[原][Docker]特性与原理解析

Docker特性与原理解析

文章假设你已经熟悉了Docker的基本命令和基本知识

首先看看Docker提供了哪些特性：

• 交互式Shell：Docker可以分配一个虚拟终端并关联到任何容器的标准输入上，例如运行一个一次性交互shell
  
• 文件系统隔离：每个进程容器运行在完全独立的根文件系统里
  
• 写时复制：采用写时复制方式创建根文件系统，这让部署变得极其快捷，并且节省内存和硬盘空间
  
• 资源隔离：可以使用cgroup为每个进程容器分配不同的系统资源
  
• 网络隔离：每个进程容器运行在自己的网络命名空间里，拥有自己的虚拟接口和IP地址
  
• 日志记录：Docker将会收集和记录每个进程容器的标准流（stdout/stderr/stdin），用于实时检索或批量检索
  
• 变更管理：容器文件系统的变更可以提交到新的映像中，并可重复使用以创建更多的容器。无需使用模板或手动配置

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从以上特性分别看实现原理

1. 交互式Shell

首先我们允许一个交互式的容器

$docker run -i -t <image name> /bin/bash

这样就建立了一个到容器内的交互式连接,看到的是如下的命令行:

root@df3880b17407:/#

这里我们启动了一个容器，以bash作为其根进程.

root@df3880b17407:/# ps aux 
USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  0.0  0.0  18164  2020 ?        S    06:06   0:00 /bin/bash

可以看到，在这个容器中，bash 的 PID为 1，而实体机平常情况下，是这样的:

root@ubuntu:~# ps aux 
USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  0.0  0.1  24716  2612 ?        Ss   Sep04   0:01 /sbin/init

大家都知道，所有进程的共同祖先都是 PID=1的进程
所以在容器中，所有以后创建的进程都是通过/bin/bash 创建的，PID=1的 bash是容器中所有进程的祖先
理解了这点后，对容器的理解就很简单了.

2. 文件系统隔离

对于一个正在运行的容器，其文件系统都是一个从根目录开始的虚拟文件系统，在容器中看到的是这样的:

root@df3880b17407:/# ll /
total 68
drwxr-xr-x   2 root root 4096 Jul 22 22:51 bin
drwxr-xr-x   2 root root 4096 Apr 10 22:12 boot
drwxr-xr-x   3 root root 4096 Jul 22 22:49 dev
drwxr-xr-x  85 root root 4096 Sep  5 06:49 etc
drwxr-xr-x   2 root root 4096 Apr 10 22:12 home
drwxr-xr-x  16 root root 4096 Jul 22 22:50 lib
drwxr-xr-x   2 root root 4096 Aug 12 03:30 lib64
drwxr-xr-x   2 root root 4096 Jul 22 22:48 media
drwxr-xr-x   2 root root 4096 Apr 10 22:12 mnt
drwxr-xr-x   2 root root 4096 Jul 22 22:48 opt
dr-xr-xr-x 356 root root    0 Sep  5 06:06 proc
drwx------   2 root root 4096 Jul 22 22:51 root
drwxr-xr-x   7 root root 4096 Sep  5 07:23 run
drwxr-xr-x   2 root root 4096 Aug 12 03:30 sbin
drwxr-xr-x   2 root root 4096 Jul 22 22:48 srv
dr-xr-xr-x  13 root root    0 Sep  5 06:06 sys
drwxrwxrwt   2 root root 4096 Sep  5 06:55 tmp
drwxr-xr-x  20 root root 4096 Sep  5 06:11 usr
drwxr-xr-x  19 root root 4096 Sep  5 06:11 var

