Docker虛擬化技術(shù)概述及部署安裝
2019-12-13 來源：多智時代
一、虛擬化概述及簡介
通俗的說，虛擬化就是把物理資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬌峡梢怨芾淼馁Y源，以打破物理結(jié)構(gòu)間的壁壘，計算元件運(yùn)行在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實的基礎(chǔ)上，可以擴(kuò)大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。
允許一個平臺同時運(yùn)行多個操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響，從而顯著提高計算機(jī)的工作效率，是一個為了簡化管理，優(yōu)化資源的解決方案。
目前主流的虛擬化技術(shù)主要有：KVM、Xen、VMware、VirtualBox、Docker，虛擬化技術(shù)也越來越廣泛的應(yīng)用在企業(yè)中，例如Taobao、Google等。
虛擬化原理：虛擬化解決方案的底部是要進(jìn)行虛擬化的物理機(jī)器。這臺機(jī)器可能直接支持虛擬化，也可能不會直接支持虛擬化;那么就需要系統(tǒng)管理程序?qū)拥闹С帧Ｏ到y(tǒng)管理程序(Virtual machine monitor)，或稱為 VMM，可以看作是平臺硬件和操作系統(tǒng)的抽象化。在某些情況中，這個系統(tǒng)管理程序就是一個操作系統(tǒng);此時，它就稱為主機(jī)操作系統(tǒng)。
完全擬化技術(shù)實際上是通過軟件實現(xiàn)對操作系統(tǒng)的資源再分配，比較成熟，例如我們的KVM、virtualBOX;
而半虛擬化技術(shù)則是通過代碼修改已有的系統(tǒng)，形成一種新的可虛擬化的系統(tǒng)，調(diào)用硬件資源去安裝多個系統(tǒng)，整體速度上相對高一點，代表產(chǎn)品有Xen。
二、Docker入門簡介
Docker 是一個開源的應(yīng)用容器引擎，讓開發(fā)者可以打包他們的應(yīng)用以及依賴包到一個可移植的容器中，然后發(fā)布到任何流行的Linux機(jī)器上，也可以實現(xiàn)虛擬化。
容器是完全使用沙箱機(jī)制，相互之間不會有任何接口(類似 iPhone 的 app)。幾乎沒有性能開銷,可以很容易地在機(jī)器和數(shù)據(jù)中心中運(yùn)行。最重要的是,他們不依賴于任何語言、框架或包括系統(tǒng)。
"Docker"應(yīng)該是2014年最火爆的技術(shù)之一，如果沒有聽說過，那么你就out了，2015年將開啟新的跨越。
Docker 自開源后受到廣泛的關(guān)注和討論，以至于 dotCloud 公司后來都改名為 Docker Inc。Redhat 已經(jīng)在其 RHEL6.5 中集中支持 Docker;Google 也在其 PaaS 產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。
Docker 項目的目標(biāo)是實現(xiàn)輕量級的操作系統(tǒng)虛擬化解決方案。 Docker 的基礎(chǔ)是 Linux 容器(LXC)等技術(shù)。
在 LXC 的基礎(chǔ)上 Docker 進(jìn)行了進(jìn)一步的封裝，讓用戶不需要去關(guān)心容器的管理，使得操作更為簡便。用戶操作 Docker 的容器就像操作一個快速輕量級的虛擬機(jī)一樣簡單。
下面對比了Docker 和傳統(tǒng)虛擬化(KVM、XEN等)方式的不同之處，Docker容器是在操作系統(tǒng)層面上實現(xiàn)虛擬化，直接復(fù)用本地主機(jī)的操作系統(tǒng)，而傳統(tǒng)方式則是在硬件的基礎(chǔ)上，虛擬出自己的系統(tǒng)，再在系統(tǒng)上部署相關(guān)的APP應(yīng)用。
虛擬化要運(yùn)行一下Nginx軟件
三、Docker虛擬化有三個概念需要理解，分別鏡像、容器、倉庫。
鏡像：docker的鏡像其實就是模板，跟我們常見的ISO鏡像類似，是一個樣板。
容器：使用鏡像常見的應(yīng)用或者系統(tǒng)，我們稱之為一個容器。
倉庫：倉庫是存放鏡像的地方，分為公開倉庫(Public)和私有倉庫(Private)兩種形式。
Docker LXC及Cgroup
Docker最早為 LXC+AUFS組合，Docker0.9.0版本開始引入libcontainer，可以視作LXC的替代品)。其中LXC負(fù)責(zé)資源管理，AUFS負(fù)責(zé)鏡像管理;而LXC包括cgroup、namespace、chroot等組件，并通過cgroup進(jìn)行資源管理。
從資源管理來看，Docker、LXC、Cgroup三者的關(guān)系是：Cgroup在最底層落實資源管理，LXC在cgroup上封裝了一層，Docker又在LXC封裝了一層，要想學(xué)好Docker，需要了解負(fù)責(zé)資源管理的CGroup和LXC。
