使用 Docker 和 Kubernetes 将 MongoDB 作为微服务运行

介绍

想在笔记本电脑上尝试 MongoDB？只需执行一个命令，你就会有一个轻量级的、独立的沙箱。完成后可以删除你所做的所有痕迹。

想在多个环境中使用相同的程序栈application stack副本？构建你自己的容器镜像，让你的开发、测试、运维和支持团队使用相同的环境克隆。

容器正在彻底改变整个软件生命周期：从最早的技术性实验和概念证明，贯穿了开发、测试、部署和支持。

编排工具用来管理如何创建、升级多个容器，并使之高可用。编排还控制容器如何连接，以从多个微服务容器构建复杂的应用程序。

丰富的功能、简单的工具和强大的 API 使容器和编排功能成为 DevOps 团队的首选，将其集成到连续集成（CI） 和连续交付 （CD） 的工作流程中。

这篇文章探讨了在容器中运行和编排 MongoDB 时遇到的额外挑战，并说明了如何克服这些挑战。

MongoDB 的注意事项

使用容器和编排运行 MongoDB 有一些额外的注意事项：

• MongoDB 数据库节点是有状态的。如果容器发生故障并被重新编排，数据则会丢失（能够从副本集的其他节点恢复，但这需要时间），这是不合需要的。为了解决这个问题，可以使用诸如 Kubernetes 中的数据卷volume 抽象等功能来将容器中临时的 MongoDB 数据目录映射到持久位置，以便数据在容器故障和重新编排过程中存留。
• 一个副本集中的 MongoDB 数据库节点必须能够相互通信 - 包括重新编排后。副本集中的所有节点必须知道其所有对等节点的地址，但是当重新编排容器时，可能会使用不同的 IP 地址重新启动。例如，Kubernetes Pod 中的所有容器共享一个 IP 地址，当重新编排 pod 时，IP 地址会发生变化。使用 Kubernetes，可以通过将 Kubernetes 服务与每个 MongoDB 节点相关联来处理，该节点使用 Kubernetes DNS 服务提供“主机名”，以保持服务在重新编排中保持不变。
• 一旦每个单独的 MongoDB 节点运行起来（每个都在自己的容器中），则必须初始化副本集，并添加每个节点到其中。这可能需要在编排工具之外提供一些额外的处理。具体来说，必须使用目标副本集中的一个 MongoDB 节点来执行 rs.initiate 和 rs.add 命令。
• 如果编排框架提供了容器的自动化重新编排（如 Kubernetes），那么这将增加 MongoDB 的弹性，因为这可以自动重新创建失败的副本集成员，从而在没有人为干预的情况下恢复完全的冗余级别。
• 应该注意的是，虽然编排框架可能监控容器的状态，但是不太可能监视容器内运行的应用程序或备份其数据。这意味着使用 MongoDB Enterprise Advanced 和 MongoDB Professional 中包含的 MongoDB Cloud Manager 等强大的监控和备份解决方案非常重要。可以考虑创建自己的镜像，其中包含你首选的 MongoDB 版本和 MongoDB Automation Agent。

使用 Docker 和 Kubernetes 实现 MongoDB 副本集

如上节所述，分布式数据库（如 MongoDB）在使用编排框架（如 Kubernetes）进行部署时，需要稍加注意。本节将介绍详细介绍如何实现。

我们首先在单个 Kubernetes 集群中创建整个 MongoDB 副本集（通常在一个数据中心内，这显然不能提供地理冗余）。实际上，很少有必要改变成跨多个集群运行，这些步骤将在后面描述。

副本集的每个成员将作为自己的 pod 运行，并提供一个公开 IP 地址和端口的服务。这个“固定”的 IP 地址非常重要，因为外部应用程序和其他副本集成员都可以依赖于它在重新编排 pod 的情况下保持不变。

