19、基于Docker容器的虚拟化技术全解析

基于Docker容器的虚拟化技术全解析

1. 虚拟化简介

虚拟化是在同一硬件上相互隔离地执行多个用户应用程序和操作系统（OS）的过程。它在全球几乎所有信息系统中都有应用，像亚马逊、谷歌和脸书等公司会在其多个基础设施层使用虚拟化技术。不仅适用于服务器集群，也被数百万个人电脑用户所采用。虚拟化的用例众多，比如运行像MATLAB这类资源密集型应用程序，能避免系统计算能力和内存耗尽；软件测试中，在不同系统配置上运行大型多平台软件或项目，若没有虚拟化环境会很繁琐；还能实现软件的跨架构运行。

2. 虚拟化背景知识

2.1 基于虚拟机的虚拟化

• 虚拟机器监视器（VMMs） ：也叫 hypervisors，可创建和运行虚拟机（VMs），分为两种类型。Hypervisor 类型 1 直接运行在硬件上，如微软 Hyper - V、甲骨文 VM 服务器；Hypervisor 类型 2 作为应用程序运行在其他操作系统中，例如 VMware 工作站和 Virtual Box。
• 基于软件的虚拟化 ：客户操作系统运行在 hypervisor 之上，无法直接访问硬件，以防控制或损坏主机。如今 CPU 常采用资源保护方案，生成不同信任级别的特权环。当指令在虚拟化环境中无法执行时，可使用半虚拟化编译时技术静态替换指令。现代处理器利用虚拟内存概念，让每个应用程序误以为独占整个内存。
• 硬件辅助虚拟化 ：引入了代表 VM 的虚拟机器控制块（VMCB），它位于 CPU 内部。执行时，主机状态会保存到内存，然后加载客户机状态并执行客户机代码。英特尔和 AMD 提出的方法可消除页表影子的需求，硬件能实现客户机物理地址空间和虚拟地址空间的相互转换。
• Virtual Box ：是甲骨文品牌的 Hypervisor 类型 2，即甲骨文 VM Virtual Box，支持多种操作系统作为客户机或主机，实现了基于硬件和软件的虚拟化，还具备共享文件夹、剪贴板和虚拟机克隆等功能。
• VMware Player ：由 VMware 公司开发的虚拟化软件，可免费使用，性能优于 Docker。

2.2 基于容器的虚拟化

容器提供一个自包含的执行环境，共享主机系统的内核，可与同一系统中的其他容器隔离。Linux 开发中引入了“chroot”命令，用于将进程与主机文件系统隔离，但存在“Jailbreak”风险，常用于测试不稳定应用程序和发现不必要的依赖。

Linux 的命名空间也是轻量级虚拟化的关键特性，目前有六种命名空间：
- 挂载命名空间 ：最早实现，全局空间的所有挂载/卸载操作都可见。
- UNIX 时间戳共享（UTS） ：可隔离 gethostname() 和 getdomainname() 标识符，调用 sethostname() 和 setdomainname() 所做的更改在调用者的命名空间中可见。
- 进程间通信（IPC） ：隔离共享内存和信号量。
- 进程 ID（PID） ：提供一个隔离的进程 ID 列表。
- 网络命名空间 ：每个命名空间都有自己的网络栈。
- 用户命名空间 ：最后实现，用于处理用户命名空间内不同的用户和组 ID。

2006 年出现的控制组（cgroups）是内核特性，可限制一组进程的系统资源使用，还能冻结非根进程组并监控相关子系统。

2.3 各种容器架构及其管理

2.3.1 容器技术基础

容器包含自定义应用程序的组件，必要时还包括业务逻辑和中间件。像 Docker 这样的工具围绕容器引擎构建，用于打包应用程序。这就需要管理多个应用程序中容器之间的依赖关系，编排系统可将组件及其依赖关系和生命周期定义为一个系统过程。PaaS 云支持容器请求的提交，编排包括正式构建、调度和持续管理。

许多容器解决方案依赖 Linux LXC 技术，Docker 是目前最著名的容器解决方案。Docker 镜像由相互分离的文件系统组成，使用联合挂载在只读文件系统上安装新的文件系统，只有最顶层的容器层可写。容器安装过程有助于从单个容器使用过渡到容器集群，可实现应用程序在集群中心的运行。容器可以组合成链接容器，应用程序服务是逻辑组的容器，应用程序可在不同托管位置进行扩展。卷用于需要数据持久化的应用程序，链接允许两个或多个容器之间进行连接。这些容器的设置和管理需要编排支持内部通信、服务会议和链接。

