Kubernetes VS Docker Swarm：选择适合自己的容器编排工具

一、介绍

1. 什么是容器编排工具

容器编排工具是一种自动化部署和管理容器的工具。

2. 容器编排工具的重要性

利用容器编排工具可以方便地解决容器化应用程序的部署、扩展和高可用性等问题。

3. 为什么选择 Kubernetes 和 Docker Swarm 进行比较

Kubernetes 和 Docker Swarm 是目前最流行的两个容器编排工具，因此选用它们来进行比较。

二、Kubernetes

1. Kubernetes 的基础知识

1.1 Kubernetes 的来源和发展背景

Kubernetes 源于 Google 的 Borg 项目，于 2014 年开源，是一个成熟的容器编排工具。

1.2 Kubernetes 的主要特点和优势

Kubernetes 具有自我修复、水平扩展和服务发现等特点，可以提高应用程序的可靠性和可扩展性。此外，Kubernetes 拥有完整的生态圈和广泛的应用场景。

2. Kubernetes 的工作原理

2.1 Kubernetes 中的组件和角色

• Master 节点：主控节点，用于管理整个 Kubernetes 集群。
• Node 节点：工作节点，负责运行应用程序和托管使用的容器。

主控节点和工作节点都由多个组件组成。其中，主控节点由 kube-apiserver、kube-controller-manager、kube-scheduler、etcd（可选）和 Add-ons 等组成；工作节点由 kubelet、kube-proxy 等组件和容器运行时等组成。

# 运行以下命令查看 Kubernetes 集群中的节点和组件
$ kubectl get nodes
$ kubectl get componentstatuses

Kubernetes 中的核心概念包括：

• Pod：一个或多个容器组成的最小调度单元。
• ReplicaSet：确保指定数量的 Pod 副本在任何时候都在运行。
• Deployment：对 ReplicaSet 进行声明式更新，从而实现容器应用程序的滚动升级。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: my-pod
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-pod
    spec:
      containers:
      - name: my-container
        image: my-image
        ports:
        - containerPort: 80

以上是一个 Kubernetes 的 YAML 文件示例，用于声明式地创建 Deployment 和 Pod。

$ kubectl apply -f my-deployment.yaml

使用 kubectl 工具来创建 Deployment 和 Pod。

2.2 Kubernetes 中的容器编排流程

1. 应用程序容器镜像的构建
2. 容器的部署
3. 服务暴露
4. 应用程序的伸缩扩展
5. 容器的销毁

# 运行以下命令来创建 Kubernetes 服务和暴露端口
$ kubectl create deployment my-deployment --image=my-image
$ kubectl expose deployment my-deployment --port=80 --target-port=80 --type=NodePort
$ kubectl scale deployment my-deployment --replicas=5
$ kubectl delete deployment my-deployment

以上是 Kubernetes 中常见操作的命令示例。

三、Docker Swarm

1. Docker Swarm 的基础知识

1.1 Docker Swarm 的来源和发展背景

Docker Swarm 是 Docker 公司于 2015 年推出的一款容器编排工具，旨在解决多主机集群环境下的容器编排问题。

1.2 Docker Swarm 的主要特点和优势

Docker Swarm 具有跨主机调度、服务发现、负载均衡等功能，可以轻松管理和扩展 Docker 容器应用程序。此外，Docker Swarm 和 Docker 社区支持的庞大生态环境也是其优势之一。

2. Docker Swarm 的工作原理

2.1 Docker Swarm 中的组件和角色

Docker Swarm 可以分为 Manager 和 Worker 两个角色。其中，Manager 负责群集管理和任务分配，Worker 负责容器实例的创建和运行。

Docker Swarm 的组件包括：

• Swarm Manger：用于管理 Swarm 集群，实现群集调度和任务分配等功能。
• Swarm Agent：运行在 Worker 节点上的一个本地代理，用于向 Swarm Manager 报告节点状态。
• Swarm Service：Docker Swarm 的核心概念之一，用于创建和管理容器服务。
• Swarm Task：Docker Swarm 中的另一个核心概念，代表正在运行的容器实例。

# 运行以下命令初始化 Docker Swarm 集群
$ docker swarm init
# 运行以下命令加入 Docker Swarm 集群
$ docker swarm join --token <token> <ip>:<port>

