Nomad系列-Nomad网络模式

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概述

Nomad 的网络和 Docker 的也有很大不同, 和 K8s 的有很大不同. 另外, Nomad 不同版本(Nomad 1.3 版本前后)或是否集成 Consul 及 CNI 等不同组件也会导致网络模式各不相同. 本文详细梳理一下 Nomad 的主要几种网络模式

在Nomad 1.3发布之前，它自身并不支持发现集群中运行的其他应用程序。在集群中调度任务时，这是一个非常基本的要求。Nomad依赖于Consul来发现其他“服务”，并为注册和获取服务记录提供一流的支持，这使得事情变得更容易。Consul通过各种机制提供记录，例如REST API，DNS和Consul模板，这些模板在可以注入到应用程序中的Go模板中呈现服务的确切IP/端口。

学习 Nomad 的一个难点在于, Nomad 往往和 Consul 一起运行, 那么对于这种情况来说，一个主要的学习曲线是，我们必须首先了解Consul是如何工作的，部署一个Consul集群, 同时要融会贯通 2 个软件就很难了。Nomad 1.3 解决了这个问题的一部分（即不需要运行Consul就可以进行基本的服务发现），非常适合刚刚开始使用基于Nomad的网络。

场景一: 在主机上公开应用

从最简单的用例开始：你有一个 redis 容器，你想把它暴露给主机。 相当于我们想要做的docker run是 ：

docker run --rm -p=6379 redis

此命令公开主机上的动态端口。要查看端口号到底是什么，您可以执行 docker ps 并在 PORTS 下找到类似于 0.0.0.0:49153->6379/tcp 的输出。

$ redis-cli -p 49153                
127.0.0.1:49153> ping
PONG

那么, 在 Nomad 中相同的操作如何实现?

job "redis" {
  type        = "service"

  group "redis" {
    network {
      mode = "host"
      port "redis" {
        to = 6379
      }
    }

    task "redis" {
      driver = "docker"

      config {
        image = "redis"
        ports = ["redis"]
      }
    }
  }
}

在几行配置中，我们有一个正在运行的Docker容器，它公开了一个动态端口 30627:

我们可以通过主机上的 redis-cli 连接到它：

$ redis-cli -p 30627
127.0.0.1:30627> ping
PONG

🐾Warning：

在 task.config 部分中有 ports 很重要。Nomad将此信息传递给主机上运行的 docker 守护进程。因此，除非您指定在容器中通告哪些端口，否则它不会知道是否要公开6379。

暴露静态端口

一种不太常见的情况是将应用程序绑定到主机上的静态端口, 只需在 port 块中添加一个 static 行：

    network {
      port "redis" {
        static = 6379
      }
    }

当我们再次部署相同的文件时，我们可以看到端口分配已经从动态端口更改为我们分配的静态端口。但是注意需要确保没有其他应用程序侦听同一接口和端口，否则必然会导致冲突。

静态端口典型的使用场景就是: Ingress. 比如 Traefik 可以使用静态端口监听 80 和 443.

场景二: 与同一 Group 内的 Redis 通信

对于这个场景，我们假设有一个应用程序需要与Redis通信。在这个场景中，Redis用途是临时缓存，所以可以将它们部署在同一个 Group 中。

一个 Group 可以包含多个 Task。这里需要知道的重要一点是，同一 Group 将始终具有自己的共享网络命名空间(类似K8s中Pod中的多个Container具有共享网络命名空间)。这意味着，如果您在组中有2个 Task，则它们都可以访问相同的网络命名空间。这允许两个 Task 在同一网络接口上相互通信。

job "hello" {
  type        = "service"

  group "app" {
    network {
      mode = "host"
      port "app" {
        static = 8080
      }
      port "redis" {
        static = 6379
      }
    }

    task "redis" {
      driver = "docker"

      config {
        network_mode = "host"
        image        = "redis"
        ports        = ["redis"]
      }
    }


    task "app" {
      driver = "docker"
      env {
        DEMO_REDIS_ADDR = "${NOMAD_ADDR_redis}"
      }

      config {
        network_mode = "host"
        image        = "mrkaran/hello-app:1.0.0"
        ports        = ["app"]
      }
    }
  }
}

