主机的容器化技术介绍_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：

3.2、容器和虚拟机技术和应用特征对比

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：

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）。

2. 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。

3. Docker架构
   下图是Docker架构示意图：
   
   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。

4. 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。

5. 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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