容器编排入门

容器编排是管理和协调多个容器的技术，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用。本文将介绍 Docker Compose、Docker Swarm 和 Kubernetes 三种主流编排工具。

目录

1. 编排概述
2. Docker Compose
3. Docker Swarm
4. Kubernetes 入门
5. 编排工具对比
6. 选择合适的编排工具

编排概述

1.1 为什么需要编排

单容器管理的挑战：

┌─────────────────────────────────────────────┐
│           单容器管理挑战                      │
├─────────────────────────────────────────────┤
│  • 多容器协调困难                            │
│  • 服务发现和负载均衡复杂                      │
│  • 手动扩缩容效率低                           │
│  • 故障恢复需要人工干预                        │
│  • 配置管理分散                              │
│  • 滚动更新困难                              │
└─────────────────────────────────────────────┘

编排解决的问题：

问题	编排解决方案
多容器协调	声明式配置、依赖管理
服务发现	内置 DNS、服务注册
负载均衡	自动流量分发
弹性伸缩	自动扩缩容策略
高可用	健康检查、自动故障转移
配置管理	ConfigMap、Secrets

1.2 编排核心概念

编排核心组件：
┌─────────────────────────────────────────────┐
│              编排平台                         │
├─────────────────────────────────────────────┤
│  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐     │
│  │ 调度器   │  │ 服务发现 │  │ 负载均衡 │     │
│  └─────────┘  └─────────┘  └─────────┘     │
├─────────────────────────────────────────────┤
│  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐     │
│  │ 配置管理 │  │ 存储管理 │  │ 网络管理 │     │
│  └─────────┘  └─────────┘  └─────────┘     │
├─────────────────────────────────────────────┤
│  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐     │
│  │ 健康检查 │  │ 自动恢复 │  │ 滚动更新 │     │
│  └─────────┘  └─────────┘  └─────────┘     │
└─────────────────────────────────────────────┘

Docker Compose

2.1 Compose 基础

Docker Compose 是定义和运行多容器 Docker 应用的工具。

# docker-compose.yml 示例
version: '3.8'

services:
  web:
    build: ./web
    ports:
      - "80:80"
    depends_on:
      - api
    networks:
      - frontend

  api:
    build: ./api
    environment:
      - DB_HOST=db
      - REDIS_HOST=redis
    depends_on:
      - db
      - redis
    networks:
      - frontend
      - backend

  db:
    image: postgres:15-alpine
    volumes:
      - db-data:/var/lib/postgresql/data
    environment:
      POSTGRES_PASSWORD_FILE: /run/secrets/db-password
    secrets:
      - db-password
    networks:
      - backend

  redis:
    image: redis:7-alpine
    volumes:
      - redis-data:/data
    networks:
      - backend

volumes:
  db-data:
  redis-data:

networks:
  frontend:
  backend:
    internal: true

secrets:
  db-password:
    file: ./secrets/db-password.txt

2.2 Compose 命令

# 启动服务
docker-compose up -d

# 构建并启动
docker-compose up -d --build

# 查看服务状态
docker-compose ps

# 查看日志
docker-compose logs -f

# 扩展服务
docker-compose up -d --scale web=3

# 停止服务
docker-compose stop

# 删除服务
docker-compose down

# 删除服务和卷
docker-compose down -v

2.3 高级 Compose 配置

version: '3.8'

services:
  web:
    build:
      context: ./web
      dockerfile: Dockerfile.prod
      args:
        - NODE_ENV=production
      cache_from:
        - myapp/web:latest
    image: myapp/web:${TAG:-latest}
    deploy:
      replicas: 3
      update_config:
        parallelism: 1
        delay: 10s
        failure_action: rollback
      restart_policy:
        condition: on-failure
        delay: 5s
        max_attempts: 3
      resources:
        limits:
          cpus: '0.5'
          memory: 512M
        reservations:
          cpus: '0.25'
          memory: 256M
      placement:
        constraints:
          - node.role == worker
        preferences:
          - spread: node.availability.zone
    healthcheck:
      test: ["CMD", "curl", "-f", "http://localhost:80/health"]
      interval: 30s
      timeout: 10s
      retries: 3
      start_period: 40s
    logging:
      driver: "json-file"
      options:
        max-size: "10m"
        max-file: "3"

