【云计算】Docker与容器快速入门

Docker之风席卷全球，但很多人觉得docker入门确实不太容易，其原因在于很多知识点上没准备好，在docker解决了什么问题、怎么解决的、用什么技术解决的都还没想清楚的时候就去探索docker组件原理，自然会犯迷糊，与其迷茫地寸步难行，不如先看看知识准备，入门了继续进行研究。
Docker是一种在Linux容器里运行应用的开源工具，一种轻量级的虚拟机。除了运行应用，Docker还提供了一些工具，借助Docker Index或自己托管的Docker注册表对进行了集装箱化处理的应用进行分发，从而简化复杂应用的部署过程。
本文将介绍如今在部署复杂系统时公司所面临的挑战，Docker怎样有效地解决这个问题，在宏观上对docker项目进行介绍，并发表一些自己理解的看法。之后的文章会慢慢深入，对docker模块逐个剖析。

0x01 什么是容器

容器指用来包装或装载物品的贮存器(如箱、罐、坛)或者成形或柔软不成形的包覆材料。在web环境中，容器是应用服务器中位于组件和平台之间的接口集合。在docker级别，容器可以理解为一个边界，边界里面是所想运行的各种程序，边界外面是基础环境，边界里外尽量少的耦合。

0x02 容器的作用

服务器应用的部署已经越来越复杂了。把几个Perl脚本拷贝到正确目录就完成服务器应用的安装，这种时代已经一去不复返了。如今的软件有很多类型的需求：
对已安装软件和库的依赖（“Python版本高于2.6.3，使用Django 1.2”）
依赖于正在运行的服务（“需要一个MySQL 5.5数据库和一个RabbitMQ队列”）
依赖于特定的操作系统（“在64位的Ubuntu Linux 12.04上构建、测试”）
资源需求：
最小的可用内存（“需要1GB的可用内存”）
能绑定特定的端口（“绑定80和443端口”）
我们来看一个相对简单的应用的部署：Wordpress。Wordpress的安装通常要求：

在服务器上部署、运行这样一个系统，我们可能会遇到下面的问题和挑战：
隔离性：如果我们已经在这个服务器上部署了不同的网站，已有的网站只能在nginx上 运行，而Wordpress依赖于Apache，这时我们就会有麻烦：它们都监听80端口。同时运行两个网站是可以的，但需要调整配置（修改监听端口）， 设置反向代理等。库级别也会出现类似的冲突，如果还要运行一个仍然依赖PHP4的老应用就会出问题，因为Wordpress不再支持PHP4，同时运行 PHP4和PHP5则非常困难。运行在同一个服务器上的应用没有互相隔离（在文件系统级别和网络级别），所以它们可能会互相冲突。
**安全性：**Wordpress的安全记录并不是非常好。所以还是给它创建个沙箱，至少黑客入侵时不会影响其他运行的应用。
升级、降级：升级应用一般会覆盖现有文件。升级过程中会发生什么？系统要关闭么？如果升级失败，或者不对该怎么办？我们怎样快速回退到先前的版本？
快照、备份：一旦所有的内容都设置好，就给系统创建一个“快照”，以便能备份快照，甚至能移到另一个服务器上再次启动，或者拷贝到多个服务器上以备不时之需。
重复性：系统出新版本之后，比较好的做法是先在测试基础设施上自动部署并测试，然后再发布到生产系统。通常会利用诸如Chef、Puppet等 工具在服务器上自动安装一堆包，等一切内容都就绪后，再在生产系统上运行相同的部署脚本。这在百分之九十九的情况下都没有问题。但有百分之一的例外，在部 署到测试环境和生产环境之间的时间跨度里，你依赖的包在包仓库里有了更新，而新版本并不兼容。结果生产环境的设置和测试环境不同，还有可能破坏生产系统。 假如没有控制部署的每一个方面（例如托管自己的APT或YUM仓库），持续在多个阶段（比如测试、预演、生产环境）重复搭建出完全相同的系统就很困难。
资源限制：如果我们的Wordpress耗费CPU资源，并占用了所有的CPU周期，导致其他应用无法做任何事情怎么办？如果它用尽了全部可用的内存呢？或者疯狂写日志阻塞磁盘呢？要是能限制应用的可用资源，比如CPU、内存和磁盘空间，就会非常方便。
易于安装：也许有Debian或CentOS包，抑或是能自动执行所有复杂步骤并安装 Wordpress的Chef菜谱。但这些菜谱很难稳定下来，因为它们需要考虑目标系统上可能的系统配置。很多情况下，这些菜谱只能在干净的系统上运行。 因此，你不太可能更换成自己的包或Chef菜谱。这样的话，安装就是个复杂的系统工程，而不是午休期间就能搞定的事情。
易于移除：软件应该能轻松、干净地移除，不留痕迹。但部署应用通常要调整已有的配置文件、设置状态（MySQL数据库的数据，日志），完全移除应用也变得不那么容易。
那我们应该如何解决这些问题呢？

