环境准备与集群初始化 - 在线学习与练习平台

学习目标

通过本章学习，您将能够：

了解 Docker Swarm 的系统要求和环境准备
掌握 Docker 引擎的安装和配置方法
学会初始化 Swarm 集群和添加节点
配置网络和防火墙设置
验证集群状态和基本操作

1. 系统要求和环境准备

1.1 硬件要求

最低配置

CPU：1 核心
内存：1GB RAM
存储：10GB 可用空间
网络：稳定的网络连接

生产环境配置

CPU：4 核心以上
内存：8GB RAM 以上
存储：100GB+ SSD 存储
网络：冗余网络连接

1.2 操作系统支持

Linux 发行版

# 支持的 Linux 发行版
Ubuntu 18.04+ (LTS)
Debian 9+
CentOS 7+
RHEL 7+
Fedora 30+
Amazon Linux 2

内核要求

# 检查内核版本
uname -r
# 要求：Linux 内核 3.10+

# 检查系统信息
lsb_release -a
cat /etc/os-release

1.3 网络要求

端口配置

# Swarm 集群必需端口
2377/tcp    # 集群管理通信
7946/tcp    # 节点间通信
7946/udp    # 节点间通信
4789/udp    # Overlay 网络流量

# 应用服务端口（根据需要开放）
80/tcp      # HTTP 服务
443/tcp     # HTTPS 服务

防火墙配置

Ubuntu/Debian (ufw)

# 开放 Swarm 端口
sudo ufw allow 2377/tcp
sudo ufw allow 7946/tcp
sudo ufw allow 7946/udp
sudo ufw allow 4789/udp

# 开放应用端口
sudo ufw allow 80/tcp
sudo ufw allow 443/tcp

# 重新加载防火墙
sudo ufw reload
sudo ufw status

CentOS/RHEL (firewalld)

# 开放 Swarm 端口
sudo firewall-cmd --permanent --add-port=2377/tcp
sudo firewall-cmd --permanent --add-port=7946/tcp
sudo firewall-cmd --permanent --add-port=7946/udp
sudo firewall-cmd --permanent --add-port=4789/udp

# 开放应用端口
sudo firewall-cmd --permanent --add-port=80/tcp
sudo firewall-cmd --permanent --add-port=443/tcp

# 重新加载防火墙
sudo firewall-cmd --reload
sudo firewall-cmd --list-all

iptables 直接配置

# 开放 Swarm 端口
sudo iptables -A INPUT -p tcp --dport 2377 -j ACCEPT
sudo iptables -A INPUT -p tcp --dport 7946 -j ACCEPT
sudo iptables -A INPUT -p udp --dport 7946 -j ACCEPT
sudo iptables -A INPUT -p udp --dport 4789 -j ACCEPT

# 保存规则
sudo iptables-save > /etc/iptables/rules.v4

2. Docker 引擎安装配置

2.1 Ubuntu/Debian 安装

使用官方脚本安装

# 下载并执行安装脚本
curl -fsSL https://get.docker.com -o get-docker.sh
sudo sh get-docker.sh

# 启动 Docker 服务
sudo systemctl start docker
sudo systemctl enable docker

# 验证安装
docker --version
sudo docker run hello-world

手动安装步骤

# 1. 更新包索引
sudo apt-get update

# 2. 安装依赖包
sudo apt-get install \
    apt-transport-https \
    ca-certificates \
    curl \
    gnupg \
    lsb-release

# 3. 添加 Docker 官方 GPG 密钥
curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo gpg --dearmor -o /usr/share/keyrings/docker-archive-keyring.gpg

# 4. 添加 Docker 仓库
echo \
  "deb [arch=amd64 signed-by=/usr/share/keyrings/docker-archive-keyring.gpg] https://download.docker.com/linux/ubuntu \
  $(lsb_release -cs) stable" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/docker.list > /dev/null

# 5. 安装 Docker Engine
sudo apt-get update
sudo apt-get install docker-ce docker-ce-cli containerd.io

# 6. 验证安装
sudo docker run hello-world

2.2 CentOS/RHEL 安装

使用 yum 安装

# 1. 卸载旧版本
sudo yum remove docker \
                docker-client \
                docker-client-latest \
                docker-common \
                docker-latest \
                docker-latest-logrotate \
                docker-logrotate \
                docker-engine

