2. etcd 基础回顾：Raft 协议原理、MVCC 机制、Watch 机制、Lease 租约机制

etcd 作为云原生的分布式键值存储，其核心设计围绕 强一致性、高可用 和 增量监听 展开。本节将深入回顾支撑 etcd 运行的四大基础机制：Raft 共识协议、MVCC 多版本并发控制、Watch 事件监听以及 Lease 租约机制。理解这些机制是后续进行压测沙盘资源变更与一致性复核的前提。

2.1 Raft 协议原理

Raft 是一种易于理解的分布式共识算法，用于在多个节点间复制日志，确保集群在部分节点故障时仍能对外提供一致的服务。etcd 使用 Raft 作为其一致性核心。

2.1.1 节点角色与任期

在任意时刻，每个 Raft 节点都处于以下三种角色之一：

• Leader（领导者）： 负责处理所有客户端请求，并将操作日志复制到 Follower 节点。集群中只有一个 Leader。
• Follower（跟随者）： 被动响应 Leader 和 Candidate 的请求。如果在一段时间内未收到 Leader 的心跳，会转变为 Candidate。
• Candidate（候选者）： 用于选举新的 Leader。Candidate 会向其他节点发起投票请求。

Raft 将时间划分为任意长度的 任期（Term），每个任期以一次选举开始。任期号单调递增，作为逻辑时钟，用于检测过期信息。

2.1.2 领导者选举

当 Follower 在选举超时时间内未收到 Leader 的心跳，它会发起选举：

1. 增加本地任期号，转换为 Candidate。
2. 投票给自己，并向其他节点并行发送 RequestVote RPC。
3. 如果获得超过半数（n/2 + 1）节点的投票，则成为新的 Leader。
4. 新 Leader 立即发送心跳（AppendEntries RPC）给所有节点，确立权威并阻止新的选举。

2.1.3 日志复制

这是 Raft 的核心流程，确保所有节点状态一致：

1. 客户端请求 发送到 Leader。
2. Leader 将操作追加到本地日志，状态为 未提交（Uncommitted）。
3. Leader 并行向所有 Follower 发送 AppendEntries RPC，包含日志条目。
4. Follower 收到后追加日志，并回复成功。
5. Leader 收到超过半数的成功回复后，将日志条目标记为 已提交（Committed），并应用到状态机。
6. Leader 在后续的心跳中通知 Follower 该条目已提交，Follower 随后应用到自己的状态机。

2.2 MVCC 多版本并发控制机制

etcd 的 MVCC 机制通过保留键的历史版本，实现了无锁的并发读取和高效的事件回溯。每个键的每次修改都会生成一个新的版本号（revision），旧版本数据不会被立即覆盖。

2.2.1 核心数据结构

2.2.2 读写流程

• 写操作： 分配一个新的 revision，将 (key, value, revision) 写入 buffer 和 boltdb。旧版本数据仍然保留在 boltdb 中。
• 读操作： 可以指定读取某个 revision 的快照数据，实现“读取历史版本”。如果不指定，则读取当前最新的已提交数据。
• 压缩（Compaction）： 定期删除指定 revision 之前的旧版本数据，以回收存储空间。这是 etcd 运维的关键操作。

2.3 Watch 机制

Watch 机制是 etcd 实现事件驱动架构的核心。客户端可以向 etcd 注册一个 Watcher，监听特定键或键前缀的变化。当被监听的键发生 put/delete 操作时，etcd 会实时推送事件给客户端。

2.3.1 工作流程

1. 注册： 客户端发起 Watch gRPC 请求，指定要监听的 key 或前缀，以及起始 revision。
2. 事件捕获： etcd 的 WatchableStore 模块监听 MVCC 的写操作。当有匹配的 key 被修改时，生成一个 Event（包含类型 PUT/DELETE 和键值对）。
3. 推送： WatchableStore 将事件通过 gRPC stream 推送给所有注册了该 key 的客户端。
4. 重连与恢复： 如果 Watch 连接断开，客户端可以使用上次收到的最后一个 revision 重新发起 Watch 请求，etcd 会从该 revision 开始重放事件，确保不丢失。

2.4 Lease 租约机制

Lease 是一种轻量级的分布式心跳保活机制。它允许一个 key 或一组 key 关联一个租约，租约具有一个 TTL（生存时间）。只要租约持有者定期续约，关联的 key 就保持有效；一旦租约过期，所有关联的 key 会被自动删除。

2.4.1 核心概念

2.4.2 典型应用

• Leader 选举： 候选者创建一个 TTL 较短的租约，并关联一个 key。成功创建 key 的节点成为 Leader，并通过续约保持领导地位。如果 Leader 宕机，租约过期，key 被删除，其他节点可以重新竞选。
• 会话管理： 在分布式系统中，使用租约来管理客户端会话。客户端通过续约表示自己“活着”，一旦断开，关联的临时数据自动清理。

2.5 机制协同关系

这四大机制并非孤立运行，而是紧密协作，共同构成了 etcd 的强一致性、高可用和事件驱动能力：

• Raft + MVCC： Raft 保证日志条目在集群中一致复制，MVCC 则负责将这些日志条目以多版本的形式应用到状态机，提供历史快照能力。
• MVCC + Watch： MVCC 的 revision 为 Watch 提供了精确的事件定位点。Watch 可以基于 revision 进行事件回溯，实现“断点续传”。
• Lease + Raft： Lease 的创建、续约和过期本身也是通过 Raft 日志进行复制的，确保租约状态在集群中一致。
• Lease + Watch： 当租约过期导致 key 被删除时，会触发一个 DELETE 事件，Watch 机制可以捕获该事件并通知客户端。