新浪微博混合云架构实践挑战之容器编排设计与实践
编者按：
\《微博混合云架构》专栏是InfoQ向新浪微博技术团队的系列约稿，本专栏包含8篇内容，详细阐述以DCP设计理念为指导思想的混合云架构实践。本文是该系列的第五篇，主要介绍容器编排的设计与实现。\
《微博混合云架构》专栏主要包括以下8篇内容：
\- 混合云架构挑战与概述 \
- DCP的不可变基础设施 \
- DCP的弹性调度揭秘 \
- DCP的镜像分发实战 \
- DCP的容器编排设计与实践 \
- DCP的服务发现 \
- DCP的容量决策评估 \
- DCP的监控体系
概述
\最近由于个人原因，与InfoQ约稿的专栏《微博混合云架构》很久没更新了，在此深表歉意。今天的主题内容主要写容器编排设计与实践。在开篇之前，我觉得有必要回顾一下前面内容。目前已经发表了4篇。\
- 概述篇：主要分享了微博部署架构、业务场景、存在的挑战与痛点及微博混合云系统DCP的主体架构设计思想 \
- 基础设施篇：主要分享了微博的不可变基础设施进化之路，环境标准化，配置管理等内容 \
- 容器调度篇：主要分享了微博应用Docker的实践之路及容器调度演进 \
- 镜像分发篇：主要分享了大规模下Docker镜像分发与优化实践，多版本共存等疑难问题解决方案
再看本篇前，可以回去看看InfoQ官网上这些篇的内容，有助于更好的理解接下来的内容。\
关于编排
\什么是容器编排？
\编排是Orchestration在国内的常见译法，刚开始接触这个词时，我也很迷惑，为什么这么翻译，等理解了才明白一二，它其实是一种“设计”方法，在很多领域可见，在Container技术大火后，才真正进入我的视线。举个不恰当的例子：编舞师要想创作一个好的舞蹈作品，必须精心的编排，这包括灵感及创意、挑选演员，人数安排，舞美设计，人物动作表情，排练及突发情况下的应对等等，是一个复杂的过程。\
对标到Container的场景，我们知道原生的Docker，其实是个单机版的，所以Docker官方才会出了一系列的工具，比如最早的时候单机版的编排工具Fig(团队被收购)，远程下的编排工具Swarm，甚至发布了Docker Datacenter，其中的UCP就嵌入了Swarm，以实现对Docker的环境管理与编排。
\因此，对于容器编排，可以从以下两个方面理解：
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容器编排是跨主机去管理多个集群Container的一种行为，随着Docker的发展，生态圈越来越完善，比较常见的Kubernetes，Mesos + Mathon，甚至DCOS等都属于此类范畴。
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容量编排是为了将资源利用率最大化，同时均衡系统因容错需要不断变化的需求。可以看下图
我们可以看到，早期的应用场景，经典的三层架构中，不管物理机或者VM，一般一个机器一般只跑一个服务，而在Container时代，不同的服务可能跑在同一个机器节点上，这种服务的组合是不固定，动态的调配，对工程师是透明的。这种动态的调整能力可以称得上是容器的编排。\
从这个图中我们可以抽象出，容器编排需要解决哪些方面\
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服务定义：一般以IP + port唯一标识一个服务，这里端口的分配与管理会成为重点。
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资源管理：一个服务要运行，需要相应的资源，一般是CPU/MEM/DISK/NET等，怎么获取到这些资源，并合理分配是资源管理需要关注的部分，一般采用池化处理（资源池）。这也是编排的核心，Mesos在这块做的比较好，通用且稳定。
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容器调度：有了资源，怎么合理的选择资源节点，采取什么策略，怎么做容错处理等等，这些是容器调度需要关注的。
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服务检测：服务在起来后，要对外提供，需要验证其正确性，这里一般会做端口及业务检测
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服务发现：验证通过的服务，如果真正对外提供服务，需要引入流量，也就是自动挂到LB上，这也是一种WEB类的服务发现。
