1. etcd 基础概念
1.1 etcd 是什么
etcd 是一个分布式、可靠的键值存储系统，用于存储分布式系统中的关键数据。它由 CoreOS 团队开发，采用 Go 语言编写，是云原生计算基金会（CNCF）的毕业项目。etcd 在 Kubernetes 等容器编排平台中扮演着核心角色，负责存储集群状态、配置信息和元数据。
核心定位：etcd 是分布式系统的“协调者”和“状态仓库”，提供强一致性的数据存储与订阅通知能力。
1.2 核心特性
| 特性 | 说明 | 关键价值 |
|---|---|---|
| 强一致性 | 所有节点在同一时刻看到相同的数据视图，写入成功后所有读操作都能读到最新值 | 避免数据冲突，保障决策正确性 |
| 高可用 | 基于 Raft 协议实现自动领导者选举，容忍少数节点故障（N 节点集群容忍 (N-1)/2 节点故障） | 服务不中断，数据不丢失 |
| 键值存储 | 支持分层键空间（类似文件系统路径），每个键关联一个值 | 灵活组织配置与状态数据 |
| Watch 机制 | 客户端可以监听键的变化，实现实时事件通知 | 服务发现、配置变更实时响应 |
| 租约（Lease） | 支持 TTL 自动过期清理，用于心跳检测和临时数据管理 | 节点故障自动摘除 |
| 事务与 CAS | 支持比较-交换（CAS）和多键事务操作 | 分布式锁、资源竞争控制 |
1.3 Raft 协议简介
Raft 是一种易于理解的分布式共识协议，etcd 使用它来保证集群中数据的一致性。Raft 将节点分为三种角色：领导者（Leader）、候选者（Candidate）和跟随者（Follower）。
- 领导者选举：当跟随者超时未收到领导者心跳，转为候选者并发起选举投票，获得多数票的节点成为新领导者。
- 日志复制：所有写请求必须经过领导者，领导者将日志条目复制到多数跟随者后，才提交并返回成功。
- 安全性：Raft 保证已提交的日志条目不会被覆盖，领导者拥有所有已提交日志。
关键数字：etcd 集群通常部署 3 或 5 节点。3 节点集群可容忍 1 节点故障，5 节点集群可容忍 2 节点故障。奇数节点配置可避免选举平局。
1.4 典型应用场景
| 场景 | 实现方式 | 典型示例 |
|---|---|---|
| 服务发现 | 服务启动时在 etcd 注册自身地址，客户端通过 Watch 获取可用服务列表 | Kubernetes 中 Pod 与 Service 的注册与发现 |
| 配置中心 | 将配置项存储在 etcd 键值对中，应用通过 Watch 实时感知配置变更 | 微服务架构中的动态配置下发 |
| 分布式锁 | 利用 etcd 的 CAS 操作和租约机制实现互斥锁，支持锁续期和自动释放 | 分布式任务调度中的资源抢占 |
| 集群元数据存储 | 存储集群节点信息、调度状态、资源配额等关键元数据 | Kubernetes 集群状态（Pod、Service、Namespace 等） |
| 领导者选举 | 多个候选节点竞争写入同一个键，成功写入者成为领导者，配合租约实现心跳保活 | 数据库主从切换、网关主节点选举 |
重要提示：etcd 存储的是集群的“源数据”，一旦损坏或丢失，整个分布式系统将无法恢复。因此，etcd 的备份与恢复策略是运维工作的重中之重，也是本课程后续章节的核心内容。