其实真是情况是这样的，容器中的文件系统都是挂载到了真是系统中的一个目录下面.
/var/lib/docker/containers/<image-long-id>/rootfs
这个配置是怎么来的呢，其实所有容器的管理都是通过lxc来管理的，lxc的配置文件放在
/var/lib/docker/containers/<image-long-id>/config.lxc
文件中有字段表示容器挂载到哪个文件目录, 比如我的是这样的：
lxc.rootfs = /var/lib/docker/containers/df3880b17407575cd642a6b7da3c7e417a55fad5bbd63152f89921925626d2b6/rootfs
打开看一下，一目了然：

root@ubuntu:/var/lib/docker/containers/df3880b17407575cd642a6b7da3c7e417a55fad5bbd63152f89921925626d2b6/rootfs# ll
total 84
drwxr-xr-x 53 root root 4096 Sep  5 00:23 ./
drwx------  4 root root 4096 Sep  5 00:53 ../
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Jul 22 15:51 bin/
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Apr 10 15:12 boot/
drwxr-xr-x  3 root root 4096 Jul 22 15:49 dev/
drwxr-xr-x 85 root root 4096 Sep  4 23:49 etc/
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Apr 10 15:12 home/
drwxr-xr-x 16 root root 4096 Jul 22 15:50 lib/
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Aug 11 20:30 lib64/
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Jul 22 15:48 media/
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Apr 10 15:12 mnt/
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Jul 22 15:48 opt/
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Apr 10 15:12 proc/
drwx------  2 root root 4096 Jul 22 15:51 root/
drwxr-xr-x  7 root root 4096 Sep  5 00:23 run/
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Aug 11 20:30 sbin/
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Jul 22 15:48 srv/
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Mar 12 18:41 sys/
drwxrwxrwt  2 root root 4096 Sep  4 23:55 tmp/
drwxr-xr-x 20 root root 4096 Sep  4 23:11 usr/
drwxr-xr-x 19 root root 4096 Sep  4 23:11 var/

这些就是容器中的真实目录了,容器中对于目录的操作都是操作了这个host机器的真实目录。
对于不同的容器，挂载点是不一样的，而容器不能穿越根目录上一级去访问, 所以这里对每一个容器都做到了文件系统隔离。

3. 写时复制

我们把每一个
/var/lib/docker/containers/<image-long-id>
看做是一个容器的配置目录的话，可以看到在配置目录下面有一个 rw/目录，打开看有些什么

total 36
drwxr-xr-x 9 root root 4096 Sep  5 00:23 ./
drwx------ 4 root root 4096 Sep  5 00:53 ../
drwxr-xr-x 6 root root 4096 Sep  4 23:49 etc/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Sep  5 00:23 run/
drwxrwxrwt 2 root root 4096 Sep  4 23:55 tmp/
drwxr-xr-x 7 root root 4096 Sep  4 23:11 usr/
drwxr-xr-x 5 root root 4096 Sep  4 23:11 var/
-r--r--r-- 1 root root    0 Sep  4 23:06 .wh..wh.aufs
drwx------ 2 root root 4096 Sep  4 23:06 .wh..wh.orph/
drwx------ 2 root root 4096 Sep  4 23:11 .wh..wh.plnk/

里面是一些不完整的根目录，这不能说明什么，但是我们在container中写入文件后，看看其中的变化
在容器中执行以下命令
root@df3880b17407:/# touch /opt/x
在 /opt 下我们生成了一个文件
再看看

root@ubuntu:/var/lib/docker/containers/df3880b17407575cd642a6b7da3c7e417a55fad5bbd63152f89921925626d2b6/rw# ll
total 40
drwxr-xr-x 10 root root 4096 Sep  5 01:00 ./
drwx------  4 root root 4096 Sep  5 00:53 ../
drwxr-xr-x  6 root root 4096 Sep  4 23:49 etc/
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Sep  5 01:00 opt/
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Sep  5 00:23 run/
drwxrwxrwt  2 root root 4096 Sep  4 23:55 tmp/
drwxr-xr-x  7 root root 4096 Sep  4 23:11 usr/
drwxr-xr-x  5 root root 4096 Sep  4 23:11 var/
-r--r--r--  1 root root    0 Sep  4 23:06 .wh..wh.aufs
drwx------  2 root root 4096 Sep  4 23:06 .wh..wh.orph/
drwx------  2 root root 4096 Sep  4 23:11 .wh..wh.plnk/