详细说明如下:

• 您可以看到我们在同一 Group 下定义了 task app 和task redis 。这意味着Nomad将在同一客户端上共同定位这两个Task（因为它们不仅倾向于共享相同的网络命名空间，而且还共享公共分配目录-这使得跨任务共享文件变得非常容易）。
• 我们使用 NOMAD_ADDR_redis 来获取 redis task 的 IP:Port 组合。这在运行时由Nomad注入。您可以在这里找到运行时环境变量的列表。
• 这是快速测试/开发设置的理想选择，因为您不希望服务发现等问题，并且希望以最小的代价连接到您的应用程序。

如果您要从基于 docker-compose 的环境迁移，以上配置非常适合(但是实现还是不同, Nomad利用了主机网络)，您可以将此模板用于您的服务。这种方法的最大限制是它使用主机网络。

场景三: 跨不同的 Group 进行通信

如上所述, 如果您有相关的 Task（如init task，您希望在 task 开始前获取文件），同一个 Group 很有用(类似K8s Pod 的 init container)。但是使用 group 的缺点是您不能独立地扩展 task。在上面的例子中，我们将Redis和App放在同一个 Group 中，但这意味着如果你增加同一个 Group 的 count 来扩展 app，你最终也会扩展Redis容器。这是不可取的，因为Redis可能不需要与应用程序成比例地扩展。

创建多个 Group 的方法是将任务拆分到各自的组中：

job "hello" {
  type        = "service"

  group "app" {
    count = 1

    network {
      mode = "host"
      port "app" {
        static = 8080
      }
    }

    task "app" {
      driver = "docker"
      env {
        DEMO_REDIS_ADDR = "localhost:6379"
      }

      config {
        image = "mrkaran/hello-app:1.0.0"
        ports = ["app"]
      }
    }
  }

  group "redis" {
    count = 1

    network {
      mode = "host"
      port "redis" {
        static = 6379
      }
    }

    task "redis" {
      driver = "docker"

      config {
        image = "redis"
        ports = ["redis"]
      }
    }
  }
}

提交此 Job 后，您将获得2个分配ID（每个 Group 会创建一个 alloc ）。这里的关键点是这两个 Group 都有自己的网络命名空间。因此，我们实际上没有任何方法可以访问其他应用程序（我们不能向上面这样依赖主机网络，因为无法保证这两个 Group 都部署在同一个节点上）。

现在由于组是分开的， app 容器不知道 redis （反之亦然）：

env | grep NOMAD
NOMAD_REGION=global
NOMAD_CPU_LIMIT=4700
NOMAD_IP_app=127.0.0.1
NOMAD_JOB_ID=hello
NOMAD_TASK_NAME=app
NOMAD_SECRETS_DIR=/secrets
NOMAD_CPU_CORES=1
NOMAD_NAMESPACE=default
NOMAD_ALLOC_INDEX=0
NOMAD_ALLOC_DIR=/alloc
NOMAD_JOB_NAME=hello
NOMAD_HOST_IP_app=127.0.0.1
NOMAD_SHORT_ALLOC_ID=a9da72dc
NOMAD_DC=dc1
NOMAD_ALLOC_NAME=hello.app[0]
NOMAD_PORT_app=8080
NOMAD_GROUP_NAME=app
NOMAD_PARENT_CGROUP=nomad.slice
NOMAD_TASK_DIR=/local
NOMAD_HOST_PORT_app=8080
NOMAD_MEMORY_LIMIT=512
NOMAD_ADDR_app=127.0.0.1:8080
NOMAD_ALLOC_PORT_app=8080
NOMAD_ALLOC_ID=a9da72dc-94fc-6315-bb37-63cbeef153b9
NOMAD_HOST_ADDR_app=127.0.0.1:8080