# 2. 安装依赖
sudo yum install -y yum-utils

# 3. 添加 Docker 仓库
sudo yum-config-manager \
    --add-repo \
    https://download.docker.com/linux/centos/docker-ce.repo

# 4. 安装 Docker Engine
sudo yum install docker-ce docker-ce-cli containerd.io

# 5. 启动 Docker
sudo systemctl start docker
sudo systemctl enable docker

# 6. 验证安装
sudo docker run hello-world

2.3 Docker 配置优化

配置文件设置

# 创建 Docker 配置目录
sudo mkdir -p /etc/docker

# 创建配置文件
sudo tee /etc/docker/daemon.json <<EOF
{
  "log-driver": "json-file",
  "log-opts": {
    "max-size": "10m",
    "max-file": "3"
  },
  "storage-driver": "overlay2",
  "storage-opts": [
    "overlay2.override_kernel_check=true"
  ],
  "exec-opts": ["native.cgroupdriver=systemd"],
  "live-restore": true,
  "userland-proxy": false,
  "experimental": false
}
EOF

# 重启 Docker 服务
sudo systemctl daemon-reload
sudo systemctl restart docker

用户权限配置

# 将当前用户添加到 docker 组
sudo usermod -aG docker $USER

# 重新登录或执行以下命令
newgrp docker

# 验证无需 sudo 即可运行 Docker
docker run hello-world

系统服务配置

# 设置 Docker 开机自启
sudo systemctl enable docker.service
sudo systemctl enable containerd.service

# 检查服务状态
sudo systemctl status docker
sudo systemctl status containerd

3. 集群初始化

3.1 初始化第一个管理节点

基本初始化

# 在第一个节点上初始化 Swarm
docker swarm init

# 指定管理节点的 IP 地址
docker swarm init --advertise-addr 192.168.1.100

# 指定数据路径加密
docker swarm init --advertise-addr 192.168.1.100 --data-path-addr 192.168.1.100

高级初始化选项

# 完整的初始化命令
docker swarm init \
  --advertise-addr 192.168.1.100:2377 \
  --listen-addr 0.0.0.0:2377 \
  --data-path-addr 192.168.1.100 \
  --data-path-port 4789 \
  --default-addr-pool 10.20.0.0/16 \
  --default-addr-pool-mask-length 24 \
  --task-history-limit 10

参数说明

# 参数详解
--advertise-addr     # 通告地址，其他节点用于连接此节点
--listen-addr        # 监听地址，接受集群管理流量
--data-path-addr     # 数据路径地址，用于容器间通信
--data-path-port     # 数据路径端口，默认 4789
--default-addr-pool  # 默认地址池，用于网络分配
--task-history-limit # 任务历史记录限制

3.2 获取加入令牌

查看加入令牌

# 查看工作节点加入令牌
docker swarm join-token worker

# 查看管理节点加入令牌
docker swarm join-token manager

# 重新生成令牌
docker swarm join-token --rotate worker
docker swarm join-token --rotate manager

令牌输出示例

# 工作节点加入命令
To add a worker to this swarm, run the following command:

    docker swarm join --token SWMTKN-1-49nj1cmql0jkz5s954yi3oex3nedyz0fb0xx14ie39trti4wxv-8vxv8rssmk743ojnwacrr2e7c 192.168.1.100:2377

# 管理节点加入命令
To add a manager to this swarm, run the following command:

    docker swarm join --token SWMTKN-1-49nj1cmql0jkz5s954yi3oex3nedyz0fb0xx14ie39trti4wxv-dj6pjfhuaebgqgglo80ku8ytv 192.168.1.100:2377

3.3 添加节点到集群

添加工作节点

# 在工作节点上执行
docker swarm join --token SWMTKN-1-49nj1cmql0jkz5s954yi3oex3nedyz0fb0xx14ie39trti4wxv-8vxv8rssmk743ojnwacrr2e7c 192.168.1.100:2377

