【DevOps】搭建你的第一个 Docker 应用栈

1.Docker 集群部署

Docker 是一个新兴的轻量级虚拟化技术，其易用、跨平台、可移植的特性使其在集群系统的搭建方面有着得天独厚的优势。Docker 能够标准化封装应用程序所需的整个运行时环境，因此基于 Docker，我们可以实现分布式应用集群的快速、准确、自动化部署。

考虑到读者可能是初次接触 Docker 的新手，我们将降低难度，在一台机器上利用 Docker 自带的命令行工具，搭建一个 Docker 应用栈，利用多个容器来组成一个特定的应用。读者可参考应用栈部署的过程，一步一步搭建你的第一个 Docker 应用栈。对于有一定 Docker 使用经验的读者，也可尝试在多台机器上搭建一个真正的 Docker 集群，相信这个过程将对理解 Docker 相关工作原理大有裨益。

2.第一个 Hello World

在 Docker 中，镜像是容器的基础，可以通过镜像来运行容器。本节将举例说明如何有效地利用 Docker Hub 中已有的镜像资源来搭建一个 Docker 应用栈。

在开始搭建过程前，需要对所要搭建的应用栈进行简单的设计和描述：我们将搭建一个包含 $6$ 个节点的 Docker 应用栈，其中包括一个代理节点、两个 Web 的应用节点、一个主数据库节点及两个从数据库节点。应用栈具体结构如下图所示。

上图中，HAProxy 是负载均衡代理节点；Redis 是非关系型的数据库，它由一个主数据库节点和两个从数据库节点组成；App 是应用，这里是使用 Python 语言、基于 Django 架构设计一个访问数据库的基础 Web 应用。

2.1 获取应用栈各节点所需镜像

在搭建过程中，可以从 Docker Hub 获取现有可用的镜像，在这些镜像的基础上启动容器，按照需求进行修改来实现既定的功能。读者能在此过程中体会到 Docker 的高可移植特性所带来的便利，既提高了应用开发的效率，又降低了开发的难度。

依据上文所描述的应用栈结构，需要从 Docker Hub 获取 HAProxy、Redis 及 Django 的镜像。具体的操作示例如下：

$ sudo docker pull ubuntu
$ sudo docker pull django
$ sudo docker pull haproxy
$ sudo docker pull redis
$ sudo docker images

2.2 应用栈容器节点互联

在搭建第一个 Hello World 应用栈时，将在同一主机下进行 Docker 应用栈搭建。如果是一个真正的分布式架构集群，还需要处理容器的跨主机通信问题，在这里我们将不做介绍。鉴于在同一主机下搭建容器应用栈的环境，只需要完成容器互联来实现容器间的通信即可，这里采用 docker run 命令的 --link 选项建立容器间的互联关系。

这里介绍一下 --link 选项的用法，通过 --link 选项能够进行容器间安全的交互通信，使用格式为 name:alias，其中 name 为连接容器的名称，alias 为连接的别名，可在一个 docker run 中重复使用该参数。使用示例如下：

$ sudo docker run --link redis:redis --name console ubuntu bash

上例将在 ubuntu 镜像上启动一个容器，并命名为 console，同时将新启动的 console 容器连接到名为 redis 的容器上。在使用 --link 选项时，连接通过容器名来确定容器，这里建议启动容器时自定义容器名。

通过 --link 选项来建立容器间的连接，不但可以避免容器的 IP 和端口暴露到外网所导致的安全问题，还可以防止容器在重启后 IP 地址变化导致的访问失效，它的原理类似于 DNS 服务器的域名和地址映射。当容器的 IP 地址发生变化时，Docker 将自动维护映射关系中的 IP 地址，文件示例如下：

# 容器启动命令
$ sudo docker run -it --name redis-slave1 --link redis-master:master redis /bin/bash
# 容器内查看 /etc/hosts 文件
# cat /etc/hosts
172.17.0.6  08df6a2cb468
127.0.0.1   localhost
...
172.17.0.5  master

