kubernetes集群中利用etcd和grpc实现golang服务间通信

注:文中涉及工作环境相关的网址和IP已经被替换

1. 项目背景

服务运行于docker容器中

使用kubernetes管理容器

服务有多个节点作为一个集群

使用rest接口设置服务缓存中的信息

需要将信息同步到集群中其他节点

2. 项目方案

使用grpc做服务间通信

从etcd中读取服务所有状态为running的节点信息，包括：podIp、status、hostIp、startedAt（启动时间）

服务启动时选取运行时间最长的节点，调用grpc接口请求缓存的信息同步到本容器的服务中

使用rest接口设置缓存的时候，遍历所有节点（不包括自身），调用grpc接口将信息同步到其他节点

方案特点：

- 不需要借助额外的配置管理工具（如：zookeeper）

- 不需要自行管理节点的配置信息（因为kubernetes的etcd中已经有完整的节点信息）

- grpc开发、传输效率高，扩展性好

- grpc使用http2.0方便后续提供rest接口

1. etcd简介

etcd 是用 golang 实现的一种 K-V 分布式存储系统，内部用raft协议做一致性校验，对外提供http的访问接口，最新版中提供了grpc的访问接口。

etcd主要用于：

- 配置管理

- 服务注册于发现

- 选主

- 应用调度

- 分布式队列

- 分布式锁

与etcd类似的还有zookeeper

这里 有一篇文章简单介绍了etcd和zookeeper的优缺点以及etcd的工作原理

2. kubernetes与etcd

前面介绍了etcd特别适合用于做集群服务的配置管理，kubernets 是用于docker容器编排的，也是用golang实现的，所以自然而然就采用etcd作为服务配置的存储方式了。这里 有一篇kubernets的架构介绍。

