45、容器技术：从基础到实战

容器技术：从基础到实战

1. 理解容器

虚拟机（VMs）可被视为基础设施即服务（IaaS）。系统管理员在管理虚拟服务器时，无需关注底层硬件，可将精力集中在操作系统和应用程序上。而容器则在此基础上更进一步，每个容器负责运行一个应用程序。应用程序被打包在镜像中，使得容器可以随时启动和停止，非常适合平台即服务（PaaS）场景。在这种场景下，开发者只需专注于测试代码，无需担心服务器的配置问题。

容器的核心思想是，每个容器内的应用程序拥有其运行所需的所有资源。这意味着，你可以将容器部署到任何容器主机上，应用程序的所有需求都能得到满足，因为这些需求（如.NET）会随着应用程序一起被封装在容器内。

1.1 Windows 中的容器架构

在 Windows Server 操作系统中，启用容器功能后，需要安装 Docker Engine。Docker Engine 负责容器的打包和部署。自 Windows Server 2016 起，微软与 Docker 合作，支持在 Windows 操作系统上运行容器。

1.2 重要的容器术语

• 容器主机（Container host） ：配置了 Windows 容器功能的系统，可以是物理主机，也可以是通过嵌套虚拟化技术实现的虚拟主机。所有容器共享主机的资源。
• 容器镜像（Container image） ：可部署的镜像，包含了对原始镜像所做的更改，这些更改存储在沙箱中。容器镜像不包含操作系统，而是在容器操作系统镜像之上添加的一层定制化内容。
• 沙箱（Sandbox） ：用于保存对容器镜像所做的更改，包括文件系统和注册表的修改，以及新安装的应用程序。沙箱中保存的更改可以保存为容器镜像，以便重复使用。
• 容器操作系统镜像（Container OS image） ：不可修改，是容器的第一层，为容器提供操作系统。
• 容器仓库（Container repository） ：用于存储容器镜像及其依赖项，以便重复使用。可以是本地仓库，也可以在 Docker Hub 上创建私有或公共仓库。仓库也被称为注册表，如 Docker Hub 常被称为容器注册表。

1.3 容器在 Windows 上的运行方式

容器在 Windows Server 上使用 Docker Engine 运行。虽然容器技术在 Windows Server 2016 中首次引入，但 Docker 本身的历史更为悠久。Docker 负责容器镜像的打包和交付，这些镜像可以基于 Windows 或 Linux 操作系统，并在 Windows Server 2022 数据中心中运行。

1.4 容器的使用场景

• 开发者 ：容器包含了应用程序运行所需的所有依赖项，因此可以在任何运行 Windows Server 2016 或更高版本的系统上移动。这意味着开发者可以在任何地方开始开发工作，并将容器镜像部署到生产环境中。此外，Docker Hub 上有超过 180,000 个预打包的应用程序，可大大加快开发工作。
• 系统管理员 ：容器为开发团队和生产支持团队提供了即时打包的环境，无需再使用繁琐的清单。当需要对容器进行更改或更新时，只需更新容器所基于的镜像，下次基于该镜像创建容器时，所有容器都会自动更新。如果更新或更改导致问题，可以将容器回滚到上一个镜像。

1.5 容器类型的选择

Windows Server 提供了两种管理容器的方法：
- Windows Server 容器 ：简单易用，适用于对安全性和隔离性要求不高的工作负载。这种容器共享容器主机的内核，因此不具备真正的隔离性。如果编写的代码可能具有破坏性，不建议使用这种容器。同时，主机和容器必须使用相同的内核版本，这可能会给开发者的测试工作带来一定的限制。
- Hyper - V 容器 ：提供更高的安全性和隔离性，每个容器在自己的虚拟机中运行，不与容器主机或其他容器共享内核。适用于对安全性要求较高的工作负载，或运行不可信代码的场景。如果不可信代码导致问题，可以轻松创建新的 Hyper - V 容器并重新尝试。

你可以根据需要随时更改容器的类型，例如将 Hyper - V 容器转换为 Windows 容器。

1.6 大规模管理容器

Dockerfile 可以自动化容器镜像的创建过程，类似于容器的脚本，它指定了需要安装的功能并配置容器。微软在 GitHub 上维护了一个包含大量 Dockerfile 示例的仓库，你可以访问 https://github.com/MicrosoftDocs/Virtualization - Documentation/tree/master/windows - container - samples 查看。该仓库涵盖了多种用例，不仅包括微软产品，还有 Apache、MongoDB、MySQL 和 nginx 等的 Dockerfile。

2. Docker 和 Docker Hub

2.1 Docker 简介

Docker 是一个开源平台，用于协助应用程序的打包和部署。在容器主机上可以运行多个容器，由于它们共享主机的内核，因此比虚拟机（VMs）使用更少的资源，无需使用管理程序的开销。

