【Docker】什么是Docker，它用来干什么

作者简介： 辭七七，目前大一，正在学习C/C++，Java，Python等
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Docker

简介

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镜像中，然后发布到任何流行的 Linux或Windows操作系统的机器上，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。
一个完整的Docker有以下几个部分组成：

1. DockerClient客户端
2. Docker Daemon守护进程
3. Docker Image镜像
4. DockerContainer容器

Docker核心

Docker作为一个软件集装箱化平台，可以让开发者构建应用程序时，将它与其依赖环境一起打包到一个容器中，然后很容易地发布和应用到任意平台中

起源

Docker 是 PaaS 提供商 dotCloud 开源的一个基于 LXC 的高级容器引擎，源代码托管在 Github 上, 基于go语言并遵从Apache2.0协议开源。

Docker自2013年以来非常火热，无论是从 github 上的代码活跃度，还是Redhat在RHEL6.5中集成对Docker的支持, 就连 Google 的 Compute Engine 也支持 docker 在其之上运行。

一款开源软件能否在商业上成功，很大程度上依赖三件事 ——成功的 user case(用例), 活跃的社区和一个好故事。 dotCloud 之家的 PaaS 产品建立在docker之上，长期维护且有大量的用户，社区也十分活跃，接下看看docker的故事。

• 环境管理复杂
• 云计算时代的到来
• 虚拟化手段的变化
• LXC的移动性

面对上述几个问题，docker设想是交付运行环境如同海运，OS如同一个货轮，每一个在OS基础上的软件都如同一个集装箱，用户可以通过标准化手段自由组装运行环境，同时集装箱的内容可以由用户自定义，也可以由专业人员制造。这样，交付一个软件，就是一系列标准化组件的集合的交付，如同乐高积木，用户只需要选择合适的积木组合，并且在最顶端署上自己的名字(最后一个标准化组件是用户的app)。这也就是基于docker的PaaS产品的原型。

Docker 架构

Docker 使用客户端-服务器 (C/S) 架构模式，使用远程API来管理和创建Docker容器。Docker 容器通过 Docker 镜像来创建。容器与镜像的关系类似于面向对象编程中的对象与类。
Docker面向对象容器对象镜像类
Docker采用 C/S架构 Docker daemon 作为服务端接受来自客户的请求，并处理这些请求（创建、运行、分发容器）。 客户端和服务端既可以运行在一个机器上，也可通过 socket 或者RESTful API 来进行通信。Docker daemon 一般在宿主主机后台运行，等待接收来自客户端的消息。 Docker 客户端则为用户提供一系列可执行命令，用户用这些命令实现跟 Docker daemon 交互。

特性

在docker的网站上提到了docker的典型场景：

• Automating the packaging and deployment of applications（使应用的打包与部署自动化）
• Creation of lightweight, private PAAS environments（创建轻量、私密的PAAS环境）
• Automated testing and continuous integration/deployment（实现自动化测试和持续的集成/部署）
• Deploying and scaling web apps, databases and backend services（部署与扩展webapp、数据库和后台服务）

由于其基于LXC的轻量级虚拟化的特点，docker相比KVM之类最明显的特点就是启动快，资源占用小。

1. 构建标准化的运行环境，现有的方案大多是在一个baseOS上运行一套puppet/chef，或者一个image文件，其缺点是前者需要base OS许多前提条件，后者几乎不可以修改(因为copy on write 的文件格式在运行时rootfs是read only的)。并且后者文件体积大，环境管理和版本控制本身也是一个问题。
2. PaaS环境是不言而喻的，其设计之初和dotcloud的案例都是将其作为PaaS产品的环境基础
3. 因为其标准化构建方法(buildfile)和良好的REST API，自动化测试和持续集成/部署能够很好的集成进来
4. 因为LXC轻量级的特点，其启动快，而且docker能够只加载每个container变化的部分，这样资源占用小，能够在单机环境下与KVM之类的虚拟化方案相比能够更加快速和占用更少资源

局限

1. 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
2. LXC是基于cgroup等linux kernel功能的，因此container的guest系统只能是linux base的
3. 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
4. 网络管理相对简单，主要是基于namespace隔离
5. 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)
6. Docker对disk的管理比较有限
7. 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

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。所以可以从虚拟化到docker要解决的问题出发，看看docker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
• 可配额/可度量
• 移动性
• 安全性

Linux Namespace

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:

1. 每个namespace中的pid是有自己的pid=1的进程(类似/sbin/init进程)
2. 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
3. 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
4. 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

Linux 容器

借助于namespace的隔离机制和cgroup限额功能，LXC提供了一套统一的API和工具来建立和管理container。
LXC 旨在提供一个共享kernel的 OS 级虚拟化方法，在执行时不用重复加载Kernel, 且container的kernel与host共享，因此可以大大加快container的 启动过程，并显著减少内存消耗。在实际测试中，基于LXC的虚拟化方法的IO和CPU性能几乎接近 baremetal 的性能, 大多数数据有相比 Xen具有优势。当然对于KVM这种也是通过Kernel进行隔离的方式, 性能优势或许不是那么明显, 主要还是内存消耗和启动时间上的差异。
在参考文献中提到了利用iozone进行 Disk IO吞吐量测试KVM反而比LXC要快，而且笔者在device mapping driver下重现同样case的实验中也确实能得到如此结论。参考文献从网络虚拟化中虚拟路由的场景(网络IO和CPU角度)比较了KVM和LXC, 得到结论是KVM在性能和隔离性的平衡上比LXC更优秀 - KVM在吞吐量上略差于LXC, 但CPU的隔离可管理项比LXC更明确。

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