以上5种我觉得是容器编排里最核心的内容，实际上，生产环境的编排单元远远比这里多很多。\
注: 这里插播一个，我经常看到很多同学把容器编排和容器调度等同，其实吧，无所谓对错了，这可能主要的原因是大家的理解不一样，表达的方式也就有差异，不用纠结，只要把你的业务问题很好解决了，就是棒棒哒。\
分层的编排？
\随着行业的发展，我们看到互联网技术领域的一些趋势：\
- 可编程的基础架构的崛起，比如云计算，配置管理，Contianer技术 \
- 应用架构的变迁，单体应用-\u0026gt;SOA-\u0026gt;微服务 \
- 新流程及新方法论的出现：如精益，敏捷和DevOps
在这样的趋势下，互联网公司多多少少都会根据自己的业务场景做出一些改变，比如升级应用架构，业务上云等等，这其实对运维来说，复杂性在过渡阶段是增加的。就拿我们的业务来说，建设私有云的同时，也推业务上云，我们的基础架构很难用标准化的方式去满足需求，这也推动我们去重新建设运维平台，也就有了混合云系统DCP的诞生。我们在设计之初的时候，遇到了一个很明显的问题，我们很难用单一的IaaS，PaaS或CaaS去定义我们的场景，于是我们选择了混合云的模式，系统采用分层设计的方法去适应业务场景。\
在这个过程中，我对编排的理解又有了一些变化。我觉得不同的层是存在不同的编排方法的。简单来说，IaaS的编排核心重点在计算资源，PaaS的编排核心在于应用，CaaS的编排核心在于容器即服务。而对于我们的混合云DCP，我把他分为两大方面：\
- 服务的编排：重在弹性，比如扩容，缩容，容器迁移，容错处理，服务发现等 \
- 资源的编排：重在资源，对于私有云主要是物理机的管理与分配；对于公有云主要是标准化的VM，我们用到了阿里云的ECS
对于资源的编排，混合云模式下，专线的落地是最重要的，决定着整个设计及业务上云的规模，如下图，我们与阿里云之间就通过VPC技术拉通了常备的专线，打通内网。\
在分层设计之上，我们在工具选型上就明朗多了，主要选用了自研的Dispatch和Swarm。\
微博混合云DCP架构设计
\微博目前开发的DCP，主要包含3层，资源管理层，容器调度层及业务编排层。底层的资源管理分为两个部分：内网主机和阿里云ECS，我们的目标是对上层业务提供统一、不可变的基础环境;中间的容器调度层，主要是根据资源去调度容器，并启动容器，提供各种原子型的操作，比如基于任务模式的容器起、停、删、重启、服务注册、服务反注册、服务检测等等；最上层的业务编排层，则是基于调度层的API，去串起整个业务的常见操作，比如服务部署、扩容、缩容、容器迁移等等。根据上面对于编排的理解，我觉得把资源层算作资源编排，而调度层与业务编排层，统一称服务编排。我们看下图:\
这里需要说明的是，分层设计的指导思想的核心：\
- API化：层与层之间皆是REST型的API相互通讯，底层对上层提供API。 \
- 操作幂等：核心的操作是可重复的且可逆的。 \
- 容错处理：对异常及失败情况下的容错处理。
细化出来，DCP的功能模块是很多的，可见下图：\
其中，资源管理层的模块主要是调度运算资源。目前设计了共享池、Buffer资源池，配额管理，及多租户管理机制，借此实现弹性调度资源，这也是DCP的核心之一，可以看做是一个定制的IaaS吧。调度层后面会细说，基于任务机制的容器调度。\
这里重点说下业务编排层：最上层的是对业务场景的抽象，根据目前的梳理，微博的业务，前后端各种语言都有，加上大数据体系的服务，在这种情况下，我们很难抽象出用一种非常通用的模式，直接支持各种语言的服务，这也受限于不同服务的Docker化程序。于是我们做了如下设计：\
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服务设计：我们设计了集群，服务池，容器节点这样的三级维度去描述服务
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业务级隔离：产品线对应集群，集群与集群之间在业务层上是产品线之间的隔离，各家自己的服务互不影响。
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开放业务编排层：微博后端几乎是Java类的服务，前端是PHP类，同时大数据体系又有离线计算和实时计算的，还有一些小语言的，每一类的服务，我们做成是通用的模式，比如Java类的就独立设计其编排模式，并且把这个设计开放到公司的范畴，别的部门也可以来一起参与设计并实现。在开放的过程中，我们的原则：底层的资源，调度，服务服务一定是全公司内统一的。