2.3.2 基于云的容器架构

容器配置不仅仅是打开或关闭应用程序（即启动或停止容器）以及在服务器之间转移它们。编排是指创建和持续管理可能分布式的集群，这些集群由基于容器的应用程序组成。容器设置过程允许用户在安装多容器系统时指定容器与云的连接方式。容器配置不仅要管理容器的启动流程，还要将多个容器作为一个整体业务进行管理，负责容器的测量、可用性和通信。基于云的容器构建本质上是分布式云空间中的一种编排方法，云可看作是一个具有基础架构平台和应用层的地域分布式结构。容器技术在未来应用管理，特别是在 PaaS 环境中，将发挥重要作用。

最近，借助容器在云框架中构建小型服务设施的情况越来越多。API 兼容性、PaaS、自动化和编排展示了管理服务器如何根据 REST API、插件 API 和资源 API 工作。

graph LR
    A[管理服务器] -->|REST API| B[容器操作]
    A -->|Plugin API| C[插件管理]
    A -->|Resources API| D[资源管理]

3. Docker 概述

3.1 Docker 简介

Docker 项目开发团队的最终目标是“构建一个按钮，让任何应用程序都能在任何服务器上开发和部署”。Docker 是一个开源平台，允许将应用程序部署在软件容器中。谷歌、微软、亚马逊等公司都为 Docker 提供支持并参与项目开发。

Docker 基础设施中，Docker 引擎运行在操作系统之上，而操作系统又运行在物理服务器或虚拟机上。容器应用程序在 Docker 引擎上运行。要在任何平台上运行应用程序，首先要提取其二进制文件、脚本和数据，将整个应用程序打包成 Docker 中的镜像，镜像存储在注册表中。有一个默认注册表，可通过浏览器或 Docker 搜索命令进行探索，搜索命令会返回包含多个镜像的存储库，其中一个被标记为“latest”。每个 Docker 镜像都有唯一的 ID，执行镜像时，Docker 会创建一个容器并将应用程序放入其中。

3.2 Docker 操作步骤

• 运行镜像 ：用户可以指定镜像 ID、带标签的存储库名称或带默认标签“latest”的存储库名称来运行镜像。还可以传递一些可选参数，如为容器命名、指定容器到主机的端口映射。
• 下载镜像 ：使用 Docker pull 命令下载镜像。
• 创建容器 ：使用 Docker create 命令从镜像创建容器，但不运行它。
• 管理容器 ：在主机上，Docker 提供了管理容器的基本功能，如列出正在运行的容器、停止或移除容器。还可以使用一些有趣的功能，如 docker logs 查看日志、docker top 查看容器内的进程、Docker attach 连接到正在运行的容器。使用 - d 开关以守护进程模式执行容器，启动时可使用 - m 参数设置最大内存限制，使用 - c 参数设置 CPU 优先级。

3.3 Docker 镜像构建方法

• 修改现有镜像 ：将现有镜像作为容器运行，进行更改后，使用 docker commit 命令保存更改，再使用 docker push 命令将更改保存到存储库。
• 自动化构建 ：使用 docker build 命令，需要在 Docker 文件中提供指令，如复制文件、下载文件、排除脚本、指定父镜像或根镜像、暴露端口等。

3.4 Docker 镜像发布

开发者可将镜像上传到 Docker 注册表，可选择 Docker hub 上的公共注册表或私有注册表。Docker hub 注册表包含三种类型的存储库：官方、私有和公共。公共和私有存储库用于共享公共和非公共镜像，官方存储库包含供应商和 Docker 贡献者提供的镜像。