2.4 多环境配置

# docker-compose.yml (基础配置)
version: '3.8'
services:
  web:
    build: ./web
    ports:
      - "80:80"

# docker-compose.override.yml (开发环境，自动加载)
version: '3.8'
services:
  web:
    volumes:
      - ./web:/app
    environment:
      - DEBUG=1

# docker-compose.prod.yml (生产环境)
version: '3.8'
services:
  web:
    deploy:
      replicas: 3
      restart_policy:
        condition: any

使用不同配置：

# 开发环境（自动使用 override）
docker-compose up -d

# 生产环境
docker-compose -f docker-compose.yml -f docker-compose.prod.yml up -d

Docker Swarm

3.1 Swarm 模式

Docker Swarm 是 Docker 内置的容器编排和集群管理工具。

# 初始化 Swarm 集群
docker swarm init --advertise-addr 192.168.1.100

# 查看加入令牌
docker swarm join-token worker
docker swarm join-token manager

# 工作节点加入集群
docker swarm join --token <TOKEN> 192.168.1.100:2377

# 查看节点
docker node ls

# 查看节点详情
docker node inspect <NODE_ID>

3.2 Swarm 架构

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      Swarm 集群                              │
│                                                              │
│   ┌─────────────────┐                                       │
│   │   Manager Node   │  ◄── 管理节点（高可用建议 3-5 个）    │
│   │  ┌───────────┐  │                                       │
│   │  │ 调度器     │  │                                       │
│   │  │ 集群管理   │  │                                       │
│   │  │ 服务发现   │  │                                       │
│   │  └───────────┘  │                                       │
│   └────────┬────────┘                                       │
│            │                                                │
│   ┌────────┴────────┐                                       │
│   │                 │                                       │
│   ▼                 ▼                                       │
│ ┌──────────┐   ┌──────────┐                                │
│ │ Worker 1 │   │ Worker 2 │  ◄── 工作节点                  │
│ │ ┌──────┐ │   │ ┌──────┐ │                                │
│ │ │Task 1│ │   │ │Task 2│ │                                │
│ │ │Task 3│ │   │ │Task 4│ │                                │
│ │ └──────┘ │   │ └──────┘ │                                │
│ └──────────┘   └──────────┘                                │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

3.3 服务管理

# 创建服务
docker service create \
  --name web \
  --replicas 3 \
  --publish 80:80 \
  --network my-network \
  --mount type=volume,source=web-data,target=/data \
  --limit-cpu 0.5 \
  --limit-memory 512M \
  nginx:alpine

# 查看服务
docker service ls
docker service ps web
docker service inspect web

# 扩展服务
docker service scale web=5

# 更新服务
docker service update \
  --image nginx:1.25 \
  --update-parallelism 1 \
  --update-delay 10s \
  web

# 删除服务
docker service rm web

3.4 服务配置

# docker-compose.yml for Swarm
version: '3.8'

services:
  web:
    image: nginx:alpine
    deploy:
      mode: replicated
      replicas: 3
      update_config:
        parallelism: 1
        delay: 10s
        failure_action: rollback
        order: start-first
      rollback_config:
        parallelism: 1
        delay: 10s
        failure_action: pause
      restart_policy:
        condition: any
        delay: 5s
        max_attempts: 3
        window: 120s
      placement:
        constraints:
          - node.role == worker
          - node.labels.zone == public
        preferences:
          - spread: node.labels.rack
      resources:
        limits:
          cpus: '0.5'
          memory: 512M
        reservations:
          cpus: '0.25'
          memory: 256M
    ports:
      - target: 80
        published: 80
        mode: ingress
    networks:
      - web-network
    configs:
      - source: nginx-config
        target: /etc/nginx/nginx.conf
    secrets:
      - ssl-cert
      - ssl-key

  api:
    image: myapp/api:latest
    deploy:
      mode: global  # 每个节点运行一个实例
      placement:
        constraints:
          - node.labels.api == true
    networks:
      - web-network
      - backend-network

