Docker Swarm架构、特性与基本实践

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前言

Docker集群管理和编排的特性是通过SwarmKit进行构建的， 其中Swarm mode是Docker Engine内置支持的一种默认实现。Docker 1.12以及更新的版本，都支持Swarm mode，我们可以基于Docker Engine来构建Swarm集群，然后就可以将我们的应用服务（Application Service）部署到Swarm集群中。创建Swarm集群的方式很简单，先初始化一个Swarm集群，然后将其他的Node加入到该集群即可。本文主要基于Docker Swarm官网文档，学习总结。

基本特性

Docker Swarm具有如下基本特性：

集群管理集成进Docker Engine

使用内置的集群管理功能，我们可以直接通过Docker CLI命令来创建Swarm集群，然后去部署应用服务，而不再需要其它外部的软件来创建和管理一个Swarm集群。

去中心化设计

Swarm集群中包含Manager和Worker两类Node，我们可以直接基于Docker Engine来部署任何类型的Node。而且，在Swarm集群运行期间，我们既可以对其作出任何改变，实现对集群的扩容和缩容等，如添加Manager Node，如删除Worker Node，而做这些操作不需要暂停或重启当前的Swarm集群服务。

声明式服务模型（Declarative Service Model）

在我们实现的应用栈中，Docker Engine使用了一种声明的方式，让我们可以定义我们所期望的各种服务的状态，例如，我们创建了一个应用服务栈：一个Web前端服务、一个后端数据库服务、Web前端服务又依赖于一个消息队列服务。

服务扩容缩容

对于我们部署的每一个应用服务，我们可以通过命令行的方式，设置启动多少个Docker容器去运行它。已经部署完成的应用，如果有扩容或缩容的需求，只需要通过命令行指定需要几个Docker容器即可，Swarm集群运行时便能自动地、灵活地进行调整。

协调预期状态与实际状态的一致性

Swarm集群Manager Node会不断地监控集群的状态，协调集群状态使得我们预期状态和实际状态保持一致。例如我们启动了一个应用服务，指定服务副本为10，则会启动10个Docker容器去运行，如果某个Worker Node上面运行的2个Docker容器挂掉了，则Swarm Manager会选择集群中其它可用的Worker Node，并创建2个服务副本，使实际运行的Docker容器数仍然保持与预期的10个一致。

多主机网络

我们可以为待部署应用服务指定一个Overlay网络，当应用服务初始化或者进行更新时，Swarm Manager在给定的Overlay网络中为Docker容器自动地分配IP地址，实际是一个虚拟IP地址（VIP）。

服务发现

Swarm Manager会给集群中每一个服务分配一个唯一的DNS名称，对运行中的Docker容器进行负载均衡。我们可以通过Swarm内置的DNS Server，查询Swarm集群中运行的Docker容器状态。

负载均衡

在Swarm内部，可以指定如何在各个Node之间分发服务容器（Service Container），实现负载均衡。如果想要使用Swarm集群外部的负载均衡器，可以将服务容器的端口暴露到外部。

安全策略

在Swarm集群内部的Node，强制使用基于TLS的双向认证，并且在单个Node上以及在集群中的Node之间，都进行安全的加密通信。我们可以选择使用自签名的根证书，或者使用自定义的根CA（Root CA）证书。

滚动更新（Rolling Update）

对于服务需要更新的场景，我们可以在多个Node上进行增量部署更新，Swarm Manager支持通过使用Docker CLI设置一个delay时间间隔，实现多个服务在多个Node上依次进行部署。这样可以非常灵活地控制，如果有一个服务更新失败，则暂停后面的更新操作，重新回滚到更新之前的版本。

基本架构

Docker Swarm提供了基本的集群能力，能够使多个Docker Engine组合成一个group，提供多容器服务。Swarm使用标准的Docker API，启动容器可以直接使用docker run命令。Swarm更核心的则是关注如何选择一个主机并在其上启动容器，最终运行服务。

Docker Swarm基本架构，如下图所示（来自网络，详见后面参考链接）：

如上图所示，Swarm Node表示加入Swarm集群中的一个Docker Engine实例，基于该Docker Engine可以创建并管理多个Docker容器。其中，最开始创建Swarm集群的时候，Swarm Manager便是集群中的第一个Swarm Node。在所有的Node中，又根据其职能划分为Manager Node和Worker Node，具体分别如下所示：

