Etcd 解析

Etcd 作为 Kubernetes 的“中枢神经”，以强一致性和高可用性保障集群数据安全，是云原生架构不可或缺的基石。

Etcd 简介

Etcd 是 Kubernetes 集群的核心组件之一，作为分布式键值存储系统，负责保存集群的所有配置信息和状态数据。本文将深入解析 etcd 在 Kubernetes 中的作用、原理和使用方法。

Etcd 的核心职责与特性

Etcd 作为高可用的分布式键值存储系统，采用 Raft 共识算法保证数据一致性。在 Kubernetes 生态系统中，etcd 主要承担以下职责：

  • 集群状态存储：保存所有 Kubernetes 对象的状态信息和元数据
  • 配置管理：存储集群配置和各种资源定义
  • 服务发现：为集群组件提供服务注册和发现功能
  • 分布式锁：支持分布式协调和同步操作

核心特性

  • 简单性：定义良好的用户 API (gRPC)
  • 安全性：自动 TLS，可选客户端证书认证
  • 高性能：基准测试显示 10,000 次写入/秒
  • 可靠性：使用 Raft 共识算法正确分布
  • 一致性：强一致性读写
  • 高可用性：容忍机器故障，包括 leader 故障

Etcd 在生产环境中广泛使用，特别是作为 Kubernetes 的主要数据存储和其他需要可靠协调服务的分布式系统。

架构与组件解析

Etcd 遵循客户端 - 服务器架构，其中多个 etcd 服务器实例形成集群。客户端使用 etcd 客户端库或 etcdctl 命令行工具与集群通信。

系统架构概览

下图展示了 etcd 的主要架构组件及其交互关系。

图 1: Etcd 系统架构
图 1: Etcd 系统架构

Etcd 架构由以下关键组件组成：

  • 客户端接口：为应用程序提供 gRPC API 和客户端库以与 etcd 交互
  • 服务器核心 (EtcdServer)：处理客户端请求，协调集群操作
  • 认证系统：管理认证和基于角色的访问控制
  • MVCC 存储：多版本并发控制存储，维护版本化的键值数据
  • 租约系统：管理键 TTL 和过期
  • Raft 共识：实现 Raft 算法进行分布式共识
  • 存储：包括预写日志 (WAL) 和 bbolt 数据库后端

请求处理流程

下图说明了不同类型的请求如何通过 etcd 系统处理：

图 2: Etcd 请求处理流程
图 2: Etcd 请求处理流程

读取操作可分为可序列化（可能过时）和线性化（保证最新）；写入操作始终通过 Raft 共识过程以确保跨集群一致性。

核心原理与组件

Etcd 采用 Raft 共识算法 实现分布式一致性，确保即使在部分节点故障的情况下，集群仍能正常工作并保持数据一致性。

Raft 共识算法与架构特点

  • 强一致性：通过 Raft 算法保证所有节点数据一致
  • 高可用性：支持集群部署，容忍少数节点故障
  • 可靠性：提供数据持久化和自动故障恢复
  • 性能优化：支持批量操作和 watch 机制

详细的架构分析请参考： Etcd 架构与实现解析

主要组件解析

EtcdServer

EtcdServer 是中央协调组件，处理客户端请求、管理 Raft 共识协议，并集成所有其他 etcd 子系统。它在 server/etcdserver/server.go 中定义，并实现了多个接口，包括 Server、RaftStatusGetter 和 Authenticator。

主要职责：

  • 将客户端请求应用到状态机
  • 协调集群成员变更
  • 管理租约和监听
  • 编排快照和压缩

Raft 共识

etcd 使用 Raft 共识算法维护集群一致性。 server/etcdserver/raft.go 中的 raftNode 结构封装了 Raft 协议实现：

图 3: Raft 节点与 EtcdServer 交互
图 3: Raft 节点与 EtcdServer 交互

Raft 实现的关键方面：

  • leader 选举用于协调写入
  • 日志复制以维护一致性
  • 安全特性以防止脑裂场景
  • 成员变更（添加/删除节点）

存储系统

etcd 的存储系统由多个层组成：

图 4: Etcd 存储层次结构
图 4: Etcd 存储层次结构

各层功能说明：

  • MVCC：维护版本化的键值对，支持并发读取和历史查询
  • bbolt 后端：持久的 B+tree 键值数据库，提供事务和持久性
  • WAL：应用前记录所有变更，用于崩溃恢复
  • 快照器：创建数据库状态镜像，用于恢复和成员添加