该容器的 /etc/host 文件中记录了名称为 master 的连接信息，其对应 IP 地址为 172.17.0.5，即 redis-master 容器的 IP 地址。

通过上面的原理可以将 --link 设置理解为一条 IP 地址的单向记录信息，因此在搭建容器应用栈时，需要注意各个容器节点的启动顺序，以及对应的 --link 参数设置。应用栈各节点的连接信息如下：

• 启动 redis-master 容器节点；
• 两个 redis-slave 容器节点启动时要连接到 redis-master 上；
• 两个 APP 容器节点启动时要连接到 redis-master 上；
• HAProxy 容器节点启动时要连接到两个 APP 节点上。

综上所述，容器的启动顺序应为：
redis-master → redis-slave → APP → HAProxy

此外，为了能够从外网访问应用栈，并通过 HAProxy 节点来访问应用栈中的 APP，在启动 HAProxy 容器节点时，需要利用 -p 参数暴露端口给主机，即可通过主机 IP 加暴露的端口从外网访问搭建的应用栈。

2.3 应用栈容器节点启动

之前已经对应用栈的结构进行了分析，获取了所需的镜像资源，同时描述了应用栈中各个容器之间的互连关系，下面开始利用所获得的镜像资源来启动各个容器。应用栈各容器节点的启动命令如下：

# 启动 Redis 容器
$ sudo docker run -it --name redis-master redis /bin/bash
$ sudo docker run -it --name redis-slave1 --link redis-master:master redis /bin/bash
$ sudo docker run -it --name redis-slave2 --link redis-master:master redis /bin/bash

# 启动 Django 容器，即应用
$ sudo docker run -it --name APP1 --link redis-master:db -v ~/Projects/Django/App1:/usr/src/app django /bin/bash
$ sudo docker run -it --name APP2 --link redis-master:db -v ~/Projects/Django/App2:/usr/src/app django /bin/bash

# 启动 HAProxy 容器
$ sudo docker run -it --name HAProxy --link APP1:APP1 --link APP2:APP2 -p 6301:6301 -v ~/Projects/HAProxy:/tmp haproxy /bin/bash

以上容器启动时，为了方便后续与容器进行交互操作，统一设定启动命令为 /bin/bash，请在启动每个新的容器时都分配一个终端执行。

启动的容器信息可以通过 docker ps 命令查看，示例如下：

$ sudo docker ps
CONTAINER ID    IMAGE             COMMAND                CREATED      STATUS          PORTS                   NAMES   
bcoa13093fd1    haproxy:latest    "/bin/bash"            5 days ago   Up 21 seconds   0.0.0.0:6301->6301/tcp  HAProxy
f92e170d7c3f    django:latest     "/bin/bash"            5 days ago   Up 27 seconds                           APP2
a1705c6e06a8    django:latest     "/bin/bash"            5 days ago   Up 34 seconds                           APP1
7age537b661b    redis:latest      "/entrypoint.sh /bin"  5 days ago   Up 46 seconds   6379/tcp                redis-slave2
08df6a2cb468    redis:latest      "/entrypoint.sh /bin"  5 days ago   Up 57 minutes   6379/tcp                redis-slave1
bc8e79b3e66c    redis:latest      "/entrypoint.sh /bin"  5 days ago   Up 58 minutes   6379/tcp                redis-master

至此，所有搭建应用栈所需容器的启动工作已经完成。

2.4 应用栈容器节点的配置

在应用栈的各容器节点都启动后，需要对它们进行配置和修改，以便实现特定的功能和通信协作，下面按照容器的启动顺序依次进行解释。

2.4.1 Redis Master 主数据库容器节点的配置

Redis Master 主数据库容器节点启动后，我们需要在容器中添加 Redis 的启动配置文件，以启动 Redis 数据库。

需要说明的是，对于需要在容器中创建文件的情况，由于容器的轻量化设计，其中缺乏相应的文本编辑命令工具，这时可以利用 volume 来实现文件的创建。在容器启动时，利用 -v 参数挂载 volume，在主机和容器间共享数据，这样就可以直接在主机上创建和编辑相关文件，省去了在容器中安装各类编辑工具的麻烦。