# 指定监听地址
docker swarm join \
  --token SWMTKN-1-49nj1cmql0jkz5s954yi3oex3nedyz0fb0xx14ie39trti4wxv-8vxv8rssmk743ojnwacrr2e7c \
  --listen-addr 192.168.1.101:2377 \
  --advertise-addr 192.168.1.101:2377 \
  192.168.1.100:2377

添加管理节点

# 在管理节点上执行
docker swarm join --token SWMTKN-1-49nj1cmql0jkz5s954yi3oex3nedyz0fb0xx14ie39trti4wxv-dj6pjfhuaebgqgglo80ku8ytv 192.168.1.100:2377

# 建议的管理节点数量
# 1 个节点：测试环境
# 3 个节点：小型生产环境
# 5 个节点：中型生产环境
# 7 个节点：大型生产环境（最大推荐）

4. 集群状态验证

4.1 查看集群信息

基本集群信息

# 查看集群基本信息
docker info

# 查看 Swarm 特定信息
docker system info | grep -A 20 "Swarm:"

# 查看集群 ID
docker info --format '{{.Swarm.Cluster.ID}}'

详细集群状态

# 查看所有节点
docker node ls

# 查看节点详细信息
docker node inspect <node-id>

# 查看当前节点信息
docker node inspect self

4.2 节点管理操作

节点状态管理

# 查看节点列表
docker node ls

# 输出示例
ID                            HOSTNAME   STATUS    AVAILABILITY   MANAGER STATUS   ENGINE VERSION
abcdefghijk *                 manager1   Ready     Active         Leader           20.10.8
lmnopqrstuv                   worker1    Ready     Active                          20.10.8
wxyzabcdefg                   worker2    Ready     Active                          20.10.8

节点可用性控制

# 设置节点为排空状态（不接受新任务）
docker node update --availability drain <node-id>

# 设置节点为暂停状态（暂停接受新任务）
docker node update --availability pause <node-id>

# 设置节点为活跃状态
docker node update --availability active <node-id>

节点标签管理

# 添加节点标签
docker node update --label-add environment=production <node-id>
docker node update --label-add type=compute <node-id>

# 删除节点标签
docker node update --label-rm environment <node-id>

# 查看节点标签
docker node inspect <node-id> --format '{{.Spec.Labels}}'

4.3 网络验证

查看网络列表

# 查看所有网络
docker network ls

# Swarm 默认网络
NETWORK ID     NAME              DRIVER    SCOPE
xxxxxxxxxxxx   bridge            bridge    local
xxxxxxxxxxxx   docker_gwbridge   bridge    local
xxxxxxxxxxxx   host              host      local
xxxxxxxxxxxx   ingress           overlay   swarm
xxxxxxxxxxxx   none              null      local

测试网络连通性

# 创建测试服务
docker service create --name test-connectivity --replicas 2 alpine ping 8.8.8.8

# 查看服务状态
docker service ps test-connectivity

# 查看服务日志
docker service logs test-connectivity

# 清理测试服务
docker service rm test-connectivity

5. 集群配置优化

5.1 管理节点配置

快照配置

# 配置快照保留数量
docker swarm update --snapshot-interval 5000 --log-entries-for-slow-followers 500

# 查看当前配置
docker info --format '{{.Swarm.Cluster.Spec}}'

证书轮换

# 配置证书轮换周期（默认 90 天）
docker swarm update --cert-expiry 168h  # 7 天

# 立即轮换证书
docker swarm ca --rotate

5.2 网络配置优化

自定义网络池

# 重新初始化集群时指定网络池
docker swarm init \
  --default-addr-pool 10.20.0.0/16 \
  --default-addr-pool 10.21.0.0/16 \
  --default-addr-pool-mask-length 24

创建自定义网络

# 创建加密的 overlay 网络
docker network create \
  --driver overlay \
  --opt encrypted \
  --subnet 10.0.1.0/24 \
  my-secure-network

