Swarm基于多主机容器网络 - overlay networks 梳理

前面介绍了Docker管理工具-Swarm部署记录，下面重点说下Swarm基于多主机容器通信的覆盖网络

在Docker版本1.12之后swarm模式原生支持覆盖网络(overlay networks)，可以先创建一个覆盖网络，然后启动容器的时候启用这个覆盖网络，
这样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组之间是相互隔离的（相互ping不通）。

swarm模式的覆盖网络包括以下功能：
1）可以附加多个服务到同一个网络。
2）默认情况下，service discovery为每个swarm服务分配一个虚拟IP地址(vip)和DNS名称，使得在同一个网络中容器之间可以使用服务名称为互相连接。
3）可以配置使用DNS轮循而不使用VIP
4）为了可以使用swarm的覆盖网络，在启用swarm模式之间你需要在swarm节点之间开放以下端口：
5）TCP/UDP端口7946 – 用于容器网络发现
6）UDP端口4789 – 用于容器覆盖网络

实例如下：
-----------在Swarm集群中创建overlay网络------------
[root@manager-node ~]# docker network create --driver overlay --opt encrypted --subnet 10.10.19.0/24 ngx_net

参数解释：
–opt encrypted  默认情况下swarm中的节点通信是加密的。在不同节点的容器之间，可选的–opt encrypted参数能在它们的vxlan流量启用附加的加密层。
--subnet 命令行参数指定overlay网络使用的子网网段。当不指定一个子网时，swarm管理器自动选择一个子网并分配给网络。

[root@manager-node ~]# docker network ls
NETWORK ID          NAME                DRIVER              SCOPE
d7aa48d3e485        bridge              bridge              local
9e637a97a3b9        docker_gwbridge     bridge              local
b5a41c8c71e7        host                host                local
7f4fx3jf4dbr        ingress             overlay             swarm
3x2wgugr6zmn        ngx_net             overlay             swarm
0808a5c72a0a        none                null                local

由上可知，Swarm当中拥有2套覆盖网络。其中"ngx_net"网络正是我们在部署容器时所创建的成果。而"ingress"覆盖网络则为默认提供。
Swarm 管理节点会利用 ingress 负载均衡以将服务公布至集群之外。
在将服务连接到这个创建的网络之前，网络覆盖到manager节点。上面输出的SCOPE为 swarm 表示将服务部署到Swarm时可以使用此网络。
在将服务连接到这个网络后，Swarm只将该网络扩展到特定的worker节点，这个worker节点被swarm调度器分配了运行服务的任务。
在那些没有运行该服务任务的worker节点上，网络并不扩展到该节点。

------------------将服务连接到overlay网络-------------------
[root@manager-node ~]# docker service create --replicas 5 --network ngx_net --name my-test -p 80:80 nginx

上面名为"my-test"的服务启动了3个task，用于运行每个任务的容器都可以彼此通过overlay网络进行通信。Swarm集群将网络扩展到所有任务处于Running状态的节点上。
[root@manager-node ~]# docker service ls
ID            NAME     REPLICAS  IMAGE  COMMAND
dsaxs6v463g9  my-test  5/5       nginx

在manager-node节点上，通过下面的命令查看哪些节点有处于running状态的任务：
[root@manager-node ~]# docker service ps my-test
ID                         NAME       IMAGE  NODE          DESIRED STATE  CURRENT STATE          ERROR
8433fuiy7vpu0p80arl7vggfe  my-test.1  nginx  node2         Running        Running 2 minutes ago
f1h7a0vtojv18zrsiw8j0rzaw  my-test.2  nginx  node1         Running        Running 2 minutes ago
ex73ifk3jvzw8ukurl8yu7fyq  my-test.3  nginx  node1         Running        Running 2 minutes ago
cyu73jd8psupfhken23vvmpud  my-test.4  nginx  manager-node  Running        Running 2 minutes ago
btorxekfix4hcqh4v83dr0tzw  my-test.5  nginx  manager-node  Running        Running 2 minutes ago

可见三个节点都有处于running状态的任务，所以my-network网络扩展到三个节点上。

可以查询某个节点上关于my-network的详细信息：
[root@manager-node ~]# docker network inspect ngx_net
[
    {
        "Name": "ngx_net",
        "Id": "3x2wgugr6zmn1mcyf9k1du27p",
        "Scope": "swarm",
        "Driver": "overlay",
        "EnableIPv6": false,
        "IPAM": {
            "Driver": "default",
            "Options": null,
            "Config": [
                {
                    "Subnet": "10.10.19.0/24",
                    "Gateway": "10.10.19.1"
                }
            ]
        },
        "Internal": false,
        "Containers": {
            "00f47e38deea76269eb03ba13695ec0b0c740601c85019546d6a9a17fd434663": {
                "Name": "my-test.5.btorxekfix4hcqh4v83dr0tzw",
                "EndpointID": "ea962d07eee150b263ae631b8a7f8c1950337c11ef2c3d488a7c3717defd8601",
                "MacAddress": "02:42:0a:0a:13:03",
                "IPv4Address": "10.10.19.3/24",
                "IPv6Address": ""
            },
            "957620c6f7abb44ad8dd2d842d333f5e5c1655034dc43e49abbbd680de3a5341": {
                "Name": "my-test.4.cyu73jd8psupfhken23vvmpud",
                "EndpointID": "f33a6e9ddf1dd01bcfc43ffefd19e19514658f001cdf9b2fbe23bc3fdf56a42a",
                "MacAddress": "02:42:0a:0a:13:07",
                "IPv4Address": "10.10.19.7/24",
                "IPv6Address": ""
            }
        },
        "Options": {
            "com.docker.network.driver.overlay.vxlanid_list": "257"
        },
        "Labels": {}
    }
]

