著者|台湾の技術の専門家で陳Xingyu（ゆうムー）アリクラウドベースの技術
この紙仕上げ「CNCFはアリババネイティブクラウド技術のオープンクラスx」は講義17。
REVIEW：etcdクラウドプラットフォーム・コンポーネントは、キーのメタ情報を格納するためのコンテナです。ダブル再び、それは重要な役割を引き受けた今年11のコースで3年が経ちましたetcdアリババ使用は、彼が11-テスト二つの大きなプレッシャーを受け入れました。etcdパフォーマンスの背景から、著者、ヘルプにすべての人のための安定的かつ効率的なetcdクラスタを実行することを望んで、etcdサーバー側のパフォーマンスの最適化とベストプラクティスのetcdクライアントの使用を理解するために私たちを導きます。
、etcd簡単
etcd Golang言語の発達を使用して、CoreOs会社で生まれ、です。KeyValueは、分散ストレージエンジンです。私たちは、データベースに保存された分散システムのメタデータとしてetcd使用することができ、システム内の重要なメタ情報を格納します。etcdも広く大手企業で使用されます。
基本的なアーキテクチャのetcdショー下図
2人のリーダーと従動：3つのノードのクラスタ、上記に示したように。boltdb介して各ノードには、ラフトアルゴリズム同期データ、及びデータを記憶します。ノードがハングアップすると、他のノードが自動的にクラスタ全体の高可用性機能を維持し、リーダーを選出します。クライアントの要求は、任意のノードを接続することによって完成することができます。
第二に、etcdパフォーマンスを理解します
まず、マップを見て：
この図は、標準etcdクラスタアーキテクチャ図です。Etcdクラスタは、いくつかのコア・コンポーネントに分けることができる：、ラフト層は、例えば、青色記憶層を赤、内層はtreeIndexストレージboltdb層と下にある永続ストアのキー/値の層に分割されています。彼らは、それぞれの層はetcdの性能の低下が生じている可能性があります。
首先来看 Raft 层，Raft 需要通过网络同步数据，网络 IO 节点之间的 RTT 和 / 带宽会影响 etcd 的性能。除此之外，WAL 也受到磁盘 IO 写入速度影响。
再来看 Storage 层，磁盘 IO fdatasync 延迟会影响 etcd 性能，索引层锁的 block 也会影响 etcd 的性能。除此之外，boltdb Tx 的锁以及 boltdb 本身的性能也将大大影响 etcd 的性能。
从其他方面来看，etcd 所在宿主机的内核参数和 grpc api 层的延迟，也将影响 etcd 的性能。
三、etcd 性能优化 -server 端
下面具体来介绍一下 etcd server 端的性能优化。
etcd server 性能优化-硬件部署
server 端在硬件上需要足够的 CPU 和 Memory 来保障 etcd 的运行。其次，作为一个非常依赖于磁盘 IO 的数据库程序，etcd 需要 IO 延迟和吞吐量非常好的 ssd 硬盘，etcd 是一个分布式的 key/value 存储系统，网络条件对它也很重要。最后在部署上，需要尽量将它独立的部署，以防止宿主机的其他程序会对 etcd 的性能造成干扰。
附：etcd 官方推荐的配置要求信息。
etcd server 性能优化-软件
etcd 软件分成很多层，下面根据不同层次进行性能优化的简单介绍。想深度了解的同学可以自行访问下面的 GitHub pr 来获取具体的修改代码。
- 首先是针对于 etcd 的内存索引层优化：优化内部锁的使用减少等待时间。 原来的实现方式是遍历内部引 BTree 使用的内部锁粒度比较粗，这个锁很大程度上影响了 etcd 的性能，新的优化减少了这一部分的影响，降低了延迟。
具体可参照如下链接：
- 针对于lease 规模使用的优化：优化了 lease revoke 和过期失效的算法，将原来遍历失效 list 时间复杂度从 O(n) 降为 O(logn)，解决了 lease 规模化使用的问题。
具体可参照如下链接：
最后是针对于后端 boltdb 的使用优化：将后端的 batch size limit/interval 进行调整，这样就能根据不同的硬件和工作负载进行动态配置，这些参数以前都是固定的保守值。
还有一点是由谷歌工程师优化的完全并发读特性：优化调用 boltdb tx 读写锁使用，提升读性能。
基于 segregated hashmap 的 etcd 内部存储 freelist 分配回收新算法
其他的性能优化也非常多，这里我们重点介绍一下由阿里巴巴贡献的一个性能优化。这个性能优化极大地提升了 etcd 内部存储的性能，它的名字叫做：基于 segregated hashmap 的 etcd 内部存储 freelist 分配回收新算法。
