zetcd：让应用解除对ZooKeeper的依赖

Posted 2021-04-13 分布式实验室

分布式系统通常都依赖一个仲裁系统协同工作，一般这样的系统通过仲裁来保证信息的准确传达，以避免出现脑裂。这类系统通过牺牲通用性换来了充分的设计余地，这种做法显然已经被不断扩散的各种具体实现所例证。这样的系统有很多，例如：chubby，ZooKeeper，etcd和consul等。尽管这些系统的理念和协议不同，但是提供的都是类似的基于key-value的分布式仲裁。作为将etcd打造成分布式系统最受瞩目的基础组件计划的一部分，etcd团队开发了一款全新的代理，zetcd，无需变动就可以让etcd集群消费ZooKeeper的服务请求。

ZooKeeper是第一个开源实现的仲裁软件，这促使它成为众多分布式系统偏好的后端。理论上来说这些系统应该可以跟etcd兼容，但由于历史原因，事实并非如此；etcd集群无法替代ZooKeeper，其数据模型和客户端协议跟ZooKeeper应用不兼容；反之亦然。倘若该系统已经投产，那么几乎没什么动力可以推动它接入新的后端，引入新的复杂度。幸运的是，etcd v3 API正准备通过一个标准代理zetcd实现对ZooKeeper数据模型的模拟支持，zetcd是一个由etcd团队开发的全新开源项目，今天发布了zetcd第一个beta版本，v0.0.1，目标是在生产系统中管理和部署zetcd系统。

zetcd 代理部署在etcd集群前面，服务于一个模拟的ZooKeeper客户端端口，使得ZooKeeper应用可以在上层原生调用etcd。总体上来说，zetcd接受ZooKeeper的客户请求，转化成etcd的数据模型和API，将请求转发到etcd，然后将返回信息以客户端可以理解的方式转发回去。zetcd的性能跟ZooKeeper不相上下，并且简化了ZooKeeper集群与etcd之间的管理和操作复杂性。本文将揭示如何使用zetcd，zetcd工作原理以及性能基准。

zetcd入门

zetcd运行所需的是一个go编译器，从互联网上获取的源代码，以及一个可以运行etcd的系统。以下例子展示了从获取zetcd源码，一直到如何在zetcd上运行ZooKeeper命令。由于均是基于开发分支构建的etcd和zetcd，所以并不建议在生产环境这样做，这只是一个讲解如何使用的简单示例。

首先，获得etcd和zetcd源码，并编译成二进制代码：

go get github.com/coreos/etcd/cmd/etcd 
go get github.com/coreos/zetcd/cmd/zetcd

其次，运行etcd，将zetcd连接到etcd客户服务端：

#etcd uses localhost:2379 by default 
etcd & 
zetcd -zkaddr localhost:2181 -endpoints localhost:2379 &

通过增加订阅和创建一个key来试用zetd：

go install github.com/coreos/zetcd/cmd/zkctl 
zkctl watch / & 
zkctl create /abc "foo"

从概念上讲，上述例子即完成在一个单个的etcd实例上增加一层zetcd。

etcd这层到底是做什么的呢？

etcd3中对ZooKeeper的支持

深入来讲，zetcd会将ZooKeeper的数据模型翻译成适配etcd API。对于key查找，zetcd将ZooKeeper层级式目录转换成etcd扁平的二分键值空间（flat binary keyspace）。为了管理元数据，当写入etcd后端时，zetcd利用内存级别的事务将信息安全、原子地更新为ZooKeeper znode信息。

ZooKeeper以目录方式列出key（getChildren），而etcd则是通过间隔（Range）方式。下图讲解了zetcd如何对etcd下的key进行编码从而有效地支持以目录形式列出。所有在etcd中的zetcd key都有一个包括全目录名的前缀（例如："/"和“/abc”分别代表深度为0 和1）。要列出一个目录时，zetcd发出一个带前缀的range请求（例如[“/zk/key/002/abc/”, “/zk/key/002/abc0”）来列出满足目录深度和路径的所有/abc/下的key。深度限制只针对目录本身；如果zetcd只使用路径而不使用深度，那么etcd将返回这个目录下的所有key，zetcd则会丢弃该结果，反之则只返回本目录下的key。