etcd在kubernetes中的最大作用是保存容器节点(pod)信息，包括：容器的服务名、状态、IP、版本以及其他信息

通过类似如下的命令可以获取到pod的信息

curl http://10.20.30.40:2379/v2/keys/registry/pods/default

etcd中保存的容器节点信息格式如下：

{
    "action": "get",
    "node": {
      "key": "/registry/pods/default",
      "dir": true,
      "nodes": [
        {
          "key": "/registry/pods/default/hello-web-29a74e26ea3c2138e1727f35a111f4c6-dknwh",
          "value": "{\"kind\":\"Pod\",\"apiVersion\":\"v1\",\"metadata\":{\"name\":\"hello-web-29a74e26ea3c2138e1727f35a111f4c6-dknwh\",\"generateName\":\"hello-web-29a74e26ea3c2138e1727f35a111f4c6-\",\"namespace\":\"default\",\"selfLink\":\"/api/v1/namespaces/default/pods/hello-web-29a74e26ea3c2138e1727f35a111f4c6-dknwh\",\"uid\":\"09c45029-3fa0-11e7-a46c-00163e327954\",\"creationTimestamp\":\"2017-05-23T10:10:24Z\",\"labels\":{\"app\":\"hello\",\"deployment\":\"bb6de7bfc7f357818a8c07faf3987d40\",\"tier\":\"frontend\"},\"annotations\":{\"kubernetes.io/created-by\":\"{\\\"kind\\\":\\\"SerializedReference\\\",\\\"apiVersion\\\":\\\"v1\\\",\\\"reference\\\":{\\\"kind\\\":\\\"ReplicationController\\\",\\\"namespace\\\":\\\"default\\\",\\\"name\\\":\\\"hello-web-29a74e26ea3c2138e1727f35a111f4c6\\\",\\\"uid\\\":\\\"e42ce61a-3f9f-11e7-a46c-00163e327954\\\",\\\"apiVersion\\\":\\\"v1\\\",\\\"resourceVersion\\\":\\\"4361319\\\"}}\\n\"},\"ownerReferences\":[{\"apiVersion\":\"v1\",\"kind\":\"ReplicationController\",\"name\":\"hello-web\",\"uid\":\"32559b88-3fa0-11e7-a46c-00163e327954\",\"controller\":true}]},\"spec\":{\"containers\":[{\"name\":\"hello-web\",\"image\":\"docker.helloword.com/hello-web:f022d25\",\"ports\":[{\"containerPort\":8087,\"protocol\":\"TCP\"}],\"env\":[{\"name\":\"SERVER\",\"valueFrom\":{\"configMapKeyRef\":{\"name\":\"cluster-config\",\"key\":\"external.ip\"}}},{\"name\":\"SERVER_PORT\",\"valueFrom\":{\"configMapKeyRef\":{\"name\":\"hello-config\",\"key\":\"hello.api.port\"}}}],\"resources\":{\"limits\":{\"cpu\":\"1\",\"memory\":\"1Gi\"},\"requests\":{\"cpu\":\"100m\",\"memory\":\"512Mi\"}},\"terminationMessagePath\":\"/dev/termination-log\",\"imagePullPolicy\":\"IfNotPresent\"}],\"restartPolicy\":\"Always\",\"terminationGracePeriodSeconds\":30,\"dnsPolicy\":\"ClusterFirst\",\"nodeName\":\"10.30.58.179\",\"securityContext\":{},\"imagePullSecrets\":[{\"name\":\"cn-registry\"}]},\"status\":{\"phase\":\"Running\",\"conditions\":[{\"type\":\"Initialized\",\"status\":\"True\",\"lastProbeTime\":null,\"lastTransitionTime\":\"2017-05-23T10:10:24Z\"},{\"type\":\"Ready\",\"status\":\"True\",\"lastProbeTime\":null,\"lastTransitionTime\":\"2017-05-23T10:10:29Z\"},{\"type\":\"PodScheduled\",\"status\":\"True\",\"lastProbeTime\":null,\"lastTransitionTime\":\"2017-05-23T10:10:24Z\"}],\"hostIP\":\"10.30.58.179\",\"podIP\":\"172.80.13.4\",\"startTime\":\"2017-05-23T10:10:24Z\",\"containerStatuses\":[{\"name\":\"hello-web\",\"state\":{\"running\":{\"startedAt\":\"2017-05-23T10:10:29Z\"}},\"lastState\":{},\"ready\":true,\"restartCount\":0,\"image\":\"docker.helloword.com/hello-web:f022d25\",\"imageID\":\"docker-pullable://docker.helloword.com/hello-web@sha256:f8e0460983b0d3f87733453b588469d8e225afbfc764da2ae55238cd524ef70a\",\"containerID\":\"docker://78cd912de942f744a36bd51907562c5e670fb300ddc85267e3ec72572fdb5617\"}]}}\n",
          "modifiedIndex": 4361528,
          "createdIndex": 4361320
        }
      ]
    }
}

