构建一个高可用及自动发现的Docker基础架构

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Docker的生态日趋成熟，开源社区也不断孵化出优秀的周边项目，覆盖网络、监控、维护、部署、开发等方面。帮助开发、运维人员快速构建、运营Docker服务环境，其中也不乏有大公司的影子，如Google、IBM、Redhat，甚至微软也宣称后续将提供Docker在Windows平台的支持。Docker的发展前景一片大好。但在企业当中，如何选择适合自己的Docker构建方案？可选的方案有kubernetes与CoreOS（都已整合各类组件），另外一种方案为Haproxy+etcd+confd，采用松散式的组织结构，但各个组件之间的通讯是非常严密的，且扩展性更强，定制也更加灵活。下面详细介绍如何使用Haproxy+etcd+confd构建一个高可用及自动发现的Docker基础架构。
一、架构优势
        约定由Haproxy+etcd+confd+Docker构建的基础服务平台简称“HECD” 架构，整合了多种开源组件，看似松散的结构，事实上已经是一个有机的整体，它们互相联系、互相作用，是Docker生态圈中最理想的组合之一，具有以下优势：
     ? 自动、实时发现及无感知服务刷新；
     ? 支持任意多台Docker主宿机；
     ? 支持多种APP接入且打散至不分主宿机；
     ? 采用Etcd存储信息，集群支持可靠性高；
     ? 采用Confd配置引擎，支持各类接入层，如Nginx；
     ? 支持负载均衡、故障迁移；
     ? 具备资源弹性，伸缩自如（通过生成、销毁容器实现）；

二、架构说明
        在HECD架构中，首先管理员操作Docker Client，除了提交容器（Container）启动与停止指令外，还通过REST-API方式向Etcd（K/V）存储组件注册容器信息，包括容器名称、主宿机IP、映射端口等。Confd配置组件会定时查询Etcd组件获取最新的容器信息，根据定义好的配置模板生成Haproxy配置文件Haproxy.cfg，并且自动reload haproxy服务。用户在访问业务服务时，完全没有感知后端APP的上线、下线、切换及迁移，达到了自动发现、高可用的目的。详细架构图见图1-1。

图1-1 平台架构图

        为了方便大家理解各组件间的关系，通过图1-2进行架构流程梳理，首先管理员通过Shell或api操作容器，下一步将容器信息注册到Etcd组件，Confd组件会定时查询Etcd，获取已经注册到Etcd中容器信息，最后通过Confd的模板引擎生成Haproxy配置，整个流程结束。

图1-2架构流程图

        了解架构流程后，我们逐一对流程中各组件进行详细介绍。
1、Etcd介绍
        Etcd是一个高可用的 Key/Value 存储系统，主要用于分享配置和服务发现。
         ? 简单：支持 curl 方式的用户 API (HTTP+JSON)
         ? 安全：可选 SSL 客户端证书认证
         ? 快速：单实例可达每秒 1000 次写操作
         ? 可靠：使用 Raft 实现分布式
2、Confd介绍
        Confd是一个轻量级的配置管理工具。通过查询Etcd，结合配置模板引擎，保持本地配置最新，同时具备定期探测机制，配置变更自动reload。
3、Haproxy介绍
        HAProxy是提供高可用性、负载均衡以及基于TCP和HTTP应用的代理，支持虚拟主机，它是免费、快速并且可靠的一种解决方案。（来源百科）

三、架构部署
        平台环境基于Centos6.5+Docker1.2构建，其中Etcd的版本为etcd version 0.5.0-alpha，Confd版本为confd 0.6.2，Haproxy版本为HA-Proxy version 1.4.24。下面对平台的运行环境、安装部署、组件说明等进行详细说明，环境设备角色表如下：


1、组件安装
    1.1 Docker安装
        SSH终端登录192.168.1.22服务器，执行以下命令：
    # yum -y install docker-io  
    # service docker start  
    # chkconfig docker on  


    1.2 Haproxy、confd安装
        SSH终端登录192.168.1.20服务器，执行以下命令：


    1、haproxy  
    # yum –y install haproxy  
      
    2、confd  
    # wget https://github.com/kelseyhightow ... d-0.6.3-linux-amd64  
    # mv confd /usr/local/bin/confd  
    # chmod +x /usr/local/bin/confd  
    # /usr/local/bin/confd -version  
    confd 0.6.2  


