Docker系列(1)—简介概述
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一、起源
Docker 最初是 dotCloud 公司创始人 Solomon Hykes 在法国期间发起的一个公司内部项目，它是基于 dotCloud 公司多年云服务技术的一次革新，并于 2013 年 3 月以 Apache 2.0 授权协议开源，主要项目代码在 GitHub 上进行维护。Docker 项目后来还加入了 Linux 基金会，并成立推动 开放容器联盟（OCI）。
Docker 自开源后受到广泛的关注和讨论，至今其 GitHub 项目 已经超过 5 万 7 千个星标和一万多个 fork。甚至由于 Docker 项目的火爆，在 2013 年底，dotCloud 公司决定改名为 Docker。Docker 最初是在 Ubuntu 12.04 上开发实现的；Red Hat 则从 RHEL 6.5 开始对 Docker 进行支持；Google 也在其 PaaS 产品中广泛应用 Docker。
Docker 使用 Google 公司推出的 Go 语言 进行开发实现，基于 Linux 内核的 cgroup，namespace，以及 OverlayFS 类的 Union FS 等技术，对进程进行封装隔离，属于 操作系统层面的虚拟化技术。由于隔离的进程独立于宿主和其它的隔离的进程，因此也称其为容器。最初实现是基于 LXC，从 0.7 版本以后开始去除 LXC，转而使用自行开发的 libcontainer，从 1.11 版本开始，则进一步演进为使用 runC 和 containerd。
[*]runc 是一个 Linux 命令行工具，用于根据 OCI容器运行时规范 创建和运行容器。
[*]containerd 是一个守护程序，它管理容器生命周期，提供了在一个节点上执行容器和管理镜像的最小功能集。
一款开源软件能否在商业上成功，很大程度上依赖三件事 - 成功的 user case(用例), 活跃的社区和一个好故事。 dotCloud 之家的 PaaS 产品建立在docker之上，长期维护且有大量的用户，社区也十分活跃，接下来我们看看docker的故事。
[*]环境管理复杂 - 从各种OS到各种中间件到各种app, 一款产品能够成功作为开发者需要关心的东西太多，且难于管理，这个问题几乎在所有现代IT相关行业都需要面对。
[*]云计算时代的到来 - AWS的成功, 引导开发者将应用转移到 cloud 上, 解决了硬件管理的问题，然而中间件相关的问题依然存在 (所以openstack HEAT和 AWS cloudformation 都着力解决这个问题)。开发者思路变化提供了可能性。
[*]虚拟化手段的变化 - cloud 时代采用标配硬件来降低成本，采用虚拟化手段来满足用户按需使用的需求以及保证可用性和隔离性。然而无论是KVM还是Xen在 docker 看来,都在浪费资源，因为用户需要的是高效运行环境而非OS, GuestOS既浪费资源又难于管理, 更加轻量级的LXC更加灵活和快速
[*]LXC的移动性 - LXC在 linux 2.6 的 kernel 里就已经存在了，但是其设计之初并非为云计算考虑的，缺少标准化的描述手段和容器的可迁移性，决定其构建出的环境难于迁移和标准化管理(相对于KVM之类image和snapshot的概念)。docker 就在这个问题上做出实质性的革新。这是docker最独特的地方。
面对上述几个问题，docker设想是交付运行环境如同海运，OS如同一个货轮，每一个在OS基础上的软件都如同一个集装箱，用户可以通过标准化手段自由组装运行环境，同时集装箱的内容可以由用户自定义，也可以由专业人员制造。这样，交付一个软件，就是一系列标准化组件的集合的交付，如同乐高积木，用户只需要选择合适的积木组合，并且在最顶端署上自己的名字(最后一个标准化组件是用户的app)。这也就是基于docker的PaaS产品的原型。
二、概述
Docker 是一个用于开发、传送和运行应用程序的开放平台。Docker 使您能够将应用程序与基础设施分开，以便您可以快速交付软件。使用 Docker，您可以像管理应用程序一样管理基础设施。通过利用 Docker 的快速交付、测试和部署代码的方法，您可以显着减少编写代码和在生产中运行代码之间的延迟。
Docker 提供了在称为容器的松散隔离环境中打包和运行应用程序的能力。隔离和安全性允许您在给定主机上同时运行多个容器。容器是轻量级的，包含运行应用程序所需的一切，因此您无需依赖主机上当前安装的内容。您可以在工作时轻松共享容器，并确保与您共享的每个人都获得以相同方式工作的相同容器。
Docker 提供工具和平台来管理容器的生命周期：
[*]使用容器开发您的应用程序及其支持组件。
[*]容器成为分发和测试应用程序的单元。
