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在容器化和云计算的环境中，在分布式基础架构上管理和编排容器相对比较困难。由Docker提供的Docker Swarm是一种本地集群和编排解决方案，它提供了一种简单、可扩展的方法，可用于在多台主机上部署、扩展和管理容器。下面，我将和您探讨Docker Swarm的基本原理、主要功能，以及它成为容器编排的热门选择的原因。
什么是Docker Swarm？
总的说来，Docker Swarm允许用户创建和管理Docker节点群，使之成为一个单一的虚拟Docker主机，进而能在分布式基础架构上部署和管理容器化应用。其中，Docker Swarm的核心是简化容器编排的过程，并为部署和扩展容器提供了一套直接、可扩展的方法，以便更容易地管理大规模容器化的环境。借助Docker Swarm，企业既可以有效地利用容器化的优势，又能够确保高可用性、负载平衡、以及容错能力。
从架构上说，Docker Swarm采用了管理器--工作节点（manager-worker）的运行架构。其管理器负责编排集群、管理工作量的分配，以及维护在Swarm中运行的服务理想状态。而工作节点则是被部署和运行的容器主机。
Docker Swarm的主要功能之一是其无缝扩展应用的能力。通过添加或删除集群中的工作节点，集群可以动态地适应不断变化的工作负载。这种可扩展能力够确保资源得到有效的利用，应用也能够在不影响性能的情况下处理骤增的需求。
同时，Docker Swarm也提供了内置的服务发现功能，允许群内的容器无缝地相互通信。据此，集群中的每个服务都会被分配一个唯一的主机名和虚拟IP地址，从而简化了容器之间的连接和交互过程。
负载平衡是Docker Swarm的另一个重要功能。它包括一个集成的负载平衡器，可以将传入的请求平均分配给运行着相同服务的多个容器。这种负载平衡机制有助于优化资源的利用率，并确保工作负载在整个集群中的均匀分布。
此外，Docker Swarm也集成了自我修复功能，以保持服务的理想状态。也就是说，它能够持续监控集群内各个容器和节点的健康状况。一旦容器或节点发生故障，Swarm 会自动在健康的节点上重新启动、或重新安排受影响的容器，以确保服务能够持续可用和响应。
当然，安全也是容器化环境中的一个关键问题。对此，Docker Swarm通过提供内置的安全功能来予以应对。它支持TLS的相互验证和加密，以确保节点之间的安全通信。此外，基于角色的访问控制（RBAC）也能够允许管理员管理用户的权限，以及对于Swarm资源的访问。
Docker Swarm的主要功能
选择Docker Swarm作为容器编排解决方案往往可以让用户获得如下方面的优势：
- 易于设置和集成：Docker Swarm是Docker生态系统的一部分，这意味着它可以使用Docker Engine来轻松实现设置。如果您已经熟悉了Docker，那么Docker Swarm的学习曲线会相对平缓。同时，它能够与其他Docker工具和服务无缝集成。因此如果您已经在使用Docker容器的话，它自然会成为您的首选。
- 简单：Docker Swarm注重简单易用原则。它提供了用户友好的命令行界面、以及简单明了的应用接口，以便具有不同专业水平的开发与运营人员使用。Docker Swarm的简易性不但降低了管理和编排容器的复杂性，而且让用户能够将更多精力放在应用上、而非基础设施上。
- 可扩展性和高可用性：Docker Swarm允许您通过添加或删除集群中的工作节点的方式，来轻松地扩展应用。它提供了一个分布式可扩展的架构，以处理不断增加的工作负载。而Docker Swarm内置的负载平衡功能可以确保有效地利用资源，提高应用的可用性与性能。一旦节点出现故障，Swarm会自动将容器重新分配到健康的节点上，以确保固有的高可用性。
- 服务发现和联网：Docker Swarm包含一个内置的服务发现机制。服务集群中的每个服务都会被分配一个唯一的主机名和虚拟IP地址，从而使得容器之间的通信变得更加容易。Swarm的网络功能简化了容器之间的连接，实现了集群内的无缝交互。
- 滚动更新和回滚：Docker Swarm支持滚动更新，允许您在不中断应用可用性的情况下，部署新版本的容器。它会自动逐个更新容器，以确保服务在更新过程中仍可被访问到。如果出现问题，Swarm可以轻松回滚到以前的版本，从而最大限度地减少了停机时间，并保持了应用的稳定性。
