【开源容器引擎--Docker】

 

 

Docker 是一个开源的应用容器引擎，让开发者可以打包他们的应用以及依赖包到一个可移植的容器中，然后发布到任何流行的 Linux 机器上，也可以实现虚拟化。容器是完全使用沙箱机制，相互之间不会有任何接口。

 

局限编辑

Docker并不是全能的，设计之初也不是KVM之类虚拟化手段的替代品，简单总结几点：

Docker是基于Linux 64bit的，无法在32bit的linux/Windows/unix环境下使用

LXC是基于cgroup等linux kernel功能的，因此container的guest系统只能是linux base的

隔离性相比KVM之类的虚拟化方案还是有些欠缺，所有container公用一部分的运行库

网络管理相对简单，主要是基于namespace隔离

cgroup的cpu和cpuset提供的cpu功能相比KVM的等虚拟化方案相比难以度量(所以dotcloud主要是按内存收费)

docker对disk的管理比较有限

container随着用户进程的停止而销毁，container中的log等用户数据不便收集

针对1-2，有windows base应用的需求的基本可以pass了; 3-5主要是看用户的需求，到底是需要一个container还是一个VM, 同时也决定了docker作为 IaaS 不太可行。

针对6,7虽然是docker本身不支持的功能，但是可以通过其他手段解决(disk quota, mount --bind)。总之，选用container还是vm, 就是在隔离性和资源复用性上做权衡

另外即便docker 0.7能够支持非AUFS的文件系统，但是由于其功能还不稳定，商业应用或许会存在问题，而AUFS的稳定版需要kernel 3.8, 所以如果想复制dotcloud的成功案例，可能需要考虑升级kernel或者换用ubuntu的server版本(后者提供deb更新)。这也是为什么开源界更倾向于支持ubuntu的原因(kernel版本)

 

Docker并非适合所有应用场景，Docker只能虚拟基于Linux的服务。Windows Azure 服务能够运行Docker实例，但到目前为止Windows服务还不能被虚拟化。

可能最大的障碍在于管理实例之间的交互。由于所有应用组件被拆分到不同的容器中，所有的服务器需要以一致的方式彼此通信。这意味着任何人如果选择复杂的基础设施，那么必须掌握应用编程接口管理以及集群工具，比如Swarm、Mesos或者Kubernets以确保机器按照预期运转并支持故障切换。

Docker在本质上是一个附加系统。使用文件系统的不同层构建一个应用是有可能的。每个组件被添加到之前已经创建的组件之上，可以比作为一个文件系统三明治。分层架构带来另一方面的效率提升，当你重建存在变化的Docker镜像时，不需要重建整个Docker镜像，只需要重建变化的部分。

可能更为重要的是，Docker旨在用于弹性计算。每个Docker实例的运营生命周期有限，实例数量根据需求增减。在一个管理适度的系统中，这些实例生而平等，不再需要时便各自消亡了。

针对Docker环境存在的不足，意味着在开始部署Docker前需要考虑如下几个问题。首先，Docker实例是无状态的。这意味着它们不应该承载任何交易数据，所有数据应该保存在数据库服务器中。

其次，开发Docker实例并不像创建一台虚拟机、添加应用然后克隆那样简单。为成功创建并使用Docker基础设施，管理员需要对系统管理的各个方面有一个全面的理解，包括Linux管理、编排及配置工具比如Puppet、Chef以及Salt。这些工具生来就基于命令行以及脚本。

 

原理

Docker核心解决的问题是利用LXC来实现类似VM的功能，从而利用更加节省的硬件资源提供给用户更多的计算资源。同VM的方式不同, LXC 其并不是一套硬件虚拟化方法 - 无法归属到全虚拟化、部分虚拟化和半虚拟化中的任意一个，而是一个操作系统级虚拟化方法, 理解起来可能并不像VM那样直观。所以我们从虚拟化到docker要解决的问题出发，看看他是怎么满足用户虚拟化需求的。

用户需要考虑虚拟化方法，尤其是硬件虚拟化方法，需要借助其解决的主要是以下4个问题:

隔离性 - 每个用户实例之间相互隔离, 互不影响。 硬件虚拟化方法给出的方法是VM, LXC给出的方法是container，更细一点是kernel namespace

