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容器與容器編排

在相當(dāng)長的時(shí)間里，“把應(yīng)用程序部署到生產(chǎn)環(huán)境中去”,，許多資深研發(fā)和運(yùn)維人員都有很多故事可以講,。系統(tǒng)上線過程中，各種說不清道不明的靈異事件,，層出不窮,。這一窘境讓很多IT從業(yè)者對軟件開發(fā)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)心懷畏懼，企業(yè)技術(shù)升級迭代也因此受阻,。

Chef,，Puppet,，Ansible，持續(xù)集成和部署這些工具的出現(xiàn),，使測試和部署的標(biāo)準(zhǔn)化更加容易,。這些工具把開發(fā)人員和運(yùn)維人員從瑣碎的部署運(yùn)維細(xì)節(jié)中解救了出來。近些年火起來的容器也可以標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境并抽象出硬件和底層操作系統(tǒng)的細(xì)節(jié),。

容器是一種軟件技術(shù),，它給操作系統(tǒng)級的虛擬化提供了一個(gè)抽象和自動化層。Docker 是開源的廣泛應(yīng)用的容器引擎,。Docker產(chǎn)生的初衷是為了克服部署在同一系統(tǒng)中的多個(gè)應(yīng)用之間的庫和依賴的版本沖突問題,。

為了減輕用戶在處理系統(tǒng)配置問題上的負(fù)擔(dān)，Docker利用Linux的cgroups和namespaces的功能,，將應(yīng)用及其依賴封裝在特殊的包中,。這個(gè)包就是容器的鏡像，只要是裝了Docker引擎的系統(tǒng)上,，都可以根據(jù)鏡像來創(chuàng)建容器實(shí)例并運(yùn)行,。不會受系統(tǒng)中其它容器或者系統(tǒng)本身安裝的依賴的影響。這種讓開發(fā)者可以打包他們的應(yīng)用以及依賴包到一個(gè)可移植的容器中,，然后發(fā)布到任何流行的 Linux 機(jī)器上的技術(shù),。

Docker由Solomon Hykes創(chuàng)建于2013年。到2017年,，它已經(jīng)成為用于部署的最熱門的開源項(xiàng)目之一,。Docker在開發(fā)和運(yùn)維領(lǐng)域發(fā)展勢頭正猛。其中一個(gè)主要原因就是它具有跨環(huán)境的一致性,。

Docker非常適合持續(xù)部署和測試,。Docker容器能在多個(gè)開發(fā)和發(fā)布周期之間保持一致性，有助于標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行環(huán)境,。單個(gè)的容器主機(jī)本身可以把開發(fā)和生產(chǎn)環(huán)境中從底部抽象出來,，但是在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中只使用Docker容器，還會面臨諸多問題,。

經(jīng)過多年的發(fā)展,，Docker已經(jīng)開始被考慮在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行部署使用了。為了推進(jìn)Docker技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)展,，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中,，在多臺物理主機(jī)中協(xié)調(diào)容器資源成為首要要解決的問題。這一問題被統(tǒng)稱為容器編排,。容器領(lǐng)域現(xiàn)階段爭論的重點(diǎn)也正在于為容器主機(jī)群管理提供怎樣容器編排架構(gòu)與功能,。

目前比較流行的容器編排工具包括Docker Swarm，Kubernetes和Mesos+Marathon。容器編排讓容器使用者不必去考慮哪個(gè)服務(wù)將托管于哪個(gè)特定容器,，也不用關(guān)注對容器的啟停,，監(jiān)控等具體的操作。容器使用的最核心問題也恰是容器編排,，如何部署和管理這些容器,。Docker Swarm，Kubernetes,，Mesos+Marathon都可用于容器的部署,、管理以及實(shí)現(xiàn)基于容器的應(yīng)用擴(kuò)縮容，但這三種容器編排工具著重處理和適用的問題是非常不同的,。這些容器編排工具在架構(gòu),、周邊生態(tài)環(huán)境等方面也都不盡相同。