[*]准备就绪后，将应用程序作为容器或编排服务部署到生产环境中。无论您的生产环境是本地数据中心、云提供商还是两者的混合，这都是一样的。
一个完整的Docker有以下几个部分组成：
[*]Docker Client客户端
[*]Docker Daemon守护进程
[*]Docker Image镜像
[*]Docker Container容器
三、架构
Docker 包括三个基本概念:
[*]镜像（Image）：Docker 镜像（Image），就相当于是一个 root 文件系统。比如官方镜像 ubuntu:16.04 就包含了完整的一套 Ubuntu16.04 最小系统的 root 文件系统。
[*]容器（Container）：镜像（Image）和容器（Container）的关系，就像是面向对象程序设计中的类和实例一样，镜像是静态的定义，容器是镜像运行时的实体。容器可以被创建、启动、停止、删除、暂停等。
[*]仓库（Repository）：仓库可看成一个代码控制中心，用来保存镜像。
Docker 使用客户端-服务器架构。Docker客户端与 Docker守护进程对话，后者负责构建、运行和分发 Docker 容器的繁重工作。Docker 客户端和守护程序可以 在同一系统上运行，或者您可以将 Docker 客户端连接到远程 Docker 守护程序。Docker 客户端和守护进程使用 REST API、UNIX 套接字或网络接口进行通信。另一个 Docker 客户端是 Docker Compose，它允许您使用由一组容器组成的应用程序。
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四、底层实现
Docker 底层的核心技术包括 Linux 上的命名空间（Namespaces）、控制组（Control groups）、Union 文件系统（Union file systems）和容器格式（Container format）。
我们知道，传统的虚拟机通过在宿主主机中运行 hypervisor 来模拟一整套完整的硬件环境提供给虚拟机的操作系统。虚拟机系统看到的环境是可限制的，也是彼此隔离的。 这种直接的做法实现了对资源最完整的封装，但很多时候往往意味着系统资源的浪费。 例如，以宿主机和虚拟机系统都为 Linux 系统为例，虚拟机中运行的应用其实可以利用宿主机系统中的运行环境。
我们知道，在操作系统中，包括内核、文件系统、网络、PID、UID、IPC、内存、硬盘、CPU 等等，所有的资源都是应用进程直接共享的。 要想实现虚拟化，除了要实现对内存、CPU、网络IO、硬盘IO、存储空间等的限制外，还要实现文件系统、网络、PID、UID、IPC等等的相互隔离。 前者相对容易实现一些，后者则需要宿主机系统的深入支持。
随着 Linux 系统对于命名空间功能的完善实现，程序员已经可以实现上面的所有需求，让某些进程在彼此隔离的命名空间中运行。大家虽然都共用一个内核和某些运行时环境（例如一些系统命令和系统库），但是彼此却看不到，都以为系统中只有自己的存在。这种机制就是容器（Container），利用命名空间来做权限的隔离控制，利用 cgroups 来做资源分配。
五、Docker 和传统虚拟化方式的比较
Docker 项目的目标是实现轻量级的操作系统虚拟化解决方案。 Docker 的基础是 Linux 容器（LXC）等技术。在 LXC 的基础上 Docker 进行了进一步的封装，让用户不需要去关心容器的管理，使得操作更为简便。用户操作 Docker 的容器就像操作一个快速轻量级的虚拟机一样简单。下面的图片比较了 Docker 和传统虚拟化方式的不同之处，可见容器是在操作系统层面上实现虚拟化，直接复用本地主机的操作系统，而传统方式则是在硬件层面实现。
Docker 在容器的基础上，进行了进一步的封装，从文件系统、网络互联到进程隔离等等，极大地简化了容器的创建和维护。使得 Docker 技术比虚拟机技术更为轻便、快捷。
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传统虚拟化
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Docker容器化
六、为什么要用 Docker
Docker 跟传统的虚拟化方式相比具有众多的优势。
[*]更高效的利用系统资源
由于容器不需要进行硬件虚拟以及运行完整操作系统等额外开销，Docker 对系统资源的利用率更高。无论是应用执行速度、内存损耗或者文件存储速度，都要比传统虚拟机技术更高效。因此，相比虚拟机技术，一个相同配置的主机，往往可以运行更多数量的应用。
[*]更快速的启动时间
传统的虚拟机技术启动应用服务往往需要数分钟，而 Docker 容器应用，由于直接运行于宿主内核，无需启动完整的操作系统，因此可以做到秒级、甚至毫秒级的启动时间。大大的节约了开发、测试、部署的时间。
