利用OpenVSwitch在多台主机上部署Docker的教程

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【编者的话】当你在一台主机上成功运行Docker容器后，信心满满地打算将其扩展到多台主机时，却发现前面的尝试只相当于写了个Hello World的入门程序，多主机的网络设置成了下一道门槛。在你尝试各种方案时不妨先看看本文，或许就会豁然开朗，发现原来也不复杂。嗯，是的，本文用到了 OpenVSwitch。

运行Docker已经不是什么新鲜事，网上有很多入门教程来帮助你在一台主机上运行容器。这台主机可以是Linux服务器，也可以是Mac（借助类似boot2docker的项目）。

在多台主机上运行却是另外一回事……

可选方案：

    分别在每台主机上运行Docker，在公网或内网网卡上暴露端口以便容器间相互通讯。这可能比较麻烦，而且会引发安全问题。
    运行类似Weave的中间层方案来完全地抽象网络。这个项目前景不错，不过还太年轻，尚未与compose（之前的fig）或maestro-ng这类编排工具整合。
    运行类似Deis或Flynn的Docker多主机一站式方案。这可能不在你的考虑范围内。
    在主机间的网状网络中创建一个共享网桥，让Docker服务在那运行容器。这听起来有点复杂，不过……本文中我们将看到这可以非常容易地完成！
概述

基本上，我们将执行以下步骤：

在每台服务器上安装Docker；
在每台服务器上安装OpenVSwitch；
自定义网络设置用以自动在主机间创建网桥/隧道（在每台服务器的/etc/network/interfaces里）；
自定义每个Docker服务配置，只处理docker0 IP范围的一小部分，防止新容器的IP地址发生重叠。

就是这样。重启服务或重启服务器后，你将获得一个具备连接冗余（link redundancy）的全网状网络，Docker服务可以在专用的IP范围（不会重叠）上运行容器，并且不需要在公网或内网网卡上暴露所有端口就能互联。很棒，对么？
技术

简单列一下我们用到的技术：

Docker：嗯……这是篇关于Docker与网络的文章，所以……
OpenVSwitch：非常棒的虚拟网络交换机项目，伸缩性非常好，根据本指南，你可以运行“任意”规模的网络。

我们将假定服务器运行的是Ubuntu Server 14.04.02 LTS x64，对于其它系统，你可能需要修改下面提供的各项配置。
安装
Docker

无需多言，遵循官网提供的指南就行。稍后我们将深入其配置，以便运行于服务器上的不同Docker服务可相互协作。
OpenVSwitch

糟糕的是，默认仓库里OpenVSwitch安装包不可用（或过期了），我们需要自己构建.deb文件（一次），然后分发给不同主机。为了保持生产机的整洁，可另外找台小主机来安装开发包，并构建安装包。

OpenVSwitch GitHub上有详细的构建手册。

执行下列命令来构建安装包（新版请按要求修改）：

#获取最新存档
wget http://openvswitch.org/releases/openvswitch-2.3.1.tar.gz
tar xzvf openvswitch-2.3.1.tar.gz
cd openvswitch-2.3.1

#安装依赖
sudo apt-get install -y build-essential fakeroot debhelper \
          autoconf automake bzip2 libssl-dev \
          openssl graphviz python-all procps \
          python-qt4 python-zopeinterface \
          python-twisted-conch libtool

# 构建（不使用并行检查）
DEB_BUILD_OPTIONS='parallel=8 nocheck' fakeroot debian/rules binary

# 得到最新deb文件并复制到某处
cd ..
ls -al *deb

现在你有了新的.deb安装包，接下来将其推送并安装到所有主机上。

# 复制包到各主机并ssh登录
scp -r *deb user@remote_host:~/.
ssh user@remote_host

# 安装一些依赖（后面需要）并安装包
sudo apt-get install -y bridge-utils
sudo dpkg -i openvswitch-common_2.3.1-1_amd64.deb \
     openvswitch-switch_2.3.1-1_amd64.deb

配置
网络

你可以使用OpenVSwitch提供的不同命令行工具来构建网状网络（比如ovs-vsctl），不过Ubuntu提供了一个辅助工具让你可以通过/etc/network/interfaces文件定义网络。

假定三台主机：1.1.1.1、2.2.2.2和3.3.3.3，可以通过上述IP相互ping通，它们是在公网或内网上并不重要。host1的/etc/network/interfaces大概如下。

...
# eth0、eth1和lo配置
...

# auto：为了有效地在主机启动时启动它
# br0=br0：防止在`ifquery --list`时被找到
auto br0=br0
allow-ovs br0
iface br0 inet manual
ovs_type OVSBridge
ovs_ports gre1 gre2
ovs_extra set bridge ${IFACE} stp_enable=true
mtu 1462

# 没有auto，这是ovs的一个额外配置
# 两台主机的gre名字必须相符
allow-br0 gre1
iface gre1 inet manual
ovs_type OVSPort
ovs_bridge br0
ovs_extra set interface ${IFACE} type=gre options:remote_ip=2.2.2.2

allow-br0 gre2
iface gre2 inet manual
ovs_type OVSPort
ovs_bridge br0
ovs_extra set interface ${IFACE} type=gre options:remote_ip=3.3.3.3

# auto：启动时创建
# 定义docker要使用的docker0，并（在可用时）连接到到OpenVSwitch创建的br0网桥上
# 每台主机需要使用不同的IP地址（不要相互冲突！）
auto docker0=docker0
iface docker0 inet static
address 172.17.42.1
network 172.17.0.0
netmask 255.255.0.0
bridge_ports br0
mtu 1462