Docker Swarm

Swarm是Docker自己的容器編排工具,。它使用標(biāo)準(zhǔn)的Docker API和網(wǎng)絡(luò)，易于融入已經(jīng)使用Docker容器的環(huán)境中,。

圖 1 Docker Swarm 架構(gòu)示意圖

（來源：ibm developerworks）

如圖 1所示,，Swarm由管理器和運(yùn)行服務(wù)的工作節(jié)點(diǎn)組成。管理器在整個(gè)集群中分配任務(wù),，一個(gè)管理器協(xié)調(diào)管理眾多構(gòu)成群集的工作節(jié)點(diǎn),。工作節(jié)點(diǎn)運(yùn)行管理器分配的Docker容器。服務(wù)是在群集中運(yùn)行的某組特定Docker容器的接口,。任務(wù)是某特定服務(wù)所需的命令以及運(yùn)行鏡像的Docker容器,。Swarm的設(shè)置簡單。使用Docker Engine來啟動主節(jié)點(diǎn),，并可提供一個(gè)可在每個(gè)工作節(jié)點(diǎn)上使用的命令以將這些節(jié)點(diǎn)添加到集群,。群集一旦運(yùn)行，可使用Docker Compose指定服務(wù),。服務(wù)啟動后,，它們將部署在群集的各個(gè)主機(jī)上，而不是單個(gè)主機(jī)上,。用戶定義的任何網(wǎng)絡(luò)也可以跨整個(gè)群集工作,。

Swarm有一定的模塊化, 用戶可以置換出鍵值存儲，并且已有實(shí)驗(yàn)使用 Mesos 作為備用調(diào)度程序,。Swarm不僅以容器為中心, 而且是以Docker為中心,。Docker公司在Docker Swarm投入了大量精力，所以其發(fā)展迅速,。

到目前為止,，Swarm 已被認(rèn)為至少是適合于實(shí)驗(yàn)和小規(guī)模部署的，雖然它還是不如 Kubernetes 和 Mesos承認(rèn)度高。Docker Swarm 提供了一個(gè)輕松的方式來進(jìn)行容器編排,，且不違背對現(xiàn)有 Docker 工具和思維的熟悉度,。

Kubernetes

Kubernetes基于Google在生產(chǎn)環(huán)境中大規(guī)模工作負(fù)載經(jīng)驗(yàn)，雖然不是Google容器編排系統(tǒng)Borg的開放源碼,，但是借鑒了Google從運(yùn)行Borg獲得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),。Kubernetes是受Google內(nèi)部管理系統(tǒng)Borg啟發(fā)而催生的一個(gè)新的開源項(xiàng)目。Borg曾經(jīng)號稱是Google內(nèi)部最重要的系統(tǒng),，更可以說是Google的秘密武器,。2016年3月，Google把Kubernetes項(xiàng)目交給了CNCF來維護(hù),，但Google還仍然是Kubernetes的主要貢獻(xiàn)力量。

圖 2 Kubernetes架構(gòu)圖示

（來源：Wikipedia）

Swarm始于擴(kuò)展單主機(jī)Docker,，而Kubernetes的起始點(diǎn)就是集群本身,。使用Kubernetes,須跳出Docker思維模式。如圖 2所示,，Kubernetes集群默認(rèn)情況下,，單個(gè)master處理API調(diào)用，分配工作負(fù)載并維護(hù)配置狀態(tài),。Minion是運(yùn)行工作負(fù)載和其他任何不在master上的工作的服務(wù)器,。Pods是一些由一個(gè)或幾個(gè)部署在同一主機(jī)上的容器組成的計(jì)算能力單位，它們共同執(zhí)行任務(wù),，且在pods內(nèi)具有單個(gè)IP地址和網(wǎng)絡(luò),。服務(wù)是pods的負(fù)載平衡器和前端，它可提供一個(gè)浮動IP用于訪問為服務(wù)提供支持的pods,，這意味著在pod發(fā)生更改的同時(shí)可以保持接口穩(wěn)定,。復(fù)制控制器負(fù)責(zé)維護(hù)pod的多個(gè)副本。標(biāo)簽是用戶和系統(tǒng)用于標(biāo)識pod,，復(fù)制控制器和服務(wù)的鍵值標(biāo)記,。

