14、使用 Docker 构建微服务架构应用

使用 Docker 构建微服务架构应用

1. Docker 安装

在开始使用 Docker 构建 ABC - MSA 演示项目之前，需要先完成 Docker 的安装。为了获得最佳的实践学习体验，建议按照以下步骤进行操作。

在安装前，请确保有一个可用的物理或虚拟主机。可以使用 VirtualBox 或 VMWare 等虚拟化软件创建虚拟主机。虽然可以在 Windows 或 Mac 上安装 Docker，但在本演示中，将使用 Ubuntu Server 22.x Linux 环境来安装 Docker 社区版（CE），建议使用类似环境以方便遵循安装步骤。

安装步骤 ：
- 安装 Docker Engine 的最佳方式是遵循 Docker 官方安装指南，可访问 Docker Docs ，从列表中选择适合服务器系统平台的安装指南。
- 也可以在工作站上安装 Docker Desktop，可从上述相同的安装指南中下载。

安装完成后，通过运行以下命令验证 Docker 的功能：

$ docker --version
Docker version 20.10.18, build b40c2f6
$ docker run hello-world
Hello from Docker!
This message shows that your installation appears to be working correctly.

执行 Docker 命令可能需要 root 权限。

2. Docker 组件

Docker 主要有四个组件：Docker 文件、Docker 镜像、Docker 容器和 Docker 卷。以下是对每个组件的简要描述：
|组件|描述|
| ---- | ---- |
|Docker 文件|是一个文本文件，作为清单描述如何构建 Docker 镜像。它指定用于创建 Docker 镜像的基础镜像，例如 FROM ubuntu 表示使用最新的 Ubuntu 版本作为基础镜像。文件必须命名为 Dockerfile 才能被 Docker 使用。|
|Docker 镜像|是一个二进制文件，作为模板包含创建 Docker 容器的一组指令。可以从 Dockerfile 创建，也可以从公共或私有仓库（如 Docker Hub 或 GitHub）下载。|
|Docker 容器|基于 Docker 镜像运行。使用 docker run 命令启动容器，使用 docker container ls 命令验证容器是否正在运行。|
|Docker 卷|是一种存储形式，Docker 容器可以连接到卷以读写持久数据，用于在容器终止后保留数据。|

3. Docker 组件的详细操作

• Docker 文件示例 ：

# 使用 Ubuntu 22.10 作为基础镜像
FROM ubuntu:22.10
# 获取最新的软件包列表
RUN apt-get update
# 安装 Python 3 和 PIP
RUN apt-get install -y python3 pip
# 安装 Ansible
RUN apt-get install -y ansible

• 构建 Docker 镜像 ：
  假设 Dockerfile 位于用户的主目录，使用以下命令构建镜像：

$ docker build -t packt_demo_image ~/

使用 docker image ls 命令验证镜像是否已创建：

$ docker image ls

可添加 -a 选项显示主机上创建的所有镜像。

• 运行 Docker 容器 ：

$ docker run packt_demo_image

使用 docker container ls 命令验证容器是否正在运行，添加 -a 选项可显示主机上的其他容器，也可以使用 docker ps 命令。

• 创建 Docker 卷 ：
  以 customer_management 容器为例，创建 Docker 卷：

$ docker volume create customer_management_volume

使用以下命令列出所有卷并验证新创建的卷：

$ docker volume ls

使用以下命令查看卷的详细信息：

$ docker volume inspect customer_management_volume

创建持久的 customer_management 容器并连接到卷：

$ docker run -itd --mount source=customer_management_volume,target=/app_data --name customer_management_container packt_demo_image

使用 docker container ls 命令验证容器是否正在运行。

4. 创建 ABC - MSA 容器

在 ABC - MSA 系统中，采用每个微服务一个容器的方法。需要确定要构建的主要容器、每个容器所需的组件，然后编写必要的 Dockerfile。

ABC - MSA 系统包括以下服务：
1. API 网关
2. 前端 Web 仪表板界面
3. 客户管理
4. 产品管理
5. 订单管理
6. 库存管理
7. 快递管理
8. 运输管理
9. 支付授权
10. 通知管理
11. 聚合器：“产品订购数量”
12. 管理和编排

