etcd作为FushionStage的核心组件，负责FushionStage绝大多数组件的数据持久化、集群选举、状态同步等功能。作为如此重要的一个组件，我们需要深入地理解其架构设计和内部流程，唯有此，我们才能更好地使用etcd。本文试图从整体框架到内部细化流程，对etcd的代码和设计进行解读，希望能对etcd的高可用方案、性能优化、安全加固等指导作用。

etcd简介
etcd是一个分布式key-value 存储，它通过Raft协议进行leader选举和数据备份，对外提供高可用的数据存储，能有效应对网络问题和机器故障带来的数据丢失问题。同时它还可以提供服务发现、分布式锁、分布式数据队列、分布式通知和协调、集群选举等功能。

Raft协议

要理解etcd分布式协同的工作原理，必须提到Raft算法。Raft算法是斯坦福的Diego Ongaro、John Ousterhout两人以易懂（Understandability）为目标设计的一致性共识算法。在此之前，提到共识算法(Consensus Algorithm)必然会提到Paxos，但是Paxos的实现和理解起来都非常复杂，以至于在Raft算法提出者的博士论文中，作者提到，他们用了将近一年时间研究这个算法的各种解释，但还是没有完全理解这个算法。Paxos的算法原理和真正实现也有很大的距离，实现Paxos的系统，如Chubby，对Paxos进行了很多的改进有优化，但是细节却是不为人所知的。

Raft协议采用分治的思想，把分布式协同的问题分为3个问题：

选举：一个新的集群启动时，或者老的leader故障时，会选举出一个新的leader。
日志同步： leader必须接受客户端的日志条目并且将他们同步到集群的所有机器。
安全：保证任何节点只要在它的状态机中生效了一条日志条目，就不会在相同的key上生效另一条日志条目。

一个Raft集群一般包含数个节点，典型的是5个，这样可以承受其中2个节点故障。每个节点实际上就是维护一个状态机，节点在任何时候都处于以下三个状态中的一个。

leader：负责日志的同步管理，处理来自客户端的请求，与Follower保持这heartBeat的联系；
follower：刚启动时所有节点为Follower状态，响应Leader的日志同步请求，响应Candidate的请求，把请求到Follower的事务转发给Leader；
candidate：负责选举投票，Raft刚启动时由一个节点从Follower转为Candidate发起选举，选举出Leader后从Candidate转为Leader状态。

状态机的转移图如下所示：

节点启动以后，首先都是follower状态，在follower状态下，会有一个选举超时时间的计时器(这个时间是在配置的超时时间基础上加一个随机的时间得来的)。如果在这个时间内没有收到leader发送的心跳包，则节点状态会变成candidate状态，也就是变成了候选人，候选人会循环广播选举请求，如果超过半数的节点同意选举请求，则节点转化为leader状态。如果在选举过程中，发现已经有了leader或者有更高的任期值的选举信息，则自动变成follower状态。处于leader状态的节点如果发现有更高任期值的leader存在，则也是自动变成follower状态。

Raft把时间划分为任期(Term)(如下图所示)，任期是一个递增的整数，一个任期是从开始选举leader到leader失效的这段时间。有点类似于一届总统任期，只是它的时间是不一定的，也就是说只要leader工作状态良好，它可能成为一个独裁者，一直不下台。

etcd的代码整体架构

etcd整体架构如下图所示：

从大体上可以将其划分为以下4个模块：

http：负责对外提供http访问接口和http client。
raft 状态机：根据接受的raft消息进行状态转移，调用各状态下的动作。
wal 日志存储：持久化存储日志条目。
kv数据存储：kv数据的存储引擎，v3支持不同的后端存储，当前采用boltdb。通过boltdb支持事务操作。

相对于v2，v3的主要改动点为：

使用grpc进行peer之间和与客户端之间通信
v2的store是在内存中的一棵树，v3采用抽象了一个kvstore，支持不同的后端存储数据库。增强了事务能力。

去除单元测试代码，etcd v2的代码行数约40k，v3的代码行数约70k。

典型内部处理流程：

我们将上面架构图的各个部分进行编号，以便下文的处理流程介绍中，对应找到每个流程处理的组件位置。

消息入口

一个etcd节点运行以后，有3个通道接收外界消息，以kv数据的增删改查请求处理为例，介绍这3个通道的工作机制。

1. client的http调用：会通过注册到http模块的keysHandler的ServeHTTP方法处理。解析好的消息调用EtcdServer的Do()方法处理。(图中2)