认证与授权

etcd 提供全面的安全模型，具有认证和基于角色的访问控制 (RBAC)：

图 5: Etcd 认证与授权流程
图 5: Etcd 认证与授权流程

关键安全特性：

  • 用户认证（用户名/密码、JWT 令牌）
  • 基于角色的访问控制
  • TLS 加密客户端与服务器通信

Kubernetes 与 Etcd 的集成

Kubernetes 使用 etcd v3 API 进行所有操作，提供更好的性能和功能。

# 设置 etcd v3 API
export ETCDCTL_API=3

早期版本的网络插件（如 flannel）可能使用 etcd v2 API，但现代版本通常已升级到 v3 API。

数据存储结构

Kubernetes 将所有资源对象存储在 etcd 的 /registry 路径下，结构如下：

/registry/
├── pods/
├── services/
├── deployments/
├── configmaps/
├── secrets/
├── namespaces/
├── nodes/
├── persistentvolumes/
├── persistentvolumeclaims/
├── storageclasses/
├── customresourcedefinitions/
└── ...

使用 etcdctl 访问 Kubernetes 数据

建议仅用于调试、排查或只读场景，切勿直接修改 etcd 中的 Kubernetes 资源数据，否则可能导致集群状态不一致或不可预期的故障。所有生产环境下的资源管理应通过 Kubernetes API Server 进行。

基本访问方法

访问 Kubernetes 数据时，需指定 etcd v3 API：

export ETCDCTL_API=3

或在命令前添加环境变量：

ETCDCTL_API=3 etcdctl get /registry/namespaces/default -w=json | jq .

TLS 认证访问

对于使用 kubeadm 创建的集群，etcd 默认启用 TLS 认证。需使用相应证书文件：

ETCDCTL_API=3 etcdctl \
    --cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt \
    --cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/peer.crt \
    --key=/etc/kubernetes/pki/etcd/peer.key \
    get /registry/namespaces/default -w=json | jq .

参数说明：

  • --cacert: CA 证书文件路径
  • --cert: 客户端证书文件路径
  • --key: 客户端私钥文件路径
  • -w: 指定输出格式（json、table 等）

常用查询命令

查看 default 命名空间的详细信息：

ETCDCTL_API=3 etcdctl get /registry/namespaces/default -w=json | jq .

输出示例：

{
        "count": 1,
        "header": {
                "cluster_id": 12091028579527406772,
                "member_id": 16557816780141026208,
                "raft_term": 36,
                "revision": 29253467
        },
        "kvs": [
                {
                        "create_revision": 5,
                        "key": "L3JlZ2lzdHJ5L25hbWVzcGFjZXMvZGVmYXVsdA==",
                        "mod_revision": 5,
                        "value": "azhzAAoPCgJ2MRIJTmFtZXNwYWNlEmIKSAoHZGVmYXVsdBIAGgAiACokZTU2YzMzMDgtMWVhOC0xMWU3LThjZDctZjRlOWQ0OWY4ZWQwMgA4AEILCIn4sscFEKOg9xd6ABIMCgprdWJlcm5ldGVzGggKBkFjdGl2ZRoAIgA=",
                        "version": 1
                }
        ]
}

查看多个对象：

ETCDCTL_API=3 etcdctl get /registry/namespaces --prefix -w=json | jq .

