云原生應(yīng)用程序的標(biāo)志之一是它具有高度的錯(cuò)誤恢復(fù)能力，同時(shí)提供多種可擴(kuò)展性選項(xiàng)。這是唯一可能的，因?yàn)樵骗h(huán)境使開(kāi)發(fā)人員能夠部署和管理整個(gè)容器集群。對(duì)于只有幾個(gè)容器的小型應(yīng)用程序，管理不是什么大問(wèn)題——但隨著應(yīng)用程序的擴(kuò)展，它們的編排和調(diào)度變得越來(lái)越重要。

雖然我們?cè)陉P(guān)于 DevOps 景觀的綜合指南中已經(jīng)觸及了這個(gè)主題，但本文將詳細(xì)闡述調(diào)度和編排的工作原理。有多種工具可以幫助您編排應(yīng)用程序服務(wù)器，消除部署大量容器帶來(lái)的大部分復(fù)雜性。但在我們開(kāi)始之前，讓我們先解釋一下容器在 DevOps 世界中扮演的重要角色。

什么是軟件容器？

作為包括微服務(wù)和 DevOps 在內(nèi)的現(xiàn)代軟件開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵組成部分，如果不深入研究容器的概念，就無(wú)法理解應(yīng)用程序的調(diào)度和編排。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的Docker 定義：“容器是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件單元，它將代碼及其所有依賴項(xiàng)打包在一起，因此應(yīng)用程序可以快速可靠地從一個(gè)計(jì)算環(huán)境運(yùn)行到另一個(gè)計(jì)算環(huán)境。”

簡(jiǎn)而言之，容器是一個(gè)小型的獨(dú)立軟件包，包含運(yùn)行應(yīng)用程序所需的一切；代碼和所有其他依賴項(xiàng)（例如系統(tǒng)工具、庫(kù)和運(yùn)行時(shí)等等）。它的核心優(yōu)勢(shì)是體積小，允許您將大量容器打包到一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，所有容器都在共享操作系統(tǒng)內(nèi)核上運(yùn)行。

在容器出現(xiàn)之前，同樣的工作是由虛擬機(jī)完成的，它不僅將應(yīng)用程序代碼及其依賴項(xiàng)打包在一起，而且還運(yùn)行一個(gè)隔離的操作系統(tǒng)。這意味著許多操作系統(tǒng)內(nèi)核將在一臺(tái)服務(wù)器上運(yùn)行，彼此不知情。除此之外，整個(gè)過(guò)程有時(shí)由主機(jī)操作系統(tǒng)管理。

由于這些虛擬機(jī)在模擬服務(wù)器上運(yùn)行，因此存在與該過(guò)程相關(guān)的各種困難。與容器相比，虛擬機(jī)通常是影響整體系統(tǒng)性能的開(kāi)銷，導(dǎo)致企業(yè)每美元的性能較低。使用容器，您只需打包應(yīng)用程序代碼、相關(guān)庫(kù)及其依賴項(xiàng)。此外，唯一的操作系統(tǒng)是主機(jī)的操作系統(tǒng)，這意味著容器可以直接與操作系統(tǒng)通信，而不會(huì)產(chǎn)生不必要的開(kāi)銷。

容器有幾個(gè)好處

容器的最大好處之一是它們?yōu)殚_(kāi)發(fā)人員簡(jiǎn)化了軟件部署。通過(guò)將基本要素與代碼打包在一起，開(kāi)發(fā)人員可以更輕松地知道他們的應(yīng)用程序軟件將執(zhí)行，而不管它部署在何處。

容器也是被稱為“微服務(wù)”的新應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)趨勢(shì)的核心部分。容器不是獨(dú)立的整體應(yīng)用程序，而是允許您將應(yīng)用程序分解為松散耦合的微服務(wù)，這些微服務(wù)通過(guò)不可知的 API 接口相互通信。微服務(wù)架構(gòu)可以帶來(lái)大量好處，我們的微服務(wù)軟件架構(gòu)風(fēng)格概述中對(duì)此進(jìn)行了介紹。但是由于它們的體積小，一個(gè)全尺寸的應(yīng)用程序需要大量的容器來(lái)運(yùn)行——因此，有許多需要管理的移動(dòng)部件。這就是應(yīng)用程序調(diào)度和編排的用武之地。

應(yīng)用編排和調(diào)度

應(yīng)用程序編排，通常稱為容器編排，是一種非常流行的技術(shù)，被世界各地的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)用來(lái)管理數(shù)量極其龐大的容器。Devopedia將容器編排定義為：“……一個(gè)自動(dòng)化基于容器的應(yīng)用程序的部署、管理、擴(kuò)展、網(wǎng)絡(luò)和可用性的過(guò)程。”容器管理涉及大量任務(wù)，例如供應(yīng)、管理、擴(kuò)展和網(wǎng)絡(luò)等等。對(duì)于具有五個(gè)容器的應(yīng)用程序，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)可能能夠有效地管理這些任務(wù)；但是大型應(yīng)用程序從數(shù)千個(gè)容器中獲取數(shù)據(jù)。通過(guò)編排，開(kāi)發(fā)人員可以自動(dòng)化簡(jiǎn)化整個(gè)流程的各種工作。