Cgroups是control groups的縮寫，是Linux內(nèi)核提供的一種可以限制、記錄、隔離進(jìn)程組(process groups)所使用的物理資源(如：CPU, Memory, IO等)的機(jī)制。
最初由Google的工程師提出，后來被整合進(jìn)Linux內(nèi)核。Cgroups也是LXC為實現(xiàn)虛擬化所使用的資源管理手段，可以說沒有Cgroups就沒有LXC，也就沒有Docker。
Cgroups最初的目標(biāo)是為資源管理提供的一個統(tǒng)一的框架，既整合現(xiàn)有的Cpuset等子系統(tǒng)，也為未來開發(fā)新的子系統(tǒng)提供接口。現(xiàn)在的Cgroups適用于多種應(yīng)用場景，從單個進(jìn)程的資源控制，到實現(xiàn)操作系統(tǒng)層次的虛擬化(OS Level Virtualization)。
LinuxContainer容器可以提供輕量級的虛擬化，以便隔離進(jìn)程和資源，而且不需要提供指令解釋機(jī)制以及全虛擬化的其他復(fù)雜性。容器有效地將由單個操作系統(tǒng)管理的資源劃分到孤立的組中，以更好地在孤立的組之間平衡有沖突的資源使用需求。
LXC建立在CGroup基礎(chǔ)上，我們可以粗略的認(rèn)為LXC = Cgroup+ namespace + Chroot + veth +用戶態(tài)控制腳本。LXC利用內(nèi)核的新特性(CGroup)來提供用戶空間的對象，用來保證資源的隔離和對于應(yīng)用或者系統(tǒng)的資源控制。
典型的Linux文件系統(tǒng)由bootfs和rootfs兩部分組成，bootfs(boot file system)主要包含 bootloader和kernel，bootloader主要是引導(dǎo)加載kernel，當(dāng)kernel被加載到內(nèi)存中后 bootfs就被umount。rootfs (root file system) 包含的就是典型 Linux 系統(tǒng)中的/dev，/proc，/bin，/etc等標(biāo)準(zhǔn)目錄和文件。
Docker容器的文件系統(tǒng)最早是建立在Aufs基礎(chǔ)上的，Aufs(Another Union File System)是一種Union FS， 簡單來說就是支持將不同的目錄掛載到同一個虛擬文件系統(tǒng)下，并實現(xiàn)一種layer的概念。
由于Aufs未能加入到Linux內(nèi)核，考慮到兼容性問題，加入了Devicemapper的支持。Docker目前默認(rèn)運(yùn)行在Devicemapper基礎(chǔ)上。
Aufs將掛載到同一虛擬文件系統(tǒng)下的多個目錄分別設(shè)置成read-only，read-write以及whiteout-able權(quán)限，對read-only目錄只能讀，而寫操作只能實施在read-write目錄中。重點在于，寫操作是在read-only上的一種增量操作，不影響read-only目錄。當(dāng)掛載目錄的時候要嚴(yán)格按照各目錄之間的這種增量關(guān)系，將被增量操作的目錄優(yōu)先于在它基礎(chǔ)上增量操作的目錄掛載，待所有目錄掛載結(jié)束了，繼續(xù)掛載一個read-write目錄，如此便形成了一種層次結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)的Linux加載bootfs時會先將rootfs設(shè)為read-only，然后在系統(tǒng)自檢之后將rootfs從read-only改為read-write，然后我們就可以在rootfs上進(jìn)行寫和讀的操作了。但Docker的鏡像卻不是這樣，它在bootfs自檢完畢之后并不會把rootfs的read-only改為read-write。而是利用union mount(UnionFS的一種掛載機(jī)制)將一個或多個read-only的rootfs加載到之前的read-only的rootfs層之上。
在加載了這么多層的rootfs之后，仍然讓它看起來只像是一個文件系統(tǒng)，在Docker的體系里把union mount的這些read-only的rootfs叫做Docker的鏡像。但是，此時的每一層rootfs都是read-only的，我們此時還不能對其進(jìn)行操作。當(dāng)我們創(chuàng)建一個容器，也就是將Docker鏡像進(jìn)行實例化，系統(tǒng)會在一層或是多層read-only的rootfs之上分配一層空的read-write的rootfs。
Device Mapper 是 Linux2.6 內(nèi)核中支持邏輯卷管理的通用設(shè)備映射機(jī)制，它為實現(xiàn)用于存儲資源管理的塊設(shè)備驅(qū)動提供了一個高度模塊化的內(nèi)核架構(gòu)，Device Mapper的內(nèi)核體系架構(gòu)
