Docker Swarm 服务发现和负载均衡原理
本文将介绍基于 DNS 的负载均衡、基于 VIP 的负载均衡和路由网格（Routing Mesh）。
使用的技术
Docker 使用了 Linux 内核 iptables 和 IPVS 的功能来实现服务发现和负载均衡。
- iptables 是 Linux 内核中可用的包过滤技术，它可用于根据数据包的内容进行分类、修改和转发决策。
- IPVS 是 Linux 内核中可用的传输级负载均衡器。
准备工作
- swarm 集群：【Manager】node1、【Worker】node2
- 客户端镜像： registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/ubuntu
- 服务端镜像： registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/vote
如图所示，我们将在 swarm 集群中部署 “client” 服务 和 “vote” 服务，其中 “vote” 服务部署多个副本。客户端请求 “vote” 服务时，输出结果中包含服务端的容器 ID，这样就更方便演示网络请求。
集群状态
[root@node1 ~]# docker node ls
ID HOSTNAME STATUS AVAILABILITY MANAGER STATUS ENGINE VERSION
rnr2i1y2of3n5vy2vzh2vkzq0 * node1 Ready Active Leader 18.03.1-ce
qvik057dvphx5s06evmswahaf node2 Ready Active 18.03.1-ce
使用如下命令，创建 overlay 网络：
docker network create --driver overlay overlay1
基于 DNS 的负载均衡
下图描述了基于 DNS 的负载均衡是如何工作的：
DNS server 内嵌于 Docker 引擎。Docker DNS 解析服务名 “vote” 并返回容器 ID 地址列表（随机排序）。客户端通常会挑第一个 IP 访问，因此负载均衡可能发生在服务器的不同实例之间。
使用如下命令创建 2 个基于 DNS 负载均衡的服务 “client” 、 “vote”：
docker service create --endpoint-mode dnsrr --replicas 1 --name client --network overlay1 registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/ubuntu ping anoyi.com
docker service create --endpoint-mode dnsrr --name vote --network overlay1 --replicas 2 registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/vote
查看服务信息：
[root@node1 ~]# docker service ls
ID NAME MODE REPLICAS IMAGE PORTS
2mrj3pqyioc3 client replicated 1/1 registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/ubuntu:latest
826s79tsixuh vote replicated 2/2 registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/vote:latest
[root@node1 ~]# docker service ps client
ID NAME IMAGE NODE DESIRED STATE CURRENT STATE ERROR PORTS
f74i688vbh12 client.1 registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/ubuntu:latest node2 Running Running 2 minutes ago
[root@node1 ~]# docker service ps vote
ID NAME IMAGE NODE DESIRED STATE CURRENT STATE ERROR PORTS
7iiuzl2a63hy vote.1 registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/vote:latest node1 Running Running 47 seconds ago
uyhxxqfdima7 vote.2 registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/vote:latest node2 Running Running about a minute ago
可以看出 "client" 运行于 node2，在 node2 上进入 client 容器，使用 dig 来解析服务名 "vote"，如下所示，"vote" 解析到 10.0.0.6 和 10.0.0.5
[root@node2 ~]# docker ps
CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES
1eed67d37cbb registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/vote:latest "gunicorn app:app -b…" About a minute ago Up About a minute 80/tcp vote.2.uyhxxqfdima7smos5pki84wul
436702b21a1c registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/ubuntu:latest "ping anoyi.com" 3 minutes ago Up 3 minutes client.1.f74i688vbh12on8oniufht633
[root@node2 ~]# docker exec -it 436702b21a1c /bin/bash
root@436702b21a1c:/# dig vote
;; ANSWER SECTION:
vote. 600 IN A 10.0.0.5
vote. 600 IN A 10.0.0.6
使用 ping 解析 "vote" 服务，如下所示，交替解析到 10.0.0.6 和 10.0.0.5
root@436702b21a1c:/# ping -c1 vote
PING vote (10.0.0.6) 56(84) bytes of data.
64 bytes from vote.2.uyhxxqfdima7smos5pki84wul.overlay1 (10.0.0.6): icmp_seq=1 ttl=64 time=0.087 ms
root@436702b21a1c:/# ping -c1 vote
PING vote (10.0.0.5) 56(84) bytes of data.