从这些架构设计角度，可以看出，我们的DCP的核心设计理念包括4个：弹性，自动化，业务定制及all in one。相对XaaS类的服务，我们更注重业务需求的落地，解决实际问题。\
ps：综合来看，我觉得有一个很重要的点，虽然Docker很火，但好多公司都很难将自己的业务Docker化的比较彻底，这其实也在影响着你的架构设计。比如与物理机还有一些依赖的东西，比如程序部署的逻辑关系，比如日志及围绕日志的周边工具，但是业界的一些开源编排方案，schedule/scale/rolling update等这些操作，其实对业务的标准化要求很高，包括试用的一些云服务，要想把业务以最小成本的迁移部署，有一定难度的，所以有些公司内搞Docker，定制化的需要还是很多的。所以如果你想大规模用，其实可以考虑牺牲一些通用性的原则的，我觉得微服务看来是一个解决方案，由于历史原因，我们很早就是服务化了的，要改造成微服务化，成本蛮高，因此从14年业务上云之后，虽然相对来说，走在了前面，但是一直还在路上摸索着。\
服务设计
\这一节，我们再来看看DCP对服务的设计，我们的核心需求是弹性，设计了集群，服务池，节点这三个维度，而弹性是建立在服务池这个维度的，以IP + port唯一标示一个服务。如下图：\
众筹池与Buffer池
\这里有个两个易混淆的概念，众筹池是所有集群的冗余设备；Buffer池是集群内的冗余设备。这么设计的主要考虑是，某个业务在集群内的服务之间，是很容易自己去弹性调整的，集群内容量不足了，则会去私有云内调度，私有云内也没有的，会去公有云调度。保证服务可用性，同时为了保证每个集群（产品线）不乱用，给集群设置了配额的管理。从业务运维的角度可以看到如下的流程:\
除此之外，值得一提的就是DCP的用户视角，我们设计了三类角色：\
- 超级管理员：负责管控私有云及公有云的资源 \
- 集群管理员：负责管控自己产品线内的资源 \
- 服务池管理员：基本上业务运维，他们负责线上各种具体的操作
业务编排
\有了服务设计以及原子型的调度API，去实现业务编排就简单很多了，大体可以分为2个部分：首先，根据某类业务场景，设计较为通用的Docker化方案；其次是服务部署及弹性扩缩容。\
弹性扩缩容
\在概述篇中，我们已经讲到，服务的弹性扩缩容其实是一些很重的操作，在DCP中，做了3个流程的设计，来串起这些复杂的操作，这3个流程是：资源申请、设备初始化及服务上线。弹性扩容任务所需要的设备来源是内部的集群以及外部的阿里云。而申请到足够设备后，也必须对设备进行初始化、部署环境及配置管理。最后一步则是将服务上线，开始执行Container调度以及弹性扩容的任务。\
第一步，则是资源申请，这在服务的设计已经详细说了，私有云的设备来源，主要来自离线集群、低负载集群以及错峰时间空出的多余设备。具体来说：离线集群并不是时时刻刻都在执行运算，即使稍微减少计算资源，也不会对业务产生重大影响；而工作负载较低的集群，如果有多余的资源也可以进行调度。此外，微博有上百个业务线，每个业务线峰值出现的时间点都不一样，而在此种状况下，各业务也可以互相支援，共享多余的计算资源。私有云的设备不足，会去公有云上自动创建，整个操作流是自动化的。\
第二步，则是设备初始化，我们已开发了工具系统：可以达到操作系统升级自动化、系统操作API化，而服务器所依赖的基础环境、需要的软体等环境配置等需要标准化。如下图\
私有云内通过配置管理工具Puppet，将需要的配置写成模块，并使用RPM机制打包，进行安装。而公有云则是通过Ansible来做此类工作。这块业界中的一些做法也可以免去初始化的流程。例如导入为Container而生的容器操作系统，像CoreOS、RancherOS或Red Hat Atomic。不过，虽然这样可以，但是此种做法的可维护度高，但是缺点在于迁移设备的成本较高。\
当然这个操作也是耗时操作，主要的时间取决于申请资源的时间，实际初始化也就只需要1分钟而已。\
(点击放大图像)
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第三步，则是最为复杂的弹性扩容操作，前一线的运维人员，只要在系统页面上输入服务池名称、服务类型、Container类型、需要Container数量以及镜像地址等参数，即可在5分钟内完成扩容，扩容完成后，系统也会产出完整的报告，列出扩容程序中，执行的步骤，以及每件任务的成功、失败状况。我们先来看下扩容流程:\
我们再来看看耗时分析：可以看到大部分的弹性扩容任务都是分钟级的，总体上，基本能完成10分钟扩容上千Container的能力。\