在內(nèi)核中它通過一個一個模塊化的 target driver 插件實現(xiàn)對 IO 請求的過濾或者重新定向等工作，當(dāng)前已經(jīng)實現(xiàn)的 target driver 插件包括軟 raid、軟加密、邏輯卷條帶、多路徑、鏡像、快照等，圖中 linear、mirror、snapshot、multipath 表示的就是這些 target driver。Device mapper 進(jìn)一步體現(xiàn)了在 Linux 內(nèi)核設(shè)計中策略和機(jī)制分離的原則，將所有與策略相關(guān)的工作放到用戶空間完成，內(nèi)核中主要提供完成這些策略所需要的機(jī)制。
Device mapper 用戶空間相關(guān)部分主要負(fù)責(zé)配置具體的策略和控制邏輯，比如邏輯設(shè)備和哪些物理設(shè)備建立映射，怎么建立這些映射關(guān)系等等，而具體過濾和重定向 IO 請求的工作由內(nèi)核中相關(guān)代碼完成。因此整個 device mapper 機(jī)制由兩部分組成--內(nèi)核空間的 device mapper 驅(qū)動、用戶空間的device mapper 庫以及它提供的 dmsetup 工具。
四、Docker虛擬化特點
跟傳統(tǒng)VM比較具有如下優(yōu)點：
操作啟動快
運(yùn)行時的性能可以獲取極大提升，管理操作(啟動，停止，開始，重啟等等) 都是以秒或毫秒為單位的。
輕量級虛擬化
你會擁有足夠的"操作系統(tǒng)"，僅需添加或減小鏡像即可。在一臺服務(wù)器上可以布署100~1000個Containers容器。但是傳統(tǒng)虛擬化，你虛擬10-20個虛擬機(jī)就不錯了。
開源免費(fèi)
開源的，免費(fèi)的，低成本的。由現(xiàn)代Linux內(nèi)核支持并驅(qū)動。注* 輕量的Container必定可以在一個物理機(jī)上開啟更多"容器"，注定比VMs要便宜。
前景及云支持
正在越來越受歡迎，包括各大主流公司都在推動docker的快速發(fā)展，性能有很大的優(yōu)勢。
跟傳統(tǒng)VM比較具有如下缺點：
目前知道的人比較少;
相關(guān)的技術(shù)資料欠缺;
Go語言還沒完全成熟。
五、為什么使用Docker
Docker 在如下幾個方面具有較大的優(yōu)勢：
更快速的交付和部署
Docker在整個開發(fā)周期都可以完美的輔助你實現(xiàn)快速交付。Docker允許開發(fā)者在裝有應(yīng)用和服務(wù)本地容器做開發(fā)。可以直接集成到可持續(xù)開發(fā)流程中。
開發(fā)者可以使用一個標(biāo)準(zhǔn)的鏡像來構(gòu)建一套開發(fā)容器，開發(fā)完成之后，運(yùn)維人員可以直接使用這個容器來部署代碼。 Docker 可以快速創(chuàng)建容器，快速迭代應(yīng)用程序，并讓整個過程全程可見，使團(tuán)隊中的其他成員更容易理解應(yīng)用程序是如何創(chuàng)建和工作的。 Docker 容器很輕很快!容器的啟動時間是秒級的，大量地節(jié)約開發(fā)、測試、部署的時間。
高效的部署和擴(kuò)容
Docker 容器幾乎可以在任意的平臺上運(yùn)行，包括物理機(jī)、虛擬機(jī)、公有云、私有云、個人電腦、服務(wù)器等。 這種兼容性可以讓用戶把一個應(yīng)用程序從一個平臺直接遷移到另外一個。
Docker的兼容性和輕量特性可以很輕松的實現(xiàn)負(fù)載的動態(tài)管理。你可以快速擴(kuò)容或方便的下線的你的應(yīng)用和服務(wù)，這種速度趨近實時。
更高的資源利用率
Docker 對系統(tǒng)資源的利用率很高，一臺主機(jī)上可以同時運(yùn)行數(shù)千個 Docker 容器。容器除了運(yùn)行其中應(yīng)用外，基本不消耗額外的系統(tǒng)資源，使得應(yīng)用的性能很高，同時系統(tǒng)的開銷盡量小。傳統(tǒng)虛擬機(jī)方式運(yùn)行 10 個不同的應(yīng)用就要起 10 個虛擬機(jī)，而Docker 只需要啟動 10 個隔離的應(yīng)用即可。
更簡單的管理
使用 Docker，只需要小小的修改，就可以替代以往大量的更新工作。所有的修改都以增量的方式被分發(fā)和更新，從而實現(xiàn)自動化并且高效的管理。
Docker引擎架構(gòu)
Server是一個常駐進(jìn)程;
REST API 實現(xiàn)了client和server間的交互協(xié)議;
CLI 實現(xiàn)容器和鏡像的管理，為用戶提供統(tǒng)一的操作界面。
Docker使用C/S架構(gòu)，Client 通過接口與Server進(jìn)程通信實現(xiàn)容器的構(gòu)建，運(yùn)行和發(fā)布。client和server可以運(yùn)行在同一臺集群，也可以通過跨主機(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。
標(biāo)簽： 虛擬化 操作系統(tǒng) 應(yīng)用程序 計算機(jī) 解決方案 虛擬化技術(shù)
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