networks:
  web-network:
    driver: overlay
    attachable: true
  backend-network:
    driver: overlay
    internal: true

configs:
  nginx-config:
    external: true

secrets:
  ssl-cert:
    external: true
  ssl-key:
    external: true

部署到 Swarm：

# 部署
docker stack deploy -c docker-compose.yml myapp

# 查看栈
docker stack ls
docker stack ps myapp
docker stack services myapp

# 删除栈
docker stack rm myapp

3.5 堆栈管理

# 部署完整应用栈
docker stack deploy -c docker-compose.yml -c docker-compose.prod.yml myapp

# 查看栈服务
docker stack services myapp

# 查看栈任务
docker stack ps myapp

# 查看栈日志
docker service logs myapp_web

# 更新栈
docker stack deploy -c docker-compose.yml myapp

# 删除栈
docker stack rm myapp

Kubernetes 入门

4.1 Kubernetes 架构

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    Kubernetes 集群                          │
│                                                              │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │              Control Plane (主节点)                  │   │
│  │  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌────────┐  │   │
│  │  │ API Server│ │ etcd   │  │Scheduler│  │Controller│  │   │
│  │  │         │  │         │  │         │  │ Manager │  │   │
│  │  └─────────┘  └─────────┘  └─────────┘  └────────┘  │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────┘   │
│                           │                                  │
│  ┌────────────────────────┼─────────────────────────────┐   │
│  │                        ▼         Worker Nodes         │   │
│  │  ┌─────────────┐   ┌─────────────┐   ┌─────────────┐ │   │
│  │  │   Node 1    │   │   Node 2    │   │   Node 3    │ │   │
│  │  │ ┌─────────┐ │   │ ┌─────────┐ │   │ ┌─────────┐ │ │   │
│  │  │ │ kubelet │ │   │ │ kubelet │ │   │ │ kubelet │ │ │   │
│  │  │ ├─────────┤ │   │ ├─────────┤ │   │ ├─────────┤ │ │   │
│  │  │ │kube-proxy│ │   │ │kube-proxy│ │   │ │kube-proxy│ │ │   │
│  │  │ ├─────────┤ │   │ ├─────────┤ │   │ ├─────────┤ │ │   │
│  │  │ │ Pod 1   │ │   │ │ Pod 2   │ │   │ │ Pod 3   │ │ │   │
│  │  │ │ Pod 2   │ │   │ │ Pod 3   │ │   │ │ Pod 1   │ │ │   │
│  │  │ └─────────┘ │   │ └─────────┘ │   │ └─────────┘ │ │   │
│  │  └─────────────┘   └─────────────┘   └─────────────┘ │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────────┘   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

4.2 核心概念

概念	说明	类比
Pod	最小部署单元，包含一个或多个容器	虚拟机
Deployment	管理 Pod 的副本和更新	服务定义
Service	提供稳定的网络访问入口	负载均衡器
ConfigMap	存储配置数据	配置文件
Secret	存储敏感数据	密码管理器
Ingress	管理外部访问	反向代理
Namespace	资源隔离	项目/环境

4.3 基本资源定义

# deployment.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-deployment
  labels:
    app: web
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: web
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web
    spec:
      containers:
      - name: web
        image: nginx:alpine
        ports:
        - containerPort: 80
        resources:
          requests:
            memory: "64Mi"
            cpu: "250m"
          limits:
            memory: "128Mi"
            cpu: "500m"
        livenessProbe:
          httpGet:
            path: /
            port: 80
          initialDelaySeconds: 30
          periodSeconds: 10
        readinessProbe:
          httpGet:
            path: /
            port: 80
          initialDelaySeconds: 5
          periodSeconds: 5

# service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: web-service
spec:
  selector:
    app: web
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 80
  type: LoadBalancer

# ingress.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: web-ingress
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /
spec:
  rules:
  - host: example.com
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: web-service
            port:
              number: 80

