Docker 的基本概念和框架

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一、Docker簡介

什么是容器 ？

• 一種虛擬化的方案
• 操作系統(tǒng)級別的虛擬化
• 只能運行相同或相似的內(nèi)核操作系統(tǒng)
• 依賴于Linux內(nèi)核特性：Namespace和Cgroups（Control Group）

容器技術有哪些優(yōu)點 ？

從圖中我們很容器看出，容器技術資源占用比較少，由于虛擬機需要模擬硬件的行為，對CUP和內(nèi)存的損耗比較大。所以同樣配置的服務器，容器技術就有以下優(yōu)點：

• 資源占用比較少
• CPU/內(nèi)存消耗低

那既然容器有這些優(yōu)點，為什么直到Docker的出現(xiàn)，才真正的被關注呢？一個重要原因就是容器技術的復雜性。容器本身就很復雜，他依賴于Linux內(nèi)核的很多特性，而且他不易安裝，也不易于管理和實現(xiàn)自動化。而Docker就是為了改變這一切而產(chǎn)生的。

什么是Docker ？

• 將應用自動部署到容器的開源引擎
• Go語言實現(xiàn)的開源項目，誕生于2013年初，最初發(fā)起者是dotCloud公司

Docker的特點

• 提供簡單輕量的建模方式：簡單，Docker非常容器上手，用戶只需要幾分鐘，就能把自己的項目Docker化。
• 職責的邏輯分離：使用Docker，開發(fā)人員只需要關心容器中運行的程序，運維人員只需要關心如何管理容器；Docker設計的目的就是加強開發(fā)人員寫代碼的環(huán)境與應用程序要部署的生成環(huán)境的一致性。
• 快速高效的開發(fā)生命周期：Docker的目標之一是縮短代碼開發(fā)到測試到部署上線的運行周期，讓應用程序具備可移植性，在容器中開發(fā)，以容器的形式交付和分發(fā)，這樣開發(fā)、測試、生產(chǎn)，都使用相同的環(huán)境，這樣也就避免了額外的調(diào)試和部署上的開銷，這樣就能有效的縮短產(chǎn)品的上線周期。
• 鼓勵使用面向服務的架構：Docker推薦單個容器只運行一個應用程序或者進程，這樣就形成了一個分布式的應用程序模型，在這種模式下應用程序或服務都可以表述為一系列內(nèi)部互聯(lián)的容器，從而使分布式部署應用程序擴展或調(diào)試都變得非常簡單。這就像我們開發(fā)中常用的思想；高內(nèi)聚，低耦合，單一任務。這樣就能避免在同一服務器上部署不同服務時，可能帶來的服務之間相互影響。這樣服務運行中出現(xiàn)問題時，也比較容易定位問題的所在。

Docker的使用場景

• 1. 使用Docker容器開發(fā)、測試、部署服務：因為Docker本身非常輕量化，所以本地開發(fā)人員可以構建、運行并分享Docker容器。容器可以在開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建，然后再提交到測試，最終進入生產(chǎn)環(huán)境。
• 2. 創(chuàng)建隔離的運行環(huán)境：在很多企業(yè)應用中，同一服務的不同版本可能服務于不同的用戶，那么使用Docker非常容易創(chuàng)建不同的生成環(huán)境來運行不同的服務。
• 3. 搭建測試環(huán)境：由于Docker的輕量化，所以開發(fā)者很容易利用Docker在本地搭建測試環(huán)境，用來測試程序在不用系統(tǒng)下的兼容性；甚至搭建集群的部署測試。
• 4. 構建多用戶的平臺即服務（PaaS）基礎設施。
• 5. 提供軟件即服務（SaaS）應用程序。
• 6. 高性能、超大規(guī)模的宿主機部署。

二、Docker的基本組成

Docker 包含了一下幾個重要主要部分：

• Docker Client 客戶端
• Docker Daemon 守護進程
• Docker Image 鏡像
• Docker Container 容器
• Docker Registry 倉庫

Docker 客戶端 / 守護進程

• Docker是C/S架構的程序：Docker客戶端向Docker服務器端，也就是Docker的守護進程發(fā)出請求，守護進程處理完所有的請求工作并返回結果。
• Docker 客戶端對服務器端的訪問既可以是本地也可以通過遠程來訪問。