2.2 Docker 架构

Docker 采用客户端 - 服务器模型。Docker 客户端与 Docker 服务器组件（称为守护进程）进行通信。客户端可以与守护进程在同一服务器上运行，也可以从工作站运行。
- Docker 服务器 ：是 Docker 的核心，负责管理 Docker 中的大部分操作，包括创建各种对象以及与 Docker 应用程序编程接口（API）进行通信。
- Docker 客户端 ：是用户与容器进行交互的主要界面，所有 Docker 命令都从客户端执行。
- Docker 注册表 ：用于存储 Docker 镜像，也被称为仓库。在 Docker 文档中，官方术语是注册表，但许多开发者习惯称之为仓库，这两个术语可以互换使用。
- Docker 对象 ：指的是多种不同的组件，如图像、容器和服务。

2.3 基本 Docker 命令

命令	描述
docker pull	从配置的注册表中拉取容器镜像
docker push	将容器镜像推送到配置的注册表中
docker run	如果容器镜像不可用，则先拉取镜像，然后从该镜像创建新容器
docker images	列出本地容器主机上存储的所有容器镜像
docker login	用于登录注册表，访问公共注册表时不需要，访问私有注册表时需要
docker stop [容器名称]	停止指定名称的运行中的容器
docker ps	列出当前正在运行的所有容器

2.4 Docker Hub 简介

Docker Hub 是 Docker 拥有的公共注册表，可用于在各个仓库中存储容器镜像。企业也可以使用 Docker Hub 创建私有仓库，存储专有容器镜像。许多可用的镜像来自大型开源项目，也有不少来自非开源组织。例如，微软在 Docker Hub 上有一个公共仓库，目前包含约 68 个容器镜像。

2.5 查找公共镜像

查找公共镜像非常简单，无需账户即可搜索和拉取公共镜像。只需在顶部的搜索框中输入查询内容，例如搜索“Windows Server”，即可找到相关的容器镜像。如果搜索结果只有一个匹配的容器镜像，将直接进入该镜像的详细页面；如果搜索组织名称或返回多个结果，则会显示搜索结果列表。可以通过选择左侧的“Verified Publisher”筛选出官方的容器镜像。

点击容器镜像可以查看其详细信息，包括可用的标签、使用该镜像所需的命令（通常用于接受许可协议）、软件要求、可用的环境变量以及完整的标签列表。如果未指定标签，默认获取带有“latest”标签的容器镜像。同时，还可以看到该容器镜像的拉取次数，这对于不熟悉镜像提供者的用户来说非常有用。

例如，要拉取 Microsoft SQL Server 容器镜像，可以使用以下命令：

docker pull mcr.microsoft.com/mssql/server

要启动一个运行 SQL Express 的 MS SQL 服务器实例，可以使用以下命令：

docker run -e 'ACCEPT_EULA=Y' -e 'SA_PASSWORD=yourStrong(!)Password' -e 'MSSQL_PID=Express' -p 1433:1433 -d mcr.microsoft.com/mssql/server:2019 - latest

2.6 创建私有仓库

如果不想让容器镜像公开可用，可以创建私有仓库。在拉取或推送容器镜像到私有仓库时，需要使用 docker login 命令进行身份验证。

默认情况下，Docker Hub 提供一个免费的私有仓库。如果需要更多私有仓库，可以升级到付费计划，例如每月支付 5 美元的 Pro 计划可获得无限的私有仓库。

2.7 创建 Docker Hub 账户

创建 Docker Hub 账户非常简单且免费。从主页右上角点击“Sign Up”链接，选择一个 Docker ID，输入电子邮件地址和密码，接受 Docker 的条款，勾选验证码，然后点击“Sign Up”。注册后，会收到一封验证电子邮件，点击邮件中的链接激活账户。

2.8 创建私有仓库

创建账户并登录 Docker Hub 后，会被询问是否要创建仓库或组织。创建私有仓库的步骤如下：
1. 点击“Create a Repository”。
2. 输入仓库名称和描述。
3. 将可见性更改为“Private”。
4. 点击“Create”。

可以选择将仓库链接到 GitHub 或 Bitbucket 账户，以实现容器镜像的自动构建。创建仓库后，仓库将为空，但会提供一个示例命令，用于将镜像推送到该仓库。

通过以上内容，你对容器技术有了更深入的了解，从容器的基本概念、Windows 中的容器架构，到 Docker 和 Docker Hub 的使用，以及如何选择合适的容器类型和大规模管理容器。希望这些信息能帮助你更好地应用容器技术。

3. 容器技术实战操作示例

3.1 搭建简单的 Web 应用容器

假设我们要搭建一个基于 Apache 的简单 Web 应用容器，以下是具体步骤：

3.1.1 编写 Dockerfile

# 使用官方的 Apache 基础镜像
FROM httpd:2.4

# 将本地的 HTML 文件复制到容器内的 Apache 文档根目录
COPY ./public-html/ /usr/local/apache2/htdocs/

在上述代码中，我们使用了官方的 Apache 2.4 镜像作为基础，然后将本地 public-html 目录下的文件复制到容器内的 Apache 文档根目录。

3.1.2 创建本地 HTML 文件

在本地创建一个 public-html 目录，并在其中创建一个 index.html 文件，内容如下：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>My Simple Web App</title>
</head>
<body>
    <h1>Welcome to my simple web app!</h1>
</body>
</html>

3.1.3 构建容器镜像

在包含 Dockerfile 的目录下，打开终端并执行以下命令：

docker build -t my-apache-app .

