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原文地址：https://www.tony-yin.site/2019/05/15/Etcd_Service_HA/#
本文介绍如何通过 etcd 进行 leader 选举，从而实现服务高可用。
概述
Etcd 是什么？
Etcd是一个分布式的，一致的 key-value 存储，主要用于共享配置和服务发现。Etcd是由 CoreOS 开发并维护，通过 Raft 一致性算法处理日志复制以保证强一致性。Raft是一个来自 Stanford 的新的一致性算法，适用于分布式系统的日志复制，Raft通过选举的方式来实现一致性，在 Raft 中，任何一个节点都可能成为 leader。Google 的容器集群管理系统 Kubernetes、开源PaaS 平台 Cloud Foundry 和CoreOS的 Fleet 都广泛使用了etcd。
Etcd 的特性？
在分布式系统中，如何管理节点间的状态一直是一个难题，etcd像是专门为集群环境的服务发现和注册而设计，它提供了数据 TTL 失效、数据改变监视、多值、目录监听、分布式锁原子操作等功能，可以方便的跟踪并管理集群节点的状态。Etcd的特性如下：
- 简单:
curl可访问的用户的API（HTTP+JSON） - 安全: 可选的
SSL客户端证书认证 - 快速: 单实例每秒
1000次写操作 - 可靠: 使用
Raft算法保证一致性
为什么需要 Etcd？
所有的分布式系统，都面临的一个问题是多个节点之间的数据共享问题，这个和团队协作的道理是一样的，成员可以分头干活，但总是需要共享一些必须的信息，比如谁是 leader，都有哪些成员，依赖任务之间的顺序协调等。所以分布式系统要么自己实现一个可靠的共享存储来同步信息（比如Elasticsearch），要么依赖一个可靠的共享存储服务，而Etcd 就是这样一个服务。
Etcd主要提供以下能力:
- 提供存储以及获取数据的接口，它通过协议保证
etcd集群中的多个节点数据的强一致性。用于存储元信息以及共享配置。 - 提供监听机制，客户端可以监听某个
key或者某些key的变更（v2和v3的机制不同）。用于监听和推送变更。 - 提供
key的过期以及续约机制，客户端通过定时刷新来实现续约（v2和v3的实现机制也不一样）。用于集群监控以及服务注册发现。 - 提供原子的
CAS（Compare-and-Swap）和CAD（Compare-and-Delete）支持（v2通过接口参数实现，v3通过批量事务实现）。用于分布式锁以及leader选举。
第三方库和客户端工具
目前有很多支持 etcd 的库和客户端工具，比如命令行客户端工具 etcdctl、Go 客户端 go-etcd、Java 客户端 jetcd、Python 客户端 python-etcd 等等。
背景
回归正题，一起谈谈如何借助 etcd 进行 leader 选举实现高可用吧。
首先说下背景，现在集群上有一个服务，我希望它是高可用的，当一个节点上的这个服务挂掉之后，另一个节点就会起一个同样的服务，从而保证服务不中断。
这种场景应该比较常见，比如 MySQL 高可用、NFS高可用等等，而这些高可用的实现方式往往是通过 keepalived、ctdb 等组件，对外暴露一个虚拟 IP 提供服务。
技术选型
那为什么不采用上面提到的技术实现高可用呢？首先这些技术很成熟，的确很好用，但是不适用于所有场景，它们比较适合对外提供读写服务的场景，而并不是所有服务都是对外服务的；其次，在已经存在 etcd 的集群环境上并且借助 etcd 可以达到高可用的情况下没有必要再引入其他组件；然后，在第三方库和客户端工具上，etcd有很大优势；最后，因为 Raft 算法的关系，在一致性上面 etcd 做的也比上面这几个要好。
核心：TTL & CAS
Etcd进行 leader 选举的实现主要依赖于 etcd 自带的两个核心机制，分别是 TTL 和 Atomic Compare-and-Swap。TTL（time to live）指的是给一个 key 设置一个有效期，到期后这个 key 就会被自动删掉，这在很多分布式锁的实现上都会用到，可以保证锁的实时有效性。Atomic Compare-and-Swap（CAS）指的是在对 key 进行赋值的时候，客户端需要提供一些条件，当这些条件满足后，才能赋值成功。这些条件包括：
-
prevExist：key当前赋值前是否存在 -
prevValue：key当前赋值前的值 -
prevIndex：key当前赋值前的Index
这样的话，key的设置是有前提的，需要知道这个 key 当前的具体情况才可以对其设置。
设计原理
所以我们可以这样设计：
- 先定义一个