值得注意的一點(diǎn)是，調(diào)度通常被視為整個(gè)容器管理范圍的一部分，而一些專家將其視為一個(gè)單獨(dú)的容器原則。根據(jù)微軟的說(shuō)法，“調(diào)度意味著管理員能夠在集群中啟動(dòng)容器，因此它們也提供了一個(gè) UI。”容器調(diào)度程序有很多職責(zé)，從最有效地利用資源到確保跨不同節(jié)點(diǎn)或主機(jī)的有效負(fù)載平衡。由于它們靠近集群，它們通常被同等對(duì)待。事實(shí)上，流行的容器編排工具也提供了調(diào)度能力。

它是如何工作的？

有效編排容器的第一步是確定正確的工具。著名的名字包括 Docker Swarm 和 Kubernetes，但我們稍后會(huì)談到它們。

首先我們來(lái)分析一下應(yīng)用編排和調(diào)度過(guò)程是如何工作的：

• 一旦您確定了您的編排工具，下一步就是描述應(yīng)用程序的配置。這可以在 JSON 或 YAML 文件中完成。
• 配置文件有一個(gè)重要的用途；它將容器編排工具定向到存儲(chǔ)圖像和日志的位置。此外，它還協(xié)助工具完成如何掛載存儲(chǔ)卷以及如何建立容器內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程——這個(gè)位置通常是一個(gè)私有注冊(cè)表。
• 編排工具將在復(fù)制組中進(jìn)一步將它們部署到主機(jī)服務(wù)器上。這可確保在檢查預(yù)定義的先決條件（例如 CPU 內(nèi)存要求）后自動(dòng)安排集群內(nèi)發(fā)生的任何新部署。
• 部署到主機(jī)后，編排工具可確保使用配置文件中規(guī)定的條件和規(guī)定來(lái)管理容器的生命周期。

通常，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)會(huì)在將相同的應(yīng)用程序部署到生產(chǎn)環(huán)境之前，嘗試通過(guò)在各種測(cè)試環(huán)境中部署相同的應(yīng)用程序來(lái)控制配置文件。借助容器編排工具，開(kāi)發(fā)人員可以自由選擇部署位置。這些工具可以在各種環(huán)境中運(yùn)行，從本地服務(wù)器和本地機(jī)器到公共云基礎(chǔ)設(shè)施提供商。

最流行的應(yīng)用程序調(diào)度和編排工具

市場(chǎng)上有很多應(yīng)用程序調(diào)度和編排工具，各有優(yōu)缺點(diǎn)。以下是主導(dǎo)軟件開(kāi)發(fā)市場(chǎng)的前三名的概述：

庫(kù)伯內(nèi)斯

Kubernetes 已成為軟件開(kāi)發(fā)行業(yè)的基準(zhǔn)編排工具之一。它的起源可以追溯到谷歌，最初是搜索引擎巨頭“Borg 項(xiàng)目”的迭代。此外，它還是著名的Cloud Native Computing Foundation的核心，該基金會(huì)得到 Google、Amazon Web Services、Microsoft、IBM、Intel、Redhat 和 Cisco 等計(jì)算巨頭的支持。

Kubernetes 的標(biāo)志仍然是它允許開(kāi)發(fā)人員交付 PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）的能力，這有助于創(chuàng)建硬件抽象層，而它能夠跨領(lǐng)先的云平臺(tái)和本地服務(wù)器運(yùn)行是另一個(gè)加分項(xiàng)。這允許團(tuán)隊(duì)輕松地跨不同平臺(tái)移動(dòng)工作負(fù)載，而無(wú)需投資于應(yīng)用程序重新設(shè)計(jì)。

Kubernetes 的主要組件包括：

• 集群：一組節(jié)點(diǎn)，通常由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)領(lǐng)導(dǎo)。其他節(jié)點(diǎn)（worker）可以是虛擬機(jī)也可以是物理機(jī)。
• Kubernetes master：根據(jù)定義的策略，master 跨所有節(jié)點(diǎn)管理應(yīng)用程序?qū)嵗獜牟渴鸬秸{(diào)度。
• Kubelet：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都運(yùn)行一個(gè)稱為 Kubelet 的代理進(jìn)程，它從 API 服務(wù)器獲取所有相關(guān)信息。
• Pod：最基本的單元，可能由位于同一主機(jī)上的多個(gè)容器組成；每個(gè) pod 都有一個(gè)唯一的 IP 地址。
• Deployments：描述 Pod 和容器實(shí)例數(shù)量的 YAML 對(duì)象
• ReplicaSet：您希望在集群中運(yùn)行的副本數(shù)量只能由 ReplicaSet 定義。如果運(yùn)行 Pod 的節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，ReplicaSet 可以確保在可用節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行調(diào)度。

