假如你正在创建一个数据复制服务，该服务只需要一个实例来处理数据以保持正确的顺序。或者考虑开发一个多人在线游戏，在这种游戏中，同步所有参与者之间的游戏状态至关重要。这些类型的服务通常需要单个实例专门处理特定任务，并且还需要备用副本在当前实例失败时能够迅速接管工作负载。 #
解决此类挑战常用的技术之一是 leader election。它通过使组/集群中的节点参与投票或共识过程来选择单个 Leader 实例。然后该Leader 承担需要集中协调的责任。如果选举失败，则其余节点会自动重新运行选举过程以选择新的 Leader，确保系统连续性和容错性。
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实现的复杂性 #
在一个组中达成所有节点对 Leader 的共识，对于实现 Leader 选举至关重要。 #
基本的实现可以利用锁服务来确定领导权。 #
在这种情况下，每个实例都尝试获取一个共享锁。锁服务确保只有一个实例在任何给定时间持有该锁，有效地使该实例成为 Leader。其他副本不断尝试获取锁，从而准备好进行无缝故障转移，以防当前的 Leader 变得不可用。 #
然而，在某些情况下会出现挑战，例如当领导节点失效和无响应时，并且持有锁一段时间直到该实例被回收。这种情况可能会导致传入请求因超时而失败，并且由于备用副本无法承担领导职责而增加正在进行任务的延迟。为了缓解这个问题，通常建议锁服务在锁上实施过期机制，通常称为基于 TTL 的租约。 #
问题1：失效的 Leader 实例 #
此外，锁服务必须符合一定的健壮性标准。一方面，它不能作为单个实例运行，因为这将使其成为单点故障。另一方面，如果它使用多个实例以提供高可用性，则必须设计能够抵御网络分区问题。否则可能导致一个棘手的情况发生：在不同网络分区中的两个副本都认为自己已经获得了锁，并因此承担领导者角色。 #
问题2：脑裂 #
基于仲裁的系统成为首选解决方案 #
为了解决网络分区的核心问题，像 ZooKeeper（被 Kafka 使用）和 etcd（被 Kubernetes 利用）这样的基于仲裁的系统通过内置的 TTL 功能应运而生，将自己确立为领导者选举的最佳解决方案。ZooKeeper 原子广播（ZAB）协议和 etcd 采用的 RAFT 协议都确保只有在大多数节点认可时才会考虑任何操作是有效的。在发生网络分区时，只有一个分区可以包含大多数节点，有效地防止了出现多个领导者的可能性。 #
然而，无论是 ZooKeeper 还是 etcd 都不具备成本效益。分布式系统固有复杂性带来了运维挑战。为小规模服务部署这样的集群可能太重，并且额外开销可能超过应用程序本身的运维成本。 #
K8s Leases #
由于成本问题，可靠的领导者选举只适用于大规模系统吗？未必，如果你正在使用 Kubernetes 基础设施，则可以通过使用 Kubernetes Leases 来简单地实现 etcd 级别的领导者选举 —— 无需直接与 Etcd API 交互。 #
为什么很强大 #
Kubernetes Leases 之所以强大，部分原因在于 Kubernetes 本身通常将 etcd 作为其所有 API对象（包括租约）的存储。这意味着 etcd 的高可用性、一致性和容错特性自然地可用于 Kubernetes Leases。但是，Kubernetes API 添加了额外的功能层，比如通过资源版本控制实现乐观并发控制，这也有助于使租约成为在 Kubernetes 环境中进行领导者选举时一个强大的选择。 #
工作原理 #
在 Kubernetes 中，可以使用 Lease 对象来促进领导者选举。竞争领导权的候选人要么创建要么更新 Lease 对象，并将其标识符设置在 holderIdentity 字段中。领导者持续“续订”该 Lease 以保持其角色。如果领导者未能在 Lease 到期前续订，则其他候选人会尝试获取它。首个成功更新 Lease 的候选人将成为新领导者，确保平稳故障转移。所有候选人都会监视 Lease 对象以跟踪领导变更。
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示例 #
让我们通过一个全面的示例来了解下这是如何工作的。这里我们通过直接对 K8s API 进行 HTTP 调用，该演示与语言无关。 #
需要一个版本大于等于 1.14 的 Kubernetes 集群。需要安装一些基本的工具：
kubectl、curl、jq等等。
首先我们创建一个如下锁是的 JSON 文件 lease.json，用来代表 Lease 对象：
#
{
"apiVersion": "coordination.k8s.io/v1",
"kind": "Lease",
"metadata": {
"name": "example-lease",
"namespace": "example-lease"
},
"spec": {
"holderIdentity": "replica-1",
"leaseDurationSeconds": 15
}
}
然后我们可以使用下面的 curl 命令来创建该对象：
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curl -k -X POST -H "Content-Type: application/json" --data @lease.json https://$KUBE_PROXY_URL/apis/coordination.k8s.io/v1/namespaces/example-lease/leases
检查 Lease 对象是否创建成功： #
kubectl get lease example-lease -n example-lease -o json
#output:
{
"apiVersion": "coordination.k8s.io/v1",
