Docker Swarm 資源組態與排程策略

在 Docker Swarm 中管理服務時，資源組態與排程策略至關重要。理解如何限制 CPU 和記憶體等資源，以及分散式排程如何運作，才能確保服務穩定可靠。本文將探討如何在 Swarm 中有效地組態資源，並觀察分散式排程如何影響服務副本的佈署。透過實際操作範例和程式碼解析，讀者將更清楚資源管理和排程策略的應用。

組態資源

在 Docker Swarm 中，資源管理是確保服務正常執行的關鍵因素之一。資源包括 CPU、記憶體等，正確組態這些資源對於服務的穩定性和效能至關重要。

資源使用與節點容量

資源使用不能超過節點容量。在一個由三個節點（一個管理節點和兩個工作節點）組成的 Swarm 中，每個節點的容量為 1GB 記憶體和 1 CPU。

首先，移除已經執行的 mysql 服務，並建立一個具有三個副本的 mysql 服務，該服務請求 4GB 的記憶體。

~ $ docker service rm mysql
mysql
~ $ docker service create \
> --env MYSQL_ROOT_PASSWORD='mysql' \
> --replicas 3 \
> --name mysql \
> --reserve-memory=4GB \
> mysql
cgrihwij2znn4jkfe6hswxgr7

內容解密：

• docker service rm mysql：移除名為 mysql 的服務。
• docker service create：建立一個新的服務。
• --env MYSQL_ROOT_PASSWORD='mysql'：設定環境變數 MYSQL_ROOT_PASSWORD 為 ‘mysql’。
• --replicas 3：指定服務的副本數為 3。
• --name mysql：將服務命名為 mysql。
• --reserve-memory=4GB：為每個服務副本保留 4GB 的記憶體。 由於請求的記憶體（4GB）超過了單個節點的容量（1GB），因此沒有任何服務副本被排程。

擴充套件服務

如果之前執行的服務的所有副本被擴充套件，某些或全部副本可能會被取消排程。這種情況發生在執行新副本所需的資源超過了可用節點容量時。

移除 mysql 服務並建立一個新的 mysql 服務，其資源設定在節點的供應範圍內。

~ $ docker service create \
> --env MYSQL_ROOT_PASSWORD='mysql' \
> --replicas 1 \
> --name mysql \
> --reserve-cpu .5 --reserve-memory 512mb \
> mysql
ysef8n02mhuwa7sxerc9jwjqx

內容解密：

• --reserve-cpu .5：為每個服務副本保留 0.5 個 CPU。
• --reserve-memory 512mb：為每個服務副本保留 512MB 的記憶體。

服務被建立，並且單個副本正在執行。

逐步擴充套件服務

將 mysql 服務擴充套件到三個副本。

~ $ docker service scale mysql=3
mysql scaled to 3

內容解密：

• docker service scale mysql=3：將 mysql 服務的副本數擴充套件到 3。

所有三個副本都成功執行，每個節點上執行一個副本。

進一步將 mysql 服務擴充套件到 10 個副本。

~ $ docker service scale mysql=10
mysql scaled to 10

內容解密：

• 部分副本由於資源不足而無法被排程，狀態為 Pending。

增加工作節點

為了使所有副本執行，可以透過增加工作節點來擴充套件 CloudFormation 堆積疊。

選擇 Docker 堆積疊並選擇 Actions ➤ Update Stack，在 Specify Details 中將 Number of Swarm Worker Nodes? 增加到 10。

此圖示說明瞭更新 CloudFormation 堆積疊的流程：

內容解密：

• 圖表展示瞭如何透過更新 CloudFormation 堆積疊來增加工作節點，從而提供更多的資源以執行更多的服務副本。

第8章：排程

在第2章中，我們介紹了Docker Swarm。在第4章中，我們討論了Docker Swarm服務。服務由零個或多個服務任務（副本）組成，這些任務會被排程到Swarm中的節點上。服務的期望狀態包括必須執行的任務數量。排程被定義為將需要執行的服務任務放置在Swarm中的節點上，以保持服務的期望狀態，如圖8-1所示。服務任務只能被排程在工作節點上。管理節點預設也是工作節點。

