创建一个Pod背后etcd的故事

在Kubernetes架构中，Etcd作为Kubernetes的元数据存储，在创建一个Pod时，Etcd背后是如何工作，接下来会通过具体的案例进行一步一步机进行分析！

Etcd 存储概念

kubernetes 资源存储格式

/registry/deployments/default/nginx-deployment
/registry/events/default/nginx-deployment-66b6c48dd5-gl7zl.16c35febf6e3c38c
/registry/events/default/nginx-deployment-66b6c48dd5-gl7zl.16c35fec1db96fed
/registry/events/default/nginx-deployment-66b6c48dd5-gl7zl.16c35fec1fdba240
/registry/events/default/nginx-deployment-66b6c48dd5-gl7zl.16c35fec249adf98
/registry/events/default/nginx-deployment-66b6c48dd5-k55k7.16c35edbfa8784f8
/registry/events/default/nginx-deployment-66b6c48dd5-w9br6.16c35eeb78bfa621
/registry/events/default/nginx-deployment-66b6c48dd5-w9br6.16c35eeba0a4694f
/registry/events/default/nginx-deployment-66b6c48dd5-w9br6.16c35eeba259230a
/registry/events/default/nginx-deployment-66b6c48dd5-w9br6.16c35eeba7251388
/registry/events/default/nginx-deployment-66b6c48dd5-w9br6.16c35fda25f0af06
/registry/events/default/nginx-deployment-66b6c48dd5.16c35eeb788d245f
/registry/events/default/nginx-deployment-66b6c48dd5.16c35febf6bb59a0
/registry/events/default/nginx-deployment.16c35eeb77fc2ef0
/registry/events/default/nginx-deployment.16c35febf56d6b96
/registry/pods/default/nginx-deployment-66b6c48dd5-gl7zl
/registry/replicasets/default/nginx-deployment-66b6c48dd5

Kubernetes 资源在 etcd 中的存储格式由 prefix + "/" + 资源类型 + "/" + namespace + "/" + 具体资源名组成

存储模块

kube-apiserver 启动的时候，会将每个资源的 APIGroup、Version、Resource Handler 注册到路由上。当请求经过认证、限速、授权、准入控制模块检查后，请求就会被转发到对应的资源逻辑进行处理。

同时，kube-apiserver 实现了类似数据库 ORM 机制的通用资源存储机制，提供了对一个资源创建、更新、删除前后的 hook 能力，将其封装成策略接口。当你新增一个资源时，你只需要编写相应的创建、更新、删除等策略即可，不需要写任何 etcd 的 API。

从图中你可以看到，创建一个资源主要由 BeforeCreate、Storage.Create 以及 AfterCreate 三大步骤组成 ;

当收到创建 nginx Deployment 请求后，通用存储模块首先会回调各个资源自定义实现的 BeforeCreate 策略，为资源写入 etcd 做一些初始化工作。下面是 Deployment 资源的创建策略实现，它会进行将 deployment.Generation 设置为 1 等操作。

// PrepareForCreate clears fields that are not allowed to be set by end users on creation.
func (deploymentStrategy) PrepareForCreate(ctx context.Context, obj runtime.Object) {
   deployment := obj.(*apps.Deployment)
   deployment.Status = apps.DeploymentStatus{}
   deployment.Generation = 1

   pod.DropDisabledTemplateFields(&deployment.Spec.Template, nil)
}

执行完 BeforeCreate 策略后，它就会执行 Storage.Create 接口，也就是由它真正开始调用底层存储模块 etcd3，将 nginx Deployment 资源对象写入 etcd。

资源安全创建及更新

etcd 提供了 Put 和 Txn 接口给业务添加 key-value 数据，但是 Put 接口在并发场景下若收到 key 相同的资源创建，就会导致被覆盖。

因此 Kubernetes 很显然无法直接通过 etcd Put 接口来写入数据。

etcd 事务接口 Txn，它正是为了多 key 原子更新、并发操作安全性等而诞生的，它提供了丰富的冲突检查机制。

Kubernetes 集群使用的正是事务 Txn 接口来防止并发创建、更新被覆盖等问题。当执行完 BeforeCreate 策略后，这时 kube-apiserver 就会调用 Storage 的模块的 Create 接口写入资源。1.6 版本后的 Kubernete 集群默认使用的存储是 etcd3，它的创建接口简要实现如下：

