Docker Swarm 完全指南：从原理到实战
前言
在现代应用部署中，单机容器化已经无法满足大规模应用的需求。Docker Swarm 作为 Docker 原生的集群管理和编排工具，提供了一个简单 yet 强大的方式来部署和管理跨多主机的容器化应用。本文将深入探讨 Docker Swarm 的各个方面，从核心概念到实战部署，帮助你掌握生产级的容器编排技术。
一、Docker Swarm 是什么？
1.1 核心定义
Docker Swarm 是 Docker 原生的集群管理和编排工具，它允许用户将多个 Docker 主机聚合成一个虚拟的单一系统，提供高可用性、负载均衡和弹性扩展能力。
1.2 Swarm 模式 vs 单机 Docker
| 特性 | 单机 Docker | Docker Swarm |
|---|---|---|
| 主机数量 | 单台 | 多台（集群） |
| 高可用性 | 无 | 内置支持 |
| 服务发现 | 手动配置 | 自动服务发现 |
| 负载均衡 | 需要外部工具 | 内置负载均衡 |
| 扩展性 | 手动扩展 | 一键扩展 |
| 滚动更新 | 手动操作 | 自动滚动更新 |
1.3 Swarm 在容器编排生态中的位置
- Docker Swarm：轻量级、易上手、Docker 原生
- Kubernetes：功能强大、生态丰富、学习曲线陡峭
- Nomad：灵活、多云支持、相对简单
二、Docker Swarm 架构与工作原理
2.1 集群架构
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ Swarm Cluster │
│ │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Manager │ │ Manager │ │
│ │ Node │ │ Node │ │
│ │ (Leader) │ │ (Replica) │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ │
│ │ │ │
│ ├───────────────┤ │
│ ▼ ▼ │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Worker │ │ Worker │ │
│ │ Node │ │ Node │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────┘
2.2 核心组件
Raft 一致性算法：
- 用于 Manager 节点间的状态一致性
- 需要多数节点在线才能进行集群管理操作
- 推荐使用 3 或 5 个 Manager 节点实现高可用
Dispatcher：
- 负责将任务分配给合适的节点
- 监控任务状态并处理故障
Scheduler：
- 根据策略决定任务在哪个节点运行
- 支持多种调度策略
Node：
- 每个节点都有唯一的 ID 和角色
- 节点间通过 TLS 进行安全通信
2.3 工作流程
- 服务创建：用户通过 Manager 节点创建服务
- 调度决策：Scheduler 根据策略选择运行节点
- 任务分配：Dispatcher 将任务分配给 Worker 节点
- 状态同步：所有节点通过 gossip 协议同步状态
- 健康检查：Manager 监控节点和服务状态
三、核心概念详解
3.1 节点（Nodes）
Manager 节点：
- 负责集群管理任务
- 维护集群状态
- 调度服务
- 提供 API 端点
Worker 节点：
- 执行容器任务
- 接收 Manager 节点的指令
- 报告任务状态
# 查看节点信息
docker node ls
# 查看节点详情
docker node inspect <node-name>
# 提升节点角色
docker node promote <node-name>
# 降级节点角色
docker node demote <node-name>
3.2 服务（Services）
服务是 Swarm 的核心概念，定义了要运行的任务：
# 创建服务
docker service create --name web --replicas 3 nginx:latest
# 查看服务
docker service ls
# 查看服务详情
docker service ps web
# 扩展服务
docker service scale web=5
# 更新服务
docker service update --image nginx:1.23 web
3.3 任务（Tasks）
任务是调度的最小单元，对应一个运行的容器：
# 查看任务列表
docker service ps <service-name>
# 任务状态包括：New, Pending, Assigned, Preparing, Running, Complete, Failed, Shutdown, Rejected, Orphaned
3.4 集群（Cluster）
集群是一组节点的集合：
# 初始化集群
docker swarm init --advertise-addr <MANAGER-IP>
# 加入集群
docker swarm join --token <TOKEN> <MANAGER-IP>:2377
# 查看集群信息
docker info
四、调度策略与模式
4.1 内置调度策略
Spread 策略（默认） ：
- 将任务均匀分布 across 所有节点
- 避免单节点过载
- 最大化可用性
# 使用spread策略（默认）
docker service create --name web --replicas 5 nginx:latest
BinPack 策略：
- 尽可能将任务打包到少数节点
- 节省资源，提高利用率
- 可能降低可用性
# 使用binpack策略
docker service create --name web --replicas 5 --placement-pref spread=node.labels.zone nginx:latest
Random 策略：
- 随机选择节点
- 主要用于测试
4.2 高级调度约束
节点标签约束：
# 给节点添加标签
docker node update --label-add zone=east node1
docker node update --label-add zone=west node2
# 使用标签约束
docker service create \
