2018年12月 etcd 作為孵化項目 CNCF（雲原生計算基金會），幾天前 CNCF 宣布 etcd 正式畢業，成為 CNCF 頂級項目。CNCF 官方表示 etcd 項目的采用率持續增加，也有穩定的治理流程，功能已達一定成熟度。
etcd 已經被許多公司用于實際生産，其中包括亞馬遜、百度、思科、EMC、谷歌、阿裡、華為、IBM、Red Hat、Uber、Verizon 等；而且其身影也出現在包括 Kubernetes、CoreDNS、M3、Rook 以及 TiKV 等項目當中。
前面的系列 etcd 文章已經部分介紹了 etcd。本文将會做一個快速入門的介紹，帶領大家十分鐘快速入門雲原生存儲元件 etcd，主要内容如下（本文較長，建議收藏）：
- etcd 簡介，以及其應用場景
- etcd 的多種安裝模式及高可用運維
- etcd v3 的架構解析
- etcdctl 的實踐應用
1 etcd 介紹
2013 年 6 月，CoreOS 發起了 etcd 項目。etcd 使用 Go 語言實作，是分布式系統中重要的基礎元件，目前最新版本為 V3.4.9。etcd 可以用來建構高可用的分布式鍵值資料庫，根據官網介紹，總結來說有如下的特點：
- 簡單：etcd 的安裝簡單，且為使用者提供了 HTTP API，使用者使用起來也很簡單
- 存儲：etcd 的基本功能，資料分層存儲在檔案目錄中，類似于我們日常使用的檔案系統
- Watch 機制：Watch 指定的鍵、字首目錄的更改，并對更改時間進行通知
- 安全通信：SSL 證書驗證
- 高性能：etcd 單執行個體可以支援 2k/s 讀操作，官方也有提供基準測試腳本
- 一緻可靠：基于 Raft 共識算法，實作分布式系統資料的高可用性、一緻性
etcd 是一個分布式鍵值存儲資料庫，支援跨平台，擁有強大的社群。etcd 的 Raft 算法，提供了可靠的方式存儲分布式叢集涉及的資料。etcd 廣泛應用在微服務架構和 Kubernates 叢集中，不僅可以作為服務注冊與發現，還可以作為鍵值對存儲的中間件。從業務系統 Web 到 Kubernetes 叢集，都可以很友善地從 etcd 中讀取、寫入資料。
2 etcd 應用場景
etcd 在穩定性、可靠性和可伸縮性表現極佳，同時也為雲原生應用系統提供了協調機制。etcd 經常用于服務注冊與發現的場景，此外還有鍵值對存儲、消息釋出與訂閱、分布式鎖等場景。
2.1 鍵值對存儲
如下是官方對 etcd 的描述：
❝
A highly-available key value store for shared configuration and service discovery.
一個用于配置共享和服務發現的鍵值存儲系統。
❞
從其定義來看，etcd 是一個「鍵值存儲」的元件，存儲是 etcd 最基本的功能，其他應用場景都是建立在 etcd 的可靠存儲上。etcd 的存儲有如下特點：
- 采用鍵值對資料存儲，讀寫性能一般高于關系型資料庫；
- etcd 叢集分布式存儲，多節點叢集更加可靠；
- etcd 的存儲采用類似檔案目錄的結構：
- 葉子節點存儲資料，其他節點不存儲，這些資料相當于檔案；
- 非葉節點一定是目錄，這些節點不能存儲資料。
比如 Kubernetes 将一些中繼資料存儲在 etcd 中，将存儲狀态資料的的複雜工作交給 etcd，Kubernetes 自身的功能和架構能夠更加專注。
2.2 服務注冊與發現
分布式環境中，業務服務多執行個體部署，這個時候涉及到服務之間調用，就不能簡單使用寫死的方式指定服務執行個體資訊。服務注冊與發現就是解決如何找到分布式叢集中的某一個服務（程序），并與之建立聯系。
服務注冊與發現涉及三個主要的角色：服務請求者、服務提供者和服務注冊中心。
三大支柱
服務提供者啟動的時候，在服務注冊中心進行注冊自己的服務名、主機位址、端口等資訊；服務請求者需要調用對應的服務時，一般通過服務名請求服務注冊中心，服務注冊中心傳回對應的執行個體位址和端口；服務請求者擷取到執行個體位址、端口之後，綁定對應的服務提供者，實作遠端調用。
etcd 基于 Raft 算法，能夠有力地保證分布式場景中的一緻性。各個服務啟動時注冊到 etcd 上，同時為這些服務配置鍵的 TTL 時間，定時保持服務的心跳以達到監控健康狀态的效果。通過在 etcd 指定的主題下注冊的服務也能在對應的主題下查找到。為了確定連接配接，我們可以在每個服務機器上都部署一個 Proxy 模式的 etcd，這樣就可以確定通路 etcd 叢集的服務都能夠互相連接配接。
2.3 消息釋出與訂閱
在分布式系統中，服務之間還可以通過消息通信，即消息的釋出與訂閱。通過建構一個消息中間件，服務提供者釋出對應主題的消息，而消費者則訂閱他們關心的主題，一旦對應的主題有消息釋出，即會産生訂閱事件，消息中間件就會通知該主題所有的訂閱者。
如微服務架構中的認證鑒權服務，Auth 服務的執行個體位址、端口和執行個體節點的狀态存放在 etcd 中，用戶端應用訂閱對應的主題，而 etcd 設定 key TTL 可以确儲存儲的服務執行個體的健康狀态。
2.4 分布式鎖
分布式系統中涉及到多個服務執行個體，存在跨程序之間資源調用，對于資源的協調配置設定，單體架構中的鎖已經無法滿足需要，需要引入分布式鎖的概念。分布式鎖可以将資源标記存儲，這裡的存儲不是單純屬于某個程序，而是公共存儲，諸如 Redis、Memcache、關系型資料庫、檔案等。
