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      Docker Swarm 集群管理利器核心概念扫盲

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      Swarm 简介

        

        Docker Swarm 是 Docker 官方推出的容器集群管理工具,基于 Go 语言实现。代码开源在:https://github.com/docker/swarm 使用它可以将多个 Docker 主机封装为单个大型的虚拟 Docker 主机,快速打造一套容器云平台。

        Docker Swarm 是生产环境中运行 Docker 应用程序最简单的方法。作为容器集群管理器,Swarm 最大的优势之一就是 100% 支持标准的 Docker API。各种基于标准 API 的工具比如 Compose、docker-py、各种管理软件,甚至 Docker 本身等都可以很容易的与 Swarm 进行集成。大大方便了用户将原先基于单节点的系统移植到 Swarm 上,同时 Swarm 内置了对 Docker 网络插件的支持,用户可以很容易地部署跨主机的容器集群服务。

        Docker Swarm 和 Docker Compose 一样,都是 Docker 官方容器编排工具,但不同的是,Docker Compose 是一个在单个服务器或主机上创建多个容器的工具,而 Docker Swarm 则可以在多个服务器或主机上创建容器集群服务,对于微服务的部署,显然 Docker Swarm 会更加适合。

        

      Swarm 核心概念

        

      Swarm

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        Docker Engine 1.12 引入了 Swarm 模式,一个 Swarm 由多个 Docker 主机组成,它们以 Swarm 集群模式运行。Swarm 集群由 Manager 节点(管理者角色,管理成员和委托任务)和 Worker 节点(工作者角色,运行 Swarm 服务)组成。这些 Docker 主机有些是 Manager 节点,有些是 Worker 节点,或者同时扮演这两种角色。

        Swarm 创建服务时,需要指定要使用的镜像、在运行的容器中执行的命令、定义其副本的数量、可用的网络和数据卷、将服务公开给外部的端口等等。与独立容器相比,群集服务的主要优势之一是,你可以修改服务的配置,包括它所连接的网络和数据卷等,而不需要手动重启服务。还有就是,如果一个 Worker Node 不可用了,Docker 会调度不可用 Node 的 Task 任务到其他 Nodes 上。

        

      Nodes

        

        Swarm 集群由 Manager 节点(管理者角色,管理成员和委托任务)和 Worker 节点(工作者角色,运行 Swarm 服务)组成。一个节点就是 Swarm 集群中的一个实例,也就是一个 Docker 主机。你可以运行一个或多个节点在单台物理机或云服务器上,但是生产环境上,典型的部署方式是:Docker 节点交叉分布式部署在多台物理机或云主机上。节点名称默认为机器的 hostname。

      • Manager:负责整个集群的管理工作包括集群配置、服务管理、容器编排等所有跟集群有关的工作,它会选举出一个 leader 来指挥编排任务;
      • Worker:工作节点接收和执行从管理节点分派的任务(Tasks)运行在相应的服务(Services)上。

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      Services and Tasks

        

        服务(Service)是一个抽象的概念,是对要在管理节点或工作节点上执行的任务的定义。它是集群系统的中心结构,是用户与集群交互的主要根源。Swarm 创建服务时,可以为服务定义以下信息:

      • 服务名称;
      • 使用哪个镜像来创建容器;
      • 要运行多少个副本;
      • 服务的容器要连接到哪个网络上;
      • 要映射哪些端口。

      /resources/articles/docker/services-diagram.png

        任务(Task)包括一个 Docker 容器在容器中运行的命令。任务是一个集群的最小单元,任务与容器是一对一的关系。管理节点根据服务规模中设置的副本数量将任务分配给工作节点。一旦任务被分配到一个节点,便无法移动到另一个节点。它只能在分配的节点上运行或失败。

        

      Replicated and global services

        

        Swarm 不只是提供了优秀的高可用性,同时也提供了节点的弹性扩容和缩容的功能。可以通过以下两种类型的 Services 部署实现:

      • Replicated Services:当服务需要动态扩缩容时,只需通过 scale 参数或者 --replicas n 参数指定运行相同任务的数量,即可复制出新的副本,将一系列复制任务分发至各节点当中,这种操作便称之为副本服务(Replicate)。
      • Global Services:我们也可以通过 --mode global 参数将服务分发至全部节点之上,这种操作我们称之为全局服务(Global)。在每个节点上运行一个相同的任务,不需要预先指定任务的数量,每增加一个节点到 Swarm 中,协调器就会创建一个任务,然后调度器把任务分配给新节点。

        下图用黄色表示拥有三个副本服务 Replicated Service,用灰色表示拥有一个全局服务 Global Service。

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      Swarm 工作流程

        

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      Swarm Manager:

      1. API:接受命令并创建 service 对象(创建对象)
      2. orchestrator:为 service 对象创建的 task 进行编排工作(服务编排)
      3. allocater:为各个 task 分配 IP 地址(分配 IP)
      4. dispatcher:将 task 分发到 nodes(分发任务)
      5. scheduler:安排一个 worker 节点运行 task(运行任务)

        

      Worker Node:

      1. worker:连接到调度器,检查分配的 task(检查任务)
      2. executor:执行分配给 worker 节点的 task(执行任务)

        

      Overlay 网络

        

        关于 Docker 的网络我们在《Docker 网络模式详解及容器间网络通信》中已经给大家详细讲解过。不过,Docker Swarm 集群模式下却默认使用的是 Overlay 网络(覆盖网络),这里简单介绍一下什么是 Overlay 网络。

        Overlay 网络其实并不是一门新技术,它是指构建在另一个网络上的计算机网络,这是一种网络虚拟化技术的形式,近年来云计算虚拟化技术的演进促进了网络虚拟化技术的应用。所以 Overlay 网络就是建立在另一个计算机网络之上的虚拟网络,它是不能独立出现的,Overlay 底层依赖的网络就是 Underlay 网络。

        Underlay 网络是专门用来承载用户 IP 流量的基础架构层,它与 Overlay 网络之间的关系有点类似物理机和虚拟机。Underlay 网络和物理机都是真正存在的实体,它们分别对应着真实存在的网络设备和计算设备,而 Overlay 网络和虚拟机都是依托在下层实体的基础之上,使用软件虚拟出来的层级。

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        在 Docker 版本 1.12 以后 Swarm 模式原生已支持覆盖网络(Overlay Network),只要是这个覆盖网络内的容器,不管在不在同一个宿主机上都能相互通信,即跨主机通信。不同覆盖网络内的容器之间是相互隔离的(相互 ping 不通)。

        Overlay 网络是目前主流的容器跨节点数据传输和路由方案。当然,容器在跨主机进行通信的时候,除了可以使用 overlay 网络模式进行通信之外,还可以使用 host 网络模式,直接使用物理机的 IP 地址就可以进行通信。

        

      参考资料

        

        

        最后我要说的是,如果只是从使用的角度出发,Docker Swarm 很快就可以上手。所谓知其然知其所以然,概念性的东西该懂还得懂,一些细节的部分比如网络我们到时候再另开文章细说。

        下文带大家从零开始,搭建 Docker Swarm 集群环境,并通过 Swarm 实现服务的弹性部署。

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