从上面的信息可以看出在manager-node节点上，名为my-test的服务有一个名为my-test.5.btorxekfix4hcqh4v83dr0tzw和
my-test.4.cyu73jd8psupfhken23vvmpud的task连接到名为ngx_net的网络上（另外两个节点node1和node2同样可以用上面命令查看）
[root@node1 ~]# docker network inspect ngx_net
.......
        "Containers": {
            "7d9986fad5a7d834676ba76ae75aff2258f840953f1dc633c3ef3c0efd2b2501": {
                "Name": "my-test.3.ex73ifk3jvzw8ukurl8yu7fyq",
                "EndpointID": "957ca19f3d5480762dbd14fd9a6a1cd01a8deac3e8e35b23d1350f480a7b2f37",
                "MacAddress": "02:42:0a:0a:13:06",
                "IPv4Address": "10.10.19.6/24",
                "IPv6Address": ""
            },
            "9e50fceada1d7c653a886ca29d2bf2606debafe8c8a97f2d79104faf3ecf8a46": {
                "Name": "my-test.2.f1h7a0vtojv18zrsiw8j0rzaw",
                "EndpointID": "b1c209c7b68634e88e0bf5e100fe03435b3096054da6555c61e6c207ac651ac2",
                "MacAddress": "02:42:0a:0a:13:05",
                "IPv4Address": "10.10.19.5/24",
                "IPv6Address": ""
            }
        },
.........

[root@node2 web]# docker network inspect ngx_net
........
        "Containers": {
            "4bdcce0ee63edc08d943cf4a049eac027719ff2dc14b7c3aa85fdddc5d1da968": {
                "Name": "my-test.1.8433fuiy7vpu0p80arl7vggfe",
                "EndpointID": "df58de85b0a0e4d128bf332fc783f6528d1f179b0f9f3b7aa70ebc832640d3bc",
                "MacAddress": "02:42:0a:0a:13:04",
                "IPv4Address": "10.10.19.4/24",
                "IPv6Address": ""
            }
        },

可以通过查询服务来获得服务的虚拟IP地址，如下：
[root@manager-node ~]# docker service inspect --format='{{json .Endpoint.VirtualIPs}}' my-test
[{"NetworkID":"7f4fx3jf4dbrp97aioc05pul4","Addr":"10.255.0.6/16"},{"NetworkID":"3x2wgugr6zmn1mcyf9k1du27p","Addr":"10.10.19.2/24"}]

由上结果可知，10.10.19.2其实就是swarm集群内部的vip，整个网络结构如下图所示：

加入ngx_net网络的容器彼此之间可以通过IP地址通信，也可以通过名称通信。

[root@node2 ~]# docker ps
CONTAINER ID    IMAGE           COMMAND                  CREATED         STATUS             PORTS    NAMES
4bdcce0ee63e    nginx:latest    "nginx -g 'daemon off"   22 minutes ago  Up 22 minutes      80/tcp   my-test.1.8433fuiy7vpu0p80arl7vggfe

[root@node2 ~]# docker exec -ti 4bdcce0ee63e /bin/bash
root@4bdcce0ee63e:/# ip addr
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
1786: eth0@if1787: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:0a:ff:00:08 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 10.255.0.8/16 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet 10.255.0.6/32 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::42:aff:feff:8/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
1788: eth1@if1789: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:ac:12:00:03 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 1
    inet 172.18.0.3/16 scope global eth1
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::42:acff:fe12:3/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever
1791: eth2@if1792: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1450 qdisc noqueue state UP group default
    link/ether 02:42:0a:0a:13:04 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 2
    inet 10.10.19.4/24 scope global eth2
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet 10.10.19.2/32 scope global eth2
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::42:aff:fe0a:1304/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

root@4bdcce0ee63e:/# ping 10.10.19.3
PING 10.10.19.3 (10.10.19.3): 56 data bytes
64 bytes from 10.10.19.3: icmp_seq=0 ttl=64 time=0.890 ms
64 bytes from 10.10.19.3: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.622 ms
.....-
2 packets transmitted, 2 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max/stddev = 0.622/0.756/0.890/0.134 ms

root@4bdcce0ee63e:/# ping 10.10.19.6
PING 10.10.19.6 (10.10.19.6): 56 data bytes
64 bytes from 10.10.19.6: icmp_seq=0 ttl=64 time=0.939 ms
64 bytes from 10.10.19.6: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.590 ms