64 bytes from vote.1.7iiuzl2a63hyj084qgufc175v.overlay1 (10.0.0.5): icmp_seq=1 ttl=64 time=0.767 ms
如果使用 curl，如下所示，请求也能解析到不同的容器
root@436702b21a1c:/# curl vote | grep -i "container id"
% Total % Received % Xferd Average Speed Time Time Time Current
Dload Upload Total Spent Left Speed
100 3162 100 3162 0 0 7542 0 --:--:-- --:--:-- --:--:-- 7546
Processed by container ID 9b42319d4f13
root@436702b21a1c:/# curl vote | grep -i "container id"
% Total % Received % Xferd Average Speed Time Time Time Current
Dload Upload Total Spent Left Speed
100 3162 100 3162 0 0 452k 0 --:--:-- --:--:-- --:--:-- 514k
Processed by container ID 1eed67d37cbb
基于 DNS 负载均衡存在如下问题：
- 某些应用程序将 DNS 主机名缓存到 IP 地址映射，这会导致应用程序在映射更改时超时
- 具有非零 DNS ttl 值会导致 DNS 条目反映最新的详细信息时发生延迟
基于 VIP 的负载均衡
基于 VIP 的负载均衡克服了基于 DNS 负载均衡的一些问题。在这种方法中，每个服务都有一个 IP 地址，并且该 IP 地址映射到与该服务关联的多个容器的 IP 地址。在这种情况下，与服务关联的服务 IP 不会改变，即使与该服务关联的容器死亡并重新启动。
下图描述了基于 VIP 的负载均衡是如何工作的：
DNS server 会将服务名 "vote" 解析到 VIP，使用 iptables 和 ipvs，VIP 实现 2 个服务端 "vote" 容器的负载均衡。
使用如下命令创建 2 个 VIP 模式的服务 “client” 、 “vote”：
docker service create --replicas 1 --name client --network overlay1 registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/ubuntu ping anoyi.com
docker service create --name vote --network overlay1 --replicas 2 registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/vote
查看这 2 个服务和它们的服务 IP：
[root@node1 ~]# docker service inspect --format {{.Endpoint.VirtualIPs}} vote
[{tetug0isdx1gri62g7cfm889i 10.0.0.9/24}]
[root@node1 ~]# docker service inspect --format {{.Endpoint.VirtualIPs}} client
[{tetug0isdx1gri62g7cfm889i 10.0.0.7/24}]
在 "client" 的容器中使用如下命令，可以看到服务名 "vote" 映射到 VIP "10.0.0.9"
[root@node2 ~]# docker exec -it f3d1c4ef53f8 /bin/bash
root@f3d1c4ef53f8:/# dig vote
;; ANSWER SECTION:
vote. 600 IN A 10.0.0.9
Service IP "10.0.0.9" 使用 Linux 内核的 iptables 和 IPVS 负载均衡到 2 个容器。iptables 实现防火墙规则，IPVS 实现负载均衡。为了证明这一点，我们需要使用 nsenter 进入容器的网络空间 (namespace)。为此，我们需要找到网络的命名空间。
如下是 node2 上的网络命名空间：
[root@node2 ~]# cd /run/docker/netns/
[root@node2 netns]# ls
1-tetug0isdx 1-vyy22w04t6 be7330b99a27 d67fa9efb59e ingress_sbox
前 2 个命名空间是用于 overlay 网络，后面的用于容器。下面的命令用于找到 "client" 容器的网络命名空间：
[root@node2 netns]# docker ps
CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES
43a789312e70 registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/vote:latest "gunicorn app:app -b…" 3 minutes ago Up 3 minutes 80/tcp vote.1.u46ms31e8zjdxtwrxvaec8zub
f3d1c4ef53f8 registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/ubuntu:latest "ping anoyi.com" 4 minutes ago Up 4 minutes client.1.ycox088aek5ajejezubwsjqf2
[root@node2 netns]# docker inspect f3d1c4ef53f8 | grep -i sandbox
"SandboxID": "be7330b99a274a03a7f58e9e991346dc6f048836a1682c7244a6068acbfb664c",
"SandboxKey": "/var/run/docker/netns/be7330b99a27",
SandboxID 即为 "client" 容器的网络命名空间。
使用如下命令，我们就能够进入到 "client" 容器的网络命令空间：
nsenter --net=f3d1c4ef53f8 sh
下面，我们可以看到 iptables 的转发规则和 IPVS 输出：
sh-4.2# iptables -nvL -t mangle
Chain OUTPUT (policy ACCEPT 606 packets, 50867 bytes)
pkts bytes target prot opt in out source destination
0 0 MARK all -- * * 0.0.0.0/0 10.0.0.7 MARK set 0x102
0 0 MARK all -- * * 0.0.0.0/0 10.0.0.9 MARK set 0x103
sh-4.2# ipvsadm
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
FWM 258 rr
-> node2:0 Masq 1 0 0
FWM 259 rr
-> 10.0.0.10:0 Masq 1 0 0
-> 10.0.0.11:0 Masq 1 0 0
Service IP "10.0.0.9" 使用 iptables OUTPUT 链获得标记 0x103 (十六进制 -> 十进制：259)，然后 IPVS 使用此标记并将它负载均衡到 "10.0.0.10" 和 "10.0.0.11" 。
查看 vote 服务的 2 个容器的 IP 如下所示，即 VIP "10.0.0.9" 负载均衡到不同的容器实例：
[root@node2 netns]# docker inspect vote.1.u46ms31e8zjdxtwrxvaec8zub | grep IPv4
"IPv4Address": "10.0.0.10"
[root@node1 ~]# docker inspect vote.2.tutj19i4iwu1xn7arsaq815cu | grep IPv4
