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Docker 特性與原理詳細介紹與解析

 更新時間：2016年10月12日 10:39:11   作者：破修電腦的  
這篇文章主要介紹了Docker 特性與原理的相關資料,大家在了解基本命令和基本知識后，來看下原理性的通信，需要的朋友可以參考下

Docker 特性與原理

首先看看Docker提供了哪些特性：

  1. 交互式Shell：Docker可以分配一個虛擬終端并關聯到任何容器的標準輸入上，例如運行一個一次性交互shell
  2. 文件系統(tǒng)隔離：每個進程容器運行在完全獨立的根文件系統(tǒng)里
  3. 寫時復制：采用寫時復制方式創(chuàng)建根文件系統(tǒng)，這讓部署變得極其快捷，并且節(jié)省內存和硬盤空間
  4. 資源隔離：可以使用cgroup為每個進程容器分配不同的系統(tǒng)資源
  5. 網絡隔離：每個進程容器運行在自己的網絡命名空間里，擁有自己的虛擬接口和IP地址
  6. 日志記錄：Docker將會收集和記錄每個進程容器的標準流（stdout/stderr/stdin），用于實時檢索或批量檢索
  7. 變更管理：容器文件系統(tǒng)的變更可以提交到新的映像中，并可重復使用以創(chuàng)建更多的容器。無需使用模板或手動配置

從以上特性分別看實現原理

1. 交互式Shell

首先我們允許一個交互式的容器

$docker run -i -t <image name> /bin/bash

這樣就建立了一個到容器內的交互式連接,看到的是如下的命令行:

root@df3880b17407:/#

這里我們啟動了一個容器，以bash作為其根進程.

root@df3880b17407:/# ps aux 
USER    PID %CPU %MEM  VSZ  RSS TTY   STAT START  TIME COMMAND
root     1 0.0 0.0 18164 2020 ?    S  06:06  0:00 /bin/bash

可以看到，在這個容器中，bash 的 PID為 1，而實體機平常情況下，是這樣的:

root@ubuntu:~# ps aux 
USER    PID %CPU %MEM  VSZ  RSS TTY   STAT START  TIME COMMAND
root     1 0.0 0.1 24716 2612 ?    Ss  Sep04  0:01 /sbin/init

大家都知道，所有進程的共同祖先都是 PID=1的進程

所以在容器中，所有以后創(chuàng)建的進程都是通過/bin/bash 創(chuàng)建的，PID=1的 bash是容器中所有進程的祖先理解了這點后，對容器的理解就很簡單了.

2. 文件系統(tǒng)隔離

對于一個正在運行的容器，其文件系統(tǒng)都是一個從根目錄開始的虛擬文件系統(tǒng)，在容器中看到的是這樣的:

root@df3880b17407:/# ll /
total 68
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Jul 22 22:51 bin
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Apr 10 22:12 boot
drwxr-xr-x  3 root root 4096 Jul 22 22:49 dev
drwxr-xr-x 85 root root 4096 Sep 5 06:49 etc
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Apr 10 22:12 home
drwxr-xr-x 16 root root 4096 Jul 22 22:50 lib
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Aug 12 03:30 lib64
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Jul 22 22:48 media
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Apr 10 22:12 mnt
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Jul 22 22:48 opt
dr-xr-xr-x 356 root root  0 Sep 5 06:06 proc
drwx------  2 root root 4096 Jul 22 22:51 root
drwxr-xr-x  7 root root 4096 Sep 5 07:23 run
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Aug 12 03:30 sbin
drwxr-xr-x  2 root root 4096 Jul 22 22:48 srv
dr-xr-xr-x 13 root root  0 Sep 5 06:06 sys
drwxrwxrwt  2 root root 4096 Sep 5 06:55 tmp
drwxr-xr-x 20 root root 4096 Sep 5 06:11 usr
drwxr-xr-x 19 root root 4096 Sep 5 06:11 var

其實真是情況是這樣的，容器中的文件系統(tǒng)都是掛載到了真是系統(tǒng)中的一個目錄下面.