可以从 Docker Hub 中获取许多 Docker 镜像来构建微服务，Docker Hub 可通过 https://hub.docker.com/ 访问。

以下是部分服务的详细操作：

API 网关 ：
选择 Tyk 作为 API 网关，因为它易于使用，具有包括身份验证和服务发现在内的全面功能，并且是 100% 开源产品，无功能限制。

安装步骤 ：
- 遵循 https://tyk.io/docs/tyk - oss/ce - docker/ 中的说明安装 Tyk Docker 容器。
- 默认情况下，Tyk API 网关监听 TCP 端口 8080。使用以下命令验证安装：

$ curl localhost:8080/hello
{"status":"pass","version":"4.1.0","description":"Tyk GW"}

使用以下命令验证 Tyk Docker 镜像和容器是否成功创建：

$ docker images
$ docker container ls

客户管理微服务示例 ：
客户管理、产品管理、订单管理等微服务在构建和部署容器方面类似。以客户管理微服务为例，需要在运行的容器中安装并运行 Flask，监听 HTTP/8080 端口，同时需要一个内部数据存储，并安装 Python。

以下是创建客户管理镜像所需的 Dockerfile 示例：

# Docker File for "customer_management" microservice
FROM ubuntu
# Install some dependencies/packages
RUN apt-get install -y apt-transport-https
RUN apt-get update
RUN apt-get install -y net-tools mysql-server python3 pip git build-essential curl wget vim software-properties-common;
# Install OpenJDK
RUN apt-get update && \
    apt-get install -y default-jdk
ENV JAVA_HOME /usr/lib/jvm/java-11-openjdk-amd64/
# Install Flask to run our application and respond to API calls
RUN pip install -U flask
# Expose port TCP/8080 to listen the container's application/flask API calls
EXPOSE 8080
# Create the /app_data directory and make it the working directory in the container
RUN mkdir /app_data
WORKDIR /app_data
ENV PATH $PATH:/app_data
# Download the microservice app code from GitHub repo
ENV GIT_DISCOVERY_ACROSS_FILESYSTEM 1
RUN git config --global init.defaultBranch main
RUN git init
RUN git remote add origin https://github.com/mohameosam/abc_msa.git
RUN git config core.sparseCheckout true
RUN echo "/microservices/customer_management/" > /app_data/.git/info/sparse-checkout
RUN git pull origin main
# Initialize the flask app
ENV FLASK_APP /app_data/microservices/customer_management/customer_management_ms.py
# Specify a mount point in the container
VOLUME /app_data
# Start mysql & flask services and available bash sheel
RUN chmod +x /app_data/microservices/customer_management/start_services
CMD /app_data/microservices/customer_management/start_services && bash

start_services 脚本内容如下：

flask run -h 0.0.0.0 -p 8080 &
usermod -d /var/lib/mysql/ mysql
service mysql start

假设 Dockerfile 位于当前用户主目录，使用以下命令创建客户管理微服务/容器：

$ docker build -t abc_msa_customer_management ~/

创建完成后，使用 docker image ls 命令验证镜像是否成功创建。

最后，创建持久的客户管理容器：

$ docker run -itd -p 8003:8080 --mount source=customer_management_volume,target=/app_data --name customer_management_container abc_msa_customer_management

使用 docker container ls 命令验证容器是否正在运行，使用以下命令以 root 权限连接到容器的 bash shell：

$ docker exec -u 0 -it customer_management_container bash

5. 前端 Web 仪表板界面

仪表板是用户界面（UI）交互的主要组件，与提供给用户的所有服务进行交互。在 ABC - MSA 示例中，创建了一个简单的购物车应用程序，用户可以将产品放入购物车并下单。

通过以上步骤，我们可以使用 Docker 构建一个完整的 ABC - MSA 微服务架构应用，各个组件相互协作，实现系统的各项功能。在实际应用中，可以根据具体需求对各个组件进行调整和优化。

使用 Docker 构建微服务架构应用

6. 容器端口映射与分布

在创建 ABC - MSA 系统的容器时，容器的 TCP 端口需要映射到主机的 TCP 端口，以便从外部访问容器内的服务。由于每个容器有独立的 TCP 栈，容器内的 TCP HTTP/8080 端口与主机或其他容器的该端口不同。

我们采用将主机的 TCP/80nn 端口映射到每个容器的本地 TCP HTTP/8080 端口的模式，其中 nn 是容器的编号。例如，客户管理容器将主机的 8003 端口映射到容器内的 8080 端口：

$ docker run -itd -p 8003:8080 --mount source=customer_management_volume,target=/app_data --name customer_management_container abc_msa_customer_management