4. Docker 的发展历程

• 2013 年 3 月，dotCloud 内部项目以开源形式发布。
• 2013 年 5 月，Docker 公共注册中心启用。
• 2013 年下半年，百度、Yandex 和谷歌将 Docker 纳入其云服务。
• 2014 年，获得 1500 万美元资金，用于投资开源项目和业务支持及拓展。
• 2014 年 4 月，LXC 不再是 Docker lib 容器的默认位置。
• 2014 年 5 月，Ubuntu 14.04 集成 Docker，用户只需几个命令即可使用。
• 2014 年 6 月，发布 Docker 1.0 版本。
• 2014 年 9 月，筹集 4000 万美元资金。
• 2014 年 10 月，微软与 Docker 合作，开发 Windows Server 的 Docker 引擎和多 Docker 容器模型。
• 2014 年 12 月，在阿姆斯特丹举行首次 Docker 会议，宣布新的 Docker 项目和 Docker Hub 企业版。
• 2014 年，发布 Docker 1.4 版本，成为 GitHub 上的 24 星项目。
• 2015 年 2 月，发布 Docker 1.5 版本，支持 IPv6、只读容器和更多 Docker 项目。
• 2015 年，宣布 Docker compose、Docker Machine 和 Docker Swarm 等编排工具。
• 2015 年 4 月，发布 Docker 1.6 版本，推出期待已久的 Windows 客户端，并支持在容器和镜像上使用定义的标签。

5. Docker 守护进程

Docker 采用客户端 - 服务器模型，服务器是守护进程，可与客户端在不同系统上工作。守护进程可通过在 Docker 命令中传递 - d 标志启动，也可使用“ctl start docker”或“service docker start”启动。使用 Docker 守护进程模式需要特权账户，或采取措施让普通用户也能使用。默认情况下，服务器只监听 UNIX 套接字，通过网络不可用，存在安全风险，因此建议仅通过 TLS 在公共 IP 上使用 Docker，每个客户端都要通过可信的认证机构进行认证。

6. Libcontainer

在 Docker 版本 0.9 中，提出了执行驱动的概念，支持两种驱动：LXC 驱动和传统驱动。LXC 驱动之前被使用，需要 lib lxc，而传统驱动使用 Docker 的库 Libcontainer。

7. Docker 的内部机制

7.1 分层文件系统

Docker 采用分层文件系统，应用程序以只读镜像的形式存在于 Docker 环境中。镜像具有分层架构，应用程序镜像会引用其父镜像。如果一个镜像没有父镜像，则被称为基础或根镜像。这种分层结构使得镜像的构建和管理更加高效，不同的镜像可以共享相同的基础层，减少了存储空间的占用。例如，多个基于 Ubuntu 系统的镜像可以共享 Ubuntu 基础镜像层。

7.2 安全机制

Docker 利用 Linux 内核的特性来实现一定程度的隔离，即进程沙箱化。然而，由于 Docker 容器共享主机系统的内核，安全问题需要特别关注。默认情况下，服务器只监听 UNIX 套接字，通过网络不可用，这在一定程度上避免了外部的直接攻击。但如果攻击者获得了对 Docker 守护进程的访问权限，就可能控制整个系统。因此，建议仅通过 TLS 在公共 IP 上使用 Docker，每个客户端都要通过可信的认证机构进行认证，以确保通信的安全性。

7.3 性能特点

与传统的虚拟机相比，Docker 容器的开销通常较小。因为容器共享主机系统的内核，不需要像虚拟机那样为每个实例运行一个完整的操作系统，所以启动速度更快，资源利用率更高。例如，启动一个 Docker 容器可能只需要几秒钟，而启动一个虚拟机可能需要几分钟。但在某些情况下，如对硬件资源的隔离要求非常高时，虚拟机可能具有更好的性能表现。

8. 与 Docker 相关的未来技术

8.1 Kubernetes

Kubernetes 是一个开源的容器编排系统，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序。它可以帮助用户更高效地管理大规模的 Docker 容器集群，实现容器的自动调度、负载均衡、故障转移等功能。例如，当应用程序的流量增加时，Kubernetes 可以自动增加容器的数量以满足需求。

8.2 Mesos

Mesos 是一个分布式系统内核，它可以将集群中的资源（如 CPU、内存等）进行抽象和管理，使得不同的应用程序可以在同一集群中高效地共享资源。Mesos 可以与 Docker 集成，实现对 Docker 容器的调度和管理。

8.3 CoreOS

CoreOS 是一个专门为容器化应用程序设计的轻量级操作系统，它内置了对 Docker 的支持，并且提供了一些工具和服务来简化容器的部署和管理。CoreOS 强调安全性和自动化，适合用于构建大规模的容器化基础设施。

8.4 Snappy Ubuntu Core 和 LXD

Snappy Ubuntu Core 是 Ubuntu 操作系统的一个精简版本，专注于容器化应用程序的运行。LXD 是一个容器管理工具，它提供了类似于虚拟机的容器管理体验，但具有更高的性能和更低的开销。Snappy Ubuntu Core 和 LXD 结合使用，可以为用户提供一个高效、安全的容器运行环境。