"IPv4Address": "10.0.0.11"
进入 client 服务的容器，使用 curl 请求 vote 服务，输出结果如下，即请求分发到不同的容器：
root@f3d1c4ef53f8:/# curl vote | grep -i "container id"
% Total % Received % Xferd Average Speed Time Time Time Current
Dload Upload Total Spent Left Speed
100 3162 100 3162 0 0 14409 0 --:--:-- --:--:-- --:--:-- 14438
Processed by container ID c2af209c4e90
root@f3d1c4ef53f8:/# curl vote | grep -i "container id"
% Total % Received % Xferd Average Speed Time Time Time Current
Dload Upload Total Spent Left Speed
100 3162 100 3162 0 0 165k 0 --:--:-- --:--:-- --:--:-- 171k
Processed by container ID 43a789312e70
路由网格 （Routing mesh）
使用路由网格，服务暴露的端口会暴露在 Swarm 集群中的所有工作节点。Docker 是通过创建 "ingress" overlay 网络来实现这一点的，所有节点默认使用内在的 sandbox 网络命名空间成为 "ingress" overlay 网络的一部分。
下图描述了 Routing mesh 如何实现负载均衡的：
首先，会将 Hostname 或 IP 映射到 Sandbox IP，Sandbox 中的 iptables 和 IPVS 负责将请求负载均衡到 2 个 vote 容器。Ingress sandbox 网络命名空间驻留在 swarm 集群中的所有工作节点，它通过将主机映射的端口负载均衡到后端容器来协助路由网格功能。
使用如下命令创建 vote 服务，使用路由网格暴露端口到所有节点：
docker service create --name vote --network overlay1 --replicas 2 -p 8080:80 registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/anoy/vote
下图显示了 Sandbox、容器和每个节点的网络之间的映射关系：
如图所示，Sandbox 和 vote 容器是 "ingress" 网络的一部分，它有助于路由网格。client 容器和 vote 容器是 "overlay1" 网络的一部分，它有助于内部负载均衡。所有容器都是默认 "docker_gwbridge" 网络的一部分。
遵循 iptables 中的 NAT 规则显示，端口 8080 上的主机流量发送到 node1 里的 Sandbox：
[root@node1 ~]# iptables -nvL -t nat
Chain DOCKER-INGRESS (2 references)
pkts bytes target prot opt in out source destination
0 0 DNAT tcp -- * * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 tcp dpt:8080 to:172.18.0.2:8080
315 18876 RETURN all -- * * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0
进入 node1 上的 Sandbox 网络命名空间 (ingress_sbox)，查看 iptables 的转发规则和 IPVS 输出：
[root@node1 netns]# nsenter --net=ingress_sbox sh
sh-4.2# iptables -nvL -t mangle
Chain PREROUTING (policy ACCEPT 0 packets, 0 bytes)
pkts bytes target prot opt in out source destination
0 0 MARK tcp -- * * 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 tcp dpt:8080 MARK set 0x105
sh-4.2# ipvsadm
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port Forward Weight ActiveConn InActConn
FWM 261 rr
-> 10.255.0.5:0 Masq 1 0 0
-> 10.255.0.6:0 Masq 1 0 0
端口 8080 标记为 0x105 (十六进制 -> 十进制：261)，IPVS 使用此标记将它负载均衡到 "10.255.0.5" 和 "10.255.0.6" 。
查看 vote 服务的 2 个容器的 IP 如下所示，即主机端口 8080 的流量会负载均衡到不同的容器实例：
[root@node1 netns]# docker inspect 6173afd5fab8 | grep IPv4
"IPv4Address": "10.255.0.6"
"IPv4Address": "10.0.0.14"
[root@node2 ~]# docker inspect b07e95c5c681 | grep IPv4
"IPv4Address": "10.255.0.5"
"IPv4Address": "10.0.0.13"
验证负载均衡，在 node1 上通过 node2 的 IP 和 8080 端口请求 vote 服务：
[root@node1 netns]# curl node2:8080 | grep -i "container id"
% Total % Received % Xferd Average Speed Time Time Time Current
Dload Upload Total Spent Left Speed
100 3162 100 3162 0 0 199k 0 --:--:-- --:--:-- --:--:-- 192k
Processed by container ID 6173afd5fab8
[root@node1 netns]# curl node2:8080 | grep -i "container id"
% Total % Received % Xferd Average Speed Time Time Time Current
Dload Upload Total Spent Left Speed
100 3162 100 3162 0 0 7551 0 --:--:-- --:--:-- --:--:-- 7546
Processed by container ID b07e95c5c681
在 node2 上通过 node1 的 IP 和 8080 端口请求 vote 服务：
[root@node2 ~]# curl node1:8080 | grep -i "container id"
% Total % Received % Xferd Average Speed Time Time Time Current
Dload Upload Total Spent Left Speed
100 3162 100 3162 0 0 7531 0 --:--:-- --:--:-- --:--:-- 7546
Processed by container ID 6173afd5fab8
[root@node2 ~]# curl node1:8080 | grep -i "container id"
% Total % Received % Xferd Average Speed Time Time Time Current
Dload Upload Total Spent Left Speed
100 3162 100 3162 0 0 169k 0 --:--:-- --:--:-- --:--:-- 171k
Processed by container ID b07e95c5c681
