Docker Swarm 的负载均衡和平滑切换原理

核心原理概述

Docker Swarm 的负载均衡和平滑切换主要依赖于其内置的 “路由网格” 和 “服务发现” 机制。它通过在集群的所有节点上部署一个智能的负载均衡器（默认是 IPVS），并结合健康检查，来实现流量的动态、平滑分发与故障转移。

核心组件与机制

路由网格

这是 Docker Swarm 负载均衡的基石。

• 什么是路由网格？
  当你创建一个服务（例如一个 Web 应用）并发布一个端口（如 -p 8080:80）时，Swarm 并不会将端口固定绑定在某一个运行该服务的节点上。相反，它在 Swarm 集群的每一个节点上都开启了一个监听端口（8080）。

• 如何工作？

  1. 任何请求，无论它到达集群中的哪个节点（即使是那些没有运行该服务副本的节点）的 8080 端口，都会被该节点上的 Swarm 负载均衡器拦截。

  2. 负载均衡器根据内置的服务发现机制，获取当前所有健康的服务副本（容器）的 IP 地址列表。

  3. 然后，负载均衡器使用负载均衡算法（默认是轮询）将请求转发到其中一个健康的服务副本上。

简单比喻： 就像一个大公司的总机。你打任何一个分机号（节点IP:端口），总机接线员（路由网格）都会帮你转接到一个空闲的客服（服务副本）那里，而不管这个客服实际坐在哪栋办公楼里。

服务发现与 IPVS

• 服务发现： Docker Swarm 内置了一个分布式存储系统来维护所有服务和任务（容器）的状态。当一个服务副本被创建、销毁或迁移时，这个信息会立即更新到整个集群。
• IPVS： 这是 Linux 内核级别的负载均衡技术，性能极高。Swarm 的负载均衡器就是使用 IPVS 来管理后端服务副本的列表。当服务发现信息更新后，IPVS 的规则也会被实时更新，确保流量只被转发到健康的副本。

3. 健康检查
   这是实现“平滑切换”和“自愈”的关键。

• Docker Engine 会定期对每个服务副本执行健康检查（你可以在 Dockerfile 或 docker-compose.yml 中定义 HEALTHCHECK）。
• 如果一个副本被标记为不健康（unhealthy），Swarm 的服务发现机制会立即将其从负载均衡器的后端列表中移除。
• 同时，Swarm 的编排器会尝试终止这个不健康的容器，并在一个健康的节点上启动一个新的副本来满足你设定的副本数量（replicas）。

“平滑切换”的具体流程

现在我们结合以上机制，来看两种典型的平滑切换场景：

场景一：应用更新（滚动更新）

当你运行 docker service update 来更新镜像或配置时：

1. 分批更新： Swarm 不会一次性停止所有旧副本。它会按照你定义的更新策略（如 update-config 中的 parallelism: 2, delay: 10s）进行操作。

2. 先启动，后终止：

• Swarm 会在某个节点上启动一个新的服务副本（使用新镜像）。
• 等待这个新副本通过健康检查，状态变为 healthy。
• 一旦健康，负载均衡器（IPVS）会立即将新副本加入到后端可用列表，开始向其分流流量。
• 然后，Swarm 会停止一个旧的服务副本，并将其从负载均衡器中移除。

3. 循环往复： 重复步骤 2，直到所有旧副本都被新副本替换完毕。

在这个过程中：

• 始终有足够数量的健康副本在处理请求。
• 服务的总可用性没有中断。
• 客户端几乎感知不到后端正在发生更新，实现了“平滑发布”或“热部署”。

场景二：节点或容器故障

当某个节点宕机或某个容器意外崩溃时：

1. 检测故障： Swarm 管理器通过心跳机制检测到节点失联，或者 Docker Engine 检测到容器退出。
2. 立即剔除： 服务发现机制会立刻将这些故障的副本标记为失效，并从所有节点的负载均衡器（IPVS）规则中清除。从此，不会有新的流量被发送到这些故障副本上。
3. 自愈恢复： Swarm 编排器发现当前运行的副本数少于期望值（例如，你设置了 replicas: 3，但现在只剩 2 个）。它会在其他健康的节点上启动新的副本，直到满足 replicas: 3 的要求。
4. 新副本上线： 新启动的副本通过健康检查后，会自动加入到负载均衡器的后端列表，重新开始接收流量。

在这个过程中：

• 从故障发生到负载均衡器剔除故障实例，有一个极短的时间窗口，期间发送到该故障实例的请求会失败。但得益于负载均衡，其他健康实例仍然可用，整体服务影响被降到最低。
• 系统自动恢复了期望状态，无需人工干预。

总结

Docker Swarm 实现负载均衡和平滑切换的原理可以概括为：

机制	作用	实现平滑切换的关键
路由网格	在集群所有节点上提供统一的入口点，隐藏后端复杂性。	流量入口统一，客户端无需关心后端实例的位置。
服务发现与IPVS	动态维护健康后端实例列表，并高性能地转发请求。	实时更新，确保流量只发给健康的实例。
健康检查	准确判断服务实例的健康状态。	是触发服务发现更新和编排器自愈动作的“开关”。
滚动更新策略	控制应用更新的节奏（分批、间隔）。	实现“先启动新，再终止旧”，保证服务持续可用。
编排与自愈	维持服务的期望状态（如副本数）。	故障后自动重建，使系统回归正常状态。

通过这几大机制的紧密协作，Docker Swarm 提供了一个强大、高可用且能实现无缝应用更新的容器编排平台。对于用户和开发者而言，他们只需要声明“我想要什么状态”（例如 docker service create --replicas 3 my-app），Swarm 就会自动确保实际状态始终与期望状态一致，并智能地处理流量路由。