0x03 虚拟机VS容器-虚拟机解决方案

我们决定在单独的虚拟机上运行独立的应用，例如Amazon的EC2，大部分问题这时会迎刃而解：
隔离性：在一个VM上安装一个应用，应用是完全独立的，除非它们攻入了对方的防火墙。
重复性：用你喜欢的方式准备系统，然后创建一个AMI。你可以随意实例化多个AMI实例。完全是可重现的。
安全性：由于我们完全隔离，如果Wordpress遭到攻击，其余的基础设施并不会受到影响——除非你没有保管好SSH密钥或者在哪里都使用同一个密码，但你应该不会这么做吧？
**资源限制：**VM会分配特定的CPU周期、可用内存和磁盘空间，没有加价的话就不能超额。
易于安装：越来越多的应用能够在EC2上运行，只要在AWS marketplace上点击一个按钮就能实例化应用。启动只需要几分钟，就是这样。
易于移除：不需要某个应用了？销毁VM。干净又方便。
**升级、降级：**Netflix如何部署代码里提到，只需要在新VM上部署新版本，然后让负载均衡器指向部署了新版本的VM。不过应用如果需要在本地保存状态，这种方法就不是很好用了。
快照、备份：点击一个按钮（或者调用一下API）就能获得EBS磁盘的快照，快照会备份到S3中。
完美！
不过……我们有个新问题：虚拟机在两个方面比较昂贵：
金钱：你真的有那么多钱为每个应用启动一个EC2实例？另外你能预测到需要多少个实例么？如果你以后需要更多的资源，你需要停止VM进行升级——否则就要为闲置资源白白付钱，直到真正用起来（除非你用能动态调整大小的Solaris Zones，比如Joyent上的）。
时间：虚拟机相关的操作大多都很慢：启动要几分钟，捕捉快照要几分钟，创建镜像也需要几分钟。世界不停转动，我们可没有这种时间！
我们能做得更好吗？

0x04 虚拟机VS容器-容器解决方案

Docker是由公共PaaS提供商dotCloud的人发起的开源项目，于去年初发起。从技术角度来说，Docker（主要用Go语言编写）试图简化两种已有技术的使用：
**LXC：**Linux容器，允许独立进程在比普通Unix进程更高的隔离级别上运行。使用的技术术语是集装箱化：一个容器里运行一个进程。容器支持的隔离级别有：
文件系统：容器只能访问自己的沙箱文件系统（类似于chroot），否则要专门挂载到容器的文件系统中才能访问。
用户名字空间：容器有自己的用户数据库（也就是容器的root不等于主机的root账户）。
进程名字空间：只有容器里的进程才是可见的（ps aux的输出会非常简洁）。
网络名字空间：每个容器都有自己的虚拟网络设备和虚拟IP（因此它可以绑定任意端口，不用占用主机端口）。
AUFS：高级多层的统一文件系统，可用来创建联合、写时拷贝的文件系统。
Docker可以安装在任何支持AUFS和内核版本大于等于3.8的Linux系统上。但从概念上来说它并不依赖于这些技术，以后也可以和类似的技术一起运行，例如Solaris的Zones或BSD jails，并将ZFS作为文件系统。不过目前只能选择Linux 3.8+和AUFS。

0x05 为什么是Docker

Docker非常轻量。启动VM是个大动作，需要占用大量内存；而启动Docker容器只耗费很少的CPU和内存，并且非常快。几乎和启动一个常规进程没什么区别。不仅运行容器快，构建镜像、捕获文件系统的快照也很快。
它运行在已经虚拟化过的环境中。也就是说，你可以在EC2实例、Rackspace VM或VirtualBox里运行Docker。事实上，在Mac和Windows上使用Docker的首选方式是使用Vagrant。
Docker容器能移植到任何运行Docker的操作系统上。无论是Ubuntu还是CentOS，只要Docker运行着，你的容器就能运行。
让我们回到前面的部署、操作问题列表，看看Docker是怎么解决的：
隔离性：Docker在文件系统和网络级别隔离了应用。从这个意义上来讲很像在运行”真正的“虚拟机。
重复性：用你喜欢的方式准备系统（登录并在所有软件里执行apt-get命令，或者使用Dockerfile），然后把修改提交到镜像中。你可以随意实例化若干个实例，或者把镜像传输到另一台机器，完全重现同样的设置。
**安全性：**Docker容器比普通的进程隔离更为安全。Docker团队已经确定了一些安全问题，正在着手解决。
**资源约束：**Docker现在能限制CPU的使用率和内存用量。目前还不能直接限制磁盘的使用情况。
**易于安装：**Docker有一个Docker Index，这个仓库存储了现成的Docker镜像，你用一条命令就可以完成实例化。比如说，要使用Clojure REPL镜像，只要运行docker run -t -i zefhemel/clojure-repl命令就能自动获取并运行该镜像。
易于移除：不需要应用了？销毁容器就行。
升级、降级：和EC2 VM一样：先启动应用的新版本，然后把负载均衡器切换到新的端口。
**快照、备份：**Docker能提交镜像并给镜像打标签，和EC2上的快照不同，Docker是立即处理的。