列出所有键：

ETCDCTL_API=3 etcdctl get /registry --prefix --keys-only

查看集群节点信息：

ETCDCTL_API=3 etcdctl get /registry/minions --prefix
ETCDCTL_API=3 etcdctl get /registry/minions/node-name

监控资源变化：

ETCDCTL_API=3 etcdctl watch /registry/pods --prefix
ETCDCTL_API=3 etcdctl watch /registry/services/default/my-service

数据解码

etcd 中的键值都经过 base64 编码，需要解码才能查看实际内容。

echo "L3JlZ2lzdHJ5L25hbWVzcGFjZXMvZGVmYXVsdA==" | base64 -d
# 输出：/registry/namespaces/default

批量解码脚本：

#!/bin/bash
export ETCDCTL_API=3
keys=$(etcdctl get /registry --prefix -w json | jq -r '.kvs[].key')
for key in $keys; do
    echo $key | base64 -d
done | sort

Kubernetes 数据结构

Kubernetes 在 etcd 中的数据遵循以下层次结构：

/registry/
├── <资源类型复数形式>/
│   ├── <命名空间>/
│   │   └── <对象名称>
│   └── <集群级别对象名称>

主要资源类型包括：

  • namespaces
  • pods
  • services
  • configmaps
  • secrets
  • persistentvolumes
  • persistentvolumeclaims
  • deployments
  • replicasets
  • daemonsets
  • statefulsets
  • jobs
  • storageclasses
  • limitranges
  • resourcequotas
  • roles
  • rolebindings
  • clusterroles
  • clusterrolebindings
  • serviceaccounts
  • apiextensions.k8s.io
  • apiregistration.k8s.io

实用脚本

获取所有 Kubernetes 对象键：

#!/bin/bash
export ETCDCTL_API=3

ETCD_OPTS=""
if [ -f "/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt" ]; then
        ETCD_OPTS="--cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt \
                             --cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/peer.crt \
                             --key=/etc/kubernetes/pki/etcd/peer.key"
fi

etcdctl $ETCD_OPTS get /registry --prefix -w json | \
jq -r '.kvs[].key' | \
while read key; do
        echo $key | base64 -d
done | sort

按资源类型统计对象数量：

#!/bin/bash
export ETCDCTL_API=3

etcdctl get /registry --prefix --keys-only | \
while read key; do
        echo $key | base64 -d
done | \
cut -d'/' -f3 | \
sort | uniq -c | \
sort -nr

注意事项

  • 生产环境谨慎操作：直接操作 etcd 数据可能会破坏集群状态，建议仅用于调试和学习。
  • 权限要求：访问 etcd 需要适当的权限，通常需要在 master 节点上执行。
  • 数据一致性：etcd 中的数据反映的是 Kubernetes API Server 的内部状态，可能与 kubectl 输出略有差异。
  • 版本兼容性：不同 Kubernetes 版本在 etcd 中的数据结构可能有所不同。

通过 etcdctl 访问 Kubernetes 数据有助于深入理解集群的内部工作机制，对于故障排查和性能优化具有重要意义。

集群与复制机制

etcd 使用 Raft 共识维护集群一致性，允许容忍机器故障，包括 leader 故障，同时维护数据完整性。

集群形成与成员管理

集群可以通过以下方式形成：

  • 使用显式对等 URL 的静态配置
  • 使用发现服务的动态发现
  • 基于 DNS 的发现

成员可动态添加、删除或更新。新节点可作为 “learner” 添加，然后提升为完整投票成员。

图 6: Etcd 集群形成与成员管理
图 6: Etcd 集群形成与成员管理

Leader 选举与日志复制

在 Raft 系统中：

  • 一个节点被选举为 leader
  • 所有写入操作都通过 leader
  • leader 将日志条目复制到 follower
  • 大多数节点必须确认每个条目
  • 一旦提交，条目就会应用到状态机

leader 选举过程确保在任何时候只存在一个 leader，防止脑裂场景。

客户端交互方式

客户端通过 etcdctl 命令行工具或客户端库与 etcd 交互。主要通信协议是 gRPC，具有用于 RESTful 访问的 HTTP/JSON 网关。

客户端库

主要的客户端库是 clientv3，为 etcd 提供 Go API，包括：

  • KV 操作（Get、Put、Delete）
  • 监控变更的 watch 功能
  • 键 TTL 的租约管理
  • 分布式并发原语（锁、选举）
  • 集群管理操作
图 7: Etcd 客户端库结构
图 7: Etcd 客户端库结构

etcdctl 命令行界面

etcdctl CLI 提供了从命令行与 etcd 交互的用户友好方式，支持所有核心操作。

示例操作：

  • 键值操作：put、get、del
  • 监听操作：watch
  • 租约操作：lease grant、lease revoke
  • 认证：user add、role grant
  • 集群管理：member add、endpoint health