使用 Docker 命令初始化和加入 Docker Swarm 集群。

2.2 Docker Swarm 中的容器编排流程

Docker Swarm 中的容器编排流程与 Kubernetes 类似，也可以分为镜像构建、容器部署、服务暴露、伸缩扩展和容器销毁等阶段。其中，使用 Docker Stack 和 Docker Compose 等工具可以更加便捷地实现容器编排。

version: "3"
services:
  web:
    image: my-image
    deploy:
      replicas: 5
      restart_policy:
        condition: on-failure
    ports:
      - "8080:80"
  redis:
    image: redis

以上是 Docker Compose 的 YAML 文件示例，用于声明式地创建和管理 Docker Swarm 中的服务。

# 运行以下命令来创建 Docker Swarm 服务
$ docker stack deploy -c docker-compose.yml my-service
$ docker stack ls
$ docker service ls
$ docker stack ps my-service
$ docker stack remove my-service

可以使用 docker stack 命令来创建、查看和删除 Docker Swarm 服务，并使用 docker service 命令来管理服务实例。

3. Docker Swarm 的使用场景

3.1 Docker Swarm 在小规模容器管理中的应用

Docker Swarm 对于小规模应用程序的容器化和部署非常适合。相比其他容器编排工具，Docker Swarm 更加轻量级和便捷，易于上手和使用。

3.2 Docker Swarm 在环境部署和持续集成中的应用

Docker Swarm 也非常适合用于环境部署和持续集成等场景。通过使用 Docker Compose 和 Docker Stack 等工具，可以轻松地实现 Docker 容器的编排和管理，提高开发效率和容器应用程序的可靠性。

4. Docker Swarm 的网络模型和负载均衡

4.1 Docker Swarm 中的服务发现和负载均衡

Docker Swarm 提供了内置的服务发现和负载均衡机制，可以根据需要动态调整容器的部署和扩展，并将应用程序服务暴露给用户访问。

4.2 Docker Swarm 网络模型的原理和实现方式

Docker Swarm 网络模型中的每一个服务都可以访问底层的 Overlay 网络，Docker Swarm 提供了多种网络驱动程序和插件来满足不同的网络需求。其中，Docker Swarm 在网络传输中使用 VXLAN 进行数据包的封装和解封装，以实现跨主机的容器网络通信。同时，Docker Swarm 也支持使用插件扩展网络功能，如 Calico、Flannel 等。

四、Kubernetes VS Docker Swarm

容器编排工具是现代化应用程序部署的标准方式之一。Kubernetes（K8s）和 Docker Swarm 是容器编排工具中两个最流行的选项。它们都提供了方便的方法来部署、管理和扩展容器集群，但在它们的实现方式、使用场景和优劣势上也存在一些不同之处。下面我们将会从多个方面对 Kubernetes 和 Docker Swarm 进行比较。

1. Kubernetes 和 Docker Swarm 的共同点和差异

1.1 容器编排原理的异同点

在 Kubernetes 中，一个应用程序被视为一个或多个对外提供服务的容器实例，具有自己的 Pod，而 Pod 又被组织在 Deployment、StatefulSet 或 DaemonSet 等控制器中。Kubernetes 通过对容器实例的调度和管理来实现容器编排的自动化。

Docker Swarm 也可以将应用程序定义为一个或多个服务，每个服务包含一个或多个容器实例，可以通过 Deploy 命令来创建、更新和扩展服务，通过 Stack 命令来管理多个服务的编排和部署。

相同点：Kubernetes 和 Docker Swarm 都采用了类似单元化的容器编排模式，使得应用程序可以以较小的模块组成并可以跨节点部署，同时提供了多种自动扩展、容错和故障恢复机制。

不同点：Kubernetes 在容器编排原理上更加复杂和灵活，支持更多的对象类型和控制器机制，同时提供了更多的资源调度、服务发现和管理工具。Docker Swarm 相对更加简单，其设计目标是针对小规模的集群环境和应用程序。

1.2 容器编排规模和复杂度的不同需求

Kubernetes 在解决大规模应用程序容器编排问题方面表现良好，它提供了丰富的 API 和控制器机制，可以满足大规模应用程序的细粒度调度、灵活性和可定制性的需求。