使用Kubernetes與單獨(dú)使用Docker的方式不同。雖然Kubernetes的CLI和API與Docker的不同,，但因其風(fēng)頭正勁，所以找到適用的組件大多數(shù)情況還是可以辦到的,。模塊化是Kubernetes方法的基礎(chǔ),。例如，用戶可以選擇Flannel,，Weave,，Calico和其他網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)。用戶也可以置換出stock調(diào)度程序而使用Mesos代替。這種模塊化還可以擴(kuò)展到容器本身,。

Kubernetes不僅限于在Docker上使用,，它還可以使用rkt和其他容器格式。Kubernetes對于應(yīng)用開發(fā)人員來說是降低對基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)維人員依賴性的利器,。Kubernetes功能豐富,。基于Kubernetes來開發(fā)商業(yè)化的容器云產(chǎn)品也相對容易,。部署和運(yùn)維Kubernetes的難度也比早期下降了不少,。Kubernetes是在CNCF管理下的開源項(xiàng)目，比起受控于Docker公司的Docker Swarm,，更加吸引開源貢獻(xiàn)者,。Kubernetes的核心訴求是為便利無狀態(tài)Docker容器的運(yùn)維管理。Kubernetes在有狀態(tài)服務(wù)和大數(shù)據(jù)方面也有意要推進(jìn),，但是目前沒有得到充分的發(fā)展。因而有狀態(tài)服務(wù)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用要采用Kubernetes,，目前并不是合適的選擇,。

Kubernetes非常適合運(yùn)行復(fù)雜應(yīng)用程序的中大型集群。如果用戶有多套無狀態(tài)微服務(wù)器,，那么Kubernetes可以提供一個(gè)框架以建立它們之間的交互規(guī)則并運(yùn)行這個(gè)結(jié)構(gòu)。Kubernetes到目前為止還是不太適合要運(yùn)行有狀態(tài)的應(yīng)用程序（如數(shù)據(jù)庫）的用戶,，已開始支持具有配置依賴項(xiàng)并需要有狀態(tài)的失效備援的“pet”式容器,。Kubernetes的學(xué)習(xí)曲線和設(shè)置比Docker Swarm需要花費(fèi)更多的精力,，但是它模塊化做得比較好，具有靈活性,，適應(yīng)于大規(guī)模部署應(yīng)用的部署,。

Mesos和Marathon

Apache Mesos比Docker出現(xiàn)得更早，被稱做是分布式系統(tǒng)內(nèi)核,。Mesos抽象了多臺計(jì)算機(jī),，形成單一邏輯視圖。Mesos是使計(jì)算資源可用于框架的集群管理器,。Marathon是一個(gè)專門在Mesos集群上運(yùn)行應(yīng)用程序和容器的計(jì)算框架,。Marathon早在2014年就提供了對Docker鏡像的支持,。Mesos和Marathon在一起提供了相當(dāng)于Kubernetes的功能,，但卻同時(shí)支持非容器化的工作負(fù)載。

Mesos采用模塊化的架構(gòu)設(shè)計(jì),，被Twitter,、Uber,、Apple、Netflix等公司所青睞,，不僅僅支持微服務(wù),，還支持大數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析等。Mesos是集群資源管理工具,，和Kubernetes所處理的問題屬于不同的層次,。Mesos將數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)中心資源抽象為統(tǒng)一的資源池，打破不同的業(yè)務(wù)負(fù)載的資源分配界限以提高資源分配的效率,。Mesos集群管理的自動化工具豐富,，可以為集群架構(gòu)高容錯(cuò)高可用。擴(kuò)展集群功能和規(guī)模時(shí),，不會對原先部署在集群上的應(yīng)用以及集群管理系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