2. client的grpc调用：启动时会向grpc server注册quotaKVServer对象，quotaKVServer是以组合的方式增强了kvServer这个数据结构。grpc消息解析完以后会调用kvServer的Range、Put、DeleteRange、Txn、Compact等方法。kvServer中包含有一个RaftKV的接口，由EtcdServer这个结构实现。所以最后就是调用到EtcdServer的Range、Put、DeleteRange、Txn、Compact等方法。(图中1)

3. 节点之间的grpc消息：每个EtcdServer中包含有Transport结构，Transport中会有一个peers的map，每个peer封装了节点到其他某个节点的通信方式。包括streamReader、streamWriter等，用于消息的发送和接收。streamReader中有recvc和propc队列，streamReader处理完接收到的消息会将消息推到这连个队列中。由peer去处理，peer调用raftNode的Process方法处理消息。(图中3、4)

EtcdServer消息处理

对于客户端消息，调用到EtcdServer处理时，一般都是先注册一个等待队列，调用node的Propose方法，然后用等待队列阻塞等待消息处理完成。Propose方法会往propc队列中推送一条MsgProp消息。

对于节点间的消息，raftNode的Process是直接调用node的step方法，将消息推送到node的recvc或者propc队列中。

可以看到，外界所有消息这时候都到了node结构中的recvc队列或者propc队列中。

node处理消息

node启动时会启动一个协程，处理node的各个队列中的消息，当然也包括recvc和propc队列。从propc和recvc队列中拿到消息，会调用raft对象的Step方法，raft对象封装了raft的协议数据和操作，其对外的Step方法是真正raft协议状态机的步进方法。当接收到消息以后，根据协议类型、Term字段做相应的状态改变处理，或者对选举请求做相应处理。对于一般的kv增删改查数据请求消息，会调用内部的step方法。内部的step方法是一个可动态改变的方法，将随状态机的状态变化而变化。当状态机处于leader状态时，该方法就是stepLeader；当状态机处于follower状态时，该方法就是stepFollower；当状态机处于Candidate状态时，该方法就是stepCandidate。leader状态会直接处理MsgProp消息。将消息中的日志条目存入本地缓存。follower则会直接将MsgProp消息转发给leader，转发的过程是将先将消息推送到raft的msgs数组中。

node处理完消息以后，要么生成了缓存中的日志条目，要么生成了将要发送出去的消息。缓存中的日志条目需要进一步处理(比如同步和持久化)，而消息需要进一步处理发送出去。处理过程还是在node的这个协程中，在循环开始会调用newReady，将需要进一步处理的日志和需要发送出去的消息，以及状态改变信息，都封装在一个Ready消息中。Ready消息会推行到readyc队列中。(图中5)

raftNode的处理

raftNode的start()方法另外启动了一个协程，处理readyc队列(图中6)。取出需要发送的message，调用transport的Send方法并将其发送出去(图中4)。调用storage的Save方法持久化存储日志条目或者快照(图中9、10)，更新kv缓存。
另外需要将已经同步好的日志应用到状态机中，让状态机更新状态和kv存储，通知等待请求完成的客户端。因此需要将已经确定同步好的日志、快照等信息封装在一个apply消息中推送到applyc队列。

EtcdServer的apply处理

EtcdServer会处理这个applyc队列，会将snapshot和entries都apply到kv存储中去(图中8)。最后调用applyWait的Trigger，唤醒客户端请求的等待线程，返回客户端的请求。
重要的数据结构