--name web \
--replicas 3 \
--constraint 'node.labels.zone == east' \
nginx:latest
资源约束：
# 基于节点角色
docker service create \
--name web \
--constraint 'node.role == manager' \
nginx:latest
# 基于主机名
docker service create \
--name web \
--constraint 'node.hostname != node3' \
nginx:latest
4.3 放置偏好（Placement Preferences）
# 多个放置偏好
docker service create \
--name web \
--replicas 6 \
--placement-pref 'spread=node.labels.datacenter' \
--placement-pref 'spread=node.labels.rack' \
nginx:latest
五、Docker Swarm 核心特性
5.1 高可用性
服务副本：
# 创建高可用服务
docker service create \
--name database \
--replicas 3 \
--update-parallelism 1 \
--update-delay 10s \
postgres:13
节点故障转移：
- 自动检测节点故障
- 在健康节点上重新调度任务
- 保持期望的副本数量
5.2 滚动更新
# 配置滚动更新策略
docker service create \
--name web \
--replicas 5 \
--update-parallelism 2 \
--update-delay 10s \
--update-failure-action rollback \
nginx:1.20
# 触发滚动更新
docker service update \
--image nginx:1.21 \
--update-parallelism 1 \
--update-delay 30s \
web
5.3 服务回滚
# 自动回滚配置
docker service create \
--name web \
--replicas 5 \
--rollback-parallelism 1 \
--rollback-delay 10s \
--rollback-max-failure-ratio 0.2 \
nginx:latest
# 手动回滚
docker service rollback web
5.4 配置和密钥管理
# 创建配置
echo "database_url: postgresql://user:pass@db:5432/app" | docker config create app-config -
# 创建密钥
echo "secret-password" | docker secret create db-password -
# 使用配置和密钥
docker service create \
--name app \
--config source=app-config,target=/app/config.yaml \
--secret source=db-password,target=/run/secrets/db-password \
my-app:latest
六、Swarm 网络管理
6.1 网络架构
Overlay 网络：
# 创建overlay网络
docker network create \
--driver overlay \
--subnet 10.0.0.0/24 \
--attachable \
my-overlay-net
Ingress 网络：
- 默认的 overlay 网络
- 处理入站流量
- 提供负载均衡
docker_gwbridge 网络：
- 连接 overlay 网络和物理网络
- 处理出站流量
6.2 服务发现和负载均衡
内部负载均衡：
# 服务间通过服务名自动发现和负载均衡
docker service create \
--name web \
--network my-overlay-net \
--replicas 3 \
nginx:latest
# 在另一个服务中可以通过"web"主机名访问
docker service create \
--name app \
--network my-overlay-net \
my-app:latest # 可以在代码中访问 http://web:80
外部负载均衡：
# 发布端口到外部
docker service create \
--name web \
--publish published=8080,target=80 \
--replicas 3 \
nginx:latest
6.3 网络隔离和安全
# 创建内部网络（不对外暴露）
docker network create \
--driver overlay \
--internal \
internal-net
# 网络加密
docker network create \
--driver overlay \
--opt encrypted \
secure-net
七、安装和部署实战
7.1 环境准备
准备 3 台 Linux 主机（1 Manager + 2 Workers）：
- Manager: 192.168.1.10
- Worker1: 192.168.1.11
- Worker2: 192.168.1.12
7.2 初始化 Swarm 集群
在 Manager 节点上：
# 初始化Swarm
docker swarm init --advertise-addr 192.168.1.10
# 输出示例：
Swarm initialized: current node (xyz) is now a manager.
To add a worker to this swarm, run the following command:
docker swarm join --token SWMTKN-1-0xxx 192.168.1.10:2377
To add a manager to this swarm, run 'docker swarm join-token manager' and follow the instructions.