Docker Swarm 则更适合中小规模的容器编排，其操作简单、便于上手，但不如 Kubernetes 提供丰富的组件和管理工具，也不能支持一些更高级的容器编排使用场景。

1.3 容器编排的架构和设计特点

Kubernetes 采用了高可用性的分布式架构，通过主从节点的设计来保证系统的可靠性和可用性。它提供了众多高级特性，例如简化负载均衡、网络隔离和管理，可以轻松地处理多种容器环境和模式。

Docker Swarm 的设计目标之一是提供简单易用的容器编排功能。它的架构相对较简单，容易安装和部署，但缺少一些高级特性，例如构建自定义调度算法等。

2. Kubernetes 和 Docker Swarm 的优缺点对比

2.1 Kubernetes 的主要优势和劣势

优势：

• 可扩展、高可用和稳定。
• 丰富的 API 和资源管理机制。
• 多样化的自定义开发和插件支持。
• 适用于大规模容器编排和多种应用程序环境。

劣势：

• 复杂性高，需要学习和掌握更多概念和技能。
• 不适合小规模应用程序。
• 一些高级特性需要额外的插件和配置。

2.2 Docker Swarm 的主要优势和劣势

优势：

• 简单易用，学习成本低。
• 非常适合中小规模的应用程序。
• 对于 Docker 生态系统的支持性更好。

劣势：

• 在大规模应用程序环境中可能性能不佳。
• 缺乏某些高级特性和扩展工具。
• 非常依赖于 Docker 本身的功能和命令。

3. 如何选择适合自己的容器编排工具

3.1 根据需求和场景进行选择

选择容器编排工具时，需考虑应用程序的规模、负载、可用性和安全要求等因素。如果采用云原生架构，需要考虑服务网格和微服务架构的相关需求。

3.2 根据团队和技术基础进行选择

在选择容器编排工具过程中，还需考虑团队的技术基础和熟悉程度，如果团队成员熟悉 Kubernetes，那么使用 Kubernetes 可以快速提高生产力，也可以通过培训等方式来提升对 Kubernetes 的理解和应用；同时，如果团队重视 Docker 生态环境，Docker Swarm 可能是更好的选择。

五、实践经验和建议

1. Kubernetes 和 Docker Swarm 的最佳实践

1.1 Kubernetes 最佳实践

1. 整合 Kubernetes API Server 访问控制，使用 RBAC 等 Kubernetes 内置的安全特性。

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: my-rolebinding
  namespace: my-app
roleRef:
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
  kind: Role
  name: my-role
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: my-serviceaccount
  namespace: my-app

2. 为 Deployment、StatefulSet、DaemonSet 等控制器设置 PodAntiAffinity，以实现可靠性和负载均衡。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: my-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-app
    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity:
          preferredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
            - weight: 1
              podAffinityTerm:
                labelSelector:
                  matchExpressions:
                    - key: app
                      operator: In
                      values:
                        - my-app
                topologyKey: kubernetes.io/hostname
      containers:
      - name: my-container
        image: my-image:latest

3. 使用 StatefulSet 来管理有状态的应用程序，以实现数据持久化和集群数据复制。

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: my-statefulset
spec:
  replicas: 3
  serviceName: my-service
  selector:
    matchLabels:
      app: my-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-app
    spec:
      containers:
      - name: my-container
        image: my-image:latest
        volumeMounts:
        - name: my-volume
          mountPath: /data
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: my-volume
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 10Gi

1.2 Docker Swarm 最佳实践

1. 使用 Docker Swarm 时，建议使用 Docker Compose 来定义和管理服务的编排和部署，这样可以更方便的管理并扩展服务。

version: '3.7'
services:
  my-app:
    image: my-image:latest
    deploy:
      replicas: 3
    networks:
      - my-network

networks:
  my-network:
    driver: overlay

2. 使用 Docker Swarm Ingress 来解决多个服务的负载均衡问题，通过配置绑定端口和路由规则，可以实现服务的高可用性和灵活性。

version: '3'
services:
  my-app:
    image: my-image:latest

networks:
  my-network:
    driver: overlay

configs:
  my-config:
    file: ./config.conf

secrets:
  my-secret:
    file: ./secret.txt

deploy:
  replicas: 3
  mode: replicated
  endpoint_mode: vip
  update_config:
    parallelism: 2
    delay: 5s
  rollback_config:
    parallelism: 1
    delay: 0s
    monitor: 10s
  resources:
    limits:
      cpus: '1'
      memory: 128M
    reservations:
      cpus: '0.5'
      memory: 64M
  restart_policy:
    condition: any
    max_attempts: 3
    delay: 5s