問題

如果沒有排程策略，服務任務可能會被排程到Swarm中的部分節點上。例如，服務中的所有三個任務可能會被排程到Swarm中的同一個節點上，如圖8-2所示。

不使用排程策略可能會導致以下問題：

• Swarm中的資源未被充分利用：如果所有任務都被排程到單一節點或部分節點上，其他節點的資源容量就無法被利用。
• 資源利用不均衡：如果所有任務都被排程到單一節點或部分節點上，這些節點上的資源就會被過度利用，任務甚至可能會耗盡所有資源容量，從而無法擴充套件副本。
• 缺乏區域性：客戶端根據節點位置存取服務的任務。如果所有服務任務都被排程到單一節點上，那麼在其他節點上存取服務的外部客戶端就無法在本機存取服務，從而導致存取相對遠端任務時的網路開銷。
• 單點故障：如果所有服務都在一個節點上執行，而該節點出現問題，就會導致停機。增加跨節點的冗餘可以避免這個問題。

解決方案

為了克服前一節中討論的問題，Docker Swarm中的服務任務排程是根據內建的排程策略。Docker Swarm模式使用分散排程策略來對節點進行排序，以放置服務任務（副本）。每次排程任務時都會計算節點排序，並將任務排程到排序最高的可用節點上。

Docker Swarm 服務排程範例

# 建立一個具有3個副本的服務
docker service create --replicas 3 --name mysql mysql:latest

內容解密：

此命令建立了一個名為 mysql 的服務，並指定了3個副本，使用 mysql:latest 映象。此範例展示瞭如何使用 Docker Swarm 佈署具有多個副本的服務。

# 檢視服務狀態
docker service ls

內容解密：

此命令列出了所有服務及其目前狀態，包括副本數量和使用的映象。此範例展示瞭如何檢查服務的目前狀態。

# 檢視服務任務狀態
docker service ps mysql

內容解密：

此命令列出了 mysql 服務的所有任務及其目前狀態，包括執行的節點和狀態資訊。此範例展示瞭如何檢查特定服務的任務狀態。

Docker Swarm 服務排程

此圖示展示了Docker Swarm的基本架構，以及服務任務如何被排程到工作節點上。

Docker Swarm 排程策略詳解

Docker Swarm 是一種容器協調工具，用於管理和協調多個 Docker 容器。在 Swarm 中，排程策略決定了容器如何在叢集中的不同節點上分配。本章將探討 Docker Swarm 的預設排程策略——分散排程（Spread Scheduling）。

分散排程策略原理

分散排程策略根據節點的可用資源（如 CPU 和 RAM）以及當前執行的容器數量來計算節點的排名。該策略優先選擇資源利用率較低且容器數量較少的節點，以實作任務在叢集中的均勻分佈。

分散排程的工作流程

1. 初始狀態：假設有三個節點，每個節點具有相同的資源容量（例如 3GB RAM 和 3 CPUs），且沒有執行任何容器。
2. 建立 MySQL 服務：建立一個 MySQL 服務，設定副本數量為 1，並指定所需的資源（例如 1GB RAM 和 1 CPU）。由於所有節點具有相同的資源可用性和容器數量，新任務將隨機分配到其中一個節點。
3. 擴充套件 MySQL 服務：將 MySQL 服務的副本數量擴充套件到 3。此時，新的兩個任務將被排程到其他兩個節點，以實作任務的分散。
4. 進一步擴充套件：繼續將 MySQL 服務的副本數量擴充套件到 5。由於所有節點的資源可用性和容器數量趨於一致，新的任務將隨機分配到兩個節點上。

環境設定與驗證

為了驗證分散排程策略的實際效果，我們需要設定一個包含一個管理節點和兩個工作節點的 Docker Swarm 叢集。

1. 建立 CloudFormation Stack：使用 Docker for AWS 建立一個包含三個 EC2 例項的 CloudFormation Stack，分別作為 Swarm 的管理節點和工作節點。

   #### CloudFormation Stack 組態
   - 管理節點：1 個
   - 工作節點：2 個
   

2. SSH 登入管理節點：使用 SSH 登入到 Swarm 管理節點，並列出叢集中的所有節點。

   ~ $ docker node ls
   ID HOSTNAME STATUS AVAILABILITY MANAGER STATUS
   0waa5g3b6j641xtwsygvjvwc1 ip-172-31-0-147.ec2.internal Ready Active
   e7vigin0luuo1kynjnl33v9pa ip-172-31-29-67.ec2.internal Ready Active
   ptm7e0p346zwypos7wnpcm72d * ip-172-31-25-121.ec2.internal Ready Active Leader
   