其中value部分的json数据格式化后如下：

{
  "kind": "Pod",
  "apiVersion": "v1",
  "metadata": {
    "name": "hello-web-29a74e26ea3c2138e1727f35a111f4c6-dknwh",
    "generateName": "hello-web-29a74e26ea3c2138e1727f35a111f4c6-",
    "namespace": "default",
    "selfLink": "/api/v1/namespaces/default/pods/hello-web-29a74e26ea3c2138e1727f35a111f4c6-dknwh",
    "uid": "09c45029-3fa0-11e7-a46c-00163e327954",
    "creationTimestamp": "2017-05-23T10:10:24Z",
    "labels": {
      "app": "hello",
      "deployment": "bb6de7bfc7f357818a8c07faf3987d40",
      "tier": "frontend"
    },
    "annotations": {
      "kubernetes.io/created-by": "{\"kind\":\"SerializedReference\",\"apiVersion\":\"v1\",\"reference\":{\"kind\":\"ReplicationController\",\"namespace\":\"default\",\"name\":\"hello-web-29a74e26ea3c2138e1727f35a111f4c6\",\"uid\":\"e42ce61a-3f9f-11e7-a46c-00163e327954\",\"apiVersion\":\"v1\",\"resourceVersion\":\"4361319\"}}\n"
    },
    "ownerReferences": [
      {
        "apiVersion": "v1",
        "kind": "ReplicationController",
        "name": "hello-web",
        "uid": "32559b88-3fa0-11e7-a46c-00163e327954",
        "controller": true
      }
    ]
  },
  "spec": {
    "containers": [
      {
        "name": "hello-web",
        "image": "docker.helloword.com/hello-web:f022d25",
        "ports": [
          {
            "containerPort": 8087,
            "protocol": "TCP"
          }
        ],
        "env": [
          {
            "name": "SERVER",
            "valueFrom": {
              "configMapKeyRef": {
                "name": "cluster-config",
                "key": "external.ip"
              }
            }
          },
          {
            "name": "SERVER_PORT",
            "valueFrom": {
              "configMapKeyRef": {
                "name": "hello-config",
                "key": "hello.api.port"
              }
            }
          }
        ],
        "resources": {
          "limits": {
            "cpu": "1",
            "memory": "1Gi"
          },
          "requests": {
            "cpu": "100m",
            "memory": "512Mi"
          }
        },
        "terminationMessagePath": "/dev/termination-log",
        "imagePullPolicy": "IfNotPresent"
      }
    ],
    "restartPolicy": "Always",
    "terminationGracePeriodSeconds": 30,
    "dnsPolicy": "ClusterFirst",
    "nodeName": "10.30.58.179",
    "securityContext": {},
    "imagePullSecrets": [
      {
        "name": "cn-registry"
      }
    ]
  },
  "status": {
    "phase": "Running",
    "conditions": [
      {
        "type": "Initialized",
        "status": "True",
        "lastProbeTime": null,
        "lastTransitionTime": "2017-05-23T10:10:24Z"
      },
      {
        "type": "Ready",
        "status": "True",
        "lastProbeTime": null,
        "lastTransitionTime": "2017-05-23T10:10:29Z"
      },
      {
        "type": "PodScheduled",
        "status": "True",
        "lastProbeTime": null,
        "lastTransitionTime": "2017-05-23T10:10:24Z"
      }
    ],
    "hostIP": "10.30.58.179",
    "podIP": "172.80.13.4",
    "startTime": "2017-05-23T10:10:24Z",
    "containerStatuses": [
      {
        "name": "hello-web",
        "state": {
          "running": {
            "startedAt": "2017-05-23T10:10:29Z"
          }
        },
        "lastState": {},
        "ready": true,
        "restartCount": 0,
        "image": "docker.helloword.com/hello-web:f022d25",
        "imageID": "docker-pullable://docker.helloword.com/hello-web@sha256:f8e0460983b0d3f87733453b588469d8e225afbfc764da2ae55238cd524ef70a",
        "containerID": "docker://78cd912de942f744a36bd51907562c5e670fb300ddc85267e3ec72572fdb5617"
      }
    ]
  }
}

3. grpc简介

grpc是google实现的一种基于protobuf的远程服务调用框架，数据采用二进制传输，其传输协议是基于http2.0。

相比于其他各种rpc框架，grpc由于基于protobuf和http2.0，具有以下优点：

- 通用性好，支持各种语言

- 二进制传输，效率高

- 扩展性好，只需要修改protobuf文件并重新生成代码

4. grpc开发环境搭建

4.1 protobuf环境

首先，去https://github.com/google/protobuf/releases/tag/v3.3.0 这个页面下载对应的protobuf编译器安装文件并安装好protoc

go get -u github.com/golang/protobuf
cd $GOPATH/src/github.com/golang/protobuf
# 如果有安装makefile，直接执行make install，如果没有则执行以下命令
go install ./proto ./jsonpb ./ptypes
go install ./protoc-gen-go

4.2 grpc环境

#安装grpc依赖库
go get -u google.golang.org/grpc
#安装grpc-go插件，用于将proto文件编译成grpc的golang代码
go get -u github.com/grpc/grpc-go
cd $GOPATH/src

mv github.com/grpc/grpc-go google.golang.org/grpc/grpc-go

遇到go get无法下载的包，也可以通过 http://gopm.io/ 或者 http://golangtc.com/download/package 进行下载

5. 定义proto文件

syntax = "proto3"; //使用proto3版本

//用于java等语言的package配置
option java_multiple_files = true;
option java_package = "io.grpc.examples.hellorpc";
option java_outer_classname = "hellorpcProto";

//用于golang等语言的package配置
package hellorpc;

//定义服务接口，其中rpc关键字表示 rpc 接口，用于生成grpc接口代码
service Sync {
    rpc Get (SyncRequest) returns(SyncResponse) {}
    rpc Set (SyncRequest) returns(SyncResponse) {}
    rpc GetAll(SyncRequest)returns(SyncResponse) {}
}

//定义请求数据类型, repeated最终会转换成golang中的数组/切片
message SyncRequest {
    repeated SyncData data= 1;
}

//定义返回的数据类型
message SyncResponse {
    repeated SyncData data= 1;
}

//定义实体数据类型，用type字段表示请求的数据类型，用data字段保存请求的数据或者返回的数据
//map最终会转换成golang中的map[string]string类型
message SyncData {
    int32 type = 1;
    map data = 2;
}