Manager Node

Manager Node负责调度Task，一个Task表示要在Swarm集群中的某个Node上启动Docker容器，一个或多个Docker容器运行在Swarm集群中的某个Worker Node上。同时，Manager Node还负责编排容器和集群管理功能（或者更准确地说，是具有Manager管理职能的Node），维护集群的状态。需要注意的是，默认情况下，Manager Node也作为一个Worker Node来执行Task。Swarm支持配置Manager只作为一个专用的管理Node，后面我们会详细说明。

Worker Node

Worker Node接收由Manager Node调度并指派的Task，启动一个Docker容器来运行指定的服务，并且Worker Node需要向Manager Node汇报被指派的Task的执行状态。

构建Swarm集群

我们实践Swarm集群，包括三个节Node，对应的主机名和IP地址分别如下所示：

首先，需要保证各个Node上，docker daemon进程已经正常启动，如果没有则执行如下命令启动：

接下来就可以创建Swarm集群，创建Swarm的命令，格式如下所示：

docker swarm init --advertise-addr <MANAGER-IP>
        

我们在准备好的manager Node上，登录到该Node，创建一个Swarm，执行如下命令：

上面–advertise-addr选项指定Manager Node会publish它的地址为192.168.1.107，后续Worker Node加入到该Swarm集群，必须要能够访问到Manager的该IP地址。可以看到，上述命令执行结果，如下所示：

该结果中给出了后续操作引导信息，告诉我们如何将一个Worker Node加入到Swarm集群中。也可以通过如下命令，来获取该提示信息：

在任何时候，如果我们需要向已经创建的Swarm集群中增加Worker Node，只要新增一个主机（物理机、云主机等都可以），并在其上安装好Docker Engine并启动，然后执行上述docker swarm join命令，就可以加入到Swarm集群中。

这时，我们也可以查看当前Manager Node的基本信息，执行docker info命令，输出信息中可以看到，包含如下关于Swarm的状态信息：

        

         

          

           

          
          

           

            Swarm: active NodeID: qc42f6myqfpoevfkrzmx08n0r
           
          
         

          

           

          
          

           
 Is Manager: true ClusterID: qi4i0vh7lgb60qxy3mdygb27f Managers: 1
           
          
         

          

           

          
          

           
 Nodes: 1
           
          
        
       

可以看出，目前Swarm集群只有Manager一个Node，而且状态是active。也可以在Manager Node上执行docker node ls命令查看Node状态，如下所示：

接下来，我们可以根据上面提示信息，我们分别在worker1、worker2两个Worker Node 上，执行命令将Worker Node加入到Swarm集群中，命令如下所示：

如果成功，可以看到成功加入Swarm集群的信息。这时，也可以在Manager Node上，查看Swarm集群的信息，示例如下所示：

想要查看Swarm集群中全部Node的详细状态信息，可以执行如下所示命令：

Swarm集群Node的状态信息，如下所示：

上面信息中，AVAILABILITY表示Swarm Scheduler是否可以向集群中的某个Node指派Task，对应有如下三种状态：

• Active：集群中该Node可以被指派Task

• Pause：集群中该Node不可以被指派新的Task，但是其他已经存在的Task保持运行

• Drain：集群中该Node不可以被指派新的Task，Swarm Scheduler停掉已经存在的Task，并将它们调度到可用的Node上

查看某一个Node的状态信息，可以在该Node上执行如下命令：

docker node inspect self
       

我们在Manager Node上执行上述命令，查看的状态信息如下所示：

管理Swarm Node

Swarm支持设置一组Manager Node，通过支持多Manager Node实现HA。那么这些Manager Node之间的状态的一致性就非常重要了，多Manager Node的Warm集群架构，如下图所示（出自Docker官网）：

通过上图可以看到，Swarm使用了Raft协议来保证多个Manager之间状态的一致性。基于Raft协议，Manager Node具有一定的容错功能，假设Swarm集群中有个N个Manager Node，那么整个集群可以容忍最多有(N-1)/2个节点失效。如果是一个三Manager Node的Swarm集群，则最多只能容忍一个Manager Node挂掉。

下面，我们按照对Node的不同操作，通过命令的方式来详细说明：

（1）Node状态变更管理

前面我们已经提到过，Node的AVAILABILITY有三种状态：Active、Pause、Drain，对某个Node进行变更，可以将其AVAILABILITY值通过Docker CLI修改为对应的状态即可，下面是常见的变更操作：