// Create implements storage.Interface.Create.
func (s *store) Create(ctx context.Context, key string, obj, out runtime.Object, ttl uint64) error {
   ......
   key = path.Join(s.pathPrefix, key)

   opts, err := s.ttlOpts(ctx, int64(ttl))
   if err != nil {
      return err
   }

   newData, err := s.transformer.TransformToStorage(data, authenticatedDataString(key))
   if err != nil {
      return storage.NewInternalError(err.Error())
   }

   startTime := time.Now()
   txnResp, err := s.client.KV.Txn(ctx).If(
      notFound(key),
   ).Then(
      clientv3.OpPut(key, string(newData), opts...),
   ).Commit

从上面的代码片段中，我们可以得出首先它会按照我们介绍的 Kubernetes 资源存储格式拼接 key。

然后若 TTL 非 0，它会根据 TTL 从 leaseManager 获取可复用的 Lease ID。Kubernetes 集群默认若不同 key（如 Kubernetes 的 Event 资源对象）的 TTL 差异在 1 分钟内，可复用同一个 Lease ID，避免大量 Lease 影响 etcd 性能和稳定性。

其次若开启了数据加密，在写入 etcd 前数据还将按加密算法进行转换工作。最后就是使用 etcd 的 Txn 接口，向 etcd 发起一个创建 deployment 资源的 Txn 请求。

Resource Version

Resource Version 是 Kubernetes API 中非常重要的一个概念，顾名思义，它是一个 Kubernetes 资源的内部版本字符串，client 可通过它来判断资源是否发生了变化。同时，你可以在 Get、List、Watch 接口中，通过指定 Resource Version 值来满足你对数据一致性、高性能等诉求。

• 未指定 ResourceVersion，默认空字符串。kube-apiserver 收到一个此类型的读请求后，它会向 etcd 发出共识读 / 线性读请求获取 etcd 集群最新的数据。
• ResourceVersion="0"，赋值字符串 0。kube-apiserver 收到此类请求时，它可能会返回任意资源版本号的数据，但是优先返回较新版本。一般情况下它直接从 kube-apiserver 缓存中获取数据返回给 client，有可能读到过期的数据，适用于对数据一致性要求不高的场景。
• ResourceVersion 为一个非 0 的字符串。kube-apiserver 收到此类请求时，它会保证 Cache 中的最新 ResourceVersion 大于等于你传入的 ResourceVersion，然后从 Cache 中查找你请求的资源对象 key，返回数据给 client。基本原理是 kube-apiserver 为各个核心资源（如 Pod）维护了一个 Cache，通过 etcd 的 Watch 机制来实时更新 Cache。当你的 Get 请求中携带了非 0 的 ResourceVersion，它会等待缓存中最新 ResourceVersion 大于等于你 Get 请求中的 ResoureVersion，若满足条件则从 Cache 中查询数据，返回给 client。若不满足条件，它最多等待 3 秒，若超过 3 秒，Cache 中的最新 ResourceVersion 还小于 Get 请求中的 ResourceVersion，就会返回 ResourceVersionTooLarge 错误给 client。

