Docker：集裝箱式“運輸”在軟件上的實現

Docker是由PaaS提供商dotCloud在2013年年初創建的一款開源應用引擎，Docker可以自動將任何應用打包成輕量、可移植、自包涵的容器引擎。開發者構建的應用可以一次構建全平臺運行，包括本地開發機器，生產環境，虛擬機和云等。

Docker基于Go語言開發，代碼托管在 Github上，并遵循Apache 2.0開源協議。近期，這個項目得到了越來越多的用戶追捧，Github上的Star數已經9000多，Google的Compute Engine也支持 Docker，而在國內，知名的 百度也把Docker作為其Paas的基礎。

來自Docker官方博客

Docker容器可以封裝任何有效負載，幾乎可以在任何服務器之間進行一致性運行。

Docker的常用案例包括：

• 自動打包和部署應用
• 創建輕量、私有的PaaS環境
• 自動化測試和持續集成/部署
• 部署并擴展Web應用、數據庫和后端服務器

背景

十五年前，幾乎所有的應用都是采用定義良好的堆棧編寫，并且部署到單一的專有服務器上。今天，開發人員可以使用現成的最佳服務組合構建和裝配應用程序，并且為這些應用程序進行跨不同硬件環境的多重部署做好了準備，包括公共的、私有的和虛擬化的服務器。

圖1 IT演變

這種設置可能會用在：

• 不同服務和“依賴抵御”之間的相互不良反應
• 在快速遷移和跨不同硬件之間面臨挑戰，不可能管理一個跨多個服務并且被部署在不同硬件類型上的矩陣。

圖2 多個棧和多種硬件環境所面臨的挑戰

我們可以看到，這里有大量的組合和排列應用/服務以及隨時需要考慮每一個應用程序被寫入或改寫的硬件環境。這將給編寫應用程序的開發人員和試圖創建一個穩定、安全、高性能操作環境的人們帶來一個困難的局面。

圖3 使用動態棧和動態硬件環境創建一個N*N矩陣

那么，該如何解決這種局面呢？讓我們舉個運輸界的例子，在1960年之前，大多數散貨通過船進行托運，托運人和承運人很擔心不同類型的貨物之間會發生些不良反應（例如，一批鐵壓在一袋香蕉上）。同樣，各種不同運輸方式之間進行轉換也是非常痛苦的，其中一大半的時間都是花在港口對貨物進行卸載，然后再裝載，并且還要等待同一批貨物一起被裝到火車、卡車等交通工具上。這樣，在多種不同物品和多個不同的運輸機制之間就存在一個N*N的矩陣。

圖4 1960年之前的海運

幸運地是，標準集裝箱的出現解決了以上所面臨的難題。任何貨物，從開心果到保時捷，都可以通過標準集裝箱進行包裝。托運人員或承運人可以把集裝箱進行密封或者禁止再次打開，直到運輸到目的地。在運輸過程中，集裝箱可以被卸載、裝載、堆積、運輸并且還可以有效地長距離運輸。集裝箱顛覆了全球運輸方式――一個標準，讓貨物在火車、汽車、輪船之間暢通無阻。今天，有1800萬只集裝箱進行著90%的世界貿易。

圖5 一個標準容器（集裝箱）的出現解決了運輸方面的難題

在某種程度上，Docker可以看作是用代碼編寫出來的國際集裝箱。

圖6 軟件“運輸”解決方案也是一個標準的容器系統

Docker可以把任何應用及相關依賴項打包成一個輕量、可移植、自包涵式的容器，該容器擁有標準的操作，從而能夠實現自動化。與此同時，所有的應用都可以運行在任何Linux服務上。相同的容器，開發者可以在筆記本上有規模的運行、生產、也可以在虛擬機、邏輯服務器、OpenStack集群、公共實例、或以上所有結合（的方式）上運行。

換句話說，開發者構建的應用只需一次構建即可多平臺運行。運營人員只需配置他們的服務，即可運行所有的應用。

Docker的主要功能特征

	物理容器	Docker
內容無關性（Content Agnostic）	相同的集裝箱可以容納幾乎任何類型的貨物	可以封裝任何有效負載及其依賴項
硬件無關性（Hardware Agnostic）	同一標準的容器允許把貨物從船上運輸到火車、卡車上，直到運輸到倉庫，整個過程無需整理貨物或打開容器	使用操作系統基元（例如：LXC）幾乎可以在任何平臺上運行――虛擬機、裸機、OpenStack、公共IaaS等，并且無需修改
內容隔離和交互	無需擔心鐵壓在香蕉上，容器可以堆積運輸	資源、網絡和內容隔離，避免依賴地獄
自動化	標準的接口使其易于實現自動化裝卸、搬運等	運行、啟動、停止、提交、搜索等都有標準的操作，非常適合devops：CI、CD、自動擴展、混合云
高效	無需打開或修改，可以在起始兩地快速地移動/運輸	輕量級、幾乎沒有任何偏向和啟動懲罰，可以進行快速移動和操作
職責分離	托運人擔心盒子內部、承運人擔心盒子外部	開發人員擔心代碼，運營人員擔心基礎設施