获取加入令牌：
# 获取worker加入令牌
docker swarm join-token worker
# 获取manager加入令牌
docker swarm join-token manager
在 Worker 节点上：
# 加入Swarm集群
docker swarm join --token SWMTKN-1-0xxx 192.168.1.10:2377
7.3 验证集群状态
# 在Manager节点查看集群状态
docker node ls
# 输出示例：
ID HOSTNAME STATUS AVAILABILITY MANAGER STATUS ENGINE VERSION
x1y2z3 * manager1 Ready Active Leader 20.10.7
a2b3c4 worker1 Ready Active 20.10.7
d4e5f6 worker2 Ready Active 20.10.7
八、实战案例：部署高可用 Web 应用
8.1 部署架构
┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ Swarm Cluster │
│ │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Manager │ │ Worker │ │
│ │ Node │ │ Node │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ ▢ Web │ │ ▢ Web │ │
│ │ ▢ Redis │ │ ▢ Web │ │
│ │ ▢ Nginx │ │ │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ │
│ │ │ │
│ └───────────────┘ │
│ │ │
│ ┌─────────────┐ │ │
│ │ Worker │ │ │
│ │ Node │ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ▢ Web │ │ │
│ │ ▢ Redis │ │ │
│ └─────────────┘ │ │
│ ▼ │
│ Load Balancer │
│ │ │
│ ▼ │
│ External Users │
└─────────────────────────────────────────────────┘
8.2 创建 Overlay 网络
# 创建用于应用通信的overlay网络
docker network create \
--driver overlay \
--subnet 10.0.1.0/24 \
--attachable \
app-network
8.3 部署 Redis 服务
# 创建Redis服务
docker service create \
--name redis \
--network app-network \
--replicas 2 \
--update-parallelism 1 \
--update-delay 10s \
--restart-condition any \
--health-cmd "redis-cli ping" \
--health-interval 5s \
--health-timeout 3s \
--health-retries 3 \
redis:6-alpine
8.4 部署 Web 应用服务
# 创建Web应用服务
docker service create \
--name webapp \
--network app-network \
--replicas 4 \
--update-parallelism 2 \
--update-delay 15s \
--restart-condition any \
--env REDIS_HOST=redis \
--env NODE_ENV=production \
--limit-memory 512M \
--reserve-memory 256M \
my-webapp:latest
8.5 部署 Nginx 负载均衡器
# 创建Nginx配置
docker config create nginx-config ./nginx.conf
# 创建Nginx服务
docker service create \
--name nginx \
--network app-network \
--publish published=80,target=80,mode=host \
--publish published=443,target=443,mode=host \
--config source=nginx-config,target=/etc/nginx/nginx.conf \
--mode global \
nginx:alpine
8.6 监控和运维
# 查看服务状态
docker service ls
# 查看详细任务状态
docker service ps webapp
# 扩展Web服务
docker service scale webapp=6
# 滚动更新Web服务
docker service update \
--image my-webapp:2.0 \
--update-parallelism 1 \
--update-delay 30s \
webapp
# 查看服务日志
docker service logs -f webapp
# 监控节点资源
docker node ps $(docker node ls -q)
九、高级部署模式
9.1 全局服务（Global Services）
# 在每个节点上运行监控代理
docker service create \
--name node-exporter \
--mode global \
--mount type=bind,source=/proc,target=/host/proc \
--mount type=bind,source=/sys,target=/host/sys \
prom/node-exporter:latest
9.2 多架构部署
# 部署多架构服务
docker service create \
--name multi-arch-app \
--placement-pref 'spread=node.labels.arch' \
--constraint 'node.labels.arch == x86_64' \
--constraint 'node.labels.arch == arm64' \
multi-arch-app:latest
9.3 金丝雀发布
# 第一步：部署新版本的部分实例
docker service create \
--name webapp-canary \
--network app-network \
--replicas 2 \
my-webapp:2.0
# 第二步：验证金丝雀版本
# 第三步：逐步替换旧版本
docker service update \
--image my-webapp:2.0 \
--update-parallelism 1 \
--update-delay 30s \
webapp
十、故障排查和维护
10.1 常见问题排查
# 查看集群健康状态
docker node ls
# 检查服务状态
docker service ls
docker service ps <service-name>
# 查看节点资源使用情况
docker node ps --format pretty $(docker node ls -q)
# 检查网络连接
docker network inspect app-network
# 查看容器日志
docker service logs <service-name>
10.2 集群维护
# 排空节点（准备维护）
docker node update --availability drain node1
# 恢复节点
docker node update --availability active node1
# 备份Swarm状态
docker swarm init --force-new-cluster
# 安全离开集群
docker swarm leave --force
10.3 安全最佳实践
# 轮换加入令牌
docker swarm join-token --rotate worker
docker swarm join-token --rotate manager
# 使用TLS加密
docker swarm init --advertise-addr <ip> --tlsverify
# 限制管理节点访问
iptables -A DOCKER-USER -p tcp --dport 2377 -j DROP
iptables -A DOCKER-USER -s <trusted-ip> -p tcp --dport 2377 -j ACCEPT
总结
Docker Swarm 提供了一个强大 yet 简单的容器编排解决方案，特别适合中小型企业和刚刚开始容器化旅程的团队。通过本文的深入学习，你应该能够：
- 理解 Swarm 的核心架构和工作原理
- 掌握关键概念：节点、服务、任务、集群
- 配置高级调度策略和放置约束
- 部署生产级应用 with 高可用性和滚动更新
- 管理 Swarm 网络和安全配置
- 进行故障排查和日常维护
Swarm 的优势在于其与 Docker 生态系统的无缝集成和较低的学习曲线，让你能够快速构建和管理生产级的容器化应用。
记住，选择编排工具时应该基于团队的技术水平、应用规模和业务需求。对于大多数场景，Docker Swarm 提供了一个完美的平衡点 between 功能复杂性和易用性。
