propose隊列，調用raftNode的Propose即把Propose消息塞到這個隊列裏
propc chan pb.Message
//Message隊列，除Propose消息以外其他消息塞到這個隊列裏
recvc chan pb.Message
//集羣配置信息隊列，當集羣節點改變時，需要將修改信息塞到這個隊列裏
confc chan pb.ConfChange
//外部通過這個隊列獲取修改後集羣配置信息
confstatec chan pb.ConfState
//已經準備好apply的信息隊列
readyc chan Ready
//每次apply好了以後往這個隊列裏塞個空對象。通知可以繼續準備Ready消息。
advancec chan struct{}
//tick信息隊列，用於調用心跳
tickc chan struct{}
done chan struct{}
stop chan struct{}
status chan chan Status
logger Logger}
4、小結
本文簡要介紹了raft協議和etcd的框架,介紹了etcd內部的和消息流的處理。後續將分心跳和選舉、數據同步、數據持久化等不同專題詳細講述etcd的內部機制。