更多技術特性：

• 文件系統隔離：每個進程容器都運行在一個完全獨立的根文件系統里；
• 資源隔離：系統資源，例如CPU、內存等，使用cgroups分配在不同的流程容器里；
• 網絡隔離：每個進程容器攜帶自身的一個虛擬接口和IP地址運行在自己的網絡空間；
• 即寫即拷（Copy-on-write）：使用即寫即拷方式創建根文件系統，這樣部署速度極快、內存和硬盤空間極少；
• 日志：Docker將會收集和記錄每個進程容器的標準流（stdout/stderr/stdin），用于實時檢索或批量檢索；
• 變更管理：容器文件系統的變更可以提交到新的映像（image）中，并可重復使用以創建更多的容器。無需使用模板或手動配置；
• 交互式shell：Docker可以分配一個虛擬終端并關聯到任何容器的標準輸入上，例如運行一個一次性交互shell。

Docker有哪些基本功能？

Docker讓開發和運維變的簡單。下面這幅圖會讓你對Docker基本功能有個很好的認識，Docker會將網絡，存儲這些事情都配好。下載應用并安裝。并配置一些參數，打包上傳Image。此外，Container既可以手動創建，也可以自動創建，如果源碼庫里面包涵DockerFile文件，那么將會自動創建，容器里不僅包涵應用，還包括應用的所有依賴項。

開發人員可以使用Docker Search命令在Docker Registry（無論是公有還是私有的）里搜索Containers，并且還可以使用Docker Pull命令從注冊表里推送Container，使用Docker Run命令執行啟動、運行、停止等操作。值得注意的是，Run命令的對象可能是你自己的服務器、公共實例或者是兩者的組合。

圖7 Docker的基本功能

關于Docker的完整功能列表，大家可以訪問： http://docs.docker.io/en/latest/commandline/

Docker的三種運行方式：作為守護進程，在Linux主機上管理LXC容器；作為一個CLI，與守護進程的REST API進行對話（docker run ...）；作為倉庫的客戶端，分享你所構建的內容（docker pull, docker commit）。

Containers是如何工作的？與VMs有何不同？

一個Container通常包含應用及應用依賴項，Container用來隔離進程，這些進程主要運行在主機操作系統上的隔離區和用戶空間。

這個是明顯不同于傳統的VMs。傳統的硬件虛擬化（例如VMWare、KVM、Xen、EC2）旨在創造一個完整虛擬機。每個虛擬化應用不僅包含應用的二進制文件，還需運行該應用程序所需的庫、一個完整的Guest操作系統。

圖8  Containers vs. 傳統VMs

由于所有的容器共享同一個操作系統（以及二進制文件和庫），所以，他們明顯要比VM小的多，這樣，就完全可以在一個物理主機上托管100個VMs（一般VM數量會受到嚴格限制）。此外，因為它們使用主機操作系統，重啟一個VM并不意味著要重啟操作系統，因此，容器更加輕便、高效。

Docker中的容器效率會更高。因為一個傳統的VM、應用、每個應用副本以及每個應用微小的變更都需要重新創建一個完整的VM。

如上圖所示，一個新的應用在主機上僅僅包含應用及其二進制文件/庫，這樣就無需創建一個新的客戶機操作系統。

如果你想在主機上運行該應用的幾個副本，你甚至無需復制共享的二進制文件。

最后，即使你對應用進行了變更，你也無需拷貝變更內容。

圖9 Mechanism讓Docker容器更輕量

這不僅讓存儲和容器運行變得更高效，還讓應用程序更新變得極其簡便。正如下圖所示，更新一個容器只需應用差異的地方。

圖10 修改和更新Container

下面分享一些比較酷的Docker用例

實例	實例描述	鏈接
構建自己的PaaS	Dokku――Docker實現的mini-Heroku。你所見過最小的PaaS實現	http://bit.ly/191Tgsx
基于指令環境的Web	JiffyLab――基于指令環境的Web，使用更輕量、Python和UNIX shell	http://bit.ly/12oaj2K
應用部署簡便	使用Docker部署Java應用 在Docker上運行Drupal 在Docker上安裝Redis	http://bit.ly/11BCvvu http://bit.ly/15MJS6B http://bit.ly/16EWOKh
創建安全沙盒	Docker讓安全沙盒的創建更簡單	http://bit.ly/13mZGJH
創建自己的SaaS	把Memcached作為服務	http://bit.ly/11nL8vh
應用程序自動化部署	使用Docker的Push-button部署	http://bit.ly/1bTKZTo
持續集成部署	dotCloud的Docker和Strider的下一代持續集成&部署	http://bit.ly/ZwTfoy
輕量級桌面虛擬化	Docker桌面：通過SSH運行一個內部Docker容器	http://bit.ly/14RYL6x

備注：以上鏈接需翻墻

相關資料：

• Docker官網
• Docker托管地址
• Docker入門教程

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