/var/lib/docker/containers/<image-long-id>/rootfs

這個配置是怎么來的呢，其實所有容器的管理都是通過lxc來管理的，lxc的配置文件放在

/var/lib/docker/containers/<image-long-id>/config.lxc

文件中有字段表示容器掛載到哪個文件目錄, 比如我的是這樣的：

lxc.rootfs = /var/lib/docker/containers/df3880b17407575cd642a6b7da3c7e417a55fad5bbd63152f89921925626d2b6/rootfs

打開看一下，一目了然：

root@ubuntu:/var/lib/docker/containers/df3880b17407575cd642a6b7da3c7e417a55fad5bbd63152f89921925626d2b6/rootfs# ll
total 84
drwxr-xr-x 53 root root 4096 Sep 5 00:23 ./
drwx------ 4 root root 4096 Sep 5 00:53 ../
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Jul 22 15:51 bin/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Apr 10 15:12 boot/
drwxr-xr-x 3 root root 4096 Jul 22 15:49 dev/
drwxr-xr-x 85 root root 4096 Sep 4 23:49 etc/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Apr 10 15:12 home/
drwxr-xr-x 16 root root 4096 Jul 22 15:50 lib/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Aug 11 20:30 lib64/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Jul 22 15:48 media/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Apr 10 15:12 mnt/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Jul 22 15:48 opt/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Apr 10 15:12 proc/
drwx------ 2 root root 4096 Jul 22 15:51 root/
drwxr-xr-x 7 root root 4096 Sep 5 00:23 run/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Aug 11 20:30 sbin/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Jul 22 15:48 srv/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Mar 12 18:41 sys/
drwxrwxrwt 2 root root 4096 Sep 4 23:55 tmp/
drwxr-xr-x 20 root root 4096 Sep 4 23:11 usr/
drwxr-xr-x 19 root root 4096 Sep 4 23:11 var/

這些就是容器中的真實目錄了,容器中對于目錄的操作都是操作了這個host機器的真實目錄。
對于不同的容器，掛載點是不一樣的，而容器不能穿越根目錄上一級去訪問, 所以這里對每一個容器都做到了文件系統(tǒng)隔離。

3. 寫時復制

我們把每一個

/var/lib/docker/containers/<image-long-id>

看做是一個容器的配置目錄的話，可以看到在配置目錄下面有一個 rw/目錄，打開看有些什么

total 36
drwxr-xr-x 9 root root 4096 Sep 5 00:23 ./
drwx------ 4 root root 4096 Sep 5 00:53 ../
drwxr-xr-x 6 root root 4096 Sep 4 23:49 etc/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Sep 5 00:23 run/
drwxrwxrwt 2 root root 4096 Sep 4 23:55 tmp/
drwxr-xr-x 7 root root 4096 Sep 4 23:11 usr/
drwxr-xr-x 5 root root 4096 Sep 4 23:11 var/
-r--r--r-- 1 root root  0 Sep 4 23:06 .wh..wh.aufs
drwx------ 2 root root 4096 Sep 4 23:06 .wh..wh.orph/
drwx------ 2 root root 4096 Sep 4 23:11 .wh..wh.plnk/

里面是一些不完整的根目錄，這不能說明什么，但是我們在container中寫入文件后，看看其中的變化

在容器中執(zhí)行以下命令

root@df3880b17407:/# touch /opt/x

在 /opt 下我們生成了一個文件

再看看

root@ubuntu:/var/lib/docker/containers/df3880b17407575cd642a6b7da3c7e417a55fad5bbd63152f89921925626d2b6/rw# ll
total 40
drwxr-xr-x 10 root root 4096 Sep 5 01:00 ./
drwx------ 4 root root 4096 Sep 5 00:53 ../
drwxr-xr-x 6 root root 4096 Sep 4 23:49 etc/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Sep 5 01:00 opt/
drwxr-xr-x 2 root root 4096 Sep 5 00:23 run/
drwxrwxrwt 2 root root 4096 Sep 4 23:55 tmp/
drwxr-xr-x 7 root root 4096 Sep 4 23:11 usr/
drwxr-xr-x 5 root root 4096 Sep 4 23:11 var/
-r--r--r-- 1 root root  0 Sep 4 23:06 .wh..wh.aufs
drwx------ 2 root root 4096 Sep 4 23:06 .wh..wh.orph/
drwx------ 2 root root 4096 Sep 4 23:11 .wh..wh.plnk/