"kind": "Lease",
"metadata": {
"name": "example-lease",
"namespace": "example-lease",
"resourceVersion": "123"
},
"spec": {
"holderIdentity": "replica-1",
"leaseDurationSeconds": 15,
"acquireTime": "2023-09-11T20:30:00Z",
"renewTime": "2023-09-11T20:35:00Z",
"leaseTransitions": 2
}
}
现在 replica-1 已成功获取租约，并将在15秒后到期。
#
接下来创建创建一个名为 standby_replica 的脚本。此任务在每次更新 Lease 对象时检查 renewTime 字段，以确定当前 leader 是否仍处于活动状态。如果 renewTime 比当前时间落后了定义的阈值，则假定 leader 处于非活动状态。然后，该任务尝试通过使用当前 resourceVersion 更新来获取租约。如果成功，运行该任务的 pod 将成为新的 leader，并应继续更新 renewTime 以保持其状态。
#
# standby_replica.sh
#!/bin/bash
LEASE_ENDPOINT="http://$KUBE_PROXY_URL/apis/coordination.k8s.io/v1/namespaces/NAMESPACE/example-lease/LEASE_NAME"
REPLICA_NAME="replica-2"
# implement watch. Please note that there is a watch endpoint, which is more efficeint when writing production code
while true; do
# Fetch the lease object
lease=$(curl -s $LEASE_ENDPOINT)
# Extract renewTime and resourceVersion
renew_time=$(echo $lease | jq -r '.spec.renewTime')
resource_version=$(echo $lease | jq -r '.metadata.resourceVersion')
current_time=$(date -u +"%Y-%m-%dT%H:%M:%SZ")
if [[ "$renew_time" < "$current_time" ]]; then
updated_lease=$(echo $lease | jq ".metadata.resourceVersion = \"$resource_version\" | .spec.renewTime = \"$current_time\" | .spec.holderIdentity = \"$REPLICA_NAME\"")
# Attempt to update the lease
update_response=$(curl -s -X PUT --header "Content-Type: application/json" -d "$updated_lease" $LEASE_ENDPOINT)
if [[ $(echo $update_response | jq -r '.metadata.resourceVersion') == "$resource_version" ]]; then
echo "Successfully acquired the lease."
else
echo "Failed to acquire the lease."
fi
else
echo "Lease is still valid."
fi
# Wait for 5 seconds before the next iteration
sleep 5
done
如果我们一直去查看对象，有对象输出，renewTime 会不断更新。因此，没有发生领导者故障转移。应该能够看到输出为：
#
Lease is still valid.
Lease is still valid.
Lease is still valid.
Lease is still valid.
Lease is still valid.
当停止更新来自 replica-1 的租约时，到期时间将在15秒内到期，以便 replica-2 能够接管领导权。您应该能够看到输出为：
#
Lease is still valid.
Lease is still valid.
Successfully acquired the lease.
# And then fetch the example lease again:
kubectl get lease example-lease -n example-lease -o json
#output:
{
"apiVersion": "coordination.k8s.io/v1",
"kind": "Lease",
"metadata": {
"name": "example-lease",
"namespace": "example-lease",
"resourceVersion": "124"
},
"spec": {
"holderIdentity": "replica-2",
"leaseDurationSeconds": 15,
"acquireTime": "2023-09-11T20:36:00Z",
"renewTime": "2023-09-11T20:51:00Z",
"leaseTransitions": 3
}
}