这个命令会根据 Dockerfile 构建一个名为 my-apache-app 的容器镜像，最后的 . 表示使用当前目录作为构建上下文。

3.1.4 运行容器

构建完成后，使用以下命令运行容器：

docker run -d -p 8080:80 my-apache-app

这个命令会在后台运行容器，并将容器内的 80 端口映射到主机的 8080 端口。现在，你可以在浏览器中访问 http://localhost:8080 来查看你的 Web 应用。

3.2 容器网络配置

容器之间的通信和与外部网络的连接需要进行网络配置，以下是几种常见的网络模式：

3.2.1 桥接网络（Bridge）

桥接网络是 Docker 默认的网络模式，容器通过主机上的虚拟网桥与外部网络通信。当你使用 docker run 命令创建容器时，如果不指定网络模式，默认使用桥接网络。例如：

docker run -d --name my-container my-image

这个容器会连接到 Docker 主机的默认桥接网络。

3.2.2 主机网络（Host）

使用主机网络模式时，容器直接使用主机的网络栈，不会创建独立的网络命名空间。这种模式下，容器可以直接使用主机的 IP 地址和端口。例如：

docker run -d --network=host my-image

3.2.3 自定义网络

你还可以创建自定义的网络，以实现容器之间的隔离和通信。以下是创建自定义桥接网络的示例：

docker network create my-custom-network

然后在创建容器时指定使用这个自定义网络：

docker run -d --network=my-custom-network my-image

3.3 容器数据管理

容器中的数据需要进行有效的管理，以确保数据的持久化和可共享性。以下是几种常见的数据管理方式：

3.3.1 数据卷（Volumes）

数据卷是 Docker 中用于持久化数据的一种机制，它可以将主机上的目录或文件挂载到容器内。以下是创建和使用数据卷的示例：

# 创建一个数据卷
docker volume create my-volume

# 在运行容器时挂载数据卷
docker run -d -v my-volume:/app/data my-image

这个命令会将名为 my-volume 的数据卷挂载到容器内的 /app/data 目录。

3.3.2 绑定挂载（Bind Mounts）

绑定挂载是将主机上的一个目录或文件直接挂载到容器内。例如：

docker run -d -v /host/path:/container/path my-image

这个命令会将主机上的 /host/path 目录挂载到容器内的 /container/path 目录。

4. 容器技术的优势与挑战

4.1 容器技术的优势

• 资源高效利用 ：容器共享主机的内核，相比虚拟机，不需要额外的操作系统开销，因此可以更高效地利用资源。
• 快速部署 ：容器可以在秒级内启动和停止，大大缩短了应用程序的部署时间。
• 环境一致性 ：容器将应用程序及其依赖项打包在一起，确保在不同的环境中运行一致。
• 可移植性 ：容器可以在不同的操作系统和云平台上运行，提高了应用程序的可移植性。

4.2 容器技术的挑战

• 安全问题 ：由于容器共享主机的内核，一旦容器被攻破，可能会影响到主机和其他容器的安全。
• 网络复杂性 ：容器的网络配置相对复杂，需要对网络知识有一定的了解。
• 数据管理 ：容器中的数据持久化和备份需要额外的配置和管理。

4.3 应对挑战的策略

• 安全方面 ：使用安全的基础镜像，定期更新容器和主机的安全补丁，限制容器的权限等。
• 网络方面 ：合理规划网络拓扑，使用防火墙和网络策略来保护容器的网络安全。
• 数据管理方面 ：定期备份数据卷，使用分布式存储系统来提高数据的可靠性。

5. 容器技术的未来发展趋势

5.1 与云原生技术的深度融合

容器技术是云原生技术的重要组成部分，未来将与 Kubernetes、Istio 等云原生技术进一步融合，实现更高效的容器编排和管理。

5.2 人工智能和机器学习领域的应用

随着人工智能和机器学习的发展，容器技术可以用于快速部署和管理机器学习模型，提高模型的训练和推理效率。

5.3 边缘计算中的应用

在边缘计算场景中，容器技术可以实现应用程序的快速部署和更新，满足边缘设备的实时性和可靠性要求。

5.4 安全技术的提升

未来容器安全技术将不断发展，包括更强大的身份验证、加密和访问控制机制，以保障容器环境的安全。

通过对容器技术的深入学习和实践，你可以更好地利用容器技术的优势，应对挑战，并紧跟其未来发展趋势，为你的应用程序开发和部署带来更多的便利和价值。希望这篇博客能帮助你在容器技术的道路上更进一步。