- 安全性：Docker Swarm提供了内置的安全功能，以保护您的容器化应用。它能够支持TLS的相互验证和加密，以确保节点之间的通信安全。基于角色的访问控制（RBAC）允许您管理用户的权限，并限制其对于Swarm资源的访问，从而确保群集在默认情况下是安全的。
- 灵活性：Docker Swarm是一种灵活的编排解决方案，可用于从小规模部署到大规模集群的各种应用。它兼顾了易用性和处理复杂容器环境的能力。有了Docker Swarm，您便可以根据需求的变化，灵活地扩展和调整基础架构。
Docker Swarm的关键组件
Docker Swarm由多个关键组件组成。通过协同工作，这些组件在集群内实现对容器的协调和管理。它们分别是：
- 管理器：它负责管理整个Swarm及其资源，负责编排工作节点的活动、调度任务，以及维护在Swarm中运行的服务理想状态。此外，管理器还负责服务发现、负载平衡、以及故障恢复。
- 工作节点：它是被部署和运行容器的主机。这些节点参与Swarm，并执行Swarm管理器分配的任务。同时，工作节点提供运行容器所需的计算资源，并根据需求扩展服务。
- 服务：在Docker Swarm中，服务代表一组执行相同功能或运行相同应用的容器。服务定义了容器的理想状态，包括：副本数量、容器镜像、网络配置和资源限制。Swarm管理器通过持续监控和管理服务，以确保维持所需的状态。
- 任务：它代表了在工作节点上运行的容器单个实例。Swarm管理器会根据定义的服务规范，将任务分配给工作节点。它还会监控任务的健康状况，并采取必要的措施，来维持所需的状态，例如：重新启动失败的任务，或将其重新安排到其他健康的节点上。
- 覆盖网络（Overlay Network）：作为一个虚拟网络，它能够横跨Swarm中的多个工作节点，以方便那些运行在不同节点上的容器进行相互通信，而无需理会其物理网络的位置。覆盖网络允许集群内的容器通过服务名称，来相互发现和通信。
- 负载平衡器：Docker Swarm包含了一个内置的负载平衡器，可以将传入的请求分配给运行相同服务的多个容器。负载平衡器可确保流量的均匀分布，并优化资源的利用率。它通过将请求导向健康的容器，来为服务提供高可用性和可扩展性。
- Swarm展示器（Visualizer）：它是一个可选组件，可以直观地展示Swarm的架构、以及其中运行的容器。由于提供了一个图形化的界面，因此它常被用于实时监控和跟踪各种服务、任务、以及节点的状态。
上述组件通过协同工作，为部署和管理容器化的应用创建了一个强大且可扩展的环境。即：Swarm管理器负责监督Swarm的运行，工作节点负责执行任务，服务负责定义容器所需的状态，任务代表了正在运行的容器，覆盖网络负责促进容器之间的通信，负载平衡器可以确保高效的流量分配，而可选的展示器则能够直观地显示集群的状态。
Docker Swarm的成功案例
目前，Docker Swarm已被各类企业广泛地用于容器编排和管理的场景中。以下的成功案例充分展示了Docker Swarm如何帮助企业改善基础设施和简化运营：
- 作为全球领先的在线支付平台，PayPal采用Docker Swarm来增强其基础架构，并改进应用的部署。通过利用Docker Swarm，PayPal为其微服务架构实现了简化的容器编排、可扩展性、以及高可用性。同时，Docker Swarm让PayPal能够跨多个主机，高效地管理其容器化应用，实现了无缝扩展，并降低了部署的复杂性。
- Société Générale是欧洲一家大型金融服务公司。他们利用Docker Swarm实现了IT基础设施的现代化。Docker Swarm使他们能够将应用容器化，并在其基础设施中实现轻松部署。Docker Swarm的高可用性和容错功能让Société Générale能够确保其关键服务的持续可用性，进而提高了其应用的鲁棒性。
- Schibsted是一家挪威媒体集团。他们采用Docker Swarm来简化其应用的部署流程，并提高运营的效率。借助Docker Swarm，Schibsted能够自动部署其服务，并根据需求进行扩展。Docker Swarm内置的负载平衡和服务发现机制，简化了他们的基础设施管理，从而提高了应用性能，并缩短了产品上市时间。