服务发现

app Group 需要在连接到 redis 之前发现它。有多种方法可以做到这一点，但我们将介绍两种更常见的标准方法。

使用 Nomad Native Service Discovery

这是在Nomad 1.3中推出的功能。在这次发布之前，Nomad 不得不依靠 Consul 来完成这一任务。但是有了Nomad中内置的原生服务发现，事情就简单多了。让我们对作业文件进行以下更改。在每个 Group 中，我们将添加一个 service 定义：

  group "app" {
    count = 1

    network {
      mode = "host"
      port "app" {
        to = 8080
      }
    }

    service {
      name     = "app"
      provider = "nomad"
      port     = "app"
    }
    // task is the same
  }

  group "redis" {
    count = 1

    network {
      mode = "host"
      port "redis" {
        to = 6379
      }
    }

    service {
      name     = "redis"
      provider = "nomad"
      port     = "redis"
    }
    // task is the same
  }

如上，我们添加了一个新的 service 块，并删除了 static 端口。当我们使用服务发现时，不需要绑定到静态端口。

提交作业后，我们可以使用 nomad service list 命令确保服务已注册到Nomad。

nomad service list    
Service Name  Tags
app           []
redis         []

要了解特定服务的详细信息，我们可以使用 nomad service info：

$ nomad service info app      
Job ID  Address          Tags  Node ID   Alloc ID
hello   127.0.0.1:29948  []    d92224a5  5f2ac51f
$ nomad service info redis
Job ID  Address          Tags  Node ID   Alloc ID
hello   127.0.0.1:22300  []    d92224a5  8078c9a6

如上, 我们可以看到每个服务中的动态端口分配。要在我们的应用程序中使用此配置，我们将其模板化：

    task "app" {
      driver = "docker"

      template {
        data = <<EOH
{{ range nomadService "redis" }}
DEMO_REDIS_ADDR={{ .Address }}:{{ .Port }}
{{ end }}
EOH

        destination = "secrets/config.env"
        env         = true
      }

      config {
        image = "mrkaran/hello-app:1.0.0"
        ports = ["app"]
      }
    }

我们添加了 template 节，它将在容器中插入环境变量。我们遍历 nomadService 并获取 redis 服务的地址和端口。这使得其他节点上的任务可以方便地发现彼此。

使用 Consul 服务发现

只需调整 service 块中的 provider ，我们就可以使用Consul代理进行服务发现。

    service {
      name     = "app"
      provider = "consul"
      port     = "app"
    }


    task "app" {
      driver = "docker"

      template {
        data = <<EOH
{{ range service "redis" }}
DEMO_REDIS_ADDR={{ .Address }}:{{ .Port }}
{{ end }}
EOH

🐾Warning:

注意 range nomadService 也改为了 range service

前提是要确保正在运行Consul并已将Nomad连接到它。具体请参阅该文档。

其余的事情几乎保持不变。只用两行代码就可以在Nomad/Consul之间切换来发现服务。

另外, 使用Consul会有更多的优势：

• 可以使用DNS查询服务的地址：

doggo redis.service.consul @tcp://127.0.0.1:8600
NAME                    TYPE    CLASS   TTL ADDRESS     NAMESERVER     
redis.service.consul.   A       IN      0s  172.20.10.3 127.0.0.1:8600  

• 可由Nomad以外的应用程序访问。如果 consul 被Nomad集群外的其他应用程序使用，它们仍然可以获得对应的地址（使用DNS或REST API）

当然，Nomad Native Service Discovery 非常适合本地/边缘环境设置，甚至是生产中的较小用例，因为它不再需要 Consul！

场景四: 限制对某些 Namespace 的访问

在上述所有场景中，我们发现服务会暴露给本地Nomad客户端。如果您在集群上运行多个 Namespace，您可能希望根本不公开它们。此外，您可能希望表达应用程序可以访问特定服务的细粒度控制。所有这些都可以通过服务网格实现。Nomad提供了一种通过Consul Connect建立“服务网格”的方法。Consul Connect可以进行mTLS和服务授权。在引擎盖下，它是一个与您的应用程序一起运行的Envoy代理（或sidecar）。 Consul 代理为您配置Envoy配置，因此这一切都非常无缝。