• 设置Manager Node只具有管理功能

• 对服务进行停机维护，可以修改AVAILABILITY为Drain状态

• 暂停一个Node，然后该Node就不再接收新的Task

• 恢复一个不可用或者暂停的Node

例如，将Manager Node的AVAILABILITY值修改为Drain状态，使其只具备管理功能，执行如下命令：

这样，Manager Node不能被指派Task，也就是不能部署实际的Docker容器来运行服务，而只是作为管理Node的角色。

（2）给Node添加标签元数据

每个Node的主机配置情况可能不同，比如有的适合运行CPU密集型应用，有的适合运行IO密集型应用，Swarm支持给每个Node添加标签元数据，这样可以根据Node的标签，来选择性地调度某个服务部署到期望的一组Node上。

给SWarm集群中的某个Worker Node添加标签，执行如下命令格式如下：

（3）Node提权/降权

改变Node的角色，Worker Node可以变为Manager Node，这样实际Worker Node有工作Node变成了管理Node，对应提权操作，例如将worker1和worker2都升级为Manager Node，执行如下命令：

（4）退出Swarm集群

如果Manager想要退出Swarm集群， 在Manager Node上执行如下命令：

即使Manager已经退出SWarm集群，执行上述命令也可以使得Worker Node退出集群，然后又可以加入到其它新建的Swarm集群中。

管理服务

在Swarm集群上部署服务，必须在Manager Node上进行操作。先说明一下Service、Task、Container（容器）这个三个概念的关系，如下图（出自Docker官网）非常清晰地描述了这个三个概念的含义：

在Swarm mode下使用Docker，可以实现部署运行服务、服务扩容缩容、删除服务、滚动升级等功能，下面我们详细说明。

（1）创建服务

创建Docker服务，可以使用docker service create命令实现，例如，我们要创建如下两个服务，执行如下命令：

第一个命令行，从Docker镜像alpine创建了一个名称为myapp的服务，其中指定服务副本数为1，也就是启动一个Docker容器来运行该服务。第二个命令行， 创建一个Redis服务，服务副本数为2，那么会启动两个Docker容器来运行myredis服务。查看当前，已经部署启动的全部应用服务，执行如下命令：

执行结果，如下所示：

也可以查询指定服务的详细信息，执行如下命令：

查看结果信息，如下所示：

上面信息中，在manager和worker1这两个Node上部署了myredis这个应用服务，也包含了它们对应的当前状态信息。此时，也可以通过执行docker ps命令，在Manager Node上查看当前启动的Docker容器：

上面，通过 --env 选项来设置环境变量，通过 --workdir 选项来设置工作目录，通过 --user选项来设置用户信息。

（2）扩容缩容服务

Docker Swarm支持服务的扩容缩容，Swarm通过 --mode 选项设置服务类型，提供了两种模式：一种是replicated，我们可以指定服务Task的个数（也就是需要创建几个冗余副本），这也是Swarm默认使用的服务类型；另一种是global，这样会在Swarm集群的每个Node上都创建一个服务。如下图所示（出自Docker官网），是一个包含replicated和global模式的Swarm集群：

上图中，黄色表示的replicated模式下的Service Replicas，灰色表示global模式下Service的分布。

服务扩容缩容，在Manager Node上执行命令的格式，如下所示：

例如，将前面我们部署的2个副本的myredis服务，扩容到3个副本，执行如下命令：

通过命令docker service ls 查看，扩容操作结果如下所示：

可以看到，我们目前3个Node的Swarm集群，每个Node上都有一个myredis应用服务的副本，可见也实现了很好的负载均衡。

缩容服务，只需要将副本数小于当前应用服务拥有的副本数即可实现，大于指定缩容副本数的副本会被删除。

（3）删除服务

删除服务，只需要在Manager Node上执行如下命令即可：

例如，删除myredis应用服务，执行docker service rm myredis，则应用服务myredis的全部副本都会被删除。

（4）滚动更新

服务的滚动更新，这里我参考官网文档的例子说明。在Manager Node上执行如下命令：

上面通过指定 --update-delay 选项，表示需要进行更新的服务，每次成功部署一个，延迟10秒钟，然后再更新下一个服务。如果某个服务更新失败，则Swarm的调度器就会暂停本次服务的部署更新。

另外，也可以更新已经部署的服务所在容器中使用的Image的版本，例如执行如下命令：

将Redis服务对应的Image版本有3.0.6更新为3.0.7，同样，如果更新失败，则暂停本次更新。

（5）添加Overlay网络

在Swarm集群中可以使用Overlay网络来连接到一个或多个服务。具体添加Overlay网络，首先，我们需要创建在Manager Node上创建一个Overlay网络，执行如下命令：

这样，如果Swarm集群中其他Node上的Docker容器也使用my-network这个网络，那么处于该Overlay网络中的所有容器之间，通过网络可以连通。

作者：Yanjun

原文：http://shiyanjun.cn/archives/1625.html

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