每个ZooKeeper key在ZNode里都带有一些元数据，即key的调整，版本和权限等。尽管etcd也有每个key的元数据，却比ZNode要简单很多，例如因为没有目录也就没有子版本，因为etcd使用的是基于角色认证的机制因此也就没有ACL，因为实际的时钟超出范畴所以没有时间戳。这些额外的元数据会被映射为对应的key，用来描述一个完整的ZNode。修改元数据时，zetcd利用内存级别的软事务来自动更新key的子集，确保ZNodes不需要昂贵的加锁机制就可以保持一致。

此外，zetcd可以和一台授权的ZooKeeper服务器做动态校验。为了做比较，zetcd可以同时连到etcd和外部ZooKeeper服务器。当客户端发起请求给该模式下的zetcd时，请求会被同时转发到zetcd和ZooKeeper服务端。如果两个服务器响应的数据不一致，zetcd会给此响应标识一个警告。

性能基准

由于数据的转换以及额外的网络开销，也许很容易觉得这样的模拟不切实际。尽管对于ZooKeeper或者etcd集群来说，zetcd有额外的花销，但是它仍然有一个优势，即某些etcd应用安装完毕后仍然需要ZooKeeper来协调的场景。例如，早期用户报告称在zetcd里通过etcd的TLS加密流量比一个类似的经典ZooKeeper配置更简单。在这些场景中，支持同一种ZooKeeper协议所带来的简单可靠性比性能更重要一些。

跟etcd性能工具的接口及报告形式类似，zetcd命令行工具zkboom可以用来判断一个zetcd的性能基准是否满足要求。其它ZooKeeper性能工具应该也可以用在zetcd；zkboom为用户提供了便利，我们不妨试试用它来做下创建key的测试：

go get github.com/coreos/zetcd/cmd/zkboom 
zkboom --conns=50 --total=10000 --endpoints=localhost:2181 create

zetcd应当可以为小负载提供充分的性能保障。一个简单两节点配置的延迟基准表明zetcd是可以承受大量请求的。具体配置为两台Linux服务器通过一个千兆交换机互联，其中一台设备在RAID磁盘配置上运行代理和和服务端，另外一台设备用于产生客户请求。zkbook通过创建一个空的key存储，然后从中读取128Kbytes的键值对来进行测量。用户请求被限制在每秒2500个请求，然后逐渐增加并发客户端数量。ZooKeeper 3.4.10和etcd结果对比见下图。

下图揭示了zetcd客户端并发数与创建key的平均延迟之间的关系。由于etcd在延迟上比ZooKeeper要有5-35ms的优势，zetcd有足够余地处理由于额外负载和网络跳转造成的延迟。比起ZooKeeper，zetcd代理始终还是存在20ms左右的差距，但是从处理2500请求的吞吐量数据来看，并没有出现队列堵塞。一种对zetcd写比较慢的解释是，与读不一样，由于数据模型上存在差异，所以在每个ZooKeeper key写时需要写多个key。

下图揭示了zetcd客户端并发数与key取值的平均延迟之间的关系。由于ZooKeeper的取值延迟比etcd要快那么2ms左右，想要zetcd提供数据的速度快过ZooKeeper的话恐怕还得依赖于etcd本身性能的进一步提升。然而，尽管zetcd需要从etcd请求额外的key来模拟Zookeeper znode的元数据，zetcd的命中延迟在等待etcd key提取数据方面只增加了大概1.5ms。zetcd在key的数据提取操作方面仅需一次往返，因为读请求会被打包到一个etcd事务中。

未来

zetcd承诺上述性能基准测试的结果是合理的，在可接受的延迟情况下，可以轻松支撑每秒上千个操作。以上模拟对于Mesos，Kafka和Drill替代ZooKeeper提供了一个替代选择。但是对于zetcd本身来说性能方面仍有不少的提升空间。与此同时测试更多的ZooKeeper应用也会进一步推动zetcd成为ZooKeeper服务器的替代品。

zetcd从去年十月开始在开源社区发行，最近刚发布第一个版本：zetcd v0.0.1。尽管是第一个beta发行版，但是已经为未来生产系统提供稳定管理和部署。如果跟etcd配合起来使用，运行zetcd的系统将会一套自驱动的“ZooKeeper”集群，它可以自动后台升级，备份和TLS管理。如想了解更多，请参阅 https://github.com/coreos/zetcd/。

本文为翻译文章，吴佳兴审校，原文链接：https://coreos.com/blog/introducing-zetcd

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