建立與排程 MySQL 服務

1. 建立 MySQL 服務：使用 docker service create 命令建立一個具有 5 個副本的 MySQL 服務。

   ~ $ docker service create \
     --env MYSQL_ROOT_PASSWORD='mysql' \
     --replicas 5 \
     --name mysql \
     mysql
   

2. 驗證服務狀態：使用 docker service ls 和 docker service ps mysql 命令檢查 MySQL 服務的狀態和任務分佈。

   ~ $ docker service ls
   ID NAME MODE REPLICAS IMAGE PORTS
   1onpemnoz4x1 mysql replicated 5/5 mysql:latest
   
   ~ $ docker service ps mysql
   ID NAME IMAGE NODE DESIRED STATE CURRENT STATE ERROR PORTS
   fwjbu3gt2zn0 mysql.1 mysql:latest ip-172-31-0-147.ec2.internal Running Preparing 8 seconds ago
   w0521ik1awjf mysql.2 mysql:latest ip-172-31-29-67.ec2.internal Running Preparing 8 seconds ago
   z9wn2nrzfzt8 mysql.3 mysql:latest ip-172-31-0-147.ec2.internal Running Preparing 8 seconds ago
   tm8jbque3xbb mysql.4 mysql:latest ip-172-31-25-121.ec2.internal Running Preparing 8 seconds ago
   7drxfy3vbmp5 mysql.5 mysql:latest ip-172-31-29-67.ec2.internal Running Preparing 8 seconds ago
   

本章重點回顧

• 分散排程策略的基本原理和工作流程
• 如何在 Docker Swarm 中建立和管理服務
• 分散排程策略在實際環境中的應用和效果

後續章節預覽

本文後續章節將繼續探討 Docker Swarm 的其他排程策略和功能，包括全域性服務、資源限制、以及如何根據實際需求最佳化叢集組態等內容。敬請期待！

Docker Swarm 排程策略詳解

Docker Swarm 是一種容器協調工具，能夠自動化容器的佈署、擴充套件和管理。其中，排程策略是 Swarm 的核心功能之一，負責將服務的副本分配到叢集中的不同節點上。

擴充套件服務與排程

當我們建立一個服務並將其擴充套件到多個副本時，Swarm 會根據排程策略將這些副本分配到叢集中的不同節點上。例如，將 mysql 服務擴充套件到 6 個副本：

docker service scale mysql=6

執行後，Swarm 會將 6 個副本平均分配到叢集中的 3 個節點上，每個節點執行 2 個容器：

docker service ps mysql

輸出結果如下：

程式碼解析：

docker service scale mysql=6
docker service ps mysql

內容解密：

1. docker service scale mysql=6：將 mysql 服務擴充套件到 6 個副本。
2. docker service ps mysql：列出 mysql 服務的任務（副本）狀態。

期望狀態調節

Swarm 的另一個重要功能是期望狀態調節（Desired State Reconciliation）。當服務的期望狀態與當前狀態不一致時，Swarm 會自動進行調節，以使當前狀態符合期望狀態。

例如，當某個節點離開叢集時，Swarm 會在其他節點上啟動新的副本，以保持服務的可用性：

docker service ps mysql

輸出結果如下：

程式碼解析：

docker service ps mysql

內容解密：

1. docker service ps mysql：列出 mysql 服務的任務（副本）狀態。
2. Swarm 自動在其他節點上啟動新的副本，以保持服務的可用性。

圖表說明

下圖展示了更新 Docker for AWS CloudFormation stack 的過程：

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Docker Swarm 資源組態與排程策略

package "Docker 架構" {
    actor "開發者" as dev

    package "Docker Engine" {
        component [Docker Daemon] as daemon
        component [Docker CLI] as cli
        component [REST API] as api
    }

    package "容器運行時" {
        component [containerd] as containerd
        component [runc] as runc
    }

    package "儲存" {
        database [Images] as images
        database [Volumes] as volumes
        database [Networks] as networks
    }

    cloud "Registry" as registry
}

dev --> cli : 命令操作
cli --> api : API 呼叫
api --> daemon : 處理請求
daemon --> containerd : 容器管理
containerd --> runc : 執行容器
daemon --> images : 映像檔管理
daemon --> registry : 拉取/推送
daemon --> volumes : 資料持久化
daemon --> networks : 網路配置

@enduml

此圖示說明瞭如何透過 AWS 管理控制檯更新 CloudFormation stack。