编译proto文件

protoc --go_out=plugins=grpc:./hellorpc hellorpc.proto

其中–go_out用于指定go的proto编译插件以及插件参数

编译成功后，会在 hellorpc目录中生成 hellorpc.pb.go 文件，可以在其他go文件中通过 import “hello-api/hellorpc” 来使用文件中定义的接口

6. hellorpc.pb.go 文件分析

前面提到的 service Sync 部分会编译成如下两部分

type SyncClient interface {
    Get(ctx context.Context, in *SyncRequest, opts ...grpc.CallOption) (*SyncResponse, error)
    Set(ctx context.Context, in *SyncRequest, opts ...grpc.CallOption) (*SyncResponse, error)
    GetAll(ctx context.Context, in *SyncRequest, opts ...grpc.CallOption) (*SyncResponse, error)
}

type SyncServer interface {
    Get(context.Context, *SyncRequest) (*SyncResponse, error)
    Set(context.Context, *SyncRequest) (*SyncResponse, error)
    GetAll(context.Context, *SyncRequest) (*SyncResponse, error)
}

其中 SyncClient 的接口 在 hellorpc.pb.go 里面已经实现好了接口，直接调用即可，但SyncServer定义的接口是需要我们自己实现

7. 服务端代码实现(rtc_server.go)

//先定义server类型，并实现好SyncServer定义的接口
type server struct {}

const (
    HELLO_SYNC_REST_CLUSTER_INFO = iota
)

func (s *server)Get(ctx context.Context, in *hellorpc.SyncRequest) (*hellorpc.SyncResponse, error){
    var response = hellorpc.SyncResponse{Data: make([]*hellorpc.SyncData, 0, 10)}
    for i := 0; i < len(in.Data); i++{ request := in.Data[i] switch request.Type { case hello_SYNC_REST_CLUSTER_INFO: // get something from local cache and set to response break } } return &response, nil } func (s *server)Set(ctx context.Context, in *hellorpc.SyncRequest) (*hellorpc.SyncResponse, error){ var response = hellorpc.SyncResponse{Data: make([]*hellorpc.SyncData, 0, 10)} for i := 0; i < len(in.Data); i++{ request := in.Data[i] switch request.Type { case HELLO_SYNC_REST_CLUSTER_INFO: // set something to local cache, and set the result to response break } } return &response, nil } func (s *server)GetAll(ctx context.Context, in *hellorpc.SyncRequest) (*hellorpc.SyncResponse, error){ var response = hellorpc.SyncResponse{Data: make([]*hellorpc.SyncData, 0, 10)} for i := 0; i < len(in.Data); i++{ request := in.Data[i] switch request.Type { case HELLO_SYNC_REST_CLUSTER_INFO: // get all data from local cache, and set the result to response break } } return &response, nil }

实现好接口后，我们需要将服务注册到grpc，这里我们实现一个名为StartSyncServer的函数来做这些事情

func StartSyncServer(address string) error{
    lis, err := net.Listen("tcp", address)
    if err != nil {
        beego.Debug("start sync server error: %v", err)
        return err
    }
    s := grpc.NewServer()
    hellorpc.RegisterSyncServer(s, &server{})

    //由于s.Serve方法是会一直阻塞住，所以我们需要起一个go routine来执行，在其停止后输出错误信息
    go func(){
        err := s.Serve(lis)
        beego.Debug("sync server stopped with error: %v", err)
    }()
    return nil
}

将StartSyncServer函数添加到模块的 init 函数中执行，我们服务端的代码就基本完成了

8. 客户端代码实现(rtc_client.go)

//先定义好客户端类型syncClient，这里我们利用继承的方式将hellorpc.SyncClient实现的方法继承过来
type syncClient struct{
    hellorpc.SyncClient
    conn *grpc.ClientConn
    address string
}

func OpenSyncClient(address string)(syncClient, error) {
    s := syncClient{}
    //grpc.WithInsecure用于关闭安全验证，因为我们是在docker内部环境里使用，不暴露在外网，就没有加安全认证了
    conn, err := grpc.Dial(address, grpc.WithInsecure(), grpc.WithTimeout(5*time.Second))
    if err != nil {
        fmt.Println("----open client error %v, conn: %v", err, conn)
        return s, err
    }
    s.conn = conn
    s.address = address
    s.client = hellorpc.NewSyncClient(conn)
    return s, nil
}

func CloseSyncClient(s *syncClient) {
    if s.conn != nil {
        s.conn.Close()
        s.conn = nil
        s.client = nil
    }
}