在其它主机上要对这个配置上做些调整：remote_ip的IP地址要相互配对。

几点说明：

生成树协议（Spanning Tree Protocol）：如果应用该配置，将在3台服务器中创建一个网络回路，这可不行。给br0网桥添加stp_enable=true将确保一些gre隧道被切断。同时确保网状网络的冗余，允许网络在其中一台主机下线时恢复。
MTU：这是一项关键设定！没有这项，你可能获得一些意外“惊喜”：网络看起来工作正常（比如可以ping），但无法支持大数据包（比如BW测试中的iperf、大数据量请求或简单的文件复制）。注意，GRE隧道需要封装多种协议：
以太网：14字节——我们说的是网桥间的第2层；
IPv4：20字节——容器/主机间通讯；
GRE：4字节——因为，嗯，这是个GRE隧道；
也就是物理网卡MTU减去38字节，结果是1462（基于常规的1500 MTU网卡）。
在auto定义中使用“=”：对于具有固定IP的服务器这不是必需的，但有些云服务商（这里就不说是谁了……Digital Ocean（译者：软广再次乱入））使用了一个依靠ifquery --list --allow auto的init服务（/etc/init/cloud-init-container.conf）。不加上“=”号将包含OpenVSwitch网卡，并延迟整个启动过程直到init脚本失败并超时。
docker0网桥：每台服务器都需要自己的IP地址（比如172.17.42.1、172.17.42.2）。由于docker0网桥处在br0网桥之上，它们将（也应该！）可以相互连接。想象一下，要解决IP冲突会有多乱……这也是为什么我们要在启动时定义它，而不依赖docker服务来为我们创建这个网桥。
GRE隧道：你可以从gre0（而不是gre1）开始，它能完美工作。但由于某种原因，在输入ifconfig时你可以看到gre0，却看不到其他隧道。这可能是gre0作为虚拟网卡的一个副作用。从gre1开始将让所有的gre隧道对ifconfig“隐身”（好过于只能看见一个）。别着急，你还是可以使用ovs-vsctl命令显示隧道/网桥。
3台以上主机：你可以遵循相同的逻辑，并且：
添加额外的隧道（iface greX）来连接新主机。
在br0网桥定义中更新ovs_ports以包含interfaces文件中定义的所有gre隧道。
聪明点……不要将每台服务器跟其他主机一一链接……STP收敛（convergence）将需要更长的时间，并且无法提供任何除了多重额外链路冗余之外的有用价值。

如果现在重启服务器，你将拥有一个具备冗余的网状网络，你可以运行以下命令来测试：

从host1上ping 172.17.42.2或其他IP；
在主机上运行iperf，通过ifconfig查看使用中的链接；
在ping第三台主机时停止“中间”那台，查看网络收敛（通过STP）时ping中断了几秒钟。

Docker

我们现在有了一个完善的网络，每个Docker服务都可以将它们的容器挂接到docker0网桥上。让Docker自动完成这步不是很棒么？答案在于Docker有能力分配一个最小的IP地址池！

对于该示例，我们假定：

每台主机（1.1.1.1、2.2.2.2、3.3.3.3）挂接到前面创建的docker0网桥上，其各自的IP地址是172.17.42.1、172.17.42.2、172.17.42.3；
给docker0网卡指定了一个/16的IP范围；
给每台主机指定了一小块docker0的IP范围，以/18 fixed-cidr的形式保存在它们的docker服务配置中。分别是172.17.64.0/18、172.17.128.0/18、172.17.192.0/18。

如果你的主机多于3台，你需要细分一个每个范围，或根据组织需要对整个网络拓扑结构进行重新考虑。

host1的配置文件（/etc/default/docker）是这样的：

BRIDGE=docker0
CIDR=172.17.64.0/18

wait_ip() {
address=$(ip add show $BRIDGE | grep 'inet ' | awk '{print $2}')
[ -z "$address" ] && sleep $1 || :
}

wait_ip 5
wait_ip 15

DOCKER_OPTS="
-H unix:///var/run/docker.sock
-H tcp://0.0.0.0:2375
--fixed-cidr=$CIDR
--bridge $BRIDGE
--mtu 1462
"

你可以根据需要修改DOCKER_OPTS配置，添加镜像、不安全的registry、DNS等等。

说明：

wait_ip：由于docker0网桥最后被创建，获取IP地址可能需要花点时间。使用wait_ip“功能”，你可以在返回docker init脚本前安全地等待几秒钟。该配置文件是被真正的init脚本（/etc/init/docker.conf）所引用。
mtu：与前面相同原因，只是一个预防措施，用于确保每个网卡被创建时会被指定正确的MTU。
-H tcp://……：如果你不想通过0.0.0.0将其“公开”（或绑定到服务器“真实”网卡之一），你也可以将它安全地绑定到……该主机的docker0 IP地址（比如172.17.42.2）！这样，你可以从任何一台主机访问到私有网状网络里的任何一个docker服务。

结语

重启一下（至少保证启动时所有东西都会自动上线）。

你可以试试以下命令看看一切是否正常。

# 访问host1
ssh user@host1

# 运行一个新容器
docker run -ti ubuntu bash

# 检查IP（在容器内运行）
ip add | grep eth0


#
# 在其他窗口中
#
# 访问另一台主机（host2或3）
ssh user@host2

# 运行一个新容器
docker run -ti ubuntu bash

# Ping其他的容器！
ping $IP

这不是一份指导如何在多主机上设置Docker的权威指南，欢迎大家提出批评（译者注：译稿也一样，请大家多多指正）。很多想法是在整体安装时产生的，本文尽可能详细地说明了为何选择这个或那个选项。

如果将分级网桥、VLAN等包括进来，事情将更复杂，不过那超出了本文的范围。;)

显然，更完整的网络是有需求的，而且看起来这个已经在开发中。