在利用 Redis 镜像启动容器时，镜像中已经集成了 volume 的挂载命令，所以我们需要通过 docker inspect 命令来查看所挂载 volume 的情况。打开一个新的终端，执行如下命令：

$ sudo docker inspect --format "{{ .Volumes }}" bc8e
map[/data:/var/lib/docker/vfs/dir/f01cd2d7cecba683e74def4ae9c3c6bf5952a8cfafddbe19136d916154afee34]

可以发现，该 volume 在主机中的目录为 /var/lib/docker/vfs/dir/fo1cd2d7cecba683e74def4ae9c3c6bf5952a8cfafddbe19136d916154afee34，在容器中的目录为 /data。此时，可以进入主机的 volume 目录，利用启动配置文件模板来创建我们的主数据库的启动配置文件，执行命令如下：

# cd /var/lib/docker/vfs/dir/f01cd2d7cecba683e74def4ae9c3c6bf5952a8cfafddbe19136d916154afee34
# cp <your-own-redis-dir>/redis.conf redis.conf
# vim redis.conf

其中，<your-own-redis-dir> 可以是本机上任意与 redis 镜像内 redis 版本兼容的 redis 目录，下同。对于 Redis 的主数据库，需要修改模板文件中的如下几个参数：

daemonize yes
pidfile /var/run/redis.pid

在主机创建好启动配置文件后，切换到容器中的 volume 目录，并复制启动配置文件到 Redis 的执行工作目录，然后启动 Redis 服务器，执行过程如下：

# cd /data
# cp redis.conf /usr/local/bin
# cd /usr/local/bin
# redis-server redis.conf

以上就是配置 Redis Master 容器节点的全部过程，在完成配置另外两个 Redis Slave 节点后，再对应用栈的数据库部分进行整体测试。

2.4.2 Redis Slave 从数据库容器节点的配置

与 Redis Master 容器节点类似，在启动 Redis Slave 容器节点后，需要首先查看 volume 信息。

$ sudo docker inspect --format "{{ .Volumes }}" 08df
map[/data:/var/lib/docker/vfs/dir/f74cebbbod5ceea04e6f47a4750053d9f3a013938abc959d019609c4085cbf4e]

# cd /var/lib/docker/vfs/dir/f74cebbbod5ceea04e6f47a4750053d9f3a013938abc959d019609c4085cbf4e
# cp <your-own-redis-dir>/redis.conf redis.conf
# vim redis.conf

对于 Redis 的从数据库，需要修改如下几个参数：

daemonize yes
pidfile /var/run/redis.pid
slaveof master 6379

需要注意的是，slaveof 参数的使用格式为 slaveof <masterip> <masterport>，可以看到对于 masterip 使用了 --link 参数设置的连接名来代替实际 IP 地址。通过连接名互连通信时，容器会自动读取它的 host 信息，将连接名转换为实际 IP 地址。

在主机创建好启动配置文件后，切换到容器中的 volume 目录，并复制启动配置文件到 Redis 的执行工作目录，然后启动 Redis 服务器，执行过程如下：

# cd /data
# cp redis.conf /usr/local/bin
# cd /usr/local/bin
# redis-server redis.conf

同理，可以完成对另一个 Redis Slave 容器节点的配置。至此，便完成了所有 Redis 数据库容器节点的配置。

2.4.3 Redis 数据库容器节点的测试

完成 Redis Master 和 Redis Slave 容器节点的配置以及服务器的启动后，可以通过启动 Redis 的客户端程序来测试数据库。

首先，在 Redis Master 容器内，启动 Redis 的客户端程序，并存储一个数据，执行过程如下：

# redis-cli
127.0.0.1:6379> set master bc8e
OK
127.0.0.1:6379> get master
"bc8e"

随后，在两个 Redis Slave 容器内，分别启动 Redis 的客户端程序，查询先前在 Master 数据库中存储的数据，执行过程如下：

# redis-cli
127.0.0.1:6379> get master
"bc8e"

由此可以看到，Master 数据库中的数据已经自动同步到了 Slave 数据库中。至此，应用栈的数据库部分已搭建完成，并通过测试。

2.4.4 APP 容器节点（Django）的配置

Django 容器启动后，需要利用 Django 框架，开发一个简单的 Web 程序。为了访问数据库，需要在容器中安装 Python 语言的 Redis 支持包，执行如下命令：