    1.3 Etcd安装
        SSH终端登录192.168.1.21服务器，执行以下命令：


    # yum -y install golang  
    # mkdir -p /home/install && cd /home/install  
    # git clone https://github.com/coreos/etcd  
    # cd etcd  
    # ./build  
    # cp bin/etcd /bin/etcd  
    # /bin/etcd -version  
    etcd version 0.5.0-alpha  


2、组件配置
    2.1 Etcd配置
        由于etcd是一个轻量级的K/V存储平台，启动时指定相关参数即可，无需配置。


    # /bin/etcd -peer-addr 192.168.1.21:7001 -addr 192.168.1.21:4001 -data-dir /data/etcd -peer-bind-addr 0.0.0.0:7001 -bind-addr 0.0.0.0:4001 &  


        由于etcd具备多机支持，参数“-peer-addr”指定与其它节点通讯的地址；参数“-addr”指定服务监听地址；参数“-data-dir”为指定数据存储目录。
        由于etcd是通过REST-API方式进行交互，常见操作如下：
    1) 设置(set) key操作


    # curl -L http://192.168.1.21:4001/v2/keys/mykey -XPUT -d value="this is awesome"  
    {"action":"set","node":{"key":"/mykey","value":"this is awesome","modifiedIndex":28,"createdIndex":28}}  


    2) 获取(get) key信息


    # curl -L http://192.168.1.21:4001/v2/keys/mykey  
    {"action":"get","node":{"key":"/mykey","value":"this is awesome","modifiedIndex":28,"createdIndex":28}}  


    3) 删除key信息


    # curl -L http://192.168.1.21:4001/v2/keys/mykey -XDELETE         {"action":"delete","node":{"key":"/mykey","modifiedIndex":29,"createdIndex":28},"prevNode":{"key":"/mykey","value":"this is awesome","modifiedIndex":28,"createdIndex":28}}  


    更多操作API见https://github.com/coreos/etcd/blob/master/Documentation/api.md。

2.2 Confd+Haproxy配置
        由于Haproxy的配置文件是由Confd组件生成，要求Confd务必要与haproxy安装在同一台主机上，Confd的配置有两种，一种为Confd资源配置文件，默认路径为“/etc/confd/conf.d”目录，另一种为配置模板文件，默认路径为“/etc/confd/templates”。具体配置如下：
创建配置文件目录
# mkdir -p /etc/confd/{conf.d,templates}
（1）配置资源文件
        详细见以下配置文件，其中“src”为指定模板文件名称（默认到路径/etc/confd/templates中查找）；“dest”指定生成的Haproxy配置文件路径；“keys”指定关联Etcd中key的URI列表；“reload_cmd”指定服务重载的命令，本例中配置成haproxy的reload命令。
【/etc/confd/conf.d/ haproxy.toml】


    [template]  
    src = "haproxy.cfg.tmpl"  
    dest = "/etc/haproxy/haproxy.cfg"  
    keys = [  
      "/app/servers",  
    ]  
    reload_cmd = "/etc/init.d/haproxy reload"  


（2）配置模板文件
        Confd模板引擎采用了Go语言的文本模板，更多见http://golang.org/pkg/text/template/，具备简单的逻辑语法，包括循环体、处理函数等，本示例的模板文件如下，通过range循环输出Key及Value信息。
【/etc/confd/templates/haproxy.cfg.tmpl】


    global  
            log 127.0.0.1 local3  
            maxconn 5000  
            uid 99  
            gid 99  
            daemon  
      
    defaults  
            log 127.0.0.1 local3  
            mode http  
            option dontlognull  
            retries 3  
            option redispatch  
            maxconn 2000  
            contimeout  5000  
            clitimeout  50000  
            srvtimeout  50000  
      
    listen frontend 0.0.0.0:80  
            mode http  
            balance roundrobin  
            maxconn 2000  
            option forwardfor  
            {{range gets "/app/servers/*"}}  
            server {{base .Key}} {{.Value}} check inter 5000 fall 1 rise 2  
            {{end}}  
      
            stats enable  
            stats uri /admin-status  
            stats auth admin:123456  
            stats admin if TRUE  