Docker Image 鏡像

• 鏡像是Docker容器的基石，容器基于鏡像啟動和運行。鏡像就好比容器的源代碼，保存了用于啟動容器的各種條件。
• Docker鏡像是一個層疊的只讀文件系統(tǒng)。
• Docker鏡像使用聯(lián)合加載技術

docker的鏡像是一個層疊的只讀文件系統(tǒng)，最低端是一個引導文件系統(tǒng)（即bootfs），第二層是root文件系統(tǒng)（即rootfs），它位于bootfs之上，可以是一種或多種操作系統(tǒng)，比如ubuntu或者centos。在docker中，root文件系統(tǒng)永遠只能是只讀狀態(tài)，并且docker運用聯(lián)合加載技術又會在root文件系統(tǒng)之上加載更多的只讀文件系統(tǒng)，聯(lián)合加載指的是一次加載多個文件系統(tǒng)，但是在外面看起來只能看到一個文件系統(tǒng)，聯(lián)合加載會將各層文件系統(tǒng)疊加到一起，這樣最終的文件系統(tǒng)會包含所有的底層文件和目錄，docker將這樣的文件系統(tǒng)稱為鏡像。

Docker Container 容器

• 容器通過鏡像來啟動，Docker的容器是Docker的執(zhí)行來源，容器中可以運行客戶的一個或多個進程，如果說鏡像是Docker聲明周期中的構建和打包階段，那么容器則是啟動和執(zhí)行階段。

當一個容器啟動時，docker會在該鏡像的最頂層加載一個讀寫文件系統(tǒng)，也就是一個可寫的文件層，我們在docker運行的程序，就是在這個層中進行執(zhí)行的，當docker第一次啟動一個容器時，初始的讀寫層是空的，當文件系統(tǒng)發(fā)生變化時，這些變化都會應用到這一層上，比如像修改一個文件，該文件首先會從讀寫層下面的只讀層復制到該讀寫層，該文件的只讀版本依然存在，但是已經(jīng)被讀寫層中的該文件副本所隱藏，這就是docker的一個重要技術：寫時復制（copy on write)。每個只讀鏡像層都是只讀的，永遠不會變化，當創(chuàng)建一個新容器時，docker會構建出一個鏡像棧，如下圖所示：

Docker Registry 倉庫

• docker用倉庫來保存用戶構建的鏡像，倉庫分為公有和私有兩種,Docker公司提供了一個公有的倉庫Docker Hub。

三、Docker 依賴的 Linux內(nèi)核特性

Docker依賴于Linux內(nèi)核的兩個重要特性：

• Namespaces 命名空間
• Control groups (cgroups) 控制組

Namespaces 命名空間

很多編程語言都包含了“命名空間”的概念，我們可以認為“命名空間”是一種“封裝”的概念， 而“封裝”本身實際上實現(xiàn)的是代碼的隔離。而在操作系統(tǒng)中，命名空間提供的是系統(tǒng)資源的隔離，而系統(tǒng)資源包括了進程、網(wǎng)絡、文件系統(tǒng)等。

我們從Docker公開的文檔來看，它使用了5種命名空間：

• PID（Process ID） 進程隔離
• NET（Network）管理網(wǎng)絡接口
• IPC（InterProcess Communication）管理跨進程通信的訪問
• MNT（Mount）管理掛載點
• UTS（Unix Timesharing System） 隔離內(nèi)核和版本標識

那么，這些隔離的資源，是如何被管理起來的呢？這就需要用到——Control groups(cgroup)控制組了。

Control groups (cgroups) 控制組

Control groups是Linux內(nèi)核提供的，一種可以限制、記錄、隔離進程組所使用的物理資源的機制。
最初是由google工程師提出，并且在2007年時被Linux的內(nèi)核的2.6.24版本引進?？梢哉f，Control groups就是為容器而生的，沒有Control groups就沒有容器技術的今天。

Control groups提供了以下功能：

• 資源限制：例如，memory(內(nèi)存)子系統(tǒng)可以為進程組設定一個內(nèi)存使用的上限，一旦進程組使用的內(nèi)存達到了限額，該進程組再發(fā)出內(nèi)存申請時，就會發(fā)出“out of memory”(內(nèi)存溢出)的警告。

• 優(yōu)先級設定：它可以設定哪些進程組可以使用更大的CPU或者磁盤IO的資源。

• 資源計量：它可以計算進程組使用了多少系統(tǒng)資源。尤其是在計費系統(tǒng)中，這一點十分重要。

• 資源控制：它可以將進程組掛起或恢復。

Namespace 和 cgroup帶給Docker的能力

到這里我們了解了Namespace和CGroup的概念和職能，而這兩個特性帶給了Docker哪些能力呢？如下：

• 文件系統(tǒng)隔離：首先是文件系統(tǒng)的隔離，每個Docker的容器，都可以擁有自己的root文件系統(tǒng)。

• 進程隔離：每個容器都運行在自己的進程環(huán)境中。

• 網(wǎng)絡隔離：容器間的虛擬網(wǎng)絡接口和IP地址都是分開的。

• 資源的隔離和分組：使用cgroups將cpu和內(nèi)存之類的資源獨立分配給每個Docker容器。

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