Docker学习(四)-其他知识

上篇文章中我简单介绍了如何使用Docker三剑客的知识，这篇文章我将简单介绍下Docker涉及的一些其他知识，包括Docker的安全性机制、Docker的底层原理实现等。

首先，简单介绍下Docker的安全机制：

Docker的安全机制包含以下内容：

Docker 容器和 LXC 容器很相似，所提供的安全特性也差不多。当用 docker run 启动一个容器时，在后台 Docker 为容器创建了一个独立的命名空间和控制组集合。命名空间提供了最基础也是最直接的隔离，在容器中运行的进程不会被运行在主机上的进程和其它容器发现和作用。

控制组是 Linux 容器机制的另外一个关键组件，负责实现资源的审计和限制。它提供了很多有用的特性；以及确保各个容器可以公平地分享主机的内存、CPU、磁盘 IO 等资源；当然，更重要的是，控制组确保了当容器内的资源使用产生压力时不会连累主机系统。

运行一个容器或应用程序的核心是通过 Docker 服务端。Docker 服务的运行目前需要 root 权限，因此其安全性十分关键。

首先，确保只有可信的用户才可以访问 Docker 服务。Docker 允许用户在主机和容器间共享文件夹，同时不需要限制容器的访问权限，这就容易让容器突破资源限制。例如，恶意用户启动容器的时候将主机的根目录/映射到容器的 /host 目录中，那么容器理论上就可以对主机的文件系统进行任意修改了。这听起来很疯狂？但是事实上几乎所有虚拟化系统都允许类似的资源共享，而没法禁止用户共享主机根文件系统到虚拟机系统。

能力机制（Capability）是 Linux 内核一个强大的特性，可以提供细粒度的权限访问控制。 Linux 内核自 2.2 版本起就支持能力机制，它将权限划分为更加细粒度的操作能力，既可以作用在进程上，也可以作用在文件上。

例如，一个 Web 服务进程只需要绑定一个低于 1024 的端口的权限，并不需要 root 权限。那么它只需要被授权 net_bind_service 能力即可。此外，还有很多其他的类似能力来避免进程获取 root 权限。

其次，从基本架构、命名空间、控制组和联合文件系统四个方面讲一下Docker的底层技术实现：

1、基本架构：

Docker 采用了 C/S 架构，包括客户端和服务端。Docker 守护进程 （Daemon）作为服务端接受来自客户端的请求，并处理这些请求（创建、运行、分发容器）。

客户端和服务端既可以运行在一个机器上，也可通过 socket 或者 RESTful API 来进行通信。

c/s架构

Docker 守护进程一般在宿主主机后台运行，等待接收来自客户端的消息。

Docker 客户端则为用户提供一系列可执行命令，用户用这些命令实现跟 Docker 守护进程交互。

2、命名空间：

命名空间是 Linux 内核一个强大的特性。每个容器都有自己单独的命名空间，运行在其中的应用都像是在独立的操作系统中运行一样。命名空间保证了容器之间彼此互不影响。

pid 命名空间

不同用户的进程就是通过 pid 命名空间隔离开的，且不同命名空间中可以有相同 pid。所有的 LXC 进程在 Docker 中的父进程为 Docker 进程，每个 LXC 进程具有不同的命名空间。同时由于允许嵌套，因此可以很方便的实现嵌套的 Docker 容器。

net 命名空间

有了 pid 命名空间，每个命名空间中的 pid 能够相互隔离，但是网络端口还是共享 host 的端口。网络隔离是通过 net 命名空间实现的， 每个 net 命名空间有独立的 网络设备，IP 地址，路由表，/proc/net 目录。这样每个容器的网络就能隔离开来。Docker 默认采用 veth 的方式，将容器中的虚拟网卡同 host 上的一 个Docker 网桥 docker0 连接在一起。

ipc 命名空间

容器中进程交互还是采用了 Linux 常见的进程间交互方法(interprocess communication - IPC)， 包括信号量、消息队列和共享内存等。然而同 VM 不同的是，容器的进程间交互实际上还是 host 上具有相同 pid 命名空间中的进程间交互，因此需要在 IPC 资源申请时加入命名空间信息，每个 IPC 资源有一个唯一的 32 位 id。

mnt 命名空间

类似 chroot，将一个进程放到一个特定的目录执行。mnt 命名空间允许不同命名空间的进程看到的文件结构不同，这样每个命名空间 中的进程所看到的文件目录就被隔离开了。同 chroot 不同，每个命名空间中的容器在 /proc/mounts 的信息只包含所在命名空间的 mount point。

uts 命名空间

UTS("UNIX Time-sharing System") 命名空间允许每个容器拥有独立的 hostname 和 domain name， 使其在网络上可以被视作一个独立的节点而非 主机上的一个进程。

user 命名空间

每个容器可以有不同的用户和组 id， 也就是说可以在容器内用容器内部的用户执行程序而非主机上的用户

3、控制组

控制组（cgroups）是 Linux 内核的一个特性，主要用来对共享资源进行隔离、限制、审计等。只有能控制分配到容器的资源，才能避免当多个容器同时运行时的对系统资源的竞争。

控制组技术最早是由 Google 的程序员在 2006 年提出，Linux 内核自 2.6.24 开始支持。

控制组可以提供对容器的内存、CPU、磁盘 IO 等资源的限制和审计管理。

4、联合文件系统

联合文件系统（UnionFS）是一种分层、轻量级并且高性能的文件系统，它支持对文件系统的修改作为一次提交来一层层的叠加，同时可以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)。

联合文件系统是 Docker 镜像的基础。镜像可以通过分层来进行继承，基于基础镜像（没有父镜像），可以制作各种具体的应用镜像。

另外，不同 Docker 容器就可以共享一些基础的文件系统层，同时再加上自己独有的改动层，大大提高了存储的效率。

Docker 中使用的 AUFS（AnotherUnionFS）就是一种联合文件系统。 AUFS 支持为每一个成员目录（类似 Git 的分支）设定只读（readonly）、读写（readwrite）和写出（whiteout-able）权限, 同时 AUFS 里有一个类似分层的概念, 对只读权限的分支可以逻辑上进行增量地修改(不影响只读部分的)。

Docker 目前支持的联合文件系统包括 OverlayFS, AUFS, Btrfs, VFS, ZFS 和 Device Mapper。

各 Linux 发行版 Docker 推荐使用的存储驱动如下

Docker 推荐使用的存储驱动

参考文章：Docker底层实现、这可能是最为详细的Docker入门吐血总结