Cách hoạt động của etcd trong Kubernetes: Hiểu rõ bộ não dữ liệu của Control Plane

Mỗi thao tác tạo Pod, cập nhật Deployment hay thay đổi cấu hình trong Kubernetes đều tạo ra dữ liệu mới. Nhưng những dữ liệu này được lưu ở đâu và làm thế nào để toàn bộ cluster luôn nhìn thấy cùng một trạng thái? Câu trả lời nằm ở etcd, hệ thống lưu trữ dữ liệu cốt lõi của Kubernetes. Trong bài viết này, hãy cùng Viettel IDC tìm hiểu cách hoạt động của etcd trong Kubernetes, vai trò của nó trong Control Plane và cơ chế giúp cluster duy trì tính nhất quán dữ liệu.

etcd trong Kubernetes là gì?

etcd là một hệ thống lưu trữ dữ liệu dạng key-value phân tán mã nguồn mở được phát triển bởi CoreOS, hiện nay thuộc sự quản lý của Cloud Native Computing Foundation (CNCF). etcd được thiết kế với mục tiêu cung cấp khả năng lưu trữ dữ liệu ổn định, nhất quán và có độ tin cậy cao trong các hệ thống phân tán.

Trong Kubernetes, etcd đóng vai trò là kho dữ liệu trung tâm của toàn bộ cluster. Mọi trạng thái, cấu hình và metadata của Kubernetes đều được lưu trữ bên trong etcd. Khi người dùng gửi yêu cầu tạo hoặc chỉnh sửa tài nguyên thông qua Kubernetes API, dữ liệu cuối cùng sẽ được ghi vào etcd trước khi các thành phần khác trong hệ thống thực hiện hành động tương ứng.

Nhiều chuyên gia Kubernetes thường gọi etcd là "source of truth" của cluster. Điều này có nghĩa mọi thành phần trong Kubernetes đều dựa vào dữ liệu lưu trữ trong etcd để xác định trạng thái hiện tại của hệ thống. Nếu etcd gặp sự cố nghiêm trọng hoặc mất dữ liệu, toàn bộ Kubernetes cluster sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp. Chính vì tầm quan trọng đó, etcd được xem là một trong những thành phần cốt lõi nhất của Kubernetes Control Plane.

Kiến trúc tổng quan của etcd trong Kubernetes

Để hiểu cách etcd hoạt động, trước tiên cần nhìn vào vị trí của nó trong kiến trúc Kubernetes. Trong một Kubernetes cluster tiêu chuẩn, Control Plane bao gồm nhiều thành phần như Kubernetes API Server, Scheduler, Controller Manager và etcd. Trong đó, API Server đóng vai trò cửa ngõ tiếp nhận toàn bộ yêu cầu từ người dùng hoặc các thành phần khác trong cluster. Tuy nhiên, API Server không trực tiếp lưu dữ liệu mà sử dụng etcd như lớp lưu trữ phía sau.

Khi người dùng tạo một Pod mới bằng lệnh kubectl, yêu cầu sẽ được gửi đến API Server. API Server xác thực yêu cầu, kiểm tra tính hợp lệ của dữ liệu rồi ghi thông tin vào etcd. Sau khi dữ liệu được lưu thành công, Scheduler và Controller Manager mới bắt đầu thực hiện các bước tiếp theo để triển khai Pod trên Worker Node phù hợp. Điều này cho thấy etcd không trực tiếp tham gia vào quá trình chạy ứng dụng nhưng lại là nơi lưu trữ mọi thông tin giúp các thành phần khác phối hợp hoạt động.

Trong môi trường production, etcd thường được triển khai dưới dạng cluster gồm nhiều node thay vì chỉ một máy chủ duy nhất. Việc triển khai nhiều node giúp tăng khả năng chịu lỗi và đảm bảo dữ liệu không bị mất nếu một máy chủ gặp sự cố.

Mỗi node etcd đều lưu bản sao dữ liệu giống nhau. Thông qua cơ chế replication và consensus, các node liên tục đồng bộ trạng thái với nhau để duy trì tính nhất quán của hệ thống. Nhờ kiến trúc này, Kubernetes có thể hoạt động ổn định ngay cả trong những môi trường có quy mô lớn với hàng nghìn Pod và hàng trăm Node khác nhau.

Cách hoạt động của etcd trong Kubernetes

etcd hoạt động như kho lưu trữ dữ liệu trung tâm của Kubernetes, nơi ghi nhận toàn bộ trạng thái và cấu hình của cluster dưới dạng key-value. Mỗi khi người dùng tạo, cập nhật hoặc xóa tài nguyên như Pod, Deployment hay Service, yêu cầu sẽ được gửi đến Kubernetes API Server và sau đó được lưu vào etcd. Đây là bước đầu tiên giúp Kubernetes ghi nhớ trạng thái mong muốn của hệ thống.

Sau khi dữ liệu được lưu thành công, các thành phần trong Control Plane như Scheduler, Controller Manager hoặc các Operator sẽ đọc thông tin từ etcd để thực hiện nhiệm vụ tương ứng. Ví dụ, khi tạo một Deployment mới, dữ liệu được ghi vào etcd trước, sau đó Controller sẽ tự động tạo các Pod cần thiết để đưa hệ thống về đúng trạng thái đã cấu hình.

Một cơ chế quan trọng của etcd là Watch. Thay vì liên tục truy vấn dữ liệu, các thành phần Kubernetes có thể theo dõi những thay đổi trong etcd theo thời gian thực. Khi có thay đổi về trạng thái tài nguyên, etcd sẽ gửi thông báo để các thành phần liên quan cập nhật và xử lý ngay lập tức. Điều này giúp Kubernetes phản ứng nhanh với các sự kiện xảy ra trong cluster.

