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主机的容器化技术介绍_设备端容器化

设备端容器化
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一、什么是容器

容器是一个标准化的单元,是一种轻量级、可移植的软件打包技术,容器将软件代码及其相关依赖打包,使应用程序可以在任何计算介质运行。例如开发人员在自己的机器上创建和运行的容器,几乎无须任何修改就可以在虚拟机、私有云、公有云、物理服务器等环境上运行。

容器主要支持Linux操作系统,因为Docker等容器技术的实现都是基于Linux内核的容器化技术。虽然Windows操作系统也支持容器化技术,但是相比Linux容器,Windows容器的应用范围和功能支持都相对有限。

在Linux系统中,容器技术已经得到了广泛应用和支持。几乎所有主流的Linux发行版都支持容器化技术,包括Ubuntu、CentOS、Debian等。此外,Docker等容器技术的实现也提供了对其他操作系统的支持,例如Mac和Windows等。

需要注意的是,不同的操作系统和容器技术可能会有一些特定的限制和差异,例如文件系统格式、网络配置、权限管理等。因此,在选择容器技术和操作系统时,需要根据实际需求和应用场景进行综合考虑。

二、容器的特性和优势

容器具有如下特点:

  • 打包:将软件打包成标准化单元以进行开发、迁移和部署
  • 隔离性:计算、存储、网络等资源彼此隔离
  • 高效性:轻量、快速启停、快速部署与迁移
  • 职责分工明确:开发专心写代码,运维专注基础环境配置

容器的优势:

  • 对于开发人员: Build once, Run anywhere ,开发人员只需要构建一次应用运行环境,然后就可以将其打包成为容器以便在其他平台上运行。容器环境和宿主机环境完全隔离,又快速又简单
  • 对于运维人员: Configure once, Run anything,运维人员只需要配置管理标准的runtime,就可以运行几乎所有容器。运维人员的工作高度一致和统一,效率高且可重复

三、容器和虚拟机的对比

容器只能使用 Host 的 kernel,并且不能修改。所有容器都共用 host 的 kernel,在容器中没办法对 kernel 升级。如果容器对 kernel 版本有要求(比如应用只能在某个 kernel 版本下运行),则不建议用容器,这种场景虚拟机可能更合适

3.1、容器和虚拟机的实现架构对比

下面这个图是容器和裸金属架构的虚拟机的实现逻辑架构对比图:
在这里插入图片描述

3.2、容器和虚拟机技术和应用特征对比

在这里插入图片描述

四、容器关键技术

容器的关键技术包括容器镜像管理和容器的网络管理。

4.1、镜像管理

4.1.1、什么是容器镜像

容器的镜像是指用于运行和启动容器的只读模板,容器镜像包含了容器运行时所需的程序、库、资源、配置等文件,还包含了一些为运行时准备的一些配置参数(如匿名卷、环境变量、用户等)。容器镜像不包含任何动态数据,其内容在构建之后也不会被改变。容器是容器镜像的运行实例,容器运行时根据容器镜像创建容器。

相比于虚拟机的镜像,容器镜像更轻量化,它只是一个用户侧的rootfs。容器镜像是在容器里根目录上挂载的一个全新的文件系统,此文件系统与宿主机的文件系统无关,是一个完全独立的,用于给容器进行提供环境的文件系统。有了这个rootfs,容器就能够为进程构建出一个完整的文件系统,且实现了与宿主机的环境隔离。

4.1.2、镜像的分层管理

在介绍镜像的分层管理前,先有必要理解容器、镜像和linux内核之间的关系,不太清楚的同仁可以参考老猿在CSDN的博文《Docker容器镜像、Docker运行时用户空间和Linux内核之间的关系介绍》的介绍。

Docker镜像是采用分层方式构建和管理:

  • 容器镜像由元数据和一层层的镜像构成,元数据主要描述镜像层之间的关系和容器的配置信息
  • 通常构建 Docker 镜像时会以一个已存在的镜像或Scratch镜像为基础,在其上进行定制,这个已存在的镜像就是基础(base)镜像,关于与Scratch镜像请参考老猿在CSDN上的博文《信创之国产浪潮电脑+统信UOS操作系统体验8:安装Docker并进行测试验证scratch镜像》的介绍
  • BASE镜像给用户提供一个基本的操作系统环境,然后在其上根据需求安装和配置上层软件
  • 常见BASE镜像主要是各大Linux发行版的DOCKER镜像,如Ubuntu、CentOS等。BASE镜像不依赖其他镜像,从scratch构建。对于BASE镜像构建的容器来说,底层直接用Host的kernel,自己只需要提供rootfs就行了。其他镜像可以以base镜像为基础进行扩展。

