Docker简介

张 佃栋 docker, 虚拟化 2018-04-03 347 次浏览 , , 没有评论
1. 什么是Docker

Docker是开源项目。Docker是基于Go语言实现的云开源项目,诞生于2013年初,最初发起者是dotCloud公司。Docker自开源后受到广泛的关注和讨论,目前已有多个相关项目,逐渐形成了围绕Docker的生态体系。dotCloud公司后来也改名为Docker Inc,专注于Docker相关技术和产品的开发。

Docker项目目前已加入了Linux基金会,遵循Apache 2.0协议,全部开源代码均在https://github.com/docker/docker上进行维护。在最近一次Linux基金会的调查中,Docker是仅次于OpenStack的最受欢迎的云计算开源项目。

现在主流的Linux操作系统都已经支持Docker。例如,Redhat RHEL 6.5/CentOS 6.5往上的操作系统、Ubuntu 14.04操作系统,都已经默认带有Docker软件包。

Docker的主要目标是“Build,Ship and Run Any App,Anywhere”,即通过对应用组件的封装(Packaging)、分发(Distribution)、部署(Deployment)、运行(Runtime)等生命周期的管理,达到应用组件级别的“一次封装,到处运行”。这里的应用组件,既可以是一个Web应用,也可以是一套数据库服务,甚至是一个操作系统或编译器。

Docker基于Linux的多项开源技术提供了高效、敏捷和轻量级的容器方案,并且支持在多种主流云平台(PaaS)和本地系统上部署。可以说Docker为应用的开发和部署提供了“一站式”的解决方案。Docker基于Linux的多项开源技术提供了高效、敏捷和轻量级的容器方案,并且支持在多种主流云平台(PaaS)和本地系统上部署。可以说Docker为应用的开发和部署提供了“一站式”的解决方案。

2. Linux容器技术

Docker引擎的基础是Linux容器(Linux Containers,LXC)技术。

IBM DeveloperWorks上给出了关于容器技术的准确描述:容器有效地将由单个操作系统管理的资源划分到孤立的组中,以便更好地在孤立的组之间平衡有冲突的资源使用需求。与虚拟化相比,这样既不需要 指令级模拟,也不需要即时编译。容器可以在核心CPU本地运行指令,而不需要任何专门的解释机制。此外,也避免了准虚拟化(paravirtualization)和系统调用替换中的复杂性。

Linux容器其实不是一个全新的概念。最早的容器技术可以追溯到1982年Unix系列操作系统上的chroot工具(直到今天,主流的Unix、Linux操作系统仍然支持和带有该工具)。虽然这些技术经过多年的演化已经十分成熟,但是由于种种原因,这些容器技术并没有被集成到主流的Linux内核中,使用起来并不方便。例如,如果用户要使用OpenVZ技术,就需要先给操作系统打上特定的内核补丁方可使用。

后来LXC项目借鉴了前人成熟的容器设计理念,并基于一系列新的内核特性实现了更具扩展性的虚拟化容器方案。更加关键的是,LXC被集成到了主流Linux内核中,进而成为Linux系统轻量级容器技术的事实标准。

3. 从Linux容器到Docker

在LXC的基础上,Docker进一步优化了容器的使用体验。Docker提供了各种容器管理工具(如分发、版本、移植等)让用户无需关注底层的操作,可以简单明了地管理和使用容器。用户操作Docker容器就像操作一个轻量级的虚拟机那样简单。读者可以简单地将Docker容器理解为一种沙盒(Sandbox)。每个容器内运行一个应用,不同的容器相互隔离,容器之间也可以建立通信机制。容器的创建和停止都十分快速,容器自身对资源的需求也十分有限,远远低于虚拟机。很多时候,甚至直接把容器当作应用本身也没有任何问题。

4. Docker容器虚拟化的好处

Docker项目的发起人和Docker Inc.的CTO Solomon Hykes认为,Docker在正确的地点、正确的时间顺应了正确的趋势——即高效地构建应用。现在开发者需要能方便地创建运行在云平台上的应用,也就是说应用必须能够脱离底层机器,而且同时必须是“任何时间任何地点”可获取的。因此,开发者们需要一种创建分布式应用程序的方式,这也是Docker所能够提供的。

举个简单的应用场景的例子。假设用户试图基于最常见的LAMP(Linux+Apache+MySQL+PHP)组合来运维一个网站。按照传统的做法,首先,需要安装Apache、MySQL和PHP以及它们各自运行所依赖的环境;之后分别对它们进行配置(包括创建合适的用户、配置参数等);经过大量的操作后,还需要进行功能测试,看是否工作正常;如果不正常,则意味着更多的时间代价和不可控的风险。可以想象,如果再加上更多的应用,事情会变得更加难以处理。更为可怕的是,一旦需要服务器迁移(例如从阿里云迁移到腾讯云),往往需要重新部署和调试。这些琐碎而无趣的“体力活”,极大地降低了工作效率。