# pip install redis

安装完成后，进行简单的测试来验证支持包是否安装成功，执行过程如下：

# python
>>> import redis
>>> print(redis._file__)
/usr/local/lib/python3.4/site-packages/redis/__init__.py

如果没有报错，说明已经可以使用 Python 语言来调用 Redis 数据库。接下来，就开始创建 Web 程序。以 APP1 为例，在容器启动时，挂载了 -v ~/Projects/Django/App1:/usr/src/app 的 volume，方便进入主机的 volume 目录来对新建 APP 进行编辑。

在容器的 volume 目录 /usr/src/app/ 下，开始创建 APP，执行过程如下：

# 在容器内
# cd /usr/src/app/
# mkdir dockerweb
# cd dockerweb/
# django-admin.py startproject redisweb
# ls
redisweb
# cd redisweb/
# ls
manage.py redisweb
# python manage.py startapp helloworld
# ls
helloworld manage.py redisweb

在容器内创建 APP 后，切换到主机的 volume 目录 ~/Projects/Django/App1，进行相应的编辑来配置 APP，执行过程如下：

# 在主机内
$ cd ~/Projects/Django/App1
$ ls
dockerweb

可以看到，在容器内创建的 APP 文件在主机的 volume 目录下同样可见。之后，我们来修改 helloworld 应用的视图文件 views.py。

$ cd dockerweb/redisweb/helloworld/
$ ls
admin.py __init__.py migrations models.py tests.py views.py
# 利用 root 权限修改 views.py
$ sudo su
# vim views.py

为了简化设计，只要求完成 Redis 数据库信息输出，以及从 Redis 数据库存储和读取数据的结果输出。views.py 文件如下：

from django.shortcuts import render
from django.http import HttpResponse# 创建你自己的 view
import redisdef hello(request):str = redis.__file__str += "<br>"r = redis.Redis(host='db', port=6379, db=0)info = r.info()str += ("Set Hi <br>")r.set('Hi','Helloworld-APP1')str += ("Get Hi: %s <br>" % r.get('Hi'))str += ("Redis Info: <br>")str += ("Key: Info Value")for key in info:str += ("%s: %s <br>" % (key, info[key]))return HttpResponse(str)

需要注意的是，连接 Redis 数据库时，使用了 --link 参数创建 db 连接来代替具体的 IP 地址；同理，对于 APP2，使用相应的 db 连接即可。完成 views.py 文件修改后，接下来修改 redisweb 项目的配置文件 setting.py，添加新建的 helloworld 应用，执行过程如下：

# cd ../redisweb/
# ls
_init__.py __pycache__ settings.py urls.py wsgi.py
# vim setting.py

在 setting.py 文件中的 INSTALLED_APPS 选项下添加 helloworld，执行过程如下：

# Application definition
INSTALLED_APPS = ('django.contrib.admin','django.contrib.auth','django.contrib.contenttypes','django.contrib.sessions','django.contrib.messages','django.contrib.staticfiles','helloworld',
)

最后，修改 redisweb 项目的 URI 模式文件 urls.py，它将设置访问应用的 URL 模式，并为 URL 模式调用视图函数之间的映射表。执行如下命令：

# vim urls.py

在 urls.py 文件中，引人 helloworld 应用的 hello 视图，并为 hello 视图添加一个 urlpatterns 变量。urls.py 文件内容如下：

from django.conf.urls import patterns, include, url
from django.contrib import admin
from helloworld.views import hellourlpatterns = patterns('',url(r'admin/', include(admin.site.urls)),url(r'helloworld$',hello),
)