key，用作于选举；定义key对应的value，每个节点定义的value需要能够唯一标识； - 定义
TTL周期，各节点客户端运行周期为TTL/2，这样可以保证key可以被及时创建或更新； - 启动时，每个客户端尝试
cas create key，并设置TTL，如果创建不成功，则表示抢占失败；如果创建成功，则抢占成功，并且给key赋值了可以唯一标识自己的value，并设置TTL； - 客户端
TTL/2定期运行，每个客户端会先get这个key的value，跟自己节点定义的value相比较，如果不同，则表示自己角色是slave，所以接下来要做的事就是周期去cas create key，并设置TTL；如果相同，则表示自己角色是master，那么就不需要再去抢占，只要更新这个key的TTL，延长有效时间； - 如果
master节点中途异常退出，那么当TTL到期后，其他slave节点则会抢占到并选举出新的master。
具体实现
环境参数：
etcd：v2
client：python-etcd定义参数
- 定义存储目录名称为
etcd_watcher，etcd_watcher所有相关的key都在该目录下； - 定义用于选举的
key名称为master，定义每个节点赋该key的值为本节点的hostname用作唯一标识； - 定义
TTL为60s，这样etcd_watcher定期执行的时间为30s； -
定义
etcd_watcher六种角色，分别为：-
Master：上一次运行角色为Master，当前运行角色仍为Master -
Slave：上一次运行角色为Slave，当前运行角色仍为Slave -
ToMaster：上一次运行角色为Slave，当前运行角色为Master -
ToSlave：上一次运行角色为Master，当前运行角色为Slave -
InitMaster：上一次运行角色为None，当前运行角色为Master -
InitSlave：上一次运行角色为None，当前运行角色为Slave
-
class EtcdClient(object):
def __init__(self):
self.hostname = get_hostname()
self.connect()
self.ttl = 60
self.store_dir = '/etcd_watcher'
self.master_file = '{}/{}'.format(self.store_dir, 'master')
self.master_value = self.hostname
# node role
self.Master = 'Master'
self.Slave = 'Slave'
self.ToMaster = 'ToMaster'
self.ToSlave = 'ToSlave'
self.InitMaster = 'InitMaster'
self.InitSlave = 'InitSlave'
# node basic status: master or slave
self.last_basic_status = None
self.current_basic_status = None 连接 Etcd
Etcd支持 https 和ssl认证，所以 etcd 集群做了这些安全配置的话，需要在实例化 Client 的时候配置 protocol、cert、ca_cert 选项。
这里不得不吐槽一下 python-etcd 的官方文档，连这些配置都未说明，还是笔者去翻源码才找到的。。。
def connect(self):
try:
self.client = etcd.Client(
host='localhost',
port=2379,
allow_reconnect=True,
protocol='https',
cert=('/etc/ssl/etcd/ssl/node-{}.pem'.format(self.hostname),
'/etc/ssl/etcd/ssl/node-{}-key.pem'.format(self.hostname)
),
ca_cert='/etc/ssl/etcd/ssl/ca.pem'
)
except Exception as e:
logger.error("Connect etcd failed: {}".format(str(e))) 获取节点基本状态
CAS采用两个条件：prevValue和prevExist，下面是三个最基础的函数：
- 创建
master-key：争抢master - 获取
master-key：获取master的值 - 更新
master-key：更新master的TTL
def create_master(self):
logger.info('Create master.')