当构建Docker镜像时,每条指令都会创建一个新的层,并将修改后的文件添加到这一层中。每个层都是只读的,它们可以被缓存和重复使用,而不需要每次都重新构建整个镜像。如果需要添加新的文件或更改现有文件,Docker会在新层上创建一个新的文件系统,并将需要更改的文件复制到新层中。同时可以将不同目录挂载到同一虚拟文件系统下。这种分层结构也使得镜像的修改和更新更加灵活和可控,因为只需要在需要修改的层中进行修改,而不会影响到其他层。

镜像分层最大的一个好处就是共享资源 ,比如:有多个镜像都从相同的 base 镜像构建而来,在仓库内或这本地磁盘上只需保存一份 base 镜像。那么 Docker Host 用这几个镜像在同一台机器上构建多个容器时,内存中只需加载一份 base镜像,就可以为所有容器服务了。

4.1.3、容器运行时的Copy-on-Write 特性

基于镜像的分层管理,如果多个容器共享一份基础镜像,当某个容器修改了基础镜像的内容,比如 /etc 下的文件,这时其他容器的 /etc
是否也会被修改?答案是不会!

当容器启动时,一个新的可写层被加载到镜像的顶部。这一层通常被称作“Container”即容器层,“容器层”之下的都叫“镜像层”。如图:
在这里插入图片描述
所有对容器的改动 - 无论添加、删除、还是修改文件都只会发生在容器层中。只有容器层是可写的,容器层下面的所有镜像层都是只读的 ,因此容器的修改相互是隔离的。

镜像层数量可能会很多,所有镜像层会联合在一起组成一个统一的文件系统,在容器层中,用户看到的是一个叠加之后的文件系统。
下面深入讨论这种多层镜像+容器层的容器运行态中的文件操作机制:

  • 文件读取:如果不同层中有一个相同路径的文件,比如 /a,上层的 /a 会覆盖下层的 /a,也就是说用户只能访问到上层中的文件 /a
  • 添加文件:在容器中创建文件时,新文件被添加到容器层中
  • 修改文件:在容器中修改已存在的文件时,Docker 会从上往下依次在各镜像层中查找此文件。一旦找到,立即将其复制到容器层,然后再执行修改
  • 删除文件:由于每个镜像层都是只读的,因此不能直接删除镜像层中的文件,在容器中删除文件时,Docker会根据当前层和下面镜像层中是否存在该文件进行不同的处理。如果镜像层存在该文件,Docker会在容器层插入一个whiteout标记,用于遮盖文件,镜像层不处理。如果镜像层中不存在该文件,Docker会将文件从容器层中删除。

上述文件修改机制,只有当需要修改时才复制一份数据到容器层,这种特性被称作 Copy-on-Write。可见容器层保存的是镜像变化的部分,不会对镜像本身进行任何修改。

4.2、Docker网络模式

4.2.1、Docker的网络模式设置

通过Docker创建时设定的network参数值来指定容器的网络模式,支持四种网络模式:

  • bridge模式:这种模式是默认模式,容器拥有独立的网络环境,实现容器之间、容器与宿主机之间的网络栈隔离,通过宿主机上的docker0网桥,与宿主机乃至外界进行网络通信,对于Docker的默认网络设置,一般使用Bridge模式
  • host模式:容器和宿主机共享同一个网络命名空间,直接使用宿主机的ip和端口与外界通信
  • none模式:Docker的None网络模式是一种不进行任何网络配置的网络模式。使用None模式,Docker容器拥有自己的Network Namespace,但是没有任何网络配置信息。在None模式下,容器无法进行网络连接,是一个封闭的网络环境。容器内的进程可以使用Lo网卡通信,Lo网卡是指本地回环网卡,也就是主机内网卡的回环映射
  • 用户自定义模式(network=Network):docker1.9版本以后新增的特性,允许容器使用第三方的网络实现或者创建单独的bridge网络。
4.2.2、容器访问外部网络

4种网络模式下,容器对外部网络的访问支持能力是不一样的:

  • Host模式:在Host模式下,容器与主机使用同一网络,因此可以直接通过主机的网络配置访问外部网络。
  • Bridge模式:在Bridge模式下,容器通过网桥访问外网,访问时将源主机地址替换成宿主机的IP地址
  • None模式:在None模式下,容器无法直接访问外部网络
  • 自定义模式:在Network模式下,Docker可以创建自定义的网络,并将容器加入到该网络中。该网络可以配置IP地址、子网掩码、网关等网络参数,以实现容器访问外部网络。
4.2.3、外部网络访问容器