网络插件与 Etcd

现代网络插件（如 Calico、Flannel、Cilium）通常将网络配置存储在 etcd 中。

# 查看网络配置（以 Calico 为例）
ETCDCTL_API=3 etcdctl get /calico --prefix

# 查看 Flannel 网络配置（如果使用）
ETCDCTL_API=3 etcdctl get /coreos.com/network --prefix

数据备份与恢复实践

定期创建快照以防止数据丢失，恢复时需严格按照官方流程操作，避免数据一致性问题。

创建快照

# 创建 etcd 快照
ETCDCTL_API=3 etcdctl snapshot save /backup/etcd-snapshot-$(date +%Y%m%d-%H%M%S).db

# 验证快照
ETCDCTL_API=3 etcdctl snapshot status /backup/etcd-snapshot.db

恢复数据

恢复操作会将 etcd 数据目录重建为快照中的状态，建议先在隔离环境中验证快照完整性。

# 从快照恢复
ETCDCTL_API=3 etcdctl snapshot restore /backup/etcd-snapshot.db \
    --data-dir=/var/lib/etcd-restore \
    --initial-cluster-token=etcd-cluster-restore

性能优化与监控建议

关键指标监控

  • 延迟：监控读写操作延迟
  • 吞吐量：跟踪每秒操作数
  • 存储空间：监控数据库大小和碎片
  • 集群健康：检查节点状态和网络连接

优化建议

  • 硬件配置：使用 SSD 存储，确保足够的 IOPS
  • 网络优化：低延迟网络连接，避免跨地域部署
  • 定期维护：执行数据压缩和碎片整理
  • 监控告警：设置关键指标的告警阈值

监控和维护

etcd 提供 Prometheus 指标和内置健康检查。

  • HTTP 端点用于健康检查：/health、/livez、/readyz
  • 性能和资源使用指标
  • 告警机制

维护操作包括：

  • 压缩：删除旧修订以释放空间
  • 碎片整理：回收磁盘空间
  • 快照：创建备份
  • 升级：版本升级流程

安全最佳实践

TLS 加密

建议所有 etcd 节点间通信和客户端访问均启用 TLS。

# 使用 TLS 证书访问 etcd
ETCDCTL_API=3 etcdctl \
    --cacert=/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt \
    --cert=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt \
    --key=/etc/kubernetes/pki/etcd/server.key \
    get /registry/pods --prefix

访问控制

  • 启用 RBAC 认证
  • 限制网络访问
  • 定期轮换证书
  • 监控访问日志

故障排查与调试

常见问题

  • 集群分裂：检查网络连接和节点状态
  • 性能下降：分析慢查询和资源使用
  • 数据不一致：验证 Raft 日志和选举状态
  • 存储空间不足：清理历史数据和执行压缩

调试命令

# 检查集群健康状态
ETCDCTL_API=3 etcdctl endpoint health

# 查看成员列表
ETCDCTL_API=3 etcdctl member list

# 检查集群状态
ETCDCTL_API=3 etcdctl endpoint status --cluster -w table

总结

Etcd 为分布式系统提供可靠的分布式键值存储，具有强一致性保证，是存储关键配置数据的理想选择。其简单性、安全性、性能、可靠性和一致性的组合，使其成为现代云原生架构的基础，尤其在 Kubernetes 体系中发挥着不可替代的作用。

参考文献

  1. etcd 官方文档 - etcd.io
  2. Kubernetes etcd 管理指南 - kubernetes.io
  3. etcd 性能调优指南 - etcd.io
  4. Etcd 架构与实现解析 - jolestar.com
  5. Raft 共识算法论文 - raft.github.io
发布于: 2024/01/15 • 最后更新: 2025/10/27 • 字数: 3700 • 阅读时间: 8 mins

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