Để đảm bảo dữ liệu luôn nhất quán giữa nhiều node, etcd sử dụng thuật toán đồng thuận Raft Consensus. Mọi thay đổi đều phải được xác nhận bởi đa số node trong cluster trước khi được áp dụng chính thức. Nhờ đó, Kubernetes vẫn có thể hoạt động ổn định ngay cả khi một số node etcd gặp sự cố.

Có thể hiểu đơn giản rằng etcd không trực tiếp chạy ứng dụng hay container, nhưng lại là nơi lưu giữ toàn bộ thông tin giúp Kubernetes biết hệ thống đang ở trạng thái nào và cần thực hiện những gì để duy trì trạng thái đó. Đây chính là lý do etcd được xem là bộ não dữ liệu của Kubernetes Control Plane.

Những dữ liệu nào được lưu trong etcd?

- Thông tin Pod: Mọi Pod đang chạy hoặc đã được tạo đều có metadata và trạng thái tương ứng trong etcd. Điều này giúp Kubernetes biết chính xác Pod nào đang tồn tại trong cluster.

- Deployment: Toàn bộ cấu hình Deployment, số lượng replica mong muốn và lịch sử cập nhật đều được ghi nhận trong etcd.

- Service và Endpoint: Khi ứng dụng cần giao tiếp nội bộ trong cluster, Kubernetes sẽ sử dụng dữ liệu từ etcd để xác định địa chỉ và trạng thái của các Service.

- ConfigMap và Secret: Đây là lý do việc bảo mật etcd đặc biệt quan trọng bởi nếu dữ liệu bị truy cập trái phép, nhiều thông tin nhạy cảm của hệ thống có thể bị lộ.

Ngoài ra còn có Namespace, Node Information, Role, RoleBinding và các tài nguyên liên quan đến RBAC cũng đều được lưu trữ trong etcd. Nói cách khác, toàn bộ metadata vận hành của Kubernetes đều nằm trong cơ sở dữ liệu này. Nhờ việc lưu trữ tập trung, Kubernetes có thể nhanh chóng khôi phục trạng thái cluster hoặc đồng bộ hoạt động giữa các thành phần Control Plane.

Vai trò của etcd trong Kubernetes

etcd giữ vai trò trung tâm trong toàn bộ kiến trúc Kubernetes khi hoạt động như cơ sở dữ liệu lưu trữ trạng thái của cluster. Mọi thông tin liên quan đến Kubernetes như Pod, Deployment, Service, ConfigMap, Secret, Namespace hay Node đều được ghi nhận và quản lý thông qua etcd. Nhờ đó, Kubernetes luôn có thể xác định chính xác trạng thái hiện tại của hệ thống cũng như trạng thái mong muốn mà người dùng đã cấu hình. Đây là nền tảng giúp các thành phần trong Control Plane phối hợp hoạt động một cách đồng bộ và nhất quán.

Một vai trò quan trọng khác của etcd là cung cấp nguồn dữ liệu duy nhất cho Kubernetes API Server. Mỗi khi người dùng tạo mới, chỉnh sửa hoặc xóa tài nguyên, API Server sẽ ghi nhận thay đổi và lưu vào etcd trước khi các thành phần khác xử lý. Điều này giúp Kubernetes tránh tình trạng dữ liệu không đồng nhất giữa các node hoặc các thành phần trong cluster. Có thể xem etcd như "nguồn sự thật" (Source of Truth), nơi lưu giữ toàn bộ thông tin chính thức của hệ thống.

Ngoài ra, etcd cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ các cơ chế tự động hóa của Kubernetes. Scheduler, Controller Manager và các Controller khác liên tục theo dõi dữ liệu được lưu trong etcd để phát hiện những thay đổi về trạng thái cluster. Khi phát hiện sự khác biệt giữa trạng thái thực tế và trạng thái mong muốn, các thành phần này sẽ tự động thực hiện hành động cần thiết nhằm đưa hệ thống trở lại trạng thái đúng như cấu hình ban đầu. Đây chính là nền tảng giúp Kubernetes có khả năng tự phục hồi và tự động quản lý tài nguyên.

Có thể nói rằng nếu Kubernetes Control Plane là bộ não điều phối toàn bộ cluster thì etcd chính là bộ nhớ trung tâm lưu giữ mọi thông tin quan trọng. Khi etcd hoạt động ổn định, Kubernetes có thể quản lý tài nguyên hiệu quả, duy trì tính nhất quán dữ liệu và đảm bảo khả năng vận hành liên tục. Ngược lại, nếu etcd gặp sự cố nghiêm trọng hoặc mất dữ liệu, toàn bộ cluster sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp, khiến việc quản lý và điều phối tài nguyên trở nên vô cùng khó khăn. Đây cũng là lý do etcd luôn được xem là một trong những thành phần quan trọng nhất của Kubernetes.

Kết luận

etcd là một trong những thành phần quan trọng nhất của Kubernetes Control Plane, đóng vai trò lưu trữ toàn bộ trạng thái và metadata của cluster. Hiểu rõ cách hoạt động của etcd trong Kubernetes không chỉ giúp đội ngũ kỹ thuật tối ưu hiệu năng hệ thống mà còn hỗ trợ hiệu quả trong quá trình backup, restore và xử lý sự cố cluster.

Bạn có thể tham khảo thêm về dịch vụ Viettel Managed Kubernetes Service (vMKS) của Viettel IDC giúp doanh nghiệp triển khai, vận hành và mở rộng các ứng dụng Container hóa một cách tự động và dễ dàng tại đây nhé: 

https://viettelidc.com.vn/managed-kubernetes-service