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全面讲解Docker容器技术的基本概念

2018年03月03日  | 移动技术网科技  | 我要评论

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什么是docker？
docker的英文本意是码头工人，也就是搬运工，这种搬运工搬运的是集装箱（container），集装箱里面装的可不是商品货物，而是任意类型的app，docker把app（叫payload）装在container内，通过linux container技术的包装将app变成一种标准化的、可移植的、自管理的组件，这种组件可以在你的latop上开发、调试、运行，最终非常方便和一致地运行在production环境下。
docker的核心底层技术是lxc（linux container），docker在其上面加了薄薄的一层，添加了许多有用的功能。这篇stackoverflow上的问题和答案很好地诠释了docker和lxc的区别，能够让你更好的了解什么是docker， 简单翻译下就是以下几点：
docker提供了一种可移植的配置标准化机制，允许你一致性地在不同的机器上运行同一个container；而lxc本身可能因为不同机器的不同配置而无法方便地移植运行；
docker以app为中心，为应用的部署做了很多优化，而lxc的帮助脚本主要是聚焦于如何机器启动地更快和耗更少的内存；
docker为app提供了一种自动化构建机制（dockerfile），包括打包，基础设施依赖管理和安装等等；
docker提供了一种类似git的container版本化的机制，允许你对你创建过的容器进行版本管理，依靠这种机制，你还可以下载别人创建的container，甚至像git那样进行合并；
docker container是可重用的，依赖于版本化机制，你很容易重用别人的container（叫image），作为基础版本进行扩展；
docker container是可共享的，有点类似github一样，docker有自己的index，你可以创建自己的docker用户并上传和下载docker image；
docker提供了很多的工具链，形成了一个生态系统；这些工具的目标是自动化、个性化和集成化，包括对paas平台的支持等；
那么docker有什么用呢？对于运维来说，docker提供了一种可移植的标准化部署过程，使得规模化、自动化、异构化的部署成为可能甚至是轻松简单的事情；而对于开发者来说，docker提供了一种开发环境的管理方法，包括映像、构建、共享等功能。
docker vs. vm
从下图可以看出，vm是一个运行在宿主机之上的完整的操作系统，vm运行自身操作系统会占用较多的cpu、内存、硬盘资源。docker不同于vm，只包含应用程序以及依赖库，基于libcontainer运行在宿主机上，并处于一个隔离的环境中，这使得docker更加轻量高效，启动容器只需几秒钟之内完成。由于docker轻量、资源占用少，使得docker可以轻易的应用到构建标准化的应用中。但docker目前还不够完善，比如隔离效果不如vm，共享宿主机操作系统的一些基础库等；网络配置功能相对简单，主要以桥接方式为主；查看日志也不够方便灵活。
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另外，ibm发表了一篇关于虚拟机和linux container性能对比的论文，论文中实际测试了虚拟机和linux container在cpu、内存、存储io以及网络的负载情况，结果显示docker容器本身几乎没有什么开销，但是使用aufs会一定的性能损耗，不如使用docker volume，docker的nat在较高网络数据传输中会引入较大的工作负载，带来额外的开销。不过container的性能与native相差不多，各方面的性能都一般等于或者优于虚拟机。container和虚拟机在io密集的应用中都需要调整优化以更好的支持io操作，两者在io密集型的应用中都应该谨慎使用。
docker组件
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docker是cs架构，主要由下面三部分组成：
docker daemon: 运行在宿主机上，docker守护进程，用户通过docker client(docker命令)与docker daemon交互
docker client: docker 命令行工具，是用户使用docker的主要方式，docker client与docker daemon通信并将结果返回给用户，docker client也可以通过socket或者restful api访问远程的docker daemon
docker hub/registry: 共享和管理docker镜像，用户可以上传或者下载上面的镜像，官方地址为https://registry.hub.docker.com/，也可以搭建自己私有的docker registry。
了解了docker的组成，再来了解一下docker的两个主要概念：
docker image：镜像是只读的，镜像中包含有需要运行的文件。镜像用来创建container，一个镜像可以运行多个container；镜像可以通过dockerfile创建，也可以从docker hub/registry上下载。
docker container：容器是docker的运行组件，启动一个镜像就是一个容器，容器是一个隔离环境，多个容器之间不会相互影响，保证容器中的程序运行在一个相对安全的环境中。
docker网络
docker的网络功能相对简单，没有过多复杂的配置，docker默认使用birdge桥接方式与容器通信，启动docker后，宿主机上会产生docker0这样一个虚拟网络接口， docker0不是一个普通的网络接口， 它是一个虚拟的以太网桥，可以为绑定到docker0上面的网络接口自动转发数据包，这样可以使容器与宿主机之间相互通信。每次docker创建一个容器，会产生一对虚拟接口，在宿主机上执行ifconfig，会发现多了一个类似veth****这样的网络接口，它会绑定到docker0上，由于所有容器都绑定到docker0上，容器之间也就可以通信。
在宿主机上执行ifconfig，会看到docker0这个网络接口， 启动一个container，再次执行ifconfig, 会有一个类似veth****的interface，每个container的缺省路由是宿主机上docker0的ip，在container中执行netstat -r可以看到如下图所示内容：
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容器中的默认网关跟docker0的地址是一样的：
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当容器退出之后，veth*虚拟接口也会被销毁。
除bridge方式，docker还支持host、container、none三种网络通信方式，使用其它通信方式，只要在docker启动时，指定--net参数即可，比如:

复制代码
代码如下:

docker run -i -t --net=host ubuntu /bin/bash

host方式可以让容器无需创建自己的网络协议栈，而直接访问宿主机的网络接口，在容器中执行ip addr会发现与宿主机的网络配置是一样的，host方式让容器直接使用宿主机的网络接口，传输数据的效率会更加高效，避免bridge方式带来的额外开销，但是这种方式也可以让容器访问宿主机的d-bus等网络服务，可能会带来意想不到的安全问题，应谨慎使用host方式；container方式可以让容器共享一个已经存在容易的网络配置； none方式不会对容器的网络做任务配置，需要用户自己去定制。
docker生态
随着docker迅速火遍全球， 以docker为基础的生态系统也迅速的发展起来，从以部署和运行container为基础的coreos到各种各样的管理工具和paas软件，docker以及生态产品都在迅猛发展，以下介绍几个代表性的软件。
首先介绍coreos，它的出现极大地推动了docker技术的推广和发展，coreos是专门为大规模服务部署而设计的一种新的linux发行版，通过运行轻量级的容器方便扩展和维护大规模的服务。它具有以下特点：
coreos使用container管理服务(容器即服务)，即以容器的角度去管理服务，服务的代码和依赖都打包到容器里，打包后的容器直接在coreos上运行管理。通过容器用户不再需要关注虚拟机环境等，极大地降低了服务和系统环境的耦合性。另外部署在coreos的多个容器都运行在各自独立的环境中，不会相互影响。
coreos专门为cluster等大规模部署而设计，提供了etcd进行服务发现，以及fleet管理容器保证服务可用。
coreos更加精简，比如ram使用比普通linux低40%。
coreos采用双分区模式(dual-partition)，主分区为主动模式，负责系统运行，被动模式分区负责系统更新，更新时将整个coreos系统下载下来。
coreos是为集群服务而设计的，提供了etcd、fleet等管理工具管理容器和服务。etcd是一种类似zookeeper的分布式key/value存储服务，用于服务发现和配置管理。fleet是容器管理工具，保证服务的可用性，当某个机器的服务不可用时，fleet会将服务迁移到其它机器上运行。
docker生态中还有一个非常重要的容器管理工具--kubernetes，它是google开源的用于在集群环境中管理、维护、自动扩展容器，通过kubernetes可以很方便地在多个机器上管理和部署容器服务。现在已经得到ibm、microsoft、redhat等多个大公司的支持。
在kubernetes中pod是一个基本单元，一个pod可以是提供相同功能的多个container，这些容器会被部署在同一个minion上。replication controller定义了多个pod或者容器需要运行，如果当前集群中运行的pod或容器达不到配置的数量，replication controller会调度容器在多个minion上运行，保证集群中的pod数量。service则定义真实对外提供的服务，一个service会对应后端运行的多个container。kubernetes的架构由一个master和多个minion组成，master通过api提供服务，接受kubectl的请求来调度管理整个集群。minion是运行kubelet的机器，它接受master的指令创建pod或者容器。
最后介绍一下基于docker实现的paas软件，docker paas软件中以deis和flynn最为知名。deis是基于docker和coreos实现的轻量级的paas，受到heroku的启发，遵循“十二要素”构建应用方法。deis是以应用程序为中心设计的，分为build、release、run三个阶段，用户执行"git push"后，deis使用docker 容器编译并将编译结果保存在docker镜像；发布阶段，一次build和配置文件产生一个数字标识的发布镜像，将发布镜像保存到docker registry中以供后续发布到线上运行；运行阶段应用镜像会被调度到主机上运行，并更新相应的路由。flynn与deis类似，也是以应用为中心，flynn组件分为两层，layer0是底层资源的抽象，主要负责资源调度以及服务发现等，为上层应用容器的运行提供底层资源调度支持；layer1处理具体应用，通过docker容器编译、部署和维护上层应用程序。

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