ports:
  - target: 80
    published: 80
    protocol: tcp
    mode: host

configs:
  my-config:
    name: my-config
    configs:
      - source: my-config
        target: /config.conf

secrets:
  my-secret:
    name: my-secret
    secrets:
      - source: my-secret
        target: /secret.txt

networks:
  my-network:
    external: true

2. 容器编排工具的升级和升级策略

容器编排工具的升级是非常重要的，需要谨慎考虑，更好的升级策略有以下几点：

1. 在升级前，备份重要的配置文件和数据，以便再次升级出现问题时能够恢复。

2. 在测试环境中进行彻底的测试，确保应用程序在新版本的容器编排工具中能够正常运行，并且与其它应用程序和服务兼容。

3. 使用滚动升级的方式，逐步将旧版本的节点更换为新版本的节点，以避免在一次升级中出现故障和不兼容性的问题。

4. 选择合适的升级时间，确保升级的时间不会对应用程序的正常运行造成影响。

3. 容器编排的未来发展和趋势展望

3.1 服务网格

服务网格是一种相对新的容器编排模式，它通过使用专门的代理程序来管理网络通信和服务发现，以进一步简化微服务架构和多容器应用程序的编排和管理。

3.2 自动化运维和安全性

容器编排工具未来最大的趋势是自动化运维和微服务安全。通过自动化运维可以进一步提高个人开发者、企业和开源社区的协同能力，同时也可以节省运维人员自己部署应用的时间。在容器编排工具中，数据安全是一个复杂的问题，近年来出现了很多新的解决方案，比如 Kubernetes 的 Pod Security Policy 和 Docker 的 Notary 等。

3.3 应用程序计算模式的演进

未来的容器编排工具不仅仅能够支持 Linux 容器，还会包括新的计算模式，例如 FaaS 和 Serverless 等。在这种新模式下，应用程序可以更加灵活地运行，而且具有更高的可扩展性和可移植性。Excelion 和 OpenFaaS 等工具就是可选的容器编排工具，例如 OpenFaaS 可以在 Kubernetes 和 Docker Swarm 环境下进行部署。

六、小结回顾

容器编排工具是一种管理和编排容器应用程序的工具，它可以管理大规模的容器集群并维护应用程序的高可用性和可伸缩性。Kubernetes 和 Docker Swarm 是目前最受欢迎的容器编排工具。文章将介绍 Kubernetes 和 Docker Swarm 的基础知识、工作原理、优缺点以及如何选择适合自己的工具。

Kubernetes 是由 Google 开源的容器编排工具，它帮助开发者自动化容器的部署、扩展、运维和应用程序服务发现。Kubernetes 的基础知识包括来源和发展背景、主要特点和优势。Kubernetes 的工作原理包括组件和角色、容器编排流程等。

Docker Swarm 是 Docker 官方提供的容器编排工具，它将多个 Docker 容器实例作为一个逻辑单元来管理和编排。Docker Swarm 的基础知识包括来源和发展背景、主要特点和优势；工作原理包括组件和角色、容器编排流程。Docker Swarm 的网络模型和负载均衡是重要的特性和优势。

Kubernetes 和 Docker Swarm 在容器编排原理的异同点、容器编排规模和复杂度的不同需求、架构和设计特点等方面有所差异。文章还对 Kubernetes 和 Docker Swarm 的优缺点进行了对比，并提出了如何选择适合自己的容器编排工具建议。

在实践方面，Kubernetes 和 Docker Swarm 都有最佳实践和升级策略。对于容器编排工具的未来发展和趋势展望，文章指出服务网格、自动化运维和安全性以及应用程序计算模式的演进是重要的议题。

总之，选择适合自己的容器编排工具需要根据具体需求和场景进行选择，同时也需要根据团队和技术基础进行策划和决策。最后，容器编排工具的提高和发展将是一个重要的趋势和焦点。