可配额/可度量 - 每个用户实例可以按需提供其计算资源，所使用的资源可以被计量。硬件虚拟化方法因为虚拟了CPU, memory可以方便实现, LXC则主要是利用cgroups来控制资源

移动性 - 用户的实例可以很方便地复制、移动和重建。硬件虚拟化方法提供snapshot和image来实现，docker(主要)利用AUFS实现

安全性 - 这个话题比较大，这里强调是host主机的角度尽量保护container。硬件虚拟化的方法因为虚拟化的水平比较高，用户进程都是在KVM等虚拟机容器中翻译运行的, 然而对于LXC, 用户的进程是lxc-start进程的子进程, 只是在Kernel的namespace中隔离的, 因此需要一些kernel的patch来保证用户的运行环境不会受到来自host主机的恶意入侵, dotcloud(主要是)利用kernel grsec patch解决的.

Linux Namespace (ns)

LXC所实现的隔离性主要是来自kernel的namespace, 其中pid, net, ipc, mnt, uts 等namespace将container的进程, 网络, 消息, 文件系统和hostname 隔离开。

pid namespace

之前提到用户的进程是lxc-start进程的子进程, 不同用户的进程就是通过pidnamespace隔离开的，且不同 namespace 中可以有相同PID。具有以下特征:

每个namespace中的pid是有自己的pid=1的进程(类似/sbin/init进程)

每个namespace中的进程只能影响自己的同一个namespace或子namespace中的进程

因为/proc包含正在运行的进程，因此在container中的pseudo-filesystem的/proc目录只能看到自己namespace中的进程

因为namespace允许嵌套，父namespace可以影响子namespace的进程，所以子namespace的进程可以在父namespace中看到，但是具有不同的pid

正是因为以上的特征，所有的LXC进程在docker中的父进程为docker进程，每个lxc进程具有不同的namespace。同时由于允许嵌套，因此可以很方便的实现 LXC in LXC

net namespace

有了 pid namespace, 每个namespace中的pid能够相互隔离，但是网络端口还是共享host的端口。网络隔离是通过netnamespace实现的，

每个net namespace有独立的 network devices, IP addresses, IP routing tables, /proc/net 目录。这样每个container的网络就能隔离开来。

LXC在此基础上有5种网络类型，docker默认采用veth的方式将container中的虚拟网卡同host上的一个docker bridge连接在一起。

ipc namespace

container中进程交互还是采用linux常见的进程间交互方法(interprocess communication - IPC), 包括常见的信号量、消息队列和共享内存。然而同VM不同，container 的进程间交互实际上还是host上具有相同pid namespace中的进程间交互，因此需要在IPC资源申请时加入namespace信息 - 每个IPC资源有一个唯一的 32bit ID。

mnt namespace

类似chroot，将一个进程放到一个特定的目录执行。mnt namespace允许不同namespace的进程看到的文件结构不同，这样每个 namespace 中的进程所看到的文件目录就被隔离开了。同chroot不同，每个namespace中的container在/proc/mounts的信息只包含所在namespace的mount point。

uts namespace

UTS(“UNIX Time-sharing System”) namespace允许每个container拥有独立的hostname和domain name, 

　　使其在网络上可以被视作一个独立的节点而非Host上的一个进程。

user namespace

每个container可以有不同的 user 和 group id, 也就是说可以以container内部的用户在container内部执行程序而非Host上的用户。

有了以上6种namespace从进程、网络、IPC、文件系统、UTS和用户角度的隔离，一个container就可以对外展现出一个独立计算机的能力，并且不同container从OS层面实现了隔离。 

　　然而不同namespace之间资源还是相互竞争的，仍然需要类似ulimit来管理每个container所能使用的资源 - LXC 采用的是cgroup。

Control Groups (cgroups)

cgroups 实现了对资源的配额和度量。 cgroups 的使用非常简单，提供类似文件的接口，在 /cgroup目录下新建一个文件夹即可新建一个group，在此文件夹中新建task文件，并将pid写入该文件，即可实现对该进程的资源控制。具体的资源配置选项可以在该文件夹中新建子 subsystem ，{子系统前缀}.{资源项} 是典型的配置方法，

如memory.usage_in_bytes 就定义了该group 在subsystem memory中的一个内存限制选项。

 

另外，cgroups中的 subsystem可以随意组合，一个subsystem可以在不同的group中，也可以一个group包含多个subsystem - 也就是说一个 subsystem。