4.4 kubectl 命令

# 应用配置
kubectl apply -f deployment.yaml
kubectl apply -f service.yaml
kubectl apply -f ingress.yaml

# 查看资源
kubectl get pods
kubectl get deployments
kubectl get services
kubectl get ingress

# 查看详情
kubectl describe pod <pod-name>
kubectl logs <pod-name>
kubectl logs <pod-name> -f  # 实时日志

# 进入容器
kubectl exec -it <pod-name> -- /bin/sh

# 扩展副本数
kubectl scale deployment web-deployment --replicas=5

# 更新镜像
kubectl set image deployment/web-deployment web=nginx:1.25

# 删除资源
kubectl delete -f deployment.yaml
kubectl delete deployment web-deployment

4.5 Helm 包管理

# 安装 Helm
brew install helm  # macOS

# 添加仓库
helm repo add stable https://charts.helm.sh/stable
helm repo add bitnami https://charts.bitnami.com/bitnami
helm repo update

# 搜索 Chart
helm search repo nginx

# 安装 Chart
helm install my-nginx bitnami/nginx

# 查看安装
helm list

# 升级
helm upgrade my-nginx bitnami/nginx

# 卸载
helm uninstall my-nginx

创建自定义 Chart：

# 创建 Chart
helm create mychart

# 目录结构
mychart/
├── Chart.yaml          # Chart 元数据
├── values.yaml         # 默认配置值
├── charts/             # 依赖 Chart
├── templates/          # K8s 模板文件
│   ├── deployment.yaml
│   ├── service.yaml
│   ├── ingress.yaml
│   └── _helpers.tpl
└── README.md

编排工具对比

5.1 功能对比

特性	Docker Compose	Docker Swarm	Kubernetes
单主机部署	✅	✅	✅
多主机集群	❌	✅	✅
服务发现	✅	✅	✅
负载均衡	✅	✅	✅
自动扩缩容	❌	有限	✅
滚动更新	有限	✅	✅
自愈能力	❌	✅	✅
配置管理	✅	✅	✅
存储编排	有限	✅	✅
学习曲线	低	中	高
社区生态	中	中	非常大

5.2 适用场景

场景	推荐工具	原因
开发/测试环境	Docker Compose	简单、快速
小型生产环境	Docker Swarm	易用、内置
中型生产环境	Docker Swarm/K3s	平衡易用性和功能
大型生产环境	Kubernetes	功能完整、生态丰富
边缘/IoT	K3s	轻量级
多云部署	Kubernetes	标准、可移植

选择合适的编排工具

6.1 决策流程

选择编排工具的决策树：

                    开始
                     │
                     ▼
            需要多主机集群？
              /          \
            否            是
            │              │
            ▼              ▼
    Docker Compose    团队熟悉 K8s？
    (开发/测试)        /          \
                     否            是
                     │              │
                     ▼              ▼
              Docker Swarm    Kubernetes
              (简单生产)      (复杂生产)

6.2 迁移路径

典型迁移路径：

开发环境          测试环境           生产环境
   │                │                │
   ▼                ▼                ▼
┌────────┐      ┌────────┐      ┌────────────┐
│Compose │  →   │Compose │  →   │  Swarm     │
│        │      │ + CI/CD│      │  或 K8s    │
└────────┘      └────────┘      └────────────┘
     │                               │
     └───────────────────────────────┘
              最终统一使用 K8s

6.3 混合部署策略

# 使用 Docker Compose 进行本地开发
# 使用 Kubernetes 进行生产部署

# 转换工具：kompose
# 将 docker-compose.yml 转换为 K8s 资源

# 安装 kompose
curl -L https://github.com/kubernetes/kompose/releases/download/v1.28.0/kompose-linux-amd64 -o kompose
chmod +x kompose
sudo mv kompose /usr/local/bin/

# 转换
kompose convert -f docker-compose.yml

# 生成文件：
# web-deployment.yaml
# web-service.yaml
# db-deployment.yaml
# db-service.yaml

下一步

• 深入学习 Docker Compose 文件参考
• 了解 Docker Compose 生产实践
• 学习 Kubernetes 官方文档
• 掌握 Docker 网络配置详解