在主机下修改完成这几个文件后，需要再次进入容器，在目录 /usr/src/app/dockerweb/redisweb 下完成项目的生成。执行过程如下：

# python manage.py makemigrations
No changes detected
# python manage.py migrate
Operations to perform:Apply all migrations: sessions, contenttypes, admin, auth
Running migrations:Applying contenttypes.0001_initial... OKApplying auth.0001_initial... OKApplying admin.0001_initial... OKApplying sessions.0001_initial... OK
# python manage.py syncdb
Operations to perform:Apply all migrations: admin, auth, sessions, contenttypes
Running migrations:No migrations to apply.You have installed Django's auth system, and don't have any superusers defined.
Would you like to create one now? (yes/no): yes
Username (leave blank to use 'root'): admin
Email address: [e-mail]
Password:
Password (again):
Superuser created successfully.

至此，所有 APP1 容器的配置已经完成，另一个 APP2 容器配置也是同样的过程，只需要稍作修改即可。配置完成 APP1 和 APP2 容器后，就完成了应用栈的 APP 部分的全部配置。

在启动 APP 的 Web 服务器时，可以指定服务器的端口和 IP 地址。为了通过 HAProxy 容器节点接受外网所有的公共 IP 地址访问，实现均衡负载，需要指定服务器的 IP 地址和端口。对于 APP1 使用 8001 端口，而 APP2 则使用 8002 端口，同时，都使用 0.0.0.0 地址。以 APP1 为例，启动服务器的过程如下：

# python manage.py runserver 0.0.0.0:8001
Performing system checks...
System check identified no issues (0 silenced).
January 20, 2015 - 13:13:37
Django version 1.7.2, using settings 'redisweb.settings'
Starting development server at http://0.0.0.0:8001/
Quit the server with CONTROL-C.

2.4.5 HAProxy 容器节点的配置

在完成数据库和 APP 部分的应用栈部署后，最后部署一个 HAProxy 负载均衡代理的容器节点，所有对应用栈的访问将通过它来实现负载均衡。

首先，利用容器启动时挂载的 volume 将 HAProxy 的启动配置文件复制进容器中，在主机的 volume 目录 ~/Projects/HAProxy 下，执行过程如下：

$ cd ~/Projects/HAProxy
$ vim haproxy.cfg

其中，haproxy.cfg 配置文件的内容如下：

globallog 127.0.0.1 local0                     # 日志输出配置，所有日志都记录在本机，通过 local0 输出maxconn 4096	                         # 最大连接数chroot /usr/local/sbin	                 # 改变当前工作目录daemon	                                 # 以后台形式运行 HAProXynbproc 4	                             # 启动 4 个 HAProxy 实例pidfile /usr/local/sbin/haproxy.pid	     # pid 文件位置defaultslog 127.0.0.1 local3	        # 日志文件的输出定向mode http	                    # {tcp|http|health} 设定启动实例的协议类型option dontlognull	            # 保证 HAProXy 不记录上级负载均衡发送过来的用于检测状态没有数据的心跳包option redispatch	            # 当 serverId 对应的服务器挂掉后，强制定向到其他健康的服务器retries 2	                    # 重试两次连接失败就认为服务器不可用，主要通过后面的 check 检查maxconn 2000	                # 最大连接数balance roundrobin	            # balance 有两个可用选项：roundrobin 和 source，其中，roundrobin 表示# 轮询，而 source 表示 HAProxy 不采用轮询的策略，而是把来自某个 IP 的请求转# 发给一个固定 IP 的后端timeout connect 5000ms	        # 连接超时时间timeout client 50000ms	        # 客户端连接超时时间timeout server 50000ms	        # 服务器端连接超时时间listen redis_proxy 0.0.0.0:6301stats enablestats uri /haproxy-statsserver APP1 APP1:8001 check inter 2000 rise 2 fall 5	#你的均衡节点server APP2 APP2:8002 check inter 2000 rise 2 fall 5