try:
self.client.write(
self.master_file,
self.master_value,
ttl=self.ttl,
prevExist=False
)
except Exception as e:
logger.error("Create master failed: {}".format(str(e)))
def get_master(self):
try:
master_value = self.get(self.master_file)
return master_value
except etcd.EtcdKeyNotFound:
logger.error("Key {} not found.".format(self.master_file))
except Exception as e:
logger.error("Get master value failed: {}".format(str(e)))
def update_master(self):
try:
self.client.write(
self.master_file,
self.master_value,
ttl=self.ttl,
prevValue=self.master_value,
prevExist=True
)
except Exception as e:
logger.error("Update master failed: {}".format(str(e))) 获取当前节点基本状态是 Master 还是Slave
def get_node_basic_status(self):
node_basic_status = None
try:
master_value = self.get_master()
if master_value == self.master_value:
node_basic_status = self.Master
else:
node_basic_status = self.Slave
except Exception as e:
logger.error("Get node basic status failed: {}".format(str(e)))
return node_basic_status 获取节点角色
获取当前节点基本状态，跟上一次的基本状态作比较，得到最终的角色，这里的角色分为上述的六种。
def get_node_status(self):
self.last_basic_status = self.current_basic_status
self.current_basic_status = self.etcd_client.get_node_basic_status()
node_status = None
if self.current_basic_status == self.Master:
if self.last_basic_status is None:
node_status = self.InitMaster
elif self.last_basic_status == self.Master:
node_status = self.Master
elif self.last_basic_status == self.Slave:
node_status = self.ToMaster
else:
logger.error("Invalid last basic status for master: {}".format(self.last_basic_status)
)
elif self.current_basic_status == self.Slave:
if self.last_basic_status is None:
node_status = self.InitSlave
elif self.last_basic_status == self.Master:
node_status = self.ToSlave
elif self.last_basic_status == self.Slave:
node_status = self.Slave
else:
logger.error("Invalid last basic status for slave: {}".format(self.last_basic_status)
)
else:
logger.error("Invalid current basic status: {}".format(self.current_basic_status)
)
return node_status 服务高可用
根据当前节点的角色，协调服务做对应的工作，保证高可用。
def run(self):
try:
logger.info("===== Init Etcd Wathcer =====")
self.etcd_client.create_master()
while True:
node_status = self.get_node_status()
logger.info("node status : {}".format(node_status))
if node_status == self.etcd_client.ToMaster:
self.do_ToMaster_work()
self.etcd_client.update_master()
elif node_status == self.etcd_client.InitMaster:
self.do_InitMaster_work()
self.etcd_client.update_master()
elif node_status == self.etcd_client.Master:
self.etcd_client.update_master()
elif node_status == self.etcd_client.ToSlave:
self.do_ToSlave_work()
self.etcd_client.create_master()
elif node_status == self.etcd_client.InitSlave:
self.do_InitSlave_work()
self.etcd_client.create_master()
elif node_status == self.etcd_client.Slave:
self.etcd_client.create_master()
else:
logger.error("Invalid node status: {}".format(node_status))
time.sleep(self.interval)
self.etcd_client = EtcdClient()
except Exception:
logger.error("Etcd watcher run error:{}".format(traceback.format_exc()))Refer
- Etcd V2 API
- Python-etcd doc
- etcd 使用经验总结
- Etcd 架构与实现解析
- ETCD 实现 leader 选举
- 主从系统的实现
- 利用 ETCD 进行多 Mater 模块容灾
- python 使用 etcd 来实现配置共享及集群服务发现【上】
总结
本文通过 etcd 自带的特性进行选举，然后通过选举机制实现了服务的高可用。只要 etcd 集群正常运行，服务就可以达到主备容灾的效果。该 watcher 可以应用于任意服务，并且可以一对多，多个服务可以共用一套选举机制，避免使用多套高可用组件。大家对该项目有兴趣的话，可以去 Github 上详细阅读，喜欢的话请点个赞哦(#^.^#)。
项目地址：https://github.com/tony-yin/e…
