使用Docker構(gòu)建你的Serverless樹莓派集群
這篇博文將向你展示如何使用 Docker 和 OpenFaaS 框架構(gòu)建你自己的 Serverless 樹莓派集群。大家常常問我能用他們的集群來做些什么?而這個應(yīng)用完美匹配卡片尺寸的設(shè)備——只需添加更多的樹莓派就能獲取更強的計算能力。
“Serverless” (無服務(wù)器)是事件驅(qū)動架構(gòu)的一種設(shè)計模式，與“橋接模式”、“外觀模式”、“工廠模式”和“云”這些名詞一樣，都是一種抽象概念。
圖片：3 個 Raspberry Pi Zero
這是我在本文中描述的集群，用黃銅支架分隔每個設(shè)備。
Serverless 是什么?它為何重要?
行業(yè)對于 “serverless” 這個術(shù)語的含義有幾種解釋。在這篇博文中，我們就把它理解為一種事件驅(qū)動的架構(gòu)模式，它能讓你用自己喜歡的任何語言編寫輕量可復(fù)用的功能。更多關(guān)于 Serverless 的資料。
Serverless 架構(gòu)也引出了“功能即服務(wù)服務(wù)”模式，簡稱 FaaS
Serverless 的“功能”可以做任何事，但通常用于處理給定的輸入——例如來自 GitHub、Twitter、PayPal、Slack、Jenkins CI pipeline 的事件;或者以樹莓派為例，處理像紅外運動傳感器、激光絆網(wǎng)、溫度計等真實世界的傳感器的輸入。
Serverless 功能能夠更好地結(jié)合第三方的后端服務(wù)，使系統(tǒng)整體的能力大于各部分之和。
了解更多背景信息，可以閱讀我最近一偏博文：功能即服務(wù)(FaaS)簡介。
概述
我們將使用 OpenFaaS，它能夠讓主機或者集群作為支撐 Serverless 功能運行的后端。任何能夠使用 Docker 部署的可執(zhí)行二進制文件、腳本或者編程語言都能在 OpenFaaS 上運作，你可以根據(jù)速度和伸縮性選擇部署的規(guī)模。另一個優(yōu)點是，它還內(nèi)建了用戶界面和監(jiān)控系統(tǒng)。
這是我們要執(zhí)行的步驟：
- 在一個或多個主機上配置 Docker (樹莓派 2 或者 3);
- 利用 Docker Swarm 將它們連接;
- 部署 OpenFaaS;
- 使用 Python 編寫我們的第一個功能。
Docker Swarm
Docker 是一項打包和部署應(yīng)用的技術(shù)，支持集群上運行，有著安全的默認設(shè)置，而且在搭建集群時只需要一條命令。OpenFaaS 使用 Docker 和 Swarm 在你的可用樹莓派上傳遞你的 Serverless 功能。
我推薦你在這個項目中使用帶樹莓派 2 或者 3，以太網(wǎng)交換機和強大的 USB 多端口電源適配器。
準備 Raspbian
把 Raspbian Jessie Lite 寫入 SD 卡(8GB 容量就正常工作了，但還是推薦使用 16GB 的 SD 卡)。
注意：不要下載成 Raspbian Stretch 了
社區(qū)在努力讓 Docker 支持 Raspbian Stretch，但是還未能做到完美運行。請從樹莓派基金會網(wǎng)站下載 Jessie Lite 鏡像。
我推薦使用 Etcher.io 燒寫鏡像。
在引導(dǎo)樹莓派之前，你需要在引導(dǎo)分區(qū)創(chuàng)建名為 ssh 的空白文件。這樣才能允許遠程登錄。
接通電源，然后修改主機名
現(xiàn)在啟動樹莓派的電源并且使用 ssh 連接：
- $ ssh pi@raspberrypi.local
默認密碼是 raspberry
使用 raspi-config 工具把主機名改為 swarm-1 或者類似的名字，然后重啟。
當你到了這一步，你還可以把劃分給 GPU (顯卡)的內(nèi)存設(shè)置為 16MB。
現(xiàn)在安裝 Docker
我們可以使用通用腳本來安裝：
- $ curl -sSL https://get.docker.com | sh
這個安裝方式在將來可能會發(fā)生變化。如上文所說，你的系統(tǒng)需要是 Jessie，這樣才能得到一個確定的配置。
你可能會看到類似下面的警告，不過你可以安全地忽略它并且成功安裝上 Docker CE 17.05：
- WARNING: raspbian is no longer updated @ https://get.docker.com/
- Installing the legacy docker-engine package...
之后，用下面這個命令確保你的用戶帳號可以訪問 Docker 客戶端：
- $ usermod pi -aG docker
如果你的用戶名不是 pi，那就把它替換成你的用戶名。
修改默認密碼
輸入 $sudo passwd pi，然后設(shè)置一個新密碼，請不要跳過這一步!