碼頭群

它是另一種流行的編排工具，提供與 Docker 的完全集成。它不如 Kubernetes 復(fù)雜，是剛開(kāi)始使用容器編排的開(kāi)發(fā)人員的絕佳選擇。簡(jiǎn)而言之，Docker Swarm 由于與平臺(tái)的固有集成，使工程師能夠更輕松、更快速地進(jìn)行容器部署。盡管如此，Dockers 提供了兩者——它自己的編排工具“Swarm”和 Kubernetes——希望讓它們成為免費(fèi)的。

Swarm 的主要組件包括：

• Swarm：一組節(jié)點(diǎn)，通常伴隨著一個(gè)主節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一臺(tái)機(jī)器，無(wú)論是虛擬的還是物理的。
• 服務(wù)：管理員列出的綁定在代理節(jié)點(diǎn)上的每個(gè)任務(wù)都是一項(xiàng)服務(wù)。它有助于描述節(jié)點(diǎn)將使用哪些容器映像以及將在每個(gè)容器中執(zhí)行哪些命令。
• 管理器節(jié)點(diǎn)：顧名思義，管理器會(huì)忽略集群的交付和狀態(tài)。
• 工作節(jié)點(diǎn)：經(jīng)理分配的任務(wù)由工作人員接收。每個(gè)節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)報(bào)告，而管理器只跟蹤任務(wù)。
• 任務(wù)：在 Docker 環(huán)境中，“任務(wù)”是執(zhí)行服務(wù)中列出的命令的容器。一旦工人有任務(wù)，就不能重新分配。此外，如果任務(wù)在副本集中失敗，則會(huì)將任務(wù)的新版本分配給下一個(gè)可用的工作人員。

阿帕奇月

Mesos 由加州大學(xué)（伯克利分校）制造，比 Kubernetes 存在的時(shí)間更長(zhǎng)。它以為開(kāi)發(fā)人員提供高級(jí)可擴(kuò)展性的輕量級(jí)應(yīng)用程序而聞名。一個(gè)典型的 Mesos 可以運(yùn)行超過(guò) 10,000 個(gè)節(jié)點(diǎn)——這還不包括它允許獨(dú)立發(fā)展的框架。此外，它還支持多種流行的編程語(yǔ)言，例如 Java、C++ 和 Python。需要注意的是，Mesos 僅提供集群管理解決方案。因此，開(kāi)發(fā)人員必須構(gòu)建整個(gè)框架以啟用容器的編排——一個(gè)流行的例子包括Marathon。

Mesos 的關(guān)鍵組件包括：

• 主守護(hù)進(jìn)程：監(jiān)督工作節(jié)點(diǎn)的主節(jié)點(diǎn)。
• Agent Daemon：編排框架下發(fā)的每一個(gè)任務(wù)都由Agent完成。
• Framework：編排平臺(tái)，使其能夠從集群管理器（Mesos）接收資源并發(fā)送要執(zhí)行的任務(wù)。
• Offer：與通過(guò) Mesos 發(fā)送到編排框架的代理節(jié)點(diǎn)有關(guān)的信息。
• Task：根據(jù)資源offer需要完成的工作。

應(yīng)用編排工具的好處

最終，編排工具承擔(dān)了許多以前會(huì)讓開(kāi)發(fā)人員忙得不可開(kāi)交的流程；有了這些，資源就可以專用于更重要的任務(wù)。

以下是應(yīng)用程序編排工具的一些好處：

可運(yùn)輸性

現(xiàn)代工具允許在不影響應(yīng)用程序其余部分的情況下擴(kuò)展特定的應(yīng)用程序組件。

快速部署

面對(duì)增加的流量？編排工具可以幫助您快速創(chuàng)建新的容器化應(yīng)用程序。

提高效率

通過(guò)自動(dòng)執(zhí)行多項(xiàng)核心任務(wù)，您可以減少人為錯(cuò)誤的可能性。有了這樣一個(gè)簡(jiǎn)化的安裝過(guò)程，您的軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的工作效率就會(huì)提高。

高度安全

通過(guò)應(yīng)用程序的容器化，這些工具允許您共享資源而不會(huì)危及數(shù)據(jù)的安全性。

結(jié)論

軟件開(kāi)發(fā)行業(yè)已迅速轉(zhuǎn)向采用容器模型，因?yàn)樗试S他們簡(jiǎn)化整個(gè)部署過(guò)程。但軟件容器的成功在很大程度上得益于允許用戶自動(dòng)化容器管理的高級(jí)編排工具的出現(xiàn)。在 Kubernetes 繼續(xù)主導(dǎo)行業(yè)的同時(shí)，還有許多其他工具也具有不同的優(yōu)勢(shì)。最終，適合您的選擇取決于您的要求以及最能滿足這些要求的工具。