(点击放大图像)
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任务系统设计
\由上面可以看到，这些每一个流程能够很好的串起来，以及容错机制，这背后是有一套任务引擎在工作的，这个就是任务系统。其主要的思路是改造原有自研的jpool系统为任务引擎，来串起这些操作。\
- 任务定义：详细的任务参数设计，模板引擎，回滚等 \
- 任务控制：并发执行，并发数控制，比例及步长控制，超时控制等 \
- 容错处理：异常及失败处理，容器迁移等
详细信息，可以看我在Qcon 2015上有个Jpool的分享，这个就不细说了。\
无人值守的弹性扩缩容
\再次回到概述篇，我们建立这一套系统，核心要实现的是服务具有弹性，能根据容量情况进行自动的弹性伸缩，以此来解决明显的早晚高峰及热点事件的峰值问题。截止到上面讲的，我们的系统已经完备了，但是操作的触发是需要人的参与，而且也会有几个操作步骤，人本身是懒惰的且是易犯错的，且还会存在人力成本，这还没达到我们的目标，离无人值守还差一段距离，于是，我们又开发了两个工具：\
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- 容量决策系统：可以每周在线压测服务，评估出每个服务的容量数据，以供决策； \
- 调度框架：在任务之上，采用基于时间段的调度策略，在业务访问低峰时执行缩容策略， 高峰来临前执行扩容策略。
经过分析，我们的调度框架需要有以下几个特性\
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支持各种调度策略，初期可考虑实现基于时间的调度方式，类似crontab触发机制，Chronos、 Quartz提供可借鉴的任务调度实现机制。
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支持主备模式，如Mesos和Swarm多提供了多主的实现，其中Swarm采用consul、etcd、 zk等协调服务，各master间通过竞争一个分布式锁的方式来获取leader权限，获得leader权限的进程对外提供服务，未获得leader权限的进程处在等待状态，可参考Swarm的多主实现方式。
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提供Http API运维配置，Consul提供了非常优秀的RestFul协议和UI，可参考。
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支持服务的依赖，A服务依赖B，B在自动弹性扩容时，需扩容好服务B。
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所有参数，可配置化。
最后形成的架构如下，并用Go做了实现：\
可以看到，在更高层面的调度框架具有以下特点：\
- 定时触发：以天为周期，自动执行扩缩容任务，任务结束后发送邮件提醒； \
- 依赖控制：如V4-Feed依赖RPC-User，严格控制上下线顺序与数量比； \
- 并行化：即使有依赖也只在关键流程做同步控制，不同业务完全并行； \
- 容错机制：重试、超时、回滚(如扩容中失败的机器立即释放)等； \
- 可重入与幂等性：进程重启后从退出点继续运行，同一个时间任务执行多次均不受影响； \
- 多master机制：确保Scheduler本身的HA。
这个调度框架组件目前已经很稳定，每天都会定时的在晚高峰进行自动弹性扩缩容。有了它，我们私有云的核心服务的冗余，从之前的冗余150%减少冗余120%，这样就可以下线调一大批机器，以节省成本，真正实现基于公有云的弹性。\
除此之外，基于这个框架API，做了个可配置的简单页面，定义服务以来及弹性扩容参数，非常的方便，见下图：\
(点击放大图像)
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ps:此任务非上面任务系统中的任务。\
总结
\基于容器的业务编排在整个混合云的设计当中，是非常核心的内容，为新浪微博元旦，春晚及日常晚高峰的弹性扩容提供了强有力的支持。我们当前还在不断的完善系统的建设，同时，也正在纳入更多的业务场景，还是那句话，基于Docker的云应用，我们一直在路上。希望我们的方案对大家有一定的参考意义。\\
感谢魏星对本文的策划和审校。
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