0x06 Docker入门知识准备

Namespace定义与概念
每个用户实例之间相互隔离, 互不影响。 一般的硬件虚拟化方法给出的方法是VM，而LXC给出的方法是container，更细一点讲就是kernel namespace。其中pid、net、ipc、mnt、uts、user等namespace将container的进程、网络、消息、文件系统、UTS(“UNIX Time-sharing System”)和用户空间隔离开。
Cgroups定义与概念
cgroups 实现了对资源的配额和度量。 cgroups 的使用非常简单，提供类似文件的接口，在 /cgroup目录下新建一个文件夹即可新建一个group，在此文件夹中新建task文件，并将pid写入该文件，即可实现对该进程的资源控制。 groups可以限制blkio、cpu、cpuacct、cpuset、devices、freezer、memory、net_cls、ns九大子系 统的资源
AUFS定义与概念
AUFS (AnotherUnionFS) 是一种 Union FS, 简单来说就是支持将不同目录挂载到同一个虚拟文件系统下(unite several directories into a single virtual filesystem)的文件系统, 更进一步的理解, AUFS支持为每一个成员目录(类似Git Branch)设定readonly、readwrite 和 whiteout-able 权限, 同时 AUFS 里有一个类似分层的概念, 对 readonly 权限的 branch 可以逻辑上进行修改(增量地, 不影响 readonly 部分的)。通常 Union FS 有两个用途, 一方面可以实现不借助 LVM、RAID 将多个disk挂到同一个目录下, 另一个更常用的就是将一个 readonly 的 branch 和一个 writeable 的 branch 联合在一起，Live CD正是基于此方法可以允许在 OS image 不变的基础上允许用户在其上进行一些写操作

0x07 Docker有哪些缺点

尽管Docker有助于系统的可靠部署，但它本身并不是个完全成熟的部署系统。它操作的是容器里运行的应用。哪个容器安装在哪个服务器上，以及如何启动它们，则超出了Docker的范围。
同样的，Docker也不处理跨多个容器（可能在多个物理服务器上，也可能在多个VM上）运行的应用。要让容器互相通信，需要某些发现机制，来找出哪些IP和端口上的其他应用可用。这和跨常规虚拟机的服务发现非常相似。etcd等工具，或者其他的服务发现机制都能用来解决这个问题。

0x08 Docker未来发展

虽然Docker目前默认使用LXC和AUFS，但是Docker的核心思想本身，并不强制绑定这两者，0.8版本已经可以使用BTRFS，而整个Docker框架也改成了插件式的架构，便于添加替换各个功能模块

例如更多的Storage方案的支持，规避AUFS当前的问题，除了LXC以外更多的虚拟化方案等

0x09 总结

容器实质上是一个职责划分的工具。Docker与容器不是等价的，docker是容器，但容器不仅仅指的是docker，docker为容器的一个代表，个人理解的docker主要解决的问题为如下两方面
1、不同层之间的依赖关系解耦；例如：安装、移除、重复利用。如下图中，container与Host OS和Server之间的解耦。
2、同层之间资源隔离与资源限制；例如：端口、cpu抢占，同服站点互不影响。下图中App A与APP B之间的隔离，和APP各自的资源利用限制。

容器解决的问题虚拟机已全部解决，为什么还需要容器docker呢？原因是虚拟机在架构上太重，在资源上有很多不必要的花费，在时间上启动、创建镜像、快照等消耗较长，在层次结构上虚拟机只具有一层封装，将操作系统、服务、应用全部封装，并不能灵活的拆卸与组装，职责划分并不明确。
Docker略带积木化色彩，将杂糅的运行环境积木化，用于更快更好的搭建和复用。

参考文档

Docker容器http://www.infoq.com/cn/articles/docker-containers
http://blog.csdn.net/colorant/article/details/20608157
LXC 入门文章http://www.cnblogs.com/lisperl/archive/2012/04/15/2450183.html
Docker核心技术预览：http://www.infoq.com/cn/articles/docker-core-technology-preview