下图说明了其中一个 pod 以及相关的复制控制器和服务。

图 1：MongoDB 副本集成员被配置为 Kubernetes Pod 并作为服务公开

逐步介绍该配置中描述的资源：

• 从核心开始，有一个名为 mongo-node1 的容器。mongo-node1 包含一个名为 mongo 的镜像，这是一个在 Docker Hub 上托管的一个公开可用的 MongoDB 容器镜像。容器在集群中暴露端口 27107。
• Kubernetes 的数据卷功能用于将连接器中的 /data/db 目录映射到名为 mongo-persistent-storage1 的永久存储上，这又被映射到在 Google Cloud 中创建的名为 mongodb-disk1 的磁盘中。这是 MongoDB 存储其数据的地方，这样它可以在容器重新编排后保留。
• 容器保存在一个 pod 中，该 pod 中有标签命名为 mongo-node，并提供一个名为 rod 的（任意）示例。
• 配置 mongo-node1 复制控制器以确保 mongo-node1 pod 的单个实例始终运行。
• 名为 mongo-svc-a 的 负载均衡 服务给外部开放了一个 IP 地址以及 27017 端口，它被映射到容器相同的端口号上。该服务使用选择器来匹配 pod 标签来确定正确的 pod。外部 IP 地址和端口将用于应用程序以及副本集成员之间的通信。每个容器也有本地 IP 地址，但是当容器移动或重新启动时，这些 IP 地址会变化，因此不会用于副本集。

下一个图显示了副本集的第二个成员的配置。

图 2：第二个 MongoDB 副本集成员配置为 Kubernetes Pod

90％ 的配置是一样的，只有这些变化：

• 磁盘和卷名必须是唯一的，因此使用的是 mongodb-disk2 和 mongo-persistent-storage2
• Pod 被分配了一个 instance: jane 和 name: mongo-node2 的标签，以便新的服务可以使用选择器与图 1 所示的 rod Pod 相区分。
• 复制控制器命名为 mongo-rc2
• 该服务名为mongo-svc-b，并获得了一个唯一的外部 IP 地址（在这种情况下，Kubernetes 分配了 104.1.4.5）

第三个副本成员的配置遵循相同的模式，下图展示了完整的副本集：

图 3：配置为 Kubernetes 服务的完整副本集成员

请注意，即使在三个或更多节点的 Kubernetes 群集上运行图 3 所示的配置，Kubernetes 可能（并且经常会）在同一主机上编排两个或多个 MongoDB 副本集成员。这是因为 Kubernetes 将三个 pod 视为属于三个独立的服务。

为了在区域内增加冗余，可以创建一个附加的 headless 服务。新服务不向外界提供任何功能（甚至不会有 IP 地址），但是它可以让 Kubernetes 通知三个 MongoDB pod 形成一个服务，所以 Kubernetes 会尝试在不同的节点上编排它们。

图 4：避免同一 MongoDB 副本集成员的 Headless 服务

配置和启动 MongoDB 副本集所需的实际配置文件和命令可以在白皮书《启用微服务：阐述容器和编排》中找到。特别的是，需要一些本文中描述的特殊步骤来将三个 MongoDB 实例组合成具备功能的、健壮的副本集。

多个可用区 MongoDB 副本集

上面创建的副本集存在风险，因为所有内容都在相同的 GCE 集群中运行，因此都在相同的可用区availability zone中。如果有一个重大事件使可用区离线，那么 MongoDB 副本集将不可用。如果需要地理冗余，则三个 pod 应该在三个不同的可用区或地区中运行。

令人惊奇的是，为了创建在三个区域之间分割的类似的副本集（需要三个集群），几乎不需要改变。每个集群都需要自己的 Kubernetes YAML 文件，该文件仅为该副本集中的一个成员定义了 pod、复制控制器和服务。那么为每个区域创建一个集群，永久存储和 MongoDB 节点是一件很简单的事情。

图 5：在多个可用区域上运行的副本集

下一步

要了解有关容器和编排的更多信息 - 所涉及的技术和所提供的业务优势 - 请阅读白皮书《启用微服务：阐述容器和编排》。该文件提供了获取本文中描述的副本集，并在 Google Container Engine 中的 Docker 和 Kubernetes 上运行的完整的说明。