随后，进入到容器的 volume 目录 /tmp 下，将 HAProxy 的启动配置文件复制到 HAProxy 的工作目录中。执行过程如下：

# cd /tmp
# cp haproxy.cfg /usr/local/sbin/
# cd /usr/local/sbin/
# ls
haproxy haproxy-systemd-wrapper haproxy.cfg
接下来利用该配置文件来启动 HAProxy 代理，执行如下命令：
# haproxy -f haproxy.cfg

需要注意的是，如果修改了配置文件的内容，需要先结束所有的 HAProxy 进程，并重新启动代理。可以使用 killall 命令来结束进程，如果镜像中没有安装该命令，则需要先安装 psmisc 包，执行如下命令：

# apt-get install psmisc
# killall haproxy

至此，完成了 HAProxy 容器节点的全部部署，同时也完成了整个 Docker 应用栈的部署。

2.4.6 应用栈访问测试

整个应用栈部署完成后，就可以进行访问测试。参考应用栈搭建时的结构图可知，整个应用栈群的访问是通过 HAProxy 代理节点来进行的。在 HAProxy 容器节点启动时，通过 -p 6301:6301 参数，映射了容器访问的端口到主机上，因此可以在其他主机上，通过本地主机的 IP 地址和端口来访问搭建好的应用栈。

在应用栈启动后，先在本地主机上进行测试。在浏览器中访问 http:/172.17.0.9:6301/helloworld 可以查看 APP1 或 APP2 的页面内容，如下图所示，具体访问到的 APP 容器节点会由 HAProxy 代理进行均衡分配。同时，可以访问 http://172.17.0.9:6301/haproxy-stats 来查看 HAProxy 的后台管理页面。其中，172.17.0.9 为 HAProxy 容器的 IP 地址。

本地测试通过后，尝试在其他主机上通过应用栈入口主机的 IP 地址和暴露的 6301 端口来访问该应用栈的 APP，即访问http:/10.10.105.87:6301/helloworld，如下图所示。其中，10.10.105.87 为宿主机的IP地址。

3.开发、测试和发布一体化

从 Docker 集群的搭建过程不难看出，通过 Docker 提供的虚拟化方式，可以快速建立起一套可复用的开发环境，以镜像的形式将开发环境分发给所有开发成员，达到了简化开发环境搭建过程的目的。Docker 的优点在于可以简化 CI（持续集成）和 CD（持续交付）的构建流程，让开发者集中精力在应用开发上，同时运维和测试也可以并行进行，并保持整个开发、测试、发布和运维的一体化。

Docker 以镜像和在镜像基础上构建的容器为基础，以容器为开发、测试和发布的单元，将与应用相关的所有组件和环境进行封装，避免了应用在不同平台间迁移时所带来的依赖性问题，确保了应用在生产环境的各阶段达到高度一致的实际效果。

在开发阶段，镜像的使用使得构建开发环境变得简单和统一。随着 Docker 的发展，镜像资源也日益丰富，开发人员可以轻易地找到适合的镜像加以利用。同时，利用 Dockerfile 也可以将一切可代码化的东西进行自动化运行。Docker 最佳实践是将应用分割成大量彼此松散耦合的 Docker 容器，应用的不同组件在不同的容器中同步开发，互不影响，为实现持续集成和持续交付提供了先天的便利。

在测试阶段，可以直接使用开发所构建的镜像进行测试，直接免除了测试环境构建的烦恼，也消除了因为环境不一致所带来的漏洞问题。

在部署和运维阶段，与以往代码级别的部署不同，利用 Docker 可以进行容器级别的部署，把应用及其依赖环境打包成跨平台、轻量级、可移植的容器来进行部署。

Docker 已经逐渐发展成为一个构建、发布、运行分布式应用的开放平台，以轻量级容器为核心建立起了一套完整的生态系统，它重新定义了应用开发、测试、交付和部署的过程。在当前云计算飞速发展的背景下，Docker 将引领着云时代进入一个崭新的发展阶段。