（3）模板引擎说明
        本小节详细说明Confd模板引擎基础语法与示例，下面为示例用到的KEY信息。


    # curl -XPUT http://192.168.1.21:4001/v2/keys ... ckstabbing_rosalind -d value="192.168.1.22:49156"  
    # curl -XPUT http://192.168.1.21:4001/v2/keys/app/servers/cocky_morse -d value="192.168.1.22:49158"  
    # curl -XPUT http://192.168.1.21:4001/v2/keys/app/servers/goofy_goldstine -d value="192.168.1.22:49160"  
    # curl -XPUT http://192.168.1.21:4001/v2/keys/app/servers/prickly_blackwell -d value="192.168.1.22:49162"  


1、base
    作为path.Base函数的别名，获取路径最后一段。
{{ with get "/app/servers/prickly_blackwell"}}
    server {{base .Key}} {{.Value}} check
{{end}}

    prickly_blackwell 192.168.1.22:49162  


2、get
    返回一对匹配的KV，找不到则返回错误。
{{with get "/app/servers/prickly_blackwell"}}
    key: {{.Key}}
    value: {{.Value}}
{{end}}

    /app/servers/prickly_blackwell 192.168.1.22:49162  


3、gets
    返回所有匹配的KV，找不到则返回错误。
{{range gets "/app/servers/*"}}
    {{.Key}} {{.Value}}
     {{end}}

    /app/servers/backstabbing_rosalind 192.168.1.22:49156  
    /app/servers/cocky_morse 192.168.1.22:49158  
    /app/servers/goofy_goldstine 192.168.1.22:49160  
    app/servers/prickly_blackwell 192.168.1.22:49162  


4、getv
    返回一个匹配key的字符串型Value，找不到则返回错误。
{{getv "/app/servers/cocky_morse"}}

    192.168.1.22:49158  


5、getvs
    返回所有匹配key的字符串型Value，找不到则返回错误。
        {{range getvs "/app/servers/*"}}
           value: {{.}}
        {{end}}

    value: 192.168.1.22:49156  
    value: 192.168.1.22:49158  
    value: 192.168.1.22:49160  
    value: 192.168.1.22:49162  


6、split
    对输入的字符串做split处理，即将字符串按指定分隔符拆分成数组。
        {{ $url := split (getv "/app/servers/cocky_morse") ":" }}
          host: {{index $url 0}}
          port: {{index $url 1}}

    host: 192.168.1.22  
    port: 49158  


7、ls
    返回所有的字符串型子key，找不到则返回错误。
{{range ls "/app/servers/"}}
   subkey: {{.}}
{{end}}

    subkey: backstabbing_rosalind  
    subkey: cocky_morse  
    subkey: goofy_goldstine  
    subkey: prickly_blackwell  


8、lsdir
    返回所有的字符串型子目录，找不到则返回一个空列表。
{{range lsdir "/app/"}}
   subdir: {{.}}
{{end}}

    subdir: servers  


（4）启动confd及haproxy服务
        下面为启动Confd服务命令行，参数“interval”为指定探测etcd的频率，单位为秒，参数“-node”为指定etcd监听服务主地址，以便获取容器信息。


    # /usr/local/bin/confd -verbose -interval 10 -node '192.168.1.21:4001' -confdir /etc/confd > /var/log/confd.log &  
    # /etc/init.d/haproxy start  


3、容器配置
        前面HECD架构说明内容，有讲到容器的操作会即时注册到etcd组件中，是通过curl命令进行REST-API方式提交的，下面详细介绍通过SHELL及Python-api两种方式的实现方法，支持容器启动、停止的联动。

    3.1、SHELL实现方法
        实现的原理是通过获取“Docker run ***”命令输出的Container ID，通过“docker inspect Container ID”得到详细的容器信息，分析出容器服务映射的外部端口及容器名称，将以“/app/servers/容器名称”作为Key，“主宿机: 映射端口”作为Value注册到etcd中。其中Key信息前缀(/app/servers)与“/etc/confd/conf.d/haproxy.toml”中的keys参数是保持一致的。
【docker.sh】


    #!/bin/bash  
      
    if [ -z $1 ]; then  
            echo "Usage: c run :"  
            echo "       c stop "  
            exit 1  
    fi  
      
    if [ -z $ETCD_HOST ]; then  
      ETCD_HOST="192.168.1.21:4001"  
    fi  
      
    if [ -z $ETCD_PREFIX ]; then  
      ETCD_PREFIX="app/servers"  
    fi  
      
    if [ -z $CPORT ]; then  
      CPORT="80"  
    fi  
      
    if [ -z $FORREST_IP ]; then  
      FORREST_IP=`ifconfig eth0| grep "inet addr" | head -1 | cut -d : -f2 | awk '{print $1}'`  
    fi  
      
    function launch_container {  
            echo "Launching $1 on $FORREST_IP ..."  
      