是的，在host机器上新生成了 opt/目录，这里做到了容器的写时复制

4. 资源隔离

以系统的三大进程间通信的消息队列来看
初始状态在 ghost, ipcs -q 查看消息队列

root@ubuntu:~/codes/msq# ipcs -q

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages   

在ghost 创建一个, 这里楼主自己写的代码创建的消息队列:

root@ubuntu:~/codes/msq# ./main 1
Create msq with key id 65536root@ubuntu:~/codes/msq# ipcs -q

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    
0x00000001 65536      root       666        0            0           

然后在容器中查看 ipcs -q

root@df3880b17407:/# ipcs -q

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    

可以看到系统资源是隔离的，这里只是说了一部分，其实还包括了可以通过cgoup对其做CPU和Memory的Quota管理.
默认情况下是使用了所有CPU和内存的，但是可以在config.lxc增加如下配置设置CPU等，具体可以参考lxc的文档
lxc.cgroup.cpu.shares=512 lxc.cgroup.cpuset.cpus=1.2
资源隔离的原理就在于利用cgroup，将不同进程的使用隔离开，假设每个容器都是以bash启动的，那么在容器内部，每个子进程都只能使用当前bash下面的资源，对于其他的系统资源是隔离的.子进程的访问权限由父进程决定

5.网络隔离

在安装好docker后，会默认初始化一个 docker0的网桥

docker0   Link encap:Ethernet  HWaddr ee:8c:1f:8b:d7:59  
          inet addr:172.17.42.1  Bcast:0.0.0.0  Mask:255.255.0.0
          ...

在host机器上，会为每一个容器生成一个默认的网卡类似这样的 vethdBVa1H veth*
这个网卡的一端连接在容器的eth0,一端连接到docker0.这样就实现了每个容器有一个单独的IP.
这里如果需要容器访问外网，需要将eth0设置为混杂模式:
$ifconfig eth0 promisc
这样看来，容器会从172.17.0.0/24 这个网段选择一个IP作为eth0的IP，这样，容器就可以和外部通过 docker0网桥通信了.
在容器内部监听一个端口 python -m SimpleHTTPServer 80 >> /tmp/log.log &
从ghost访问 telnet 172.17.0.2 80
在容器中看到如下:

Active Internet connections (servers and established)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       PID/Program name
tcp        0      0 0.0.0.0:80              0.0.0.0:*               LISTEN      2823/python     
tcp        0      0 172.17.0.2:80           172.17.42.1:46142       TIME_WAIT   -  

在host上看到

Active Internet connections (servers and established)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State       PID/Program name
tcp        0      0 172.17.42.1:46142       172.17.0.2:80           ESTABLISHED 10244/telnet

如果需要外部能够访问容器，需要做端口映射规则，和配置虚拟机一样的道理, 只不过这里可以看到的是，80端口并没有占用了本地端口，而是在容器内部做了监听，外部是通过docker0 桥接过去的，每个容器间也做到了端口和网络隔离.

6.日志记录

不多说，在 /var/lib/docker/containers/<image-long-id>.log 下

7.变更管理

Docker的变更管理看做是git的版本管理好了。
生成镜像的时候，未做改动的部分就是上一个版本的镜像的引用，如果做了改动，就是一个新的文件。

将刚才操作的容器做成镜像
docker commit <image-id> <REPOSITORY>
此时的镜像多出来的部分，比如我在这个镜像中安装了Python，那么多出来的部分作为新文件，其他部分任然是上一个版本的引用。
你可以搭建自己的镜像服务器，push到自己的镜像服务器，从其他机器拉下来后直接可以运行。

以上，一点愚见，希望指正.