# 创建外部可访问的网络
docker network create \
  --driver overlay \
  --attachable \
  my-attachable-network

5.3 安全配置

启用自动锁定

# 启用自动锁定功能
docker swarm update --autolock=true

# 查看解锁密钥
docker swarm unlock-key

# 解锁集群（重启后需要）
docker swarm unlock

外部 CA 配置

# 使用外部 CA
docker swarm init --external-ca protocol=cfssl,url=https://ca.example.com

# 更新 CA 配置
docker swarm ca --external-ca protocol=cfssl,url=https://ca.example.com

6. 故障排除

6.1 常见问题诊断

节点加入失败

# 检查网络连通性
telnet <manager-ip> 2377

# 检查防火墙设置
sudo iptables -L | grep 2377
sudo firewall-cmd --list-ports

# 检查 Docker 服务状态
sudo systemctl status docker

# 查看 Docker 日志
sudo journalctl -u docker.service -f

集群分裂问题

# 检查管理节点状态
docker node ls

# 查看 Raft 日志
docker system events --filter type=node

# 强制重新选举（谨慎使用）
docker swarm init --force-new-cluster

6.2 日志收集

系统日志

# Docker 服务日志
sudo journalctl -u docker.service --since "1 hour ago"

# 系统内核日志
dmesg | grep -i docker

# 网络相关日志
sudo journalctl -u systemd-networkd --since "1 hour ago"

集群事件

# 实时监控集群事件
docker system events --filter type=node --filter type=service

# 查看特定时间段的事件
docker system events --since "2023-01-01T00:00:00" --until "2023-01-01T23:59:59"

7. 实践练习

练习 1：单机集群搭建

目标：在单台机器上搭建 Swarm 集群

# 1. 初始化集群
docker swarm init

# 2. 查看集群状态
docker node ls
docker info | grep -A 10 "Swarm:"

# 3. 创建测试服务
docker service create --name hello --replicas 3 --publish 8080:80 nginx

# 4. 验证服务
docker service ls
docker service ps hello
curl http://localhost:8080

# 5. 清理
docker service rm hello

练习 2：多节点集群搭建

目标：搭建包含 3 个节点的集群（1 个管理节点，2 个工作节点）

准备：3 台虚拟机或云实例

# 节点 1（管理节点）
docker swarm init --advertise-addr <node1-ip>
docker swarm join-token worker

# 节点 2 和 3（工作节点）
docker swarm join --token <worker-token> <node1-ip>:2377

# 验证集群
docker node ls

练习 3：集群配置优化

目标：配置集群的高级特性

# 1. 启用自动锁定
docker swarm update --autolock=true

# 2. 配置节点标签
docker node update --label-add environment=production node1
docker node update --label-add type=compute node2
docker node update --label-add type=storage node3

# 3. 创建自定义网络
docker network create --driver overlay --opt encrypted secure-net

# 4. 部署带约束的服务
docker service create \
  --name web \
  --constraint 'node.labels.type == compute' \
  --network secure-net \
  --replicas 2 \
  nginx

8. 本章总结

关键要点

环境准备
- 确保系统满足硬件和软件要求
- 正确配置网络和防火墙
- 安装和配置 Docker 引擎
集群初始化
- 使用 docker swarm init 初始化第一个管理节点
- 通过令牌添加工作节点和管理节点
- 验证集群状态和网络连通性
配置优化
- 配置节点标签和约束
- 启用安全特性如自动锁定
- 创建自定义网络和存储
故障排除
- 掌握常见问题的诊断方法
- 学会收集和分析日志
- 了解集群恢复策略

最佳实践

规划先行：在部署前仔细规划网络、存储和安全策略
逐步扩展：从小规模开始，逐步扩展集群规模
监控为王：建立完善的监控和告警机制
备份重要：定期备份集群配置和重要数据
文档记录：详细记录集群配置和操作步骤

下一步学习

在下一章中，我们将学习节点管理与集群维护，包括：

节点角色管理和转换
集群扩容和缩容
节点故障处理
集群备份和恢复

检查清单： - [ ] 系统环境满足要求 - [ ] Docker 引擎正确安装 - [ ] 网络和防火墙配置正确 - [ ] 集群初始化成功 - [ ] 节点加入正常 - [ ] 基本服务部署测试通过

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