是的，在host機器上新生成了 opt/目錄，這里做到了容器的寫時復制

4. 資源隔離

以系統(tǒng)的三大進程間通信的消息隊列來看

初始狀態(tài)在 ghost, ipcs -q 查看消息隊列

root@ubuntu:~/codes/msq# ipcs -q

------ Message Queues --------
key    msqid   owner   perms   used-bytes  messages

在ghost 創(chuàng)建一個, 這里樓主自己寫的代碼創(chuàng)建的消息隊列:

root@ubuntu:~/codes/msq# ./main 1
Create msq with key id 65536root@ubuntu:~/codes/msq# ipcs -q

------ Message Queues --------
key    msqid   owner   perms   used-bytes  messages  
0x00000001 65536   root    666    0      0

然后在容器中查看 ipcs -q

root@df3880b17407:/# ipcs -q

------ Message Queues --------
key    msqid   owner   perms   used-bytes  messages

可以看到系統(tǒng)資源是隔離的，這里只是說了一部分，其實還包括了可以通過cgoup對其做CPU和Memory的Quota管理.
默認情況下是使用了所有CPU和內存的，但是可以在config.lxc增加如下配置設置CPU等，具體可以參考lxc的文檔

lxc.cgroup.cpu.shares=512 lxc.cgroup.cpuset.cpus=1.2

資源隔離的原理就在于利用cgroup，將不同進程的使用隔離開，假設每個容器都是以bash啟動的，那么在容器內部，每個子進程都只能使用當前bash下面的資源，對于其他的系統(tǒng)資源是隔離的.子進程的訪問權限由父進程決定

5.網絡隔離

在安裝好docker后，會默認初始化一個 docker0的網橋

docker0  Link encap:Ethernet HWaddr ee:8c:1f:8b:d7:59 
     inet addr:172.17.42.1 Bcast:0.0.0.0 Mask:255.255.0.0
     ...

在host機器上，會為每一個容器生成一個默認的網卡類似這樣的 vethdBVa1H veth*

這個網卡的一端連接在容器的eth0,一端連接到docker0.這樣就實現了每個容器有一個單獨的IP.

這里如果需要容器訪問外網，需要將eth0設置為混雜模式:

$ifconfig eth0 promisc

這樣看來，容器會從172.17.0.0/24 這個網段選擇一個IP作為eth0的IP，這樣，容器就可以和外部通過 docker0網橋通信了.

在容器內部監(jiān)聽一個端口 python -m SimpleHTTPServer 80 >> /tmp/log.log &
從ghost訪問 telnet 172.17.0.2 80
在容器中看到如下:

Active Internet connections (servers and established)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address      Foreign Address     State    PID/Program name
tcp    0   0 0.0.0.0:80       0.0.0.0:*        LISTEN   2823/python   
tcp    0   0 172.17.0.2:80      172.17.42.1:46142    TIME_WAIT  -

在host上看到

Active Internet connections (servers and established)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address      Foreign Address     State    PID/Program name
tcp    0   0 172.17.42.1:46142    172.17.0.2:80      ESTABLISHED 10244/telnet

如果需要外部能夠訪問容器，需要做端口映射規(guī)則，和配置虛擬機一樣的道理, 只不過這里可以看到的是，80端口并沒有占用了本地端口，而是在容器內部做了監(jiān)聽，外部是通過docker0 橋接過去的，每個容器間也做到了端口和網絡隔離.

6.日志記錄

不多說，在 /var/lib/docker/containers/<image-long-id>.log 下

7.變更管理

Docker的變更管理看做是git的版本管理好了。

生成鏡像的時候，未做改動的部分就是上一個版本的鏡像的引用，如果做了改動，就是一個新的文件。

將剛才操作的容器做成鏡像

docker commit <image-id> <REPOSITORY>

此時的鏡像多出來的部分，比如我在這個鏡像中安裝了Python，那么多出來的部分作為新文件，其他部分任然是上一個版本的引用。

你可以搭建自己的鏡像服務器，push到自己的鏡像服務器，從其他機器拉下來后直接可以運行。

感謝閱讀，希望能幫助到大家，謝謝大家對本站的支持！

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