在Docker和Kubernetes上运行MongoDB微服务

本文介绍了利用Docker和Kubernetes搭建一套具有冗余备份集合的MongoDB服务，从容器对CI和CD引发的改变入手，讨论了容器技术对MongoDB带来的挑战和机会，然后实战如何部署一套稳定的MongoDB服务，非常的干货~

想尝试在笔记本电脑上运行MongoDB么?希望通过执行一个简单的命令，然后就有一个轻量级、自组织的沙盒么?并可再通过一条命令就可以移除所有的痕迹么?

需要在多个环境中运行相同的应用程序栈?创建自己的容器镜像，使得开发、测试、操作和支持团队启动一份完全相同的环境。
容器正在改变整个软件生命周期;它覆盖了从最初的技术试验到通过开发、测试、部署和支持的概念证明。
阅读微服务：容器和编排白皮书(https://www.mongodb.com/collateral/microservices-containers-and-orchestration-explained)。

编排工具管理着多个容器如何创建、升级和高可用。编排同样管理着容器如何连接，并利用多个微服务容器创建稳定的应用服务。
丰富的功能、简单的工具、强大的API让容器和编排得到DevOps团队的青睐。DevOps工程师将它们整合到持续集成(CI)和持续交付(CD)工作流中。

本篇文章将探索在尝试运行和编排MongoDB容器时遇到的问题，并描述如何克服这些问题。

采用容器和编排运行MongoDB带来了一些新的思考：
MongoDB数据库节点是有状态的。若一个容器挂了，并且被重新编排，数据丢失是不能接受的(虽然它可以从其他节点中恢复数据，但是很费时)。为解决这个问题，Kubernetes中的卷抽象(Volume abstraction)特性将用于映射MongoDB数据文件夹到一个持久化地址，避免容器的失败或重编排。

同一组MongoDB数据库备份节点之间需要通信，即使是在重编排之后。同一冗余备份集合的节点必须知道全部其他节点的地址，但是当某个容器重编排之后，它的IP地址会变化。例如，所有Kubernetes内的容器共享一个IP地址，当pod被重编排之后这个地址就会改变。在Kubernetes中，这个问题可以通过联系Kubernetes服务与MongoDB节点来解决，采用Kubernetes的DNS服务提供主机名给重编排之后的服务。

一旦每个独立的MongoDB节点(每个节点在单独容器中)启动起来，备份集合必须初始化，并把每个节点加入进来。这需要编排工具提供额外的逻辑。特别是备份集合中只有一个MongoDB节点时，必须执行rs.initiate和rs.add命令。
如果编排框架提供自动化重编排容器功能(如Kubernetes的特性)，那么这可以提高MongoDB的容灾性，节点会在挂掉之后自动重新创建，恢复到完整冗余水平且不需要人工干预。

当编排框架掌控所有容器的状态时，它并不管理容器内的应用或者备份数据。这就意味着采用一个有效的管理和备份方案很重要，如MongoDB Cloud Manager，包括MongoDB Enterprise Advanced和MongoDB Professional两部分。考虑到需要创建镜像，可采用你倾向的MongoDB版本和MongoDB Automation Agent。

如前一节所述，MongoDB这类分布式数据库在利用编排框架(如Kubernetes)进行部署时需要额外考虑。本节将对这部分细节进行分析，并介绍如何实现。

首先，我们在一个单独的Kubernetes集群(同一个数据中心内，并不存在物理上的冗余备份)中创建整个MongoDB冗余集合。如果跨多个数据中心进行创建，其步骤也差异不大，后续将会介绍。
备份中的每个成员都运行在独自的pod中，只暴露其IP地址和端口。固定的IP地址对于外部应用和其他冗余备份节点非常重要，它决定了哪些pod将被重新部署。

下图展示了其中一个pod与关联的冗余控制器和服务的关系。

深入这些配置中描述的资源，内容如下：

启动核心节点mongo-node1，该节点包括了一个叫做的mongo的镜像，来源于Docker Hub，其暴露27107端口。
Kubernetes的卷特性用于映射/data/db文件夹到持久化目录mongo-persistent-storage1;该目录为Google Cloud上创建的目录映射mongodb-disk1，用于持久化MongoDB的数据。
容器由pod进行管理，标记为mongo-node，同时对rod提供一个随机生成的名字。
冗余控制器命名为mongo-rc1，用于确保mongo-node1的实例一直处于运行中。
负载均衡服务命名为mongo-svc-a用27017暴露端口。该服务通过pod的标签匹配正确的服务到对应的pod上，对外暴露的ip和端口给应用程序使用，同时用于冗余备份集合中各节点的通信。虽然每个容器拥有内部ip，但是当容器被重启或者移动之后它们会变更，因此不能用于冗余备份集合之间的通信。

下图展示了冗余备份及中的另一个成员信息：

90%的配置是相同的，只有几处不同：

硬盘和卷的名字必须是唯一的，于是采用mongodb-disk2和mongo-persisitent-storage2
Pod分配到jane实例，同时节点命名为mongo-node2，用于区分新服务与图1中的Pod
冗余控制命名为mongo-rc2
服务命名为mongo-svc-b，并获取一个不同的外部IP地址(本例子中，Kubernets分配为104.1.4.5)

第三个冗余备份成员的配置仿照上述的模式进行，下图展示了完整的冗余配置集合：

注意，即使配置如图3一样，在一个三个或者多个节点的Kubernetes集群上，Kubernetes可能会调度两个或者多个MongoDB冗余备份成员在同一个宿主机上。这是因为Kubernetes将三个pod视为三个独立的服务。

为了增加冗余，需要创建一个额外的headless服务。该服务不具备提供外部服务的能力，甚至没有外部IP地址，但是它用于通知Kubernetes这三个MongoDB Pod是属于同一个服务，于是Kubernetes会将它们调度在不同的节点上。

具体的配置文件和相关操作命令可以从《启动微服务：容器&调度说明白皮书》中找到。其中包含了三个特殊的步骤确保合并三个MongoDB到一个功能中，即本文中描述的冗余备份。

所有冗余部件均运行在同一个GCE集群上时具有很高的风险，在同一个zone的集群也一样。如果发生一个重大事件导致可用zone离线，那么MongoDB冗余集合也就不可用。如果需要地理上的冗余备份，那么三个pod需要运行在不同的zone内。

只需要很少的改动就可以创建这样一个冗余备份集合。每一个集群需要独自的Kubernetes YAML文件来定义pod、冗余控制器和服务。然后，就可以完成一个zone的集群创建、持久化存储和MongoDB节点。

下图展示了运行在不同zone上的冗余结合：