軟件架構師

Docker簡介

Docker是DotCloud開源的、可以將任何應用包裝在Linux container中運行的工具。

Docker基於Go語言開發，代碼託管在Github上，目前超過10000次commit。

基於Docker的沙箱環境可以實現輕型隔離，多個容器間不會相互影響；Docker可以自動化打包和部署任何應用，方便地創建一個輕量級私有PaaS雲，也可以用於搭建開發測試環境以及部署可擴展的web應用等。

Docker vs VM

從下圖可以看出，VM是一個運行在宿主機之上的完整的操作系統，VM運行自身操作系統會佔用較多的CPU、內存、硬盤資源。

Docker不同於VM，只包含應用程序以及依賴庫，基於libcontainer運行在宿主機上，並處於一個隔離的環境中，這使得Docker更加輕量高效，啟動容器只需幾秒鐘之內完成。

由於Docker輕量、資源佔用少，使得Docker可以輕易的應用到構建標準化的應用中。但Docker目前還不夠完善，比如隔離效果不如VM，共享宿主機操作系統的一些基礎庫等；網絡配置功能相對簡單，主要以橋接方式為主；查看日誌也不夠方便靈活。

另外，IBM發表了一篇關於虛擬機和Linux container性能對比的論文，論文中實際測試了虛擬機和Linux container在CPU、內存、存儲IO以及網絡的負載情況，結果顯示Docker容器本身幾乎沒有什麼開銷，但是使用AUFS會一定的性能損耗，不如使用Docker Volume，Docker的NAT在較高網絡數據傳輸中會引入較大的工作負載，帶來額外的開銷。不過container的性能與native相差不多，各方面的性能都一般等於或者優於虛擬機。Container和虛擬機在IO密集的應用中都需要調整優化以更好的支持IO操作，兩者在IO密集型的應用中都應該謹慎使用。

Docker Component

Docker是CS架構，主要由下面三部分組成：

1. Docker daemon: 運行在宿主機上，Docker守護進程，用戶通過Docker client(Docker命令)與Docker daemon交互
2. Docker client: Docker 命令行工具，是用戶使用Docker的主要方式，Docker client與Docker daemon通信並將結果返回給用戶，Docker client也可以通過socket或者RESTful api訪問遠程的Docker daemon
3. Docker hub/registry: 共享和管理Docker鏡像，用戶可以上傳或者下載上面的鏡像，官方地址為https://registry.hub.docker.com/，也可以搭建自己私有的Docker registry。

瞭解了Docker的組成，再來了解一下Docker的兩個主要概念：

1. Docker image：鏡像是隻讀的，鏡像中包含有需要運行的文件。鏡像用來創建container，一個鏡像可以運行多個container；鏡像可以通過Dockerfile創建，也可以從Docker hub/registry上下載。
2. Docker container
   ：容器是Docker的運行組件，啟動一個鏡像就是一個容器，容器是一個隔離環境，多個容器之間不會相互影響，保證容器中的程序運行在一個相對安全的環境中。

Docker網絡

Docker的網絡功能相對簡單，沒有過多複雜的配置，Docker默認使用birdge橋接方式與容器通信，啟動Docker後，宿主機上會產生docker0這樣一個虛擬網絡接口， docker0不是一個普通的網絡接口， 它是一個虛擬的以太網橋，可以為綁定到docker0上面的網絡接口自動轉發數據包，這樣可以使容器與宿主機之間相互通信。

每次Docker創建一個容器，會產生一對虛擬接口，在宿主機上執行ifconfig，會發現多了一個類似veth****這樣的網絡接口，它會綁定到docker0上，由於所有容器都綁定到docker0上，容器之間也就可以通信。

在宿主機上執行ifconfig，會看到docker0這個網絡接口， 啟動一個container，再次執行ifconfig, 會有一個類似veth****的interface，每個container的缺省路由是宿主機上docker0的ip，在container中執行netstat -r可以看到如下圖所示內容：