而Docker提供了一种更为聪明的方式,通过容器来打包应用,意味着迁移只需要在新的服务器上启动需要的容器就可以了。这无疑将节约大量的宝贵时间,并降低部署过程出现问题的风险。

5. Docker与虚拟机比较

作为一种轻量级的虚拟化方式,Docker在运行应用上跟传统的虚拟机方式相比具有显著优势:

  • Docker容器很快,启动和停止可以在秒级实现,这相比传统的虚拟机方式要快得多。
  • Docker容器对系统资源需求很少,一台主机上可以同时运行数千个Docker容器。
  • Docker通过类似Git的操作来方便用户获取、分发和更新应用镜像,指令简明,学习成本较低。
  • Docker通过Dockerfile配置文件来支持灵活的自动化创建和部署机制,提高工作效率。
  • Docker容器除了运行其中的应用之外,基本不消耗额外的系统资源,保证应用性能的同时,尽量减小系统开销。传统虚拟机方式运行N个不同的应用就要启动N个虚拟机(每个虚拟机需要单独分配独占的内存、磁盘等资源),而Docker只需要启动N个隔离的容器,并将应用放到容器内即可。
  • 在隔离性方面,传统的虚拟机方式多了一层额外的隔离。但这并不意味着Docker就不安全。Docker利用Linux系统上的多种防护机制实现了严格可靠的隔离。从1.3版本开始,Docker引入了安全选项和镜像签名机制,极大地提高了使用Docker的安全性。

 

6. 虚拟化与Docker

虚拟化技术是一个通用的概念,在不同领域有不同的理解。在计算领域,一般指的是计算虚拟化(Computing Virtualization),或通常说的服务器虚拟化。

维基百科上的定义如下:

在计算机技术中,虚拟化(Virtualization)是一种资源管理技术,是将计算机的各种实体资源,如服务器、网络、内存及存储等,予以抽象、转换后呈现出来,打破实体结构间的不可切割的障碍,使用户可以用比原本的组态更好的方式来应用这些资源。

可见,虚拟化的核心是对资源进行抽象,目标往往是为了在同一个主机上运行多个系统或应用,从而提高系统资源的利用率,同时带来降低成本、方便管理和容错容灾等好处。

从大类上分,虚拟化技术可分为基于硬件的虚拟化和基于软件的虚拟化。其中,真正意义上的基于硬件的虚拟化技术不多见,少数如网卡中的单根多IO虚拟化(Single Root I/O Virtualization and Sharing Specification,SR-IOV)等技术,也超出了本书的讨论范畴。

基于软件的虚拟化从对象所在的层次,又可以分为应用虚拟化和平台虚拟化(通常说的虚拟机技术即属于这个范畴)。其中,前者一般指的是一些模拟设备或Wine这样的软件。后者又可以细分为如下几个子类:

  • 完全虚拟化。虚拟机模拟完整的底层硬件环境和特权指令的执行过程,客户操作系统无需进行修改。例如VMware Workstation、VirtualBox、QEMU等。
  • 硬件辅助虚拟化。利用硬件(主要是CPU)辅助支持(目前x86体系结构上可用的硬件辅助虚拟化技术包括Intel-VT和AMD-V)处理敏感指令来实现完全虚拟化的功能,客户操作系统无需修改,例如VMware Workstation、Xen、KVM。
  • 部分虚拟化。只针对部分硬件资源进行虚拟化,客户操作系统需要进行修改。现在有些虚拟化技术的早期版本仅支持部分虚拟化。
  • 超虚拟化(Paravirtualization)。部分硬件接口以软件的形式提供给客户机操作系统,客户操作系统需要进行修改,例如早期的Xen。
  • 操作系统级虚拟化。内核通过创建多个虚拟的操作系统实例(内核和库)来隔离不同的进程。容器相关技术即在这个范畴。

可见,Docker以及其他容器技术都属于操作系统的虚拟化这个范畴。

Docker虚拟化方式之所以拥有众多优势,这跟操作系统的虚拟化自身的特点是分不开的。下面图1-1比较了Docker和常见的虚拟机方式的不同之处。

传统方式是在硬件层面实现虚拟化,需要有额外的虚拟机管理应用和虚拟机操作系统层。Docker容器是在操作系统层面上实现虚拟化,直接复用本地主机的操作系统,因此更加轻量级。

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