系统中的容器并不一定都运行在同一主机上，它们可以分散在不同的主机上，这取决于服务的重要性、系统设计、冗余需求等因素。以下是容器端口映射的示意图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(主机):::process -->|TCP/8003| B(客户管理容器:8080):::process
    A -->|TCP/8004| C(产品管理容器:8080):::process
    A -->|TCP/8005| D(订单管理容器:8080):::process
    A -->|...| E(其他容器:8080):::process

7. 其他 ABC - MSA 容器的创建

除了 API 网关和客户管理微服务，其他微服务容器的创建过程类似。以下是创建其他微服务容器的通用步骤：
1. 确定需求 ：明确每个微服务所需的基础镜像、依赖包、运行环境等。
2. 编写 Dockerfile ：根据需求编写 Dockerfile，指定基础镜像、安装依赖、设置环境变量、下载代码等。
3. 构建镜像 ：使用 docker build 命令构建镜像。
4. 创建卷（可选） ：如果需要持久化数据，创建 Docker 卷并将容器连接到卷。
5. 运行容器 ：使用 docker run 命令运行容器，并进行端口映射。

以产品管理微服务为例，假设其 Dockerfile 如下：

# Docker File for "product_management" microservice
FROM ubuntu
# Install some dependencies/packages
RUN apt-get install -y apt-transport-https
RUN apt-get update
RUN apt-get install -y net-tools python3 pip git build-essential curl wget vim software-properties-common;
# Install Flask to run our application and respond to API calls
RUN pip install -U flask
# Expose port TCP/8080 to listen the container's application/flask API calls
EXPOSE 8080
# Create the /app_data directory and make it the working directory in the container
RUN mkdir /app_data
WORKDIR /app_data
ENV PATH $PATH:/app_data
# Download the microservice app code from GitHub repo
ENV GIT_DISCOVERY_ACROSS_FILESYSTEM 1
RUN git config --global init.defaultBranch main
RUN git init
RUN git remote add origin https://github.com/mohameosam/abc_msa.git
RUN git config core.sparseCheckout true
RUN echo "/microservices/product_management/" > /app_data/.git/info/sparse-checkout
RUN git pull origin main
# Initialize the flask app
ENV FLASK_APP /app_data/microservices/product_management/product_management_ms.py
# Specify a mount point in the container
VOLUME /app_data
# Start flask service and available bash sheel
RUN chmod +x /app_data/microservices/product_management/start_services
CMD /app_data/microservices/product_management/start_services && bash

构建镜像：

$ docker build -t abc_msa_product_management ~/

创建持久的产品管理容器：

$ docker run -itd -p 8004:8080 --mount source=product_management_volume,target=/app_data --name product_management_container abc_msa_product_management

8. 微服务间的通信

在 ABC - MSA 系统中，各个微服务需要相互通信以实现系统的整体功能。由于每个微服务运行在独立的容器中，它们可以通过网络进行通信。

以客户管理微服务和产品管理微服务为例，当用户在前端界面下单时，前端会向 API 网关发送请求，API 网关将请求转发给订单管理微服务，订单管理微服务可能需要与客户管理微服务验证客户信息，与产品管理微服务查询产品库存。

以下是微服务通信的流程：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(前端界面):::process -->|HTTP 请求| B(API 网关):::process
    B -->|转发请求| C(订单管理微服务):::process
    C -->|验证信息| D(客户管理微服务):::process
    C -->|查询库存| E(产品管理微服务):::process
    D -->|返回信息| C
    E -->|返回信息| C
    C -->|返回结果| B
    B -->|返回结果| A

9. 总结

通过使用 Docker，我们可以方便地构建和管理 ABC - MSA 系统的微服务架构应用。Docker 的各个组件，如 Docker 文件、镜像、容器和卷，为我们提供了强大的工具来创建、部署和运行微服务。

在实际应用中，我们可以根据系统的需求和性能要求，灵活调整容器的分布和配置，优化系统的性能和可靠性。同时，利用 Docker 的特性，如容器的生命周期管理、卷的持久化存储等，确保系统的数据安全和服务的连续性。

以下是构建 ABC - MSA 微服务架构应用的关键步骤总结：
1. 安装 Docker 并验证其功能。
2. 理解 Docker 的组件并掌握其操作方法。
3. 根据微服务的需求编写 Dockerfile 并构建镜像。
4. 创建 Docker 卷以持久化数据。
5. 运行容器并进行端口映射。
6. 实现微服务间的通信。

通过遵循这些步骤，我们可以构建一个高效、灵活、可扩展的微服务架构应用。