            CONTAINER_ID=`docker run -d --dns 172.17.42.1 -P -v /data:/data -v /etc/httpd/conf:/etc/httpd/conf -v /etc/httpd/conf.d:/etc/httpd/conf.d -v /etc/localtime:/etc/localtime:ro $1 /bin/sh -c "/usr/bin/supervisord -c /etc/supervisord.conf"`  
            PORT=`docker inspect $CONTAINER_ID|grep "\"Ports\"" -A 50|grep "\"$CPORT/tcp\"" -A 3| grep HostPort|cut -d '"' -f4|head -1`  
            NAME=`docker inspect $CONTAINER_ID | grep Name | cut -d '"' -f4 | sed "s/\///g"|sed -n 2p`  
      
            echo "Announcing to $ETCD_HOST..."  
            curl -XPUT "http://$ETCD_HOST/v2/keys/$ETCD_PREFIX/$NAME" -d value="$FORREST_IP:$PORT"  
      
            echo "$1 running on Port $PORT with name $NAME"  
    }  
      
    function stop_container {  
            echo "Stopping $1..."  
            CONTAINER_ID=`docker ps -a| grep $1 | awk '{print $1}'`  
            echo "Found container $CONTAINER_ID"  
            docker stop $CONTAINER_ID  
      echo http://$ETCD_HOST/v2/keys/$ETCD_PREFIX/$1  
            curl -XDELETE http://$ETCD_HOST/v2/keys/$ETCD_PREFIX/$1 &> /dev/null  
            echo "Stopped."  
    }  
      
      
    if [ $1 = "run" ]; then  
      launch_container $2  
    else  
      stop_container $2  
    fi  


docker.sh使用方法:
    1) 启动一个容器
    # ./docker.sh run yorko/webserver:v3(镜像)
    2) 停止一个容器
    # ./docker.sh stop berserk_hopper(容器名)

3.2、Docker-py API实现方法
        通过Python语言调用Docker-py的API实现容器的远程操作（创建、运行、停止），并结合python-etcd模块对etcd进行操作(set、delete)，达到与SHELL方式一样的效果，很明显，Docker-py方式更加容易扩展，可以无缝与现有运营平台对接。
        为兼顾到远程API支持，需对docker启动文件“exec”处进行修改，详细见如下：
# vi /etc/init.d/docker


    $exec -H tcp://0.0.0.0:2375 -H unix:///var/run/docker.sock -d &>> $logfile &  


启动容器的程序如下：
【docker_run.py】


    #!/usr/local/Python/bin/python  
    import docker  
    import etcd  
    import sys  
      
    Etcd_ip="192.168.1.21"  
    Server_ip="192.168.1.22"  
    App_port="80"  
    App_protocol="tcp"  
    Image="yorko/webserver:v3"  
      
    Port=""  
    Name=""  
      
    idict={}  
    rinfo={}  
    try:  
        c = docker.Client(base_url='tcp://'+Server_ip+':2375',version='1.14',timeout=15)  
    except Exception,e:  
        print "Connection docker server error:"+str(e)  
        sys.exit()  
      
    try:  
        rinfo=c.create_container(image=Image,stdin_open=True,tty=True,command="/usr/bin/supervisord -c /etc/supervisord.conf",volumes=['/data','/etc/httpd/conf','/etc/httpd/conf.d  
    ','/etc/localtime'],ports=[80,22],name=None)  
        containerId=rinfo['Id']  
    except Exception,e:  
        print "Create docker container error:"+str(e)  
        sys.exit()  
      