圖 3 基于Mesos的容器編排架構(gòu)

（來源： Apache Mesos）

如圖 3所示,，Mesos運(yùn)行兩級調(diào)度,。Mesos從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)報(bào)告自己的可用資源。Mesos根據(jù)先前設(shè)置的策略將該資源提供給上層計(jì)算框架,。計(jì)算框架再根據(jù)定義的策略將資源提供給進(jìn)程,。在Mesos上層可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)計(jì)算框架，例如Marathon,、Cassandra,、Storm、Spark,。Marathon還可以來部署其他計(jì)算框架，來利用Marathon的健康檢查功能來實(shí)現(xiàn)計(jì)算框架的高可用,。

Mesos上的應(yīng)用負(fù)載可以是各種類型的,，如無狀態(tài)微服務(wù)、批處理任務(wù),、有狀態(tài)服務(wù),、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析處理任務(wù)以及傳統(tǒng)應(yīng)用。Mesos集群用Zookeeper管理至少三個(gè)主節(jié)點(diǎn),，并通過規(guī)定這些節(jié)點(diǎn)的額定數(shù)目來實(shí)現(xiàn)高可用性,。從節(jié)點(diǎn)運(yùn)行框架傳遞的任務(wù)。Mesos本身對工作負(fù)載一無所知,，而計(jì)算框架決定如何處理Mesos提供給它們的資源,。在Mesos頂層，Marathon是高可用性的計(jì)算框架,。通過專用的DNS服務(wù)以及其他選項(xiàng)提供服務(wù)發(fā)現(xiàn),。通過HAProxy提供負(fù)載平衡。為了控制集群中某些工作負(fù)載的運(yùn)行位置,，約束管理為這些工作負(fù)載維護(hù)一定的資源水平,，實(shí)現(xiàn)機(jī)架感知和其他約束。用戶可以在集群上運(yùn)行的長期運(yùn)行Docker容器或其他類型的工作負(fù)載,。REST API可以用于部署，更改和銷毀工作負(fù)載,。

Mesos和Marathon都可擴(kuò)展到上萬節(jié)點(diǎn)規(guī)模,。對于相對較小的集群，這么大的系統(tǒng)資源運(yùn)行和管理開銷并不太合適,。特別是與Docker Swarm相比,，它的設(shè)置也更加復(fù)雜。Mesos和Marathon的使用也和Swarm或Kubernetes有所不同,。它有另一套工具和API,。

Mesos已在生產(chǎn)環(huán)境中被成千上萬的節(jié)點(diǎn)證明了可靠性。Mesos和Marathon比Kubernetes或Swarm出現(xiàn)時(shí)間更早有更多的驗(yàn)證助其修復(fù)bug并在大規(guī)模的長期運(yùn)行的實(shí)踐中收獲了用戶群,。如果用戶需要與容器同時(shí)運(yùn)行非容器式工作負(fù)載且運(yùn)行規(guī)模巨大，Mesos和Marathon是不二之選,。但它的學(xué)習(xí)曲線更陡峭。

結(jié)論

無論選擇Kubernetes,、Docker Swarm還是Mesos+Marathon作為容器編排技術(shù)路線,，都可以用來管理容器實(shí)踐基于容器來打包應(yīng)用這種方式的可移植和可擴(kuò)展性。對于不同編排方式的選擇,，最根本的還是要根據(jù)上層業(yè)務(wù)的實(shí)際需求,。