----------------------------使用swarm模式的服务发现--------------------------
默认情况下，当创建了一个服务并连接到某个网络后，swarm会为该服务分配一个VIP。此VIP根据服务名映射到DNS。在网络上的容器共享该服务的DNS映射，
所以网络上的任意容器可以通过服务名访问服务。

在同一overlay网络中，不用通过端口映射来使某个服务可以被其它服务访问。Swarm内部的负载均衡器自动将请求发送到服务的VIP上，然后分发到所有的
active的task上。

如下示例：
在同一个网络中添加了一个centos服务，此服务可以通过名称my-test访问前面创建的nginx服务：
[root@manager-node ~]# docker service create --name my-centos --network ngx_net centos         

查询centos运行在哪个节点上（上面创建命令执行后，需要一段时间才能完成这个centos服务的创建）
[root@manager-node ~]# docker service ps my-centos
ID                         NAME             IMAGE   NODE   DESIRED STATE  CURRENT STATE            ERROR
e03pqgkjs3l1qizc6v4aqaune  my-centos.1      centos  node2  Running        Preparing 4 seconds ago 

登录centos运行的节点（由上可知是node2节点），打开centos的交互shell：
[root@node2 ~]# docker ps
CONTAINER ID        IMAGE                    COMMAND                  CREATED             STATUS            NAMES
e4554490d891        centos:latest            "/bin/bash"             About an hour ago   Up About an hour   my-centos.1.9yk5ie28gwk9mw1h1jovb68ki

[root@node2 ~]# docker exec -ti my-centos.1.9yk5ie28gwk9mw1h1jovb68ki /bin/bash
root@4bdcce0ee63e:/# nslookup my-test
Server: 127.0.0.11
Address 1: 127.0.0.11

Name: my-test
Address 1: 10.10.19.2 10.10.19.2

从centos容器内部，使用特殊查询 查询DNS，来找到my-test服务的所有容器的IP地址：
root@4bdcce0ee63e:/# nslookup tasks.my-test
Server: 127.0.0.11
Address 1: 127.0.0.11

Name: tasks.my-test
Address 1: 10.10.19.4 my-test.1.8433fuiy7vpu0p80arl7vggfe
Address 2: 10.10.19.5 my-test.2.f1h7a0vtojv18zrsiw8j0rzaw
Address 3: 10.10.19.6 my-test.3.ex73ifk3jvzw8ukurl8yu7fyq
Address 2: 10.10.19.7 my-test.4.cyu73jd8psupfhken23vvmpud
Address 3: 10.10.19.3 my-test.5.btorxekfix4hcqh4v83dr0tzw

从centos容器内部，通过wget来访问my-test服务中运行的nginx网页服务器
root@4bdcce0ee63e:/# wget -O- my-test
Connecting to my-test (10.10.19.2:80)
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Welcome to nginx!</title>
...

Swarm的负载均衡器自动将HTTP请求路由到VIP上，然后到一个active的task容器上。它根据round-robin选择算法将后续的请求分发到另一个active的task上。

-----------------------------------为服务使用DNS round-robin-----------------------------
在创建服务时，可以配置服务直接使用DNS round-robin而无需使用VIP。这是通过在创建服务时指定 --endpoint-mode dnsrr 命令行参数实现的。
当你想要使用自己的负载均衡器时可以使用这种方式。

如下示例（注意：使用DNS round-robin方式创建服务，不能直接在命令里使用-p指定端口）
[root@manager-node ~]# docker service create --replicas 3 --name my-dnsrr-nginx --network ngx_net --endpoint-mode dnsrr nginx

[root@manager-node ~]# docker service ps my-dnsrr-nginx
ID                         NAME              IMAGE  NODE          DESIRED STATE  CURRENT STATE          ERROR
65li2zbhxvvoaesndmwjokouj  my-dnsrr-nginx.1  nginx  node1         Running        Running 2 minutes ago
5hjw7wm4xr877879m0ewjciuj  my-dnsrr-nginx.2  nginx  manager-node  Running        Running 2 minutes ago
afo7acduge2qfy60e87liz557  my-dnsrr-nginx.3  nginx  manager-node  Running        Running 2 minutes ago 

当通过服务名称查询DNS时，DNS服务返回所有任务容器的IP地址：
root@4bdcce0ee63e:/# nslookup my-dnsrr-nginx
Server:    127.0.0.11
Address 1: 127.0.0.11

Name:      my-dnsrr-nginx
Address 1: 10.10.19.10 my-dnsrr-nginx.3.0sm1n9o8hygzarv5t5eq46okn.my-network
Address 2: 10.10.19.9  my-dnsrr-nginx.2.b3o1uoa8m003b2kk0ytl9lawh.my-network
Address 3: 10.10.19.8  my-dnsrr-nginx.1.55za4c83jq9846rle6eigiq15.my-network

需要注意的是：一定要确认VIP的连通性
通常Docker官方推荐使用dig，nslookup或其它DNS查询工具来查询通过DNS对服务名的访问。因为VIP是逻辑IP，ping并不是确认VIP连通性的正确的工具。