更強、更穩、更高效：解讀 etcd 技術更新的三駕馬車

本文節選自《不一樣的 雙11 技術：阿裡巴巴經濟體雲原生實踐》一書

作者 | 陳星宇（宇慕）阿裡雲基礎技術中台技術專家

導讀：etcd 是阿裡巴巴内部容器雲平台用于存儲關鍵元資訊的元件。阿裡巴巴使用 etcd 已經有 3 年的曆史, 在今年 雙11 過程中它又一次承擔了關鍵角色，接受了 雙11 大壓力的檢驗。為了讓更多同學了解到 etcd 的最佳實踐和阿裡巴巴内部的使用經驗，本文作者将和大家分享阿裡巴巴是如何把 etcd 更新得更強、更穩、更高效的，希望通過這篇文章讓更多人了解 etcd, 享受雲原生技術帶來的紅利。

讓 etcd 變得更強

本節主要介紹 etcd 在性能方面的更新工作。首先我們來了解一下 etcd 的性能背景。

性能背景

這裡先庖丁解牛，将 etcd 分為如下幾個部分，如下圖所示：

每一部分都有各自的性能影響，讓我們逐層分解：

1. raft 層：raft 是 etcd 節點之間同步資料的基本機制，它的性能受限于網絡 IO、節點之間的 rtt 等， WAL 受到磁盤 IO 寫入延遲；
2. 存儲層：負責持久化存儲底層 kv, 它的性能受限于磁盤 IO，例如：fdatasync 延遲、記憶體 treeIndex 索引層鎖的 block、boltdb Tx 鎖的 block 以及 boltdb 本身的性能；
3. 其他還有諸如主控端核心參數、grpc api 層等性能影響因子。

服務端優化

了解完背景後，這裡介紹一下性能優化手段，主要由服務端和用戶端兩個方面組成，這裡先介紹服務端優化的一些手段。

硬體部署

etcd 是一款對 cpu、記憶體、磁盤要求較高的軟體。随着内部存儲資料量的增加和對并發通路量的增大，我們需要使用不同規格的硬體裝置。這裡我們推薦 etcd 至少使用 4 核 cpu、8GB 記憶體、SSD 磁盤、高速低延遲網絡、獨立主控端部署等（具體硬體的

配置資訊

）。在阿裡巴巴，由于有超大規模的容器叢集，是以我們運作 etcd 的硬體也較強。

軟體優化

etcd 是一款開源的軟體，集合了全世界優秀軟體開發者的智慧。最近一年在軟體上有很多貢獻者更新了很多性能優化，這裡分别從幾個方面來介紹這些優化，最後介紹一個由阿裡巴巴貢獻的 etcd 存儲優化。

1. 記憶體索引層。由于索引層大量使用鎖機制同步對性能影響較大，通過優化鎖使用，提升了讀寫性能，具體參考： github pr ；
2. lease 規模化使用。lease 是 etcd 支援 key 使用 ttl 過期的機制。在之前的版本中 scalability 較差，當有大量 lease 時性能下降的較為嚴重，通過優化 lease revoke 和過期失效的算法，解決了 lease 規模性的問題，具體參考：
3. 後端 boltdb 使用優化。etcd 使用 boltdb 作為底層資料庫存儲 kv, 它的使用優化對整體性能影響很大。

通過調節不同的 batch size 和 interval， 使我們可以根據不同硬體和工作負載優化性能，具體參考：

。

除此之外，新的完全并發讀特性也優化了 boltdb tx 讀寫鎖性能，大幅度地提升了讀寫性能，具體參考：

最後介紹一個由阿裡巴巴自主研發并貢獻開源社群的優化：基于 segregated hashmap 的 etcd 内部存儲 freelist 配置設定回收算法。

下圖是一個 etcd 節點的架構，etcd 使用 boltdb 持久化存儲所有 kv，它的性能好壞對 etcd 性能起着非常重要的作用。

在阿裡巴巴内部大規模使用 etcd 用于存儲中繼資料，在使用中我們發現了 boltdb 的性能問題。這裡給大家分享一下：

上圖是 etcd 内部存儲配置設定回收的核心算法。etcd 内部預設以 4kB 為一個頁面大小存儲資料。圖中的數字表示頁面 id, 紅色表示該頁面正在使用, 白色表示沒有。當使用者删除資料時 etcd 不會把存儲空間還給系統，而是内部先留存起來維護一個頁面池，以提升再次使用的性能，這個頁面池專業術語叫 freelist。當 etcd 需要存儲新資料時，普通 etcd 會線性掃描内部 freelist，時間複雜度 o(n)，當資料量超大或是内部碎片嚴重的情況下，性能會急劇下降。

是以我們重新設計并實作了基于 segregated hashmap 的 etcd 内部存儲 freelist 配置設定回收新算法，該優化算法将内部存儲配置設定算法時間複雜度從 o(n) 降為 o(1), 回收從 o(nlgn) 也降為 o(1), 使 etcd 性能有了質的飛躍，極大地提高了 etcd 存儲資料的能力，使得 etcd 存儲容量提升 50 倍，從推薦的 2GB 提升到 100GB；讀寫性能提升 24 倍。

