Docker Swarm 集群管理利器核心概念扫盲

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发布于: 2020 年 09 月 17 日
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。
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　　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。
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　　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。
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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。
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　　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。
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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。
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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：
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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。
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　　任务（Task）包括一个 Docker 容器和*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。
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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：
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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。
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　　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：
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API：接受命令并创建 service 对象（创建对象）
orchestrator：为 service 对象创建的 task 进行编排工作（服务编排）
allocater：为各个 task 分配 IP 地址（分配 IP）
dispatcher：将 task 分发到 nodes（分发任务）
scheduler：安排一个 worker 节点运行 task（运行任务）
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Worker Node：
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worker：连接到调度器，检查分配的 task（检查任务）
executor：执行分配给 worker 节点的 task（执行任务）
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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。
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　　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。
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　　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）。
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　　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。
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参考资料﻿
https://docs.docker.com/engine/swarm/
https://docs.docker.com/engine/swarm/key-concepts/
https://docs.docker.com/engine/swarm/swarm-tutorial/
https://docs.docker.com/engine/swarm/how-swarm-mode-works/nodes/
https://docs.docker.com/engine/swarm/how-swarm-mode-works/services/
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　　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。
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　　下文我们就带大家从零开始，搭建 Docker Swarm 集群环境，并通过 Swarm 实现服务的弹性部署。
本文采用 知识共享「署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0 国际」许可协议。
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