重復(fù)以上步驟
現(xiàn)在為其它的樹莓派重復(fù)上述步驟。
創(chuàng)建你的 Swarm 集群
登錄你的第一個樹莓派，然后輸入下面的命令：
- $ docker swarm init
- Swarm initialized: current node (3ra7i5ldijsffjnmubmsfh767) is now a manager.
- To add a worker to this swarm, run the following command:
- docker swarm join \
- --token SWMTKN-1-496mv9itb7584pzcddzj4zvzzfltgud8k75rvujopw15n3ehzu-af445b08359golnzhncbdj9o3 \
- 192.168.0.79:2377
你會看到它顯示了一個口令，以及其它節(jié)點加入集群的命令。接下來使用 ssh 登錄每個樹莓派，運行這個加入集群的命令。
等待連接完成后，在第一個樹莓派上查看集群的節(jié)點：
- $ docker node ls
- ID HOSTNAME STATUS AVAILABILITY MANAGER STATUS
- 3ra7i5ldijsffjnmubmsfh767 * swarm1 Ready Active Leader
- k9mom28s2kqxocfq1fo6ywu63 swarm3 Ready Active
- y2p089bs174vmrlx30gc77h4o swarm4 Ready Active
恭喜你!你現(xiàn)在擁有一個樹莓派集群了!
更多關(guān)于集群的內(nèi)容
你可以看到三個節(jié)點啟動運行。這時只有一個節(jié)點是集群管理者。如果我們的管理節(jié)點死機了，集群就進入了不可修復(fù)的狀態(tài)。我們可以通過添加冗余的管理節(jié)點解決這個問題。而且它們依然會運行工作負載，除非你明確設(shè)置了讓你的服務(wù)只運作在工作節(jié)點上。
要把一個工作節(jié)點升級為管理節(jié)點，只需要在其中一個管理節(jié)點上運行 docker node promote <node_name> 命令。
注意： Swarm 命令，例如 docker service ls 或者 docker node ls 只能在管理節(jié)點上運行。
想深入了解管理節(jié)點與工作節(jié)點如何保持一致性，可以查閱 Docker Swarm 管理指南。
OpenFaaS
現(xiàn)在我們繼續(xù)部署程序，讓我們的集群能夠運行 Serverless 功能。OpenFaaS 是一個利用 Docker 在任何硬件或者云上讓任何進程或者容器成為一個 Serverless 功能的框架。因為 Docker 和 Golang 的可移植性，它也能很好地運行在樹莓派上。
如果你支持 OpenFaaS，希望你能 星標 OpenFaaS 的 GitHub 倉庫。
登錄你的第一個樹莓派(你運行 docker swarm init 的節(jié)點)，然后部署這個項目：
- $ git clone https://github.com/alexellis/faas/
- $ cd faas
- $ ./deploy_stack.armhf.sh
- Creating network func_functions
- Creating service func_gateway
- Creating service func_prometheus
- Creating service func_alertmanager
- Creating service func_nodeinfo
- Creating service func_markdown
- Creating service func_wordcount
- Creating service func_echoit
你的其它樹莓派會收到 Docer Swarm 的指令，開始從網(wǎng)上拉取這個 Docker 鏡像，并且解壓到 SD 卡上。這些工作會分布到各個節(jié)點上，所以沒有哪個節(jié)點產(chǎn)生過高的負載。
這個過程會持續(xù)幾分鐘，你可以用下面指令查看它的完成狀況：
- $ watch 'docker service ls'
- ID NAME MODE REPLICAS IMAGE PORTS
- 57ine9c10xhp func_wordcount replicated 1/1 functions/alpine:latest-armhf
- d979zipx1gld func_prometheus replicated 1/1 alexellis2/prometheus-armhf:1.5.2 *:9090->9090/tcp
- f9yvm0dddn47 func_echoit replicated 1/1 functions/alpine:latest-armhf
- lhbk1fc2lobq func_markdown replicated 1/1 functions/markdownrender:latest-armhf
- pj814yluzyyo func_alertmanager replicated 1/1 alexellis2/alertmanager-armhf:0.5.1 *:9093->9093/tcp
- q4bet4xs10pk func_gateway replicated 1/1 functions/gateway-armhf:0.6.0 *:8080->8080/tcp
- v9vsvx73pszz func_nodeinfo replicated 1/1 functions/nodeinfo:latest-armhf
我們希望看到每個服務(wù)都顯示 “1/1”。
你可以根據(jù)服務(wù)名查看該服務(wù)被調(diào)度到哪個樹莓派上：
- $ docker service ps func_markdown
- ID IMAGE NODE STATE
- func_markdown.1 functions/markdownrender:latest-armhf swarm4 Running