1. EtcdServer: 是整个etcd节点的功能的入口，包含etcd节点运行过程中需要的大部分成员。

typeEtcdServerstruct{
//当前正在发送的snapshot数量
inflightSnapshotsint64
//已经apply到状态机的日志index
appliedIndexuint64
//已经提交的日志index，也就是leader确认多数成员已经同步了的日志index
committedIndexuint64
//已经持久化到kvstore的index
consistIndexconsistentIndex
//配置项
Cfg*ServerConfig
//启动成功并注册了自己到cluster，关闭这个通道。
readychchanstruct{}
//重要的数据结果，存储了raft的状态机信息。
rraftNode
//满多少条日志需要进行snapshot
snapCountuint64
//为了同步调用情况下让调用者阻塞等待调用结果的。
wwait.Wait
//下面3个结果都是为了实现linearizable读使用的
readMusync.RWMutex
readwaitcchanstruct{}
readNotifier*notifier
//停止通道
stopchanstruct{}
//停止时关闭这个通道
stoppingchanstruct{}
//etcd的start函数中的循环退出，会关闭这个通道
donechanstruct{}
//错误通道，用以传入不可恢复的错误，关闭raft状态机。
errorcchanerror
//etcd实例id
idtypes.ID
//etcd实例属性
attributesmembership.Attributes
//集群信息
cluster*membership.RaftCluster
//v2的kv存储
storestore.Store
//用以snapshot
snapshotter*snap.Snapshotter
//v2的applier，用于将commitedindexapply到raft状态机
applyV2ApplierV2
//v3的applier，用于将commitedindexapply到raft状态机
applyV3applierV3
//剥去了鉴权和配额功能的applyV3
applyV3BaseapplierV3
//apply的等待队列，等待某个index的日志apply完成
applyWaitwait.WaitTime
//v3用的kv存储
kvmvcc.ConsistentWatchableKV
//v3用，作用是实现过期时间
lessorlease.Lessor
//守护后端存储的锁，改变后端存储和获取后端存储是使用
bemusync.Mutex
//后端存储
bebackend.Backend
//存储鉴权数据
authStoreauth.AuthStore
//存储告警数据
alarmStore*alarm.AlarmStore
//当前节点状态
stats*stats.ServerStats
//leader状态
lstats*stats.LeaderStats
//v2用，实现ttl数据过期的
SyncTicker*time.Ticker
//压缩数据的周期任务
compactor*compactor.Periodic
//用于发送远程请求
peerRthttp.RoundTripper
//用于生成请求id
reqIDGen*idutil.Generator
//forceVersionCisusedtoforcetheversionmonitorloop
//todetecttheclusterversionimmediately.
forceVersionCchanstruct{}
//wgMublocksconcurrentwaitgroupmutationwhileserverstopping
wgMusync.RWMutex
//wgisusedtowaitforthegoroutinesthatdependsontheserverstate
//toexitwhenstoppingtheserver.
wgsync.WaitGroup
//ctxisusedforetcd-initiatedrequeststhatmayneedtobecanceled
//onetcdservershutdown.
ctxcontext.Context
cancelcontext.CancelFunc
leadTimeMusync.RWMutex
leadElectedTimetime.Time
}

2. raftNode：raft状态机，维护raft状态机的步进和状态迁移。

typeraftNodestruct{
//Cacheofthelatestraftindexandrafttermtheserverhasseen.
//Thesethreeunit64fieldsmustbethefirstelementstokeep64-bit
//alignmentforatomicaccesstothefields.
//状态机当前状态，index代表当前已经apply到状态机的日志index，term是最新日志条目的term，lead是当前的leaderid
indexuint64
termuint64
leaduint64
//包含了node、storage等重要数据结构
raftNodeConfig
//achantosend/receivesnapshot
msgSnapCchanraftpb.Message
//achantosendoutapply
applycchanapply
//achantosendoutreadState
readStateCchanraft.ReadState
//utility
ticker*time.Ticker
//contentiondetectorsforraftheartbeatmessage
td*contention.TimeoutDetector
stoppedchanstruct{}
donechanstruct{}
}

3. node：包含在raftNode中，是Node接口的实现。里面包含一个协程和多个队列，是状态机消息处理的入口。

typenodestruct{
//Propose队列，调用raftNode的Propose即把Propose消息塞到这个队列里
propcchanpb.Message
//Message队列，除Propose消息以外其他消息塞到这个队列里
recvcchanpb.Message
//集群配置信息队列，当集群节点改变时，需要将修改信息塞到这个队列里
confcchanpb.ConfChange
//外部通过这个队列获取修改后集群配置信息
confstatecchanpb.ConfState
//已经准备好apply的信息队列
readycchanReady
//每次apply好了以后往这个队列里塞个空对象。通知可以继续准备Ready消息。
advancecchanstruct{}
//tick信息队列，用于调用心跳
tickcchanstruct{}
donechanstruct{}
stopchanstruct{}
statuschanchanStatus
loggerLogger
}

本文简要介绍了raft协议和etcd的框架，介绍了etcd内部的和消息流的处理。

后续将分心跳和选举、数据同步、数据持久化等不同课题详细讲述etcd的内部处理流程。

本文转载自华为云产品与解决方案公众号。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/7bbKGHm4wYJ1dDl0qscwPQ

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