要做到这一点，我们首先需要的是 bridge 网络模式。此网络模式实际上是一个CNI插件，需要在 /opt/cni/bin 中单独安装。按照这里提到的步骤:

    network {
      mode = "bridge"
      port "redis" {
        to = 6379
      }
    }

Redis 中的服务被 Consul Connect Ingress 所调用：

    service {
      name     = "redis"
      provider = "consul"
      port     = "6379"
      connect {
        sidecar_service {}
      }
    }

这是一个空块，因为我们不需要在这里定义任何上游。其余值将为默认值。

接下来，我们为 app 创建一个服务，这是一个Consul Connect Egress：

    service {
      name     = "app"
      provider = "consul"
      port     = "app"
      connect {
        sidecar_service {
          proxy {
            upstreams {
              destination_name = "redis"
              local_bind_port  = 6379
            }
          }
        }
      }
    }

这里我们为 redis 定义一个上游。在这里，当 app 想要与redis通信时，它会与 localhost:6379 对话，这是Envoy sidecar正在监听的本地端口。我们可以使用 netstat 来验证：

$ netstat -tulpvn
Active Internet connections (only servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       PID/Program name    
tcp        0      0 127.0.0.2:19001         0.0.0.0:*               LISTEN      -                   
tcp        0      0 0.0.0.0:23237           0.0.0.0:*               LISTEN      -                   
tcp        0      0 127.0.0.1:6379          0.0.0.0:*               LISTEN      -                   
tcp6       0      0 :::8080                 :::*                    LISTEN      1/./hello.bin

流量从这个端口发送到它通告的端口上的另一个Envoy代理（并且Consul自动配置）。该Envoy代理进一步将流量发送到端口6379上的 redis 容器。代理流量通过mTLS进行安全加密并授权（通过Consul Intentions -本文不做介绍）。

场景五: 向最终用户公开服务

在第一个场景中，我们讨论了如何使用静态端口。事实证明，如果你想定义一个Traffic Ingress服务，它非常有用。与K8s不同的是，Nomad没有任何Ingress Controller，所以最好的方法是将这些Web代理作为 system job 部署在每个节点上（这意味着它可以确保在每个客户端节点上运行），并将它们绑定到静态端口（比如443/80）。然后，配置 LB 并将所有Nomad节点注册为 Target IP，其端口将是您定义的静态端口。这些Ingress代理（比如Traefik/Nginx）可以通过上面提到的任何模式与您的应用程序通信。

📝Notes:

在上一篇文章中, 我们并没有配置 LB 后面对接所有 Traefik.
相反, 我们直接访问某一个特定节点的 Traefik 的 80/443 端口.

通常，您希望为入口代理使用“基于主机”的路由模式来做出路由决策。

例如，如果您有一个指向ALB的 a.example.org DNS记录。现在，当请求到达ALB时，它会转发到任何一个Traefik/NGINX。为了使 NGINX 正确地将流量路由到a service，您可以使用“Host”报头。

总结

这些是我所知道的一些常见的网络模式。由于其中一些概念并不是非常简单，我希望解释有助于带来一些清晰。

关于这个主题还有很多，比如 Consul Gateway 和多种CNI，它们可以调整集群中的网络的底层细节，但这些都是一些非常高级的主题，超出了本文的范围。后续有机会可以再做展开.

📚️参考文档

• Understanding Nomad Networking Patterns - YouTube
• Understanding Networking in Nomad | Karan Sharma (mrkaran.dev)

三人行, 必有我师; 知识共享, 天下为公. 本文由东风微鸣技术博客 EWhisper.cn 编写.