在Docker的Host和Bridge网络模式下,外部网络需要访问容器时,在运行容器时利用 -p[host port]:[container port]参数将容器对外提供服务的端口映射到宿主机的特定端口,外网通过访问宿主机的端口访问容器对外提供的服务。Docker每映射一个端口给宿主机端口,都会启动一个docker-proxy进程来处理对容器的访问数据流量。

五、Docker项目

  1. 简介

容器技术是基于容器引擎构建的打包技术,容器技术里面最典型的项目就是Docker,但并不是Docker就是容器技术的全部。

Docker是一个开源容器引擎,可以在Linux、Windows等平台上为任何应用创建一个轻量级、可移植的容器环境。
Docker项目由Docker公司用Go语言编写,遵循ApacheLicense2.0许可协议。
Docker公司的前身是dotCloud公司,2013年dotCloud公司开源了容器项目Docker。

Docker目前有两个版本: DockerCE(社区版本)和DockerEE(企业版本)。

  1. Docker OCI(Open Container Initiative)规范
    OCI规范是一种容器和镜像的标准和规范,旨在定义容器镜像的构建、打包、分发和运行等环节的统一标准。该规范由Docker、CoreOS、Google、RedHat等公司于2015年6月在Docker大会上共同宣布并随后成立OCI进行推动。

    OCI规范包括两个主要部分:
    √、Image Format Specification:容器镜像格式标准,规定应该以何种格式存储、分发镜像,dock image是docker容器的镜像,runtime根据dock image来创建容器,dockerfile是若干命令的文本文件,runtime可以根据这些命令创建出dock image
    √、Runtime Specification:容器运行时标准,规定如何下载、解压缩、运行Filesystem Bundle。

    任何符合OCI格式的镜像都可以在符合OCI标准的runtime之上工作。Docker v2镜像格式和runC成为了OCI的指定参考和实现规范。其中,Docker v2镜像格式捐给OCI作为镜像规范的基础,而runC则是Docker公司将libcontainer移动到后贡献给OCI作为容器运行时的参考实现。

    OCI规范的出现使得不同平台、不同环境下的容器镜像可以相互移植,同时也方便了容器技术的推广和应用。

  2. Docker架构
    下图是Docker架构示意图:
    在这里插入图片描述
    从上图可以看出,Docker的架构包含了客户端Client、服务器端Docker Daemon、镜像Images、容器Containers和仓库Registry,其中服务器端Docker Daemon、镜像Images、容器Containers构成了Docker_Host。

  3. Docker runtime是指Docker容器的真正运行环境。它是在容器启动时加载和运行可执行文件的地方,也是容器应用程序运行的环境。Docker runtime有多种实现方式,目前主流的三种容器runtime包括lxc、runc和rkt。其中,runc是Docker自己开发的runtime,也是目前Docker的默认runtime,符合oci规范。rkt是CoreOS开发的容器runtime,也符合oci规范,因此能够运行Docker的容器。

  4. Docker的镜像仓库

Docker的镜像仓库叫Registry,是集中存放镜像的地方,可以方便后续的镜像拉取与上传,便于对镜像的集中管理。

镜像仓库一般可分为Docker Hub(http://hub.docker.com)公共中央仓库和个人或者公司使用的私有仓库。

  • Docker Hub 是Docker公司面向公众开放的镜像托管仓库,是全球最大的镜像市场,目前已经有超过10w个容器镜像,大部分需求都可以通过在Docker Hub 中直接下载镜像来实现,方便开发者使用
  • Docker Registry私有仓库是是Docker公司向个人用户提供的私有仓库,方便个人用户给使用
  • Docker Harbor是Docker公司向企业级使用的私有镜像仓库。

六、小结

本文介绍了容器化技术的技术原理、特点优势以及容器的镜像管理和网络模式的关键技术,容器是镜像的运行时,同一主机运行的容器共用主机操作系统的内核,各容器将创建自己的用户空间,挂载rootfs文件系统。容器的文件系统来源于镜像,镜像分层管理,容器内的镜像层是只读的,对文件系统的更改通过在镜像层上面叠加container层来实现。

参考资料

1、Docker基础知识 (28) - 在 Dockerfile 中以 scratch 为基础镜像 (FROM scratch)
2、每天5分钟玩转 Docker 容器技术之镜像

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