这样我们只需要编写 c, err := OpenSyncClient(address)，既可通过 response, err := c.Get(context.Background(), request) 的方式调用hellorpc.SyncClient定义的方法

9. etcd客户端代码实现（部分功能）

根据etcd的返回值数据结构，我们定义一下两种类型的数据

//用于保存etcd的返回的数据
type EtcdData struct{
    Key             string
    Dir             bool
    Value           interface{}
    CreatedIndex    int32
    ModifiedIndex   int32
    Nodes           []EtcdData
}
//用于保存pod相关的数据
type PodData struct {
    Name            string
    PodIP           string
    HostIP          string
    Status          string
    UpdateTime      string
    Timestamp       int64
}

func newEtcdData() EtcdData{
    return EtcdData{Dir: false, Value: "", Key: "", Nodes: make([]EtcdData, 0, 100)}
}

接下来我们实现EtcdClient

//先定义好EtcdClient的数据结构
type EtcdClient struct{}
//用于解析etcd返回的数据
func parseEtcdData(dataIn map[string]interface{}, dataOut *EtcdData) error {
    if key, ok := dataIn["key"]; ok {
        dataOut.Key = key.(string)
    }
    if isDir, ok := dataIn["dir"]; ok {
        dataOut.Dir = isDir.(bool)
    }
    if value, ok := dataIn["value"]; ok {
        dataOut.Value = value
    }
    if createdIndex, ok := dataIn["createdIndex"]; ok {
        dataOut.CreatedIndex = int32(createdIndex.(float64))
    }
    if modifiedIndex, ok := dataIn["modifiedIndex"]; ok {
        dataOut.ModifiedIndex = int32(modifiedIndex.(float64))
    }
    if nodes, ok := dataIn["nodes"]; ok {
        var subnodes = nodes.([]interface{})
        for i := 0; i < len(subnodes); i++{ node := subnodes[i].(map[string]interface{}) var nodeData = newEtcdData() parseEtcdData(node, &nodeData) dataOut.Nodes = append(dataOut.Nodes,nodeData) } } return nil } //实现Get方法用于获取某个key的值 func (c *EtcdClient)Get(baseUrl, key string)(EtcdData, error){ var url = baseUrl + key var res = newEtcdData() var result = make(map[string]interface{}) resp, err := http.Get(url) if err == nil{ out, err1 := ioutil.ReadAll(resp.Body) if err1 == nil{ err2 := json.Unmarshal([]byte(out), &result) if err2 != nil{ return res, err2 } node := result["node"].(map[string]interface{}) err = parseEtcdData(node, &res) }else{ return res, err1 } } return res, err }

由于我们的服务是跑在docker里，由kubernetes进行服务编排，所以我们需要解析kubernetes在etcd中保存的数据

//用于解析pod的状态信息func parsePodStatus(podStatus interface{}, podData *PodData){
    pod_status := podStatus.(map[string]interface{})    if podIP, ok := pod_status["podIP"]; ok {
        podData.PodIP = podIP.(string)
    }    if hostIP, ok := pod_status["hostIP"]; ok {
        podData.HostIP = hostIP.(string)
    }    if status, ok := pod_status["phase"]; ok{
        podData.Status = strings.ToLower(status.(string))        if containerStatuses, ok := pod_status["containerStatuses"]; ok{            for i := 0; i

	10. EtcdClient结合SyncClient



	拿到了服务所有容器的IP



	遍历所有pod的IP



	使用IP+端口建立连接（OpenSyncClient）



	执行grpc server端提供的服务接口，如：c.Get …



	校验/处理返回值（同步本地信息）



	断开连接（CloseSyncClient）



	11. 总结



	直接使用kubernetes的etcd，主要是因为kubernetes的etcd已经有所有节点的信息，不需要另外再维护节点信息



	protobuf文件中的request、response数据结构中使用repeate以及SyncData采用map，主要用于批量请求、返回结果以及方便扩展



	自定义数据结构保存etcd返回的数据，而不是直接使用json处理后的数据，主要是因为各接口之间使用方便，更易于维护。



	使用继承的方式来扩展的接口，可以有效减少代码量