    try:  
        c.start(container=containerId, binds={'/data':{'bind': '/data','ro': False},'/etc/httpd/conf':{'bind': '/etc/httpd/conf','ro': True},'/etc/httpd/conf.d':{'bind': '/etc/htt  
    pd/conf.d','ro': True},'/etc/localtime':{'bind': '/etc/localtime','ro': True}}, port_bindings={80:None,22:None}, lxc_conf=None,publish_all_ports=True, links=None, privileged=F  
    alse,dns='172.17.42.1', dns_search=None, volumes_from=None, network_mode=None,restart_policy=None, cap_add=None, cap_drop=None)  
    except Exception,e:  
        print "Start docker container error:"+str(e)  
        sys.exit()  
      
    try:  
        idict=c.inspect_container(containerId)  
        Name=idict["Name"][1:]  
        skey=App_port+'/'+App_protocol  
        for _key in idict["NetworkSettings"]["Ports"].keys():  
            if _key==skey:  
                Port=idict["NetworkSettings"]["Ports"][skey][0]["HostPort"]  
    except Exception,e:  
        print "Get docker container inspect error:"+str(e)  
        sys.exit()  
      
    if Name!="" and Port!="":  
        try:  
            client = etcd.Client(host=Etcd_ip, port=4001)  
            client.write('/app/servers/'+Name, Server_ip+":"+str(Port))  
            print Name+" container run success!"  
        except Exception,e:  
            print "set etcd key error:"+str(e)  
    else:  
        print "Get container name or port error."  


停止容器的程序如下：
【docker_stop.py】


    #!/usr/local/Python/bin/python  
    import docker  
    import etcd  
    import sys  
      
    Etcd_ip="192.168.1.21"  
    Server_ip="192.168.1.22"  
    containerName="grave_franklin" #指定需要停止容器的名称  
      
    try:  
        c = docker.Client(base_url='tcp://'+Server_ip+':2375',version='1.14',timeout=10)  
        c.stop('furious_heisenberg')  
    except Exception,e:  
        print str(e)  
        sys.exit()  
      
    try:  
        client = etcd.Client(host=Etcd_ip, port=4001)  
        client.delete('/app/servers/'+containerName)  
        print containerName+" container stop success!"  
    except Exception,e:  
    print str(e)  


注意：
        由于容器是无状态的，尽量让其以松散的形式存在，映射端口选项要求使用“-P”参数，即使用随机端口的模式，减少人手干预。

四、业务上线
        HECD架构已部署完毕，接下来就是让其为我们服务，案例中使用的镜像“yorko/webserver:v3”为已经构建好的LAMP平台。类似的镜像也可以在docker-pub中下载到，开始跑起,运行dockery.sh创建两个容器：


    # ./docker.sh run yorko/webserver:v3  
    Launching yorko/webserver:v3 on 192.168.1.22 ...  
    Announcing to 192.168.1.21:4001...  
    {"action":"set","node":{"key":"/app/servers/berserk_hopper","value":"192.168.1.22:49170","modifiedIndex":33,"createdIndex":33}}  
    yorko/webserver:v3 running on Port 49170 with name berserk_hopper  
      
    # ./docker.sh run yorko/webserver:v3  
    Launching yorko/webserver:v3 on 192.168.1.22 ...  
    Announcing to 192.168.1.21:4001...  
    {"action":"set","node":{"key":"/app/servers/lonely_meitner","value":"192.168.1.22:49172","modifiedIndex":34,"createdIndex":34}}  
    yorko/webserver:v3 running on Port 49172 with name lonely_meitner  
  访问Haproxy监控地址：http://192.168.1.20/admin-status，刚创建的容器已经添加到haproxy中，见图1-3。

图1-3 Haproxy监控后台截图

        1）观察Haproxy的配置文件(更新部分)：
    # vi /etc/haproxy/haproxy.cfg  
    … …  
    listen frontend 0.0.0.0:80  
            mode http  
            balance roundrobin  
            maxconn 2000  
            option forwardfor  
            server berserk_hopper 192.168.1.22:49170 check inter 5000 fall 1 rise 2  
            server lonely_meitner 192.168.1.22:49172 check inter 5000 fall 1 rise 2  
    … …  
2）访问php测试文件http://192.168.1.20/info.php

图1-4 php测试文件截图

        从图1-4可以看出，获取的服务器端IP为容器本身的IP地址（172.17.0.11），在System环境变量处输出容器名为“598cf10a50a2”的信息。

参考：
http://ox86.tumblr.com/post/90554410668/easy-scaling-with-docker-haproxy-and-confd
https://github.com/AVGP/forrest/blob/master/forrest.sh