容器中的默認網關跟docker0的地址是一樣的：

當容器退出之後，veth*虛擬接口也會被銷燬。

除bridge方式，Docker還支持host、container、none三種網絡通信方式，使用其它通信方式，只要在Docker啟動時，指定--net參數即可，比如:

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

host方式可以讓容器無需創建自己的網絡協議棧，而直接訪問宿主機的網絡接口，在容器中執行ip addr會發現與宿主機的網絡配置是一樣的，host方式讓容器直接使用宿主機的網絡接口，傳輸數據的效率會更加高效，避免bridge方式帶來的額外開銷，但是這種方式也可以讓容器訪問宿主機的D-bus等網絡服務，可能會帶來意想不到的安全問題，應謹慎使用host方式；container方式可以讓容器共享一個已經存在容易的網絡配置； none方式不會對容器的網絡做任務配置，需要用戶自己去定製。

Docker 使用

首先要在宿主機上安裝Docker，Docker安裝參考官方安裝文檔。

Docker命令也比較類似Git，支持push以及pull操作上傳以及下載Docker鏡像。

1.查看當前Docker的版本

docker version

2.查看當前系統Docker信息

docker info

3.查看宿主機上的鏡像，Docker鏡像保存在/var/lib/docker目錄下:

docker images

4.從Docker hub上下載某個鏡像:

docker pull ubuntu:latest
docker pull ubuntu:latest

執行docker pull ubuntu會將Ubuntu這個倉庫下面的所有鏡像下載到本地repository。

5.啟動一個容器使用docker run:

docker run -i -t ubuntu /bin/bash 啟動一個容器
docker run -i -t --rm ubuntu /bin/bash --rm表示容器退出後立即刪除該容器
docker run -t -i --name test_container ubuntu /bin/bash --name指定容器的名稱，否則會隨機分配一個名稱
docker run -t -i --net=host ubuntu /bin/bash --net=host容器以Host方式進行網絡通信
docker run -t -i -v /host:/container ubuntu /bin/bash -v綁定掛在一個Volume，在宿主機和Docker容器中共享文件或目錄

6.查看當前有哪些容器正在運行，使用docker ps:

7.啟動或停止某個container使用docker start/stop container_id:

8.使用docker commit可以將container的變化作為一個新的鏡像，比如:

xzs@host:~(0)$ docker commit -m="test docker commit" 50a1261f7a8b docker_test
55831c956ebf46a1f9036504abb1b29d7e12166f18f779cccce66f5dc85de38e
xzs@host:~(0)$ docker images | grep docker_test
docker_test latest 55831c956ebf 10 seconds ago 290.7 MB

除了從Docker hub上下載鏡像，也可以寫Dockerfile創建一個鏡像，以創建一個Django程序為例，Dockerfile如下所示：

xzs@host:/tmp/docker(0)$ cat Dockerfile
FROM ubuntu:12.04
MAINTAINER Your Name
RUN apt-get update
RUN apt-get install -y python-software-properties python-pip
ADD myproject /opt/code
RUN pip install -r /opt/code/requirement.txt

9.寫完Dockerfile，在Dockerfile所在目錄執行docker build創建鏡像:

docker build -t docker_test .
docker run -i -t docker_test /bin/bash -c "cd /opt/code;python manage.py runserver 0.0.0.0:8080"

10.將製作的鏡像上傳到private registry:

docker tag test docker.example.com/test
docker push docker.example.com/test

11.刪除鏡像:docker rm

經過長時間使用，主機上存儲了很多已無用的鏡像，想將它們刪除則用docker rm或者docker rmi，比如:

docker rm container_id
docker rmi image_id

Docker生態

隨著Docker迅速火遍全球， 以Docker為基礎的生態系統也迅速的發展起來，從以部署和運行container為基礎的CoreOS到各種各樣的管理工具和PaaS軟件，Docker以及生態產品都在迅猛發展，以下介紹幾個代表性的軟件。