- 作为德国领先的零售和电子商务公司，REWE Digital通过实施Docker Swarm，来优化其基础设施，并促进容器化应用的部署。Docker Swarm为他们提供了一个可扩展且灵活的平台，用于管理跨多个主机的服务。通过使用Docker Swarm，REWE Digital提高了资源利用率，简化了服务扩展，并增强了应用的鲁棒性。
- 作为全球最大的集装箱运输公司，马士基航运（Maersk Line）利用Docker Swarm实现了IT基础架构的现代化，并简化了其应用部署流程。Docker Swarm让马士基能够在全球基础设施中无缝管理和扩展其容器化的应用。通过采用Docker Swarm，马士基实现了更快的部署时间、更高的资源效率、以及更高的应用可用性。上述成功案例都凸显了Docker Swarm在简化容器编排、增强可扩展性、提高可用性、以及优化各个行业资源利用率等方面的优势。Docker Swarm的特性和功能使得企业能够高效地管理其容器化应用，从而提高了运营效率，降低了基础设施的复杂性，并且加快了应用的交付。
为什么选择Docker Swarm？
使用Docker Swarm的挑战和缺点
虽然Docker Swarm为容器编排提供了许多优势，但是也有一些挑战和缺点需要我们考虑：
- 学习曲线：虽然Docker Swarm的设计对于用户比较友好，但是要理解其概念、架构和命令行界面，无论是管理员还是开发人员都可能需要投入一定的时间和精力，来熟悉Swarm的具体特性和功能。
- 功能有限：虽然Docker Swarm提供了基本的容器编排功能，但是其高级功能和灵活性仍可能不及Kubernetes。Kubernetes拥有更大的生态系统，可以为管理诸如：高级网络、存储编排、以及广泛的自定义选项等复杂的容器化环境，提供更多高级功能。
- 扩展限制：Docker Swarm主要适合中小型部署，但是在处理超大集群或高度动态工作负载时，可能会面临挑战。鉴于它在可扩展性方面的限制，当群集的规模超过一定阈值时，它可能会出现性能下降，或管理复杂性增加等问题。
- 缺乏第三方集成：与Kubernetes相比，Docker Swarm的第三方集成可能会受限。而且围绕它构建的工具和服务生态系统也较少。这可能会限制组织获得那些针对其特定用例所需的特定插件或扩展。
- 成熟度有限：Docker Swarm的成熟度不如Kubernetes。后者已被广泛采用，并有一个更大的社区为其开发和支持做出贡献。而与Kubernetes相比，Docker Swarm可用的资源、教程、以及故障排除选项较少。
- 监控和调试不够全面：Docker Swarm的监控和调试功能不如其他编排平台全面。虽然它提供了基本的监控功能，但是企业可能需要依赖第三方工具、或定制化的解决方案，来获得更高级别的监控和调试功能。
- 有限的群集管理：与Kubernetes相比，Docker Swarm的群集管理功能相对简单。它可能缺乏某些高级管理功能，例如：对于资源分配的精细控制、pod亲和性/反亲和性规则（affinity/anti-affinity rules）、以及更复杂的调度策略。
因此，重要的是要根据您的具体要求、部署规模、以及容器化应用的复杂性，来考虑上述挑战和缺点。您可能有必要去全面评估Kubernetes等其他容器编排解决方案，以确定最适合本组织需求的方案。
小结
综上所述，Docker Swarm提供了一种易于使用和可扩展的方法，来部署和控制大量容器，从而使得容器的编排变得更加简单。Docker Swarm的主要功能（包括：可扩展性、服务发现、负载平衡和自愈功能）使得企业能够轻松地创建和管理可靠的容器化应用。同时，由于其易与其他Docker工具集成，因此无论您身处小型团队还是大型企业，Docker Swarm都能够为您提供一种适应性强、经济实惠的方式，让您通过利用其容器化的强大功能，有效管理分布式的基础架构。
译者介绍
陈峻（Julian Chen），51CTO社区编辑，具有十多年的IT项目实施经验，善于对内外部资源与风险实施管控，专注传播网络与信息安全知识与经验。
原文Docker Swarm: Simplifying Container Orchestration at Scale，作者：Aditya Bhuyan