etcd 基于 Raft 算法，實作分布式叢集的一緻性，存儲到 etcd 叢集中的值必然是全局一緻的，是以基于 etcd 很容易實作分布式鎖。分布式鎖有兩種使用方式：保持獨占和控制時序。
保持獨占，從字面可以知道，所有擷取資源的請求，隻有一個成功。etcd 通過分布式鎖原子操作 CAS 的 API，設定 prevExist 值，進而保證在多個節點同時去建立某個目錄時，最後隻有一個成功，建立成功的請求擷取到鎖。
控制時序，有點類似于隊列緩沖，所有的請求都會被安排配置設定資源，但是獲得鎖的順序也是全局唯一的，執行按照先後的順序。etcd 提供了一套自動建立有序鍵的 API，對一個目錄的建值操作，這樣 etcd 會自動生成一個目前最大的值為鍵，并存儲該值。同時還可以使用 API 按順序列出目前目錄下的所有鍵值。
3 etcd 的多種安裝方法
etcd 的安裝非常簡單，我們在本小節實踐 etcd 單機和叢集的幾種安裝方式。
3.1 etcd 概念詞彙表
下文的安裝實踐可能會涉及到 etcd 相關的概念詞彙，是以我們首先了解下 etcd 的概念詞彙表，以便于下文的了解。
- Raft：分布式一緻性算法；
- Node：Raft 狀态機執行個體；
- Member：管理着 Node 的 etcd 執行個體，為用戶端請求提供服務；
- Cluster：etcd 叢集，由多個 Member 構成；
- Peer：同一個 etcd 叢集中的另一個 Member；
- Client：用戶端，向 etcd 發送 HTTP 請求；
- WAL：持久化存儲的日志格式，預寫式日志；
- Snapshot：etcd 資料快照，防止 WAL 檔案過多而設定的快照。
在了解了 etcd 的常用術語之後，我們下面開始介紹 etcd v3 的架構。
etcd 的安裝有多種方式，筆者以 Centos 7 和 MacOS 10.15 為例，可以通過 yum install etcd 和 brew install etcd進行安裝。
然而通過系統工具安裝的 etcd 版本比較滞後，如果需要安裝最新版本的 etcd ，我們可以通過二進制包、源碼編譯以及 docker 容器安裝。
3.2 etcd 單機安裝部署
3.2.1 二進制安裝
在 macOS 下，安裝 3.4.5，指定 etcd 版本，執行如下的腳本：
ETCD_VER=v3.4.5
GITHUB_URL=https://github.com/etcd-io/etcd/releases/download
DOWNLOAD_URL=${GITHUB_URL}
rm -f /tmp/etcd-${ETCD_VER}-darwin-amd64.zip
rm -rf /tmp/etcd-download-test && mkdir -p /tmp/etcd-download-test
curl -L ${DOWNLOAD_URL}/${ETCD_VER}/etcd-${ETCD_VER}-darwin-amd64.zip -o /tmp/etcd-${ETCD_VER}-darwin-amd64.zip
unzip /tmp/etcd-${ETCD_VER}-darwin-amd64.zip -d /tmp && rm -f /tmp/etcd-${ETCD_VER}-darwin-amd64.zip
mv /tmp/etcd-${ETCD_VER}-darwin-amd64/* /tmp/etcd-download-test && rm -rf mv /tmp/etcd-${ETCD_VER}-darwin-amd64
/tmp/etcd-download-test/etcd --version
/tmp/etcd-download-test/etcdctl version
執行完上面的腳本，控制台即可輸出如下的結果：
etcd Version: 3.4.5
Git SHA: c65a9e2dd
Go Version: go1.12.12
Go OS/Arch: darwin/amd64
根據控制台的顯示，etcd 安裝成功，版本為 etcd 3.4.5，基于的 Go 語言版本為 1.12.12。
Linux 上的操作也類似，Centos 7 系統執行的腳本可以參考 etcd 官方提供的腳本。
我們在這一小節示範了單機 etcd 在 macOS 和 Linux 上的安裝。etcd 在 Windows 系統的安裝比較簡單，下載下傳可執行檔案，其中 etcd.exe 是 etcd Server，etcdctl.exe 指令行工具。
3.2.2 源碼安裝
對于那些想嘗試最新版本的同學，可以從 master 分支建構 etcd。使用源碼安裝，首先需要確定本地的 Go 語言環境。如未安裝，請參考 https://golang.org/doc/install。需要 Go 版本為 1.13+，來建構最新版本的 etcd。本地的 Go 版本為：
$ go version
go version go1.14.2 darwin/amd64
基于 master 分支建構 etcd，腳本如下：
git clone https://github.com/etcd-io/etcd.git
cd etcd
./build
安裝完記得執行測試指令，確定 etcd 源碼編譯安裝成功。