上图是 etcd 的一个单节点架构，内部使用 boltdb 作为持久化存储所有的 key/value，因此 boltdb 的性能好坏对于 etcd 的性能好坏起着非常重要的作用。在阿里巴巴内部，我们大量使用 etcd 作为内部存储元数据，在使用过程中我们发现了 boltdb 的性能问题，这里分享给大家。
上图中为 etcd 内部存储分配回收的一个核心算法，这里先给大家介绍一下背景知识。首先，etce 内部使用默认为 4KB 的页面大小来存储数据。如图中数字表示页面 ID，红色的表示该页面正在使用，白色的表示未使用。
当用户想要删除数据的时候，etcd 并不会把这个存储空间立即还给系统，而是内部先留存起来，维护一个页面的池子，以提升下次使用的性能。这个页面池子叫做 freelist，如图所示，freelist 页面 ID 为 43、45、 46、50、53 正在被使用，页面 ID 为 42、44、47、48、49、51、52 处于空闲状态。
当新的数据存储需要一个连续页面为 3 的配置时，旧的算法需要从 freelist 头开始扫描，最后返回页面起始 ID 为 47，以此可以看到普通的 etcd 线性扫描内部 freelist 的算法，在数据量较大或者是内部碎片严重的情况下，性能就会急速的下降。
针对这一问题，我们设计并实现了一个基于 segregated hashmap 新的 freelist 分配回收算法。该算法将连续的页面大小作为 hashmap 的 key，value 是起始 ID 的配置集合。当需要新的页面存储时，我们只需要 O(1) 的时间复杂度来查询这个 hashmap 值，快速得到页面的起始 ID。
再去看上面例子，当需要 size 为 3 的连续页面的时候，通过查询这个 hashmap 很快就能找到起始页面 ID 为 47。
同样在释放页面时，我们也用了 hashmap 做优化。例如上图当页面 ID 为 45、46 释放的时候，它可以通过向前向后做合并，形成一个大的连续页面，也就是形成一个起始页面 ID 为 44、大小为 6 的连续页面。
综上所述：新的算法将分配的时间复杂度从 O(n) 优化到了 O(1)，回收从 O(nlogn) 优化到了 O(1)，etcd 内部存储不再限制其读写的性能，在真实的场景下，它的性能优化了几十倍。从单集群推荐存储 2GB 可以扩大到 100GB。该优化目前在阿里巴巴内部使用，并输出到了开源社区。
这里再提一点，本次说的多个软件的优化，在新版本中的 etcd 中都会有发布，大家可以关注使用一下。
四、etcd 性能优化 -client 端
再びパフォーマンスetceクライアントの使用に関するベストプラクティスを紹介します。
、入れて取得、ウォッチ、取引、リース、および他の多くの操作：まず、クライアントへのetcdサーバーで見てみましょう、いくつかのAPIを提供します。
より多くのクライアントでの操作については、我々はいくつかのベストプラクティスコールを要約したものです。
- 置く操作はK8S使用CRDの下で、例えば、更なる簡素化を合理化するために、大きな値、流線の使用を回避するように指示します。
- 第二に、ストレージ及びキー/値のメタデータ情報の頻繁な変更には適していないこと自体をetcd。キー/値を作成するために、頻繁な変更を回避する必要性を使用するクライアントはそう。これはK8S下に新しいノードノードのハートビートデータは、それがこのような行為を踏襲アップロード例えばです。
- 最後に、我々は再利用を選択しようと、リースの多数を作成しないようにする必要があります。例えば、K8Sで、イベントデータ管理：イベントの同じTTLの有効期限も、むしろ新しいリースを作成するよりも、多重同様のリースを選択します。
お使いのクラスタは、安定的かつ効率的な運転をetcdことを確実にするためのベストプラクティスを使用するようにクライアントを維持する：最後に、一つのことを覚えていてください。
このセクションでは、要約したもの
このセクションでは、我々がここでまとめとして、ここで終了することです：
- まず、我々は原則背後からの潜在的なパフォーマンスのボトルネックのポイントを理解し、etcdパフォーマンスの背景を理解します。
- 分析etcdサーバ側のパフォーマンスの最適化、ハードウェア/展開/インナーコア・ソフトウェア・アルゴリズムの面で最適化。
- ベストプラクティスのetcdクライアントの使用を学びます。
最後に、私はあなたが助けに安定的かつ効率的なetcdクラスタを実行するために収穫することができ、この記事を読んだ後の学生を願っています。
「アリババクラウドネイティブ懸念マイクロサービス、サーバレス、コンテナ、サービスメッシュ及び他の技術分野、クラウドネイティブ人気の技術動向を中心に、ネイティブの大規模な着陸の練習を曇らせるが、ほとんどは開発者のネイティブクラウド技術界を理解してください。」