首先介紹CoreOS，它的出現極大地推動了Docker技術的推廣和發展，CoreOS是專門為大規模服務部署而設計的一種新的Linux發行版，通過運行輕量級的容器方便擴展和維護大規模的服務。它具有以下特點：

1. CoreOS使用container管理服務(容器即服務)，即以容器的角度去管理服務，服務的代碼和依賴都打包到容器裡，打包後的容器直接在CoreOS上運行管理。通過容器用戶不再需要關注虛擬機環境等，極大地降低了服務和系統環境的耦合性。另外部署在CoreOS的多個容器都運行在各自獨立的環境中，不會相互影響。
2. CoreOS專門為cluster等大規模部署而設計，提供了Etcd進行服務發現，以及Fleet管理容器保證服務可用。
3. CoreOS更加精簡，比如RAM使用比普通Linux低40%。
4. CoreOS採用雙分區模式(Dual-Partition)，主分區為主動模式，負責系統運行，被動模式分區負責系統更新，更新時將整個CoreOS系統下載下來。

CoreOS是為集群服務而設計的，提供了Etcd、Fleet等管理工具管理容器和服務。Etcd是一種類似Zookeeper的分佈式key/value存儲服務，用於服務發現和配置管理。Fleet是容器管理工具，保證服務的可用性，當某個機器的服務不可用時，Fleet會將服務遷移到其它機器上運行。

Docker生態中還有一個非常重要的容器管理工具--Kubernetes，它是Google開源的用於在集群環境中管理、維護、自動擴展容器，通過Kubernetes可以很方便地在多個機器上管理和部署容器服務。現在已經得到IBM、Microsoft、RedHat等多個大公司的支持。

在Kubernetes中pod是一個基本單元，一個pod可以是提供相同功能的多個container，這些容器會被部署在同一個minion上。Replication controller定義了多個pod或者容器需要運行，如果當前集群中運行的pod或容器達不到配置的數量，replication controller會調度容器在多個minion上運行，保證集群中的pod數量。service則定義真實對外提供的服務，一個service會對應後端運行的多個container。

Kubernetes的架構由一個master和多個minion組成，master通過api提供服務，接受kubectl的請求來調度管理整個集群。minion是運行Kubelet的機器，它接受master的指令創建pod或者容器。

最後介紹一下基於Docker實現的PaaS軟件，Docker PaaS軟件中以Deis和Flynn最為知名。Deis是基於Docker和CoreOS實現的輕量級的PaaS，受到Heroku的啟發，遵循“十二要素”構建應用方法。

Deis是以應用程序為中心設計的，分為build、release、run三個階段，用戶執行"git push"後，Deis使用Docker 容器編譯並將編譯結果保存在Docker鏡像；發佈階段，一次build和配置文件產生一個數字標識的發佈鏡像，將發佈鏡像保存到Docker registry中以供後續發佈到線上運行；運行階段應用鏡像會被調度到主機上運行，並更新相應的路由。

Flynn與Deis類似，也是以應用為中心，Flynn組件分為兩層，layer0是底層資源的抽象，主要負責資源調度以及服務發現等，為上層應用容器的運行提供底層資源調度支持；layer1處理具體應用，通過Docker容器編譯、部署和維護上層應用程序。

總結

Docker從2013年發佈第一個版本以來，已經火遍全球，技術迭代也比較頻繁，其周邊產品和技術也越來越豐富，由於Docker更新頻繁，會出現新版本有時不兼容舊版本的情況，Docker周邊產品基本都處於開發階段還不具備生產環境下使用。

Docker的輕量級容器不僅實現了資源隔離，而且幾乎可以運行在任何地方，使得部署和擴展變得非常容易，隨著Docker的日趨完善，希望Docker被越來越多的公司應用到生產環境中。

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