狀態(tài)一項應(yīng)該顯示 Running，如果它是 Pending，那么鏡像可能還在下載中。
在這時，查看樹莓派的 IP 地址，然后在瀏覽器中訪問它的 8080 端口：
- $ ifconfig
例如，如果你的 IP 地址是 192.168.0.100，那就訪問 http://192.168.0.100:8080 。
這是你會看到 FaaS UI(也叫 API 網(wǎng)關(guān))。這是你定義、測試、調(diào)用功能的地方。
點擊名稱為 “func_markdown” 的 Markdown 轉(zhuǎn)換功能，輸入一些 Markdown(這是 Wikipedia 用來組織內(nèi)容的語言)文本。
然后點擊 “invoke”。你會看到調(diào)用計數(shù)增加，屏幕下方顯示功能調(diào)用的結(jié)果。
部署你的第一個 Serverless 功能：
這一節(jié)的內(nèi)容已經(jīng)有相關(guān)的教程，但是我們需要幾個步驟來配置樹莓派。
獲取 FaaS-CLI
- $ curl -sSL cli.openfaas.com | sudo sh
- armv7l
- Getting package https://github.com/alexellis/faas-cli/releases/download/0.4.5-b/faas-cli-armhf
下載樣例
- $ git clone https://github.com/alexellis/faas-cli
- $ cd faas-cli
為樹莓派修補樣例模版
我們臨時修改我們的模版，讓它們能在樹莓派上工作：
- $ cp template/node-armhf/Dockerfile template/node/
- $ cp template/python-armhf/Dockerfile template/python/
這么做是因為樹莓派和我們平時關(guān)注的大多數(shù)計算機使用不一樣的處理器架構(gòu)。
了解 Docker 在樹莓派上的最新狀況，請查閱： 你需要了解的五件事。
現(xiàn)在你可以跟著下面為 PC、筆記本和云端所寫的教程操作，但我們在樹莓派上要先運行一些命令。
注意第 3 步：
- 把你的功能放到先前從 GitHub 下載的 faas-cli 文件夾中，而不是 ~/functinos/hello-python 里。
- 同時，在 stack.yml 文件中把 localhost 替換成第一個樹莓派的 IP 地址。
集群可能會花費幾分鐘把 Serverless 功能下載到相關(guān)的樹莓派上。你可以用下面的命令查看你的服務(wù)，確保副本一項顯示 “1/1”：
- $ watch 'docker service ls'
- pv27thj5lftz hello-python replicated 1/1 alexellis2/faas-hello-python-armhf:latest
繼續(xù)閱讀教程： 使用 OpenFaaS 運行你的第一個 Serverless Python 功能
關(guān)于 Node.js 或者其它語言的更多信息，可以進一步訪問 FaaS 倉庫。
檢查功能的指標
既然使用 Serverless，你也不想花時間監(jiān)控你的功能。幸運的是，OpenFaaS 內(nèi)建了 Prometheus 指標檢測，這意味著你可以追蹤每個功能的運行時長和調(diào)用頻率。
指標驅(qū)動自動伸縮
如果你給一個功能生成足夠的負載，OpenFaaS 將自動擴展你的功能;當需求消失時，你又會回到單一副本的狀態(tài)。
這個請求樣例你可以復(fù)制到瀏覽器中：
只要把 IP 地址改成你的即可。
- http://192.168.0.25:9090/graph?g0.range_input=15m&g0.stacked=1&g0.expr=rate(gateway_function_invocation_total%5B20s%5D)&g0.tab=0&g1.range_input=1h&g1.expr=gateway_service_count&g1.tab=0
這些請求使用 PromQL(Prometheus 請求語言)編寫。第一個請求返回功能調(diào)用的頻率：
- rate(gateway_function_invocation_total[20s])
第二個請求顯示每個功能的副本數(shù)量，最開始應(yīng)該是每個功能只有一個副本。
- gateway_service_count
如果你想觸發(fā)自動擴展，你可以在樹莓派上嘗試下面指令：
- $ while [ true ]; do curl -4 localhost:8080/function/func_echoit --data "hello world" ;
- done
查看 Prometheus 的 “alerts” 頁面，可以知道你是否產(chǎn)生足夠的負載來觸發(fā)自動擴展。如果沒有，你可以嘗試在多個終端同時運行上面的指令。
當你降低負載，副本數(shù)量顯示在你的第二個圖表中，并且 gateway_service_count 指標再次降回 1。
結(jié)束
我們現(xiàn)在配置好了 Docker、Swarm， 并且讓 OpenFaaS 運行代碼，把樹莓派像大型計算機一樣使用。
你是如何搭建好了自己的 Docker Swarm 集群并且運行 OpenFaaS 的呢?在 Twitter @alexellisuk 上分享你的照片或推文吧。
觀看我在 Dockercon 上關(guān)于 OpenFaaS 的視頻
我在 Austin 的 Dockercon 上展示了 OpenFaaS。——觀看介紹和互動例子的視頻： https://www.youtube.com/embed/-h2VTE9WnZs
有問題?在下面的評論中提出，或者給我發(fā)郵件，邀請我進入你和志同道合者討論樹莓派、Docker、Serverless 的 Slack channel。
想要學(xué)習(xí)更多關(guān)于樹莓派上運行 Docker 的內(nèi)容?
我建議從 你需要了解的五件事 開始，它包含了安全性、樹莓派和普通 PC 間微妙差別等話題。