Etcd交互分析

Kubernetes组件概述

• kube-apiserver，负责对外提供集群各类资源的增删改查及 Watch 接口，它是 Kubernetes 集群中各组件数据交互和通信的枢纽。kube-apiserver 在设计上可水平扩展，高可用 Kubernetes 集群中一般多副本部署。当收到一个创建 Pod 写请求时，它的基本流程是对请求进行认证、限速、授权、准入机制等检查后，写入到 etcd 即可。
• kube-scheduler 是调度器组件，负责集群 Pod 的调度。基本原理是通过监听 kube-apiserver 获取待调度的 Pod，然后基于一系列筛选和评优算法，为 Pod 分配最佳的 Node 节点。
• kube-controller-manager 包含一系列的控制器组件，比如 Deployment、StatefulSet 等控制器。控制器的核心思想是监听、比较资源实际状态与期望状态是否一致，若不一致则进行协调工作使其最终一致。
• etcd 组件，Kubernetes 的元数据存储。
• kubelet，部署在每个节点上的 Agent 的组件，负责 Pod 的创建运行。基本原理是通过监听 APIServer 获取分配到其节点上的 Pod，然后根据 Pod 的规格详情，调用运行时组件创建 pause 和业务容器等。

首先我们通过 kubectl create -f nginx.yml 命令创建 Deployment 资源，发送请求到kube-apiserver。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.14.2
        ports:
        - containerPort: 80

$ kubectl create -f nginx.yml
deployment.apps/nginx-deployment created

kube-apiserver会接收到创建 nginx deployment 资源的请求日志，并通过 Txn 接口成功将数据写入到 etcd 后，kubectl create -f nginx.yml 命令就执行完毕，返回给 client 了

# etcd 收到创建 nginx deployment 资源的请求日志：
2021-12-23 11:49:16.320328 D | etcdserver/api/v3rpc: start time = 2021-12-23 11:49:16.319917473 +0000 UTC m=+416.447615057, time spent = 386.445µs, remote = 127.0.0.1:45596, response type = /etcdserverpb.KV/Txn, request count = 1, request size = 1769, response count = 0, response size = 41, request content = compare: success:> failure:<>

解释：

• 请求的模块和接口，KV/Txn；
• key 路径，/registry/deployments/default/nginx-deployment，由 prefix + "/" + 资源类型 + "/" + namespace + "/" + 具体资源名组成；
• 安全的并发创建检查机制，mod_revision 为 0 时，也就是此 key 不存在时，才允许执行 put 更新操作。

kube-controller-manager通过Watch机制，快速感知到新建Depolyement 资源后，进入一致性协调逻辑，创建 ReplicaSet 控制器。

# etcd 收到创建 ReplicaSet 资源的请求日志：
2021-12-23 11:49:16.331340 D | etcdserver/api/v3rpc: start time = 2021-12-23 11:49:16.330695394 +0000 UTC m=+416.458392972, time spent = 584.196µs, remote = 127.0.0.1:45564, response type = /etcdserverpb.KV/Txn, request count = 1, request size = 1806, response count = 0, response size = 41, request content = compare: success:

kube-controller-manager并会通过通过Watch机制感知到新的ReplicaSet 资源创建后，发起请求创建 Pod，确保实际运行 Pod 数与期望一致。

2021-12-23 11:49:16.353609 D | etcdserver/api/v3rpc: start time = 2021-12-23 11:49:16.353112742 +0000 UTC m=+416.480810323, time spent = 474.04µs, remote = 127.0.0.1:45628, response type = /etcdserverpb.KV/Txn, request count = 1, request size = 1637, response count = 0, response size = 41, request content = compare: success:>

在这过程中产生了 若干 Event，下面是 etcd 收到新增 Events 资源的请求，你可以看到 Event 事件 key 关联了 Lease；

2021-12-23 11:49:16.356776 D | etcdserver/api/v3rpc: start time = 2021-12-23 11:49:16.356368351 +0000 UTC m=+416.484065931, time spent = 388.188µs, remote = 127.0.0.1:45590, response type = /etcdserverpb.KV/Txn, request count = 1, request size = 776, response count = 0, response size = 41, request content = compare: success:> failure:<>

这时 kube-scheduler 监听到待调度的 Pod，于是为其分配 Node，通过 kube-apiserver 的 Bind 接口，将调度后的节点 IP 绑定到 Pod 资源上。kubelet 通过同样的 Watch 机制感知到新建的 Pod 后，发起 Pod 创建流程即可。

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