[*]一致的运行环境
开发过程中一个常见的问题是环境一致性问题。由于开发环境、测试环境、生产环境不一致，导致有些 bug 并未在开发过程中被发现。而 Docker 的镜像提供了除内核外完整的运行时环境，确保了应用运行环境一致性，从而不会再出现 「这段代码在我机器上没问题啊」 这类问题。
[*]持续交付和部署
对开发和运维（DevOps）人员来说，最希望的就是一次创建或配置，可以在任意地方正常运行。
使用 Docker 可以通过定制应用镜像来实现持续集成、持续交付、部署。开发人员可以通过 Dockerfile 来进行镜像构建，并结合 持续集成(Continuous Integration) 系统进行集成测试，而运维人员则可以直接在生产环境中快速部署该镜像，甚至结合 持续部署(Continuous Delivery/Deployment) 系统进行自动部署。
而且使用 Dockerfile 使镜像构建透明化，不仅仅开发团队可以理解应用运行环境，也方便运维团队理解应用运行所需条件，帮助更好的生产环境中部署该镜像。
[*]更轻松的迁移
由于 Docker 确保了执行环境的一致性，使得应用的迁移更加容易。Docker 可以在很多平台上运行，无论是物理机、虚拟机、公有云、私有云，甚至是笔记本，其运行结果是一致的。因此用户可以很轻易的将在一个平台上运行的应用，迁移到另一个平台上，而不用担心运行环境的变化导致应用无法正常运行的情况。
[*]更轻松的维护和扩展
Docker 使用的分层存储以及镜像的技术，使得应用重复部分的复用更为容易，也使得应用的维护更新更加简单，基于基础镜像进一步扩展镜像也变得非常简单。此外，Docker 团队同各个开源项目团队一起维护了一大批高质量的 官方镜像，既可以直接在生产环境使用，又可以作为基础进一步定制，大大的降低了应用服务的镜像制作成本。
七、特性及局限
1.特性
在docker的网站上提到了docker的典型场景：
[*]Automating the packaging and deployment of applications（使应用的打包与部署自动化）
[*]Creation of lightweight, private PAAS environments（创建轻量、私密的PAAS环境）
[*]Automated testing and continuous integration/deployment（实现自动化测试和持续的集成/部署）
[*]Deploying and scaling web apps, databases and backend services（部署与扩展webapp、数据库和后台服务）
由于其基于LXC的轻量级虚拟化的特点，docker相比KVM之类最明显的特点就是启动快，资源占用小。因此对于构建隔离的标准化的运行环境，轻量级的PaaS(如dokku), 构建自动化测试和持续集成环境，以及一切可以横向扩展的应用(尤其是需要快速启停来应对峰谷的web应用)。
①构建标准化的运行环境，现有的方案大多是在一个baseOS上运行一套puppet/chef，或者一个image文件，其缺点是前者需要base OS许多前提条件，后者几乎不可以修改(因为copy on write 的文件格式在运行时rootfs是read only的)。并且后者文件体积大，环境管理和版本控制本身也是一个问题。
②PaaS环境是不言而喻的，其设计之初和dotcloud的案例都是将其作为PaaS产品的环境基础
③因为其标准化构建方法(buildfile)和良好的REST API，自动化测试和持续集成/部署能够很好的集成进来
③因为LXC轻量级的特点，其启动快，而且docker能够只加载每个container变化的部分，这样资源占用小，能够在单机环境下与KVM之类的虚拟化方案相比能够更加快速和占用更少资源
2.局限
Docker并不是全能的，设计之初也不是KVM之类虚拟化手段的替代品，简单总结几点：
[*]Docker是基于Linux 64bit的，无法在32bit的linux/Windows/unix环境下使用
[*]LXC是基于cgroup等linux kernel功能的，因此container的guest系统只能是linux base的
[*]隔离性相比KVM之类的虚拟化方案还是有些欠缺，所有container公用一部分的运行库
[*]网络管理相对简单，主要是基于namespace隔离
[*]cgroup的cpu和cpuset提供的cpu功能相比KVM的等虚拟化方案相比难以度量(所以dotcloud主要是按内存收费)
[*]Docker对disk的管理比较有限
[*]container随着用户进程的停止而销毁，container中的log等用户数据不便收集
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