CNCF 官方部落格

收錄了此次更新，感興趣的讀者可以讀一下。

用戶端優化

性能優化除了服務端要做的事情外，還需要用戶端的幫助。保持用戶端使用最佳實踐将保證 etcd 叢集穩定高效地運作，這裡我們分享 3 個最佳實踐：

1. put 資料時避免大的 value, 大的 value 會嚴重影響 etcd 性能，例如：需要注意 Kubernetes 下 crd 的使用；
2. 避免建立頻繁變化的 key/value, 例如：Kubernetes 下 node 資料上傳更新；
3. 避免建立大量 lease 對象，盡量選擇複用過期時間接近的 lease, 例如 Kubernetes 下 event 資料的管理。

讓 etcd 管理更高效

作為基于 raft 協定的分布式鍵值資料庫，etcd 是一個有狀态的應用。管理 etcd 叢集狀态、運維 etcd 節點、冷熱備份、故障恢複等過程均有一定複雜性，且需要具備 etcd 核心相關的專業知識，想高效地運維 etcd 有不小的挑戰。

目前在業界裡已經有一些 etcd 運維的工具，例如開源的 etcd-operator 等，但是這些工具往往比較零散，功能通用性不強，內建度比較差，學習這些工具的使用也需要一定的時間，關鍵是這些工具不是很穩定，存在穩定性風險等。

面對這些問題，我們根據阿裡巴巴内部場景，基于開源 etcd-operator 進行了一系列修改和加強，開發了 etcd 運維管理平台 Alpha。利用它，運維人員可以高效地運維管理 etcd，之前要前後操作多個工具完成的任務，現在隻要操作它就可以完成，一個人就可以管理成百上千的 etcd 叢集。

下圖展示了 Alpha 的基礎功能：

如上圖所示，Alpha 分為 etcd 生命周期管理和資料管理兩大部分。

其中生命周期管理功能依托于 operator 中聲明式的 CustomResource 定義，将 etcd 的叢集建立、銷毀的過程流程化、透明化，使用者不再需要為每個 etcd 成員單獨制定繁瑣的配置，僅需要指定成員數量、成員版本、性能參數配置等幾個簡單字段。除此之外，我們還提供了 etcd 版本更新、故障節點替換、叢集執行個體啟停等功能，将 etcd 常用的運維操作自動化，同時也在一定程度上保證了 etcd 變更的穩定性。

其次，資料作為 etcd 的核心内容，我們也開發了一系列功能進行重點保障。在備份上，資料管理工具支援定期冷備及實時熱備，且保持本地盤和雲上 OSS 兩類備份，同時也支援從備份上快速恢複出一個新的 etcd 叢集。此外，資料管理工具支援對 etcd 進行掃描分析，發現目前叢集的熱點資料鍵值數和存儲量，彌補了業界無法提供資料管理的空白，同時該拓展也是 etcd 支援多租戶的基礎。最後，資料管理工具還支援對 etcd 進行垃圾資料清理、跨叢集資料騰挪傳輸等功能。

這些豐富的功能為上層 Kubernetes 叢集的管理提供了很多靈活的幫助，例如使用者 A 原來在某雲廠商或自建 Kubernetes 叢集，我們可以通過遷移 etcd 内部的賬本資料的功能，将使用者的核心資料搬移至另外一個叢集，友善地實作使用者的 K8s 叢集跨雲遷移。

利用 Alpha，我們可以做到透明化、自動化、白屏化，減少人肉黑屏操作，讓 etcd 運維管理更高效。

讓 etcd 變得更穩

本節主要介紹一些 etcd 穩定建設的技巧。大家知道 etcd 是容器雲平台的底層依賴核心，它的服務品質、穩定程度決定了整個容器雲的穩定程度，其重要性無需贅述。這裡先介紹一下 etcd 常見的問題和風險分析，如下圖所示，主要分三個方面：

• etcd 自身：例如 OOM、代碼 bug、panic 等；
• 主控端環境：例如主控端故障、網絡故障、同一台主控端其他程序幹擾；
• 用戶端：例如用戶端 bug、運維誤操作、用戶端濫用 ddos 等。

針對這些風險點，我們從以下幾方面入手：

1. 建立完善的監控告警機制，覆寫用戶端輸入，etcd 自身以及主控端環境狀态；
2. 客戶操作審計，高危操作如删除資料做風控限流；
3. 資料治理，分析用戶端濫用，引導最佳實踐；
4. 定期資料冷備，通過熱備實作異地多活，保證資料安全；
5. 常态化故障演練，做好故障恢複預案。

總結展望：讓 etcd 變得更智能

本文分别從性能、穩定性、生态工具三個部分享了 etcd 變得更強、更快、更高效的技巧。在未來我們還将為讓 etcd 變得更智能而努力。如何讓 etcd 變得更智能是一個比較進階的話題，這裡簡單做一下展望。更智能的意思是指可以使 etcd 的管理更加地聰明，更少的人為幹預，例如遇到一些故障，系統可以自行修複等。

本書亮點

• 雙11 超大規模 K8s 叢集實踐中，遇到的問題及解決方法詳述
• 雲原生化最佳組合：Kubernetes+容器+神龍，實作核心系統 100% 上雲的技術細節
• 雙 11 Service Mesh 超大規模落地解決方案

“ 阿裡巴巴雲原生 微信公衆号（ID：Alicloudnative）關注微服務、Serverless、容器、Service Mesh等技術領域、聚焦雲原生流行技術趨勢、雲原生大規模的落地實踐，做最懂雲原生開發者的技術公衆号。”