etcd 分布式一致性存储入门

前言

如果你用过 Redis，你可能会问："有了 Redis 为什么还要 etcd？"答案在于一个词：一致性。Redis 是 AP 系统（最终一致），而 etcd 是 CP 系统（强一致）。当你的分布式锁、选主、配置变更必须是"绝对正确"的时候，etcd 是答案。

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第一章：理解 Raft

1.1 为什么需要共识算法

问题：3 个节点存储同一数据，如何确保所有节点返回相同值？

方案1：主从复制（MySQL）
  → 主写入，从复制。主挂 → 可能丢数据

方案2：Raft
  → 多数派（quorum）写入：3 节点中 2 个确认即成功
  → 保证：任何时刻，多数派中至少有一个节点有最新数据

1.2 Raft 三阶段

阶段1：Leader 选举
  所有节点 → Candidate → 获得多数票 → Leader
  心跳间隔：T（通常 100-500ms）

阶段2：日志复制
  Client → Leader → 写入日志 → 复制到 Follower → 多数确认 → 提交

阶段3：安全
  新 Leader 一定包含所有已提交的日志
  利用 Term（任期号）和 Index（日志索引）保证

1.3 Quorum 数学

N 节点集群需要 (N/2)+1 节点确认：

N=3 → 需 2 确认 → 容忍 1 节点故障
N=5 → 需 3 确认 → 容忍 2 节点故障
N=7 → 需 4 确认 → 容忍 3 节点故障

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第二章：etcd 核心 API

2.1 KV 操作

etcdctl put /config/app/timeout "30s"
etcdctl get /config/app/timeout
etcdctl del /config/app/timeout
etcdctl get /config/ --prefix      # 前缀查询

2.2 Watch（长连接推送）

# 终端1：监听变化
etcdctl watch /config/ --prefix

# 终端2：修改值
etcdctl put /config/app/timeout "60s"

# 终端1 实时输出：
# PUT /config/app/timeout
# 60s

2.3 Lease（租约）

# 创建 30 秒租约
etcdctl lease grant 30
# lease 694d8f7a3b2e1c5d granted with TTL(30s)

# 用租约写 key（到期自动删除）
etcdctl put /services/app/instance1 "192.168.1.1:8080" --lease=694d8f7a3b2e1c5d

# 续约
etcdctl lease keep-alive 694d8f7a3b2e1c5d

2.4 事务

# 原子 CAS：如果 /lock 不存在则写入
etcdctl txn <;<EOF
compares:
  create("/lock/my-resource") = "0"

success requests (get, put, del):
  put /lock/my-resource "holder-abc"

failure requests (get, put, del):
  get /lock/my-resource
EOF

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第三章：etcd vs Redis vs ZooKeeper vs Consul

特性	etcd	Redis	ZooKeeper	Consul
CAP	CP	AP	CP	CP
共识算法	Raft	无（主从）	ZAB	Raft
配置存储	✅ KV	✅ KV	✅ 树形	✅ KV
Watch	✅	✅ Pub/Sub	✅	✅
Lease/TTL	✅	✅ EXPIRE	✅ Ephemeral	✅
事务	✅	✅ MULTI/EXEC	✅ Multi	✅
K8s 原生	✅（核心依赖）	❌	❌	❌
多数据中心	❌	❌	❌	✅
侧重点	一致性 + 简洁	性能 + 丰富数据结构	配置 + 选举	服务发现 + Mesh

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第四章：生产运维要点

4.1 数据压缩与碎片整理

# 查看当前 revision
etcdctl endpoint status --write-out=table

# 压缩旧版本（保留最近 1000 个）
rev=$(etcdctl endpoint status --write-out=json | jq '.[0].Status.header.revision')
etcdctl compact $(($rev - 1000))

# 碎片整理
etcdctl defrag --cluster

4.2 备份与恢复

# 备份
etcdctl snapshot save backup.db

# 恢复
etcdctl snapshot restore backup.db \
  --data-dir=/var/lib/etcd-new \
  --name=infra0 \
  --initial-cluster=infra0=http://10.0.0.1:2380 \
  --initial-advertise-peer-urls=http://10.0.0.1:2380

4.3 安全加固

# 启用认证
etcdctl user add root
etcdctl auth enable

# 创建角色和用户
etcdctl role add app-role
etcdctl role grant-permission app-role readwrite /config/app/ --prefix
etcdctl user add app-user
etcdctl user grant-role app-user app-role

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思考题

1. 为什么 etcd 推荐奇数节点（3/5/7）？4 节点和 3 节点的容错能力一样吗？
2. Raft 的 Leader 选举中如果出现"脑裂"（两个 Leader），etcd 怎么处理？客户端怎么知道谁是真正的 Leader？
3. etcd 的 MVCC 机制和数据库的 MVCC 有什么异同？为什么要保存历史版本？
4. Kubernetes 中所有资源都存储在 etcd 中，etcd 挂了对 K8s 集群有什么影响？已有 Pod 还能继续运行吗？

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下一步

• 学习 etcd + gRPC 实现命名解析（Name Resolver）
• 学习 Kubernetes CRD + etcd 原理
• 学习 etcd 性能调优：磁盘/网络/配置参数