表格 1 容器編排技術(shù)選型

如表格 1所示，如果上層應(yīng)用的需求是構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定的,，業(yè)務(wù)類型混雜的容器平臺，那么Mesos+Marathon是最恰當(dāng)?shù)倪x擇,。這種架構(gòu)甚至可以將公有云資源納管進(jìn)來,，對復(fù)雜多變的甚至不確定的用戶需求非常實(shí)用,。如果要采用當(dāng)前流行的Kubernetes，那么評估一下實(shí)際的應(yīng)用場景是不是專注于Devops以及持續(xù)集成,，對數(shù)據(jù)分析處理以及其他業(yè)務(wù)是否也有潛在的容器化需求,。當(dāng)然，并不是所有想用Docker的團(tuán)隊(duì)都得花精力來跟Kubernetes和 Mesos+Marathon這樣的高復(fù)雜性的技術(shù)架構(gòu)打交道,。如果團(tuán)隊(duì)的目的只是將自己的應(yīng)用以Docker容器的形式來打包,，以適應(yīng)容器這種虛擬化技術(shù)以及應(yīng)用微服務(wù)化的這種發(fā)展趨勢。方便搭建使用的Docker Swarm就夠用了,。

如果暫時(shí)應(yīng)用場景不明確,，為了構(gòu)建容器平臺而構(gòu)建，也不用感到困惑,。因?yàn)?，上容器平臺這個(gè)選擇，無論選擇了哪種技術(shù)路線,，都會方便計(jì)算存儲資源的高效利用,，讓軟件開發(fā)以及應(yīng)用打包方式更加靈活以及適應(yīng)于容器化這一明朗的IT架構(gòu)發(fā)展趨勢。在這種情況下,，編排管理工具的選擇則可以從其它方面來考慮,。

目前容器編排相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作還不夠到位，找到一個(gè)滿足企業(yè)個(gè)性化需求的集群管理方案并不容易,。對于容器初級用戶,，這三者間兩個(gè)最大的差異就是它們的學(xué)習(xí)曲線和可擴(kuò)展性了。團(tuán)隊(duì)技能和人數(shù)是不可忽視的因素,，這決定了企業(yè)可以在多大程度上優(yōu)化集群管理器以實(shí)現(xiàn)最佳配置,。Docker Swarm最便于使用， Docker API靈活性,，易于集成,，還可以用自定義接口和調(diào)度來定制腳本或構(gòu)建應(yīng)用等。Kubernetes更加通用,，開源社區(qū)發(fā)展迅速,。Mesos和Marathon更加適用于大型系統(tǒng)，有最大的冗余,。Kubernetes和Mesos靈活性開放性更高,，但是開發(fā)運(yùn)維工作量對IT團(tuán)隊(duì)要求比較高。Mesos最適用于已經(jīng)運(yùn)行數(shù)百或數(shù)千臺主機(jī)的公司,，并且已經(jīng)在上萬節(jié)點(diǎn)規(guī)模上得到了證實(shí),，適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)解決方案。Swarm對于中小型系統(tǒng),，價(jià)值極大,，易于擴(kuò)展。Kubernetes最適合中等規(guī)模,，高度冗余的系統(tǒng),，對技術(shù)團(tuán)隊(duì)要求較高。Mesos是最穩(wěn)定的平臺,，但對于10-20個(gè)節(jié)點(diǎn)的小型系統(tǒng)來說過于復(fù)雜,。

這三個(gè)主要容器編排工具在實(shí)現(xiàn)以及與用戶互動方式上有很大差異。Docker的Swarm提供了編排Docker主機(jī)群集的最簡單的方式,。Kubernetes以容器為中心,，但相對于容器本身，更多著力于部署和管理,。Marathon的Mesos可以承載巨大的規(guī)模，使用復(fù)雜性也不低,。當(dāng)然,，在實(shí)際項(xiàng)目需求中，單靠文檔調(diào)研來確定技術(shù)路線選型無法做出最客觀的選擇,。系統(tǒng)原型實(shí)測結(jié)合應(yīng)用程序的工作原理以及負(fù)載分析僅可以輔助技術(shù)選型,。

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