8.5 Project Atomic

Project Atomic 是 Red Hat 发起的一个项目，旨在提供一个轻量级、安全的容器运行平台。它集成了 Docker 和其他容器技术，提供了自动化的更新和管理机制，确保系统的安全性和稳定性。

8.6 Rkt

Rkt 是一个由 CoreOS 开发的容器运行时，它的设计目标是提供一个安全、高效的容器运行环境。Rkt 与 Docker 有一些相似之处，但也有自己的特点，如更好的安全性和对多种容器格式的支持。

技术名称	简介	特点
Kubernetes	开源容器编排系统，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序	自动调度、负载均衡、故障转移
Mesos	分布式系统内核，管理集群资源，可与 Docker 集成	资源抽象和共享
CoreOS	专为容器化应用设计的轻量级操作系统	内置 Docker 支持，强调安全和自动化
Snappy Ubuntu Core 和 LXD	Snappy Ubuntu Core 是精简版 Ubuntu，LXD 是容器管理工具	高性能、低开销
Project Atomic	Red Hat 发起的项目，提供轻量级、安全的容器运行平台	自动化更新和管理
Rkt	CoreOS 开发的容器运行时	安全、支持多种容器格式

9. Docker 编排工具和 API

9.1 编排工具

• Docker Compose ：用于定义和运行多容器 Docker 应用程序的工具。通过一个 YAML 文件，可以定义多个容器的配置和它们之间的依赖关系，然后使用一个命令就可以启动所有容器。例如，一个 Web 应用程序可能需要一个 Web 服务器容器和一个数据库容器，使用 Docker Compose 可以方便地管理这两个容器的启动和停止。
• Docker Machine ：用于在不同的环境中创建和管理 Docker 主机。可以在本地计算机、云服务器等多种环境中创建 Docker 主机，并通过命令行工具进行管理。
• Docker Swarm ：Docker 官方提供的集群管理和编排工具，用于将多个 Docker 主机组成一个集群，并对集群中的容器进行统一管理。可以实现容器的自动调度、负载均衡等功能。

9.2 API

Docker 提供了丰富的 API，允许开发者通过编程的方式与 Docker 进行交互。例如，可以使用 API 来创建、启动、停止和删除容器，查询容器的状态等。这些 API 可以帮助开发者将 Docker 集成到自己的应用程序中，实现自动化的容器管理。

graph LR
    A[开发者应用] -->|调用 API| B[Docker 引擎]
    B -->|管理| C[容器 1]
    B -->|管理| D[容器 2]
    B -->|管理| E[容器 3]

10. Docker 在 Linux 上的应用

10.1 安装 Docker

在 Linux 系统上安装 Docker 通常需要以下步骤：
1. 更新系统软件包列表：使用 sudo apt-get update （适用于基于 Debian 或 Ubuntu 的系统）或 sudo yum update （适用于基于 CentOS 或 RHEL 的系统）。
2. 添加 Docker 官方 GPG 密钥：根据不同的系统，使用相应的命令添加密钥。
3. 添加 Docker 软件源：将 Docker 官方软件源添加到系统中。
4. 安装 Docker 引擎：使用 sudo apt-get install docker-ce 或 sudo yum install docker-ce 安装 Docker 引擎。
5. 启动 Docker 服务：使用 sudo systemctl start docker 启动 Docker 服务，并使用 sudo systemctl enable docker 设置 Docker 服务开机自启。

10.2 运行 Docker 容器

安装完成后，就可以在 Linux 系统上运行 Docker 容器了。例如，运行一个简单的 Nginx Web 服务器容器：

docker run -d -p 80:80 nginx

上述命令中， -d 表示以守护进程模式运行容器， -p 80:80 表示将容器的 80 端口映射到主机的 80 端口， nginx 是要运行的镜像名称。

11. Docker 使用案例：WordPress

11.1 环境准备

在部署 WordPress 之前，需要确保已经安装了 Docker 和 Docker Compose。

11.2 编写 Docker Compose 文件

创建一个 docker-compose.yml 文件，内容如下：

version: '3'
services:
  db:
    image: mysql:5.7
    volumes:
      - db_data:/var/lib/mysql
    restart: always
    environment:
      MYSQL_ROOT_PASSWORD: somewordpress
      MYSQL_DATABASE: wordpress
      MYSQL_USER: wordpress
      MYSQL_PASSWORD: wordpress

  wordpress:
    depends_on:
      - db
    image: wordpress:latest
    ports:
      - "8000:80"
    restart: always
    environment:
      WORDPRESS_DB_HOST: db:3306
      WORDPRESS_DB_USER: wordpress
      WORDPRESS_DB_PASSWORD: wordpress
      WORDPRESS_DB_NAME: wordpress
volumes:
  db_data:

11.3 启动 WordPress 容器

在 docker-compose.yml 文件所在的目录下，运行以下命令启动容器：

docker-compose up -d

-d 表示以守护进程模式运行容器。启动完成后，在浏览器中访问 http://localhost:8000 即可看到 WordPress 的安装界面，按照提示完成安装和配置。

12. Docker 在物联网（IoT）中的应用

12.1 消息队列遥测传输（MQTT）代理集群

在物联网中，MQTT 是一种常用的消息传输协议。使用 Docker 可以轻松搭建 MQTT 代理集群，提高消息传输的可靠性和性能。可以将多个 MQTT 代理容器部署在不同的节点上，通过负载均衡器进行流量分配。

12.2 边缘/雾计算

边缘/雾计算是指在靠近数据源的边缘设备上进行数据处理和分析，减少数据传输延迟。Docker 容器可以在边缘设备上快速部署和运行，实现边缘计算的功能。例如，在工业物联网中，将数据分析和处理的容器部署在工厂的边缘设备上，实时处理传感器数据。

12.3 IoT 分析

利用 Docker 容器可以将不同的数据分析工具和算法封装起来，方便在物联网环境中进行部署和使用。例如，使用 Docker 容器运行 Apache Spark 等数据分析框架，对物联网设备产生的大量数据进行实时分析。

12.4 智能医疗监测系统

在智能医疗监测系统中，Docker 可以用于部署和管理各种医疗设备的软件。例如，将心电图监测设备的数据分析软件封装在 Docker 容器中，实现设备的快速部署和更新。

12.5 车联网（V2X）应用

车联网应用需要处理大量的实时数据，Docker 容器可以提供一个灵活、高效的运行环境。例如，将车辆的导航、通信和安全系统的软件封装在 Docker 容器中，部署在车辆的计算平台上。

12.6 水产养殖

在水产养殖中，Docker 可以用于部署和管理水质监测、饲料投喂等系统的软件。通过 Docker 容器，可以实现系统的快速部署和自动化管理，提高水产养殖的效率和质量。

12.7 精准农业

精准农业需要对农田环境进行实时监测和数据分析，Docker 容器可以帮助实现这些功能。例如，将土壤湿度传感器、气象站等设备的数据采集和分析软件封装在 Docker 容器中，部署在农田的边缘设备上。

12.8 智能家居

在智能家居中，Docker 可以用于部署和管理各种智能设备的软件。例如，将智能门锁、智能灯光、智能家电等设备的控制软件封装在 Docker 容器中，实现设备的集中管理和自动化控制。

12.9 能源管理

在能源管理领域，Docker 可以用于部署和管理能源监测、优化等系统的软件。例如，将电力系统的负荷预测、能源调度等软件封装在 Docker 容器中，实现能源的高效利用和管理。

12.10 工业物联网（IIoT）

工业物联网涉及到大量的工业设备和传感器，Docker 可以帮助实现设备的快速部署和管理。例如，将工业机器人的控制软件、生产线的监控系统等封装在 Docker 容器中，提高工业生产的自动化和智能化水平。

12.11 智慧城市

在智慧城市建设中，Docker 可以用于部署和管理各种城市基础设施的软件。例如，将交通管理、环境监测、公共安全等系统的软件封装在 Docker 容器中，实现城市的智能化管理和运营。

13. 总结

Docker 作为一种轻量级的虚拟化技术，为应用程序的开发、部署和管理带来了极大的便利。它的分层文件系统、安全机制和高性能特点使得它在各种场景中都得到了广泛的应用。同时，与 Docker 相关的未来技术，如 Kubernetes、Mesos 等，进一步扩展了 Docker 的功能和应用范围。在物联网领域，Docker 也展现出了巨大的潜力，为实现智能、高效的物联网系统提供了有力的支持。通过不断学习和掌握 Docker 及其相关技术，开发者可以更好地应对日益复杂的应用开发和部署需求。