[原][Docker]特性与原理解析

xiaoxue85

Docker特性与原理解析

　　文章假设你已经熟悉了Docker的基本命令和基本知识

首先看看Docker提供了哪些特性：

• 交互式Shell：Docker可以分配一个虚拟终端并关联到任何容器的标准输入上，例如运行一个一次性交互shell　　
  
  
• 文件系统隔离：每个进程容器运行在完全独立的根文件系统里　　
  
  
• 写时复制：采用写时复制方式创建根文件系统，这让部署变得极其快捷，并且节省内存和硬盘空间　　
  
  
• 资源隔离：可以使用cgroup为每个进程容器分配不同的系统资源　　
  
  
• 网络隔离：每个进程容器运行在自己的网络命名空间里，拥有自己的虚拟接口和IP地址　　
  
  
• 日志记录：Docker将会收集和记录每个进程容器的标准流（stdout/stderr/stdin），用于实时检索或批量检索　　
  
  
• 变更管理：容器文件系统的变更可以提交到新的映像中，并可重复使用以创建更多的容器。无需使用模板或手动配置
  

从以上特性分别看实现原理

1. 交互式Shell
　　首先我们允许一个交互式的容器
　　

$docker run -i -t  /bin/bash　　

　　这样就建立了一个到容器内的交互式连接,看到的是如下的命令行:
　　

root@df3880b17407:/#　　

　　这里我们启动了一个容器，以bash作为其根进程.
　　

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，在这个容器中，bash 的 PID为 1，而实体机平常情况下，是这样的:
　　

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，所有进程的共同祖先都是 PID=1的进程
　　所以在容器中，所有以后创建的进程都是通过/bin/bash 创建的，PID=1的 bash是容器中所有进程的祖先
　　理解了这点后，对容器的理解就很简单了.

2. 文件系统隔离
　　对于一个正在运行的容器，其文件系统都是一个从根目录开始的虚拟文件系统，在容器中看到的是这样的:
　　

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
　　

　　其实真是情况是这样的，容器中的文件系统都是挂载到了真是系统中的一个目录下面.
　　/var/lib/docker/containers//rootfs
　　这个配置是怎么来的呢，其实所有容器的管理都是通过lxc来管理的，lxc的配置文件放在
　　/var/lib/docker/containers//config.lxc
　　文件中有字段表示容器挂载到哪个文件目录, 比如我的是这样的：
　　lxc.rootfs = /var/lib/docker/containers/df3880b17407575cd642a6b7da3c7e417a55fad5bbd63152f89921925626d2b6/rootfs
　　打开看一下，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/
　　

　　这些就是容器中的真实目录了,容器中对于目录的操作都是操作了这个host机器的真实目录。
　　对于不同的容器，挂载点是不一样的，而容器不能穿越根目录上一级去访问, 所以这里对每一个容器都做到了文件系统隔离。

3. 写时复制
　　我们把每一个
　　/var/lib/docker/containers/
　　看做是一个容器的配置目录的话，可以看到在配置目录下面有一个 rw/目录，打开看有些什么
　　

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录，这不能说明什么，但是我们在container中写入文件后，看看其中的变化
　　在容器中执行以下命令
　　root@df3880b17407:/# touch /opt/x
　　在 /opt 下我们生成了一个文件
　　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机器上新生成了 opt/目录，这里做到了容器的写时复制

4. 资源隔离
　　以系统的三大进程间通信的消息队列来看
　　初始状态在 ghost, ipcs -q 查看消息队列
　　

root@ubuntu:~/codes/msq# ipcs -q　　

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

　　在ghost 创建一个, 这里楼主自己写的代码创建的消息队列:
　　

root@ubuntu:~/codes/msq# ./main 1
　　
Create msq with key>　　

　　
------ 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   
　　

　　

　　可以看到系统资源是隔离的，这里只是说了一部分，其实还包括了可以通过cgoup对其做CPU和Memory的Quota管理.
　　默认情况下是使用了所有CPU和内存的，但是可以在config.lxc增加如下配置设置CPU等，具体可以参考lxc的文档
　　lxc.cgroup.cpu.shares=512 lxc.cgroup.cpuset.cpus=1.2
　　资源隔离的原理就在于利用cgroup，将不同进程的使用隔离开，假设每个容器都是以bash启动的，那么在容器内部，每个子进程都只能使用当前bash下面的资源，对于其他的系统资源是隔离的.子进程的访问权限由父进程决定

5.网络隔离
　　在安装好docker后，会默认初始化一个 docker0的网桥
　　

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机器上，会为每一个容器生成一个默认的网卡类似这样的 vethdBVa1H veth*
　　这个网卡的一端连接在容器的eth0,一端连接到docker0.这样就实现了每个容器有一个单独的IP.
　　这里如果需要容器访问外网，需要将eth0设置为混杂模式:
　　$ifconfig eth0 promisc
　　这样看来，容器会从172.17.0.0/24 这个网段选择一个IP作为eth0的IP，这样，容器就可以和外部通过 docker0网桥通信了.
　　在容器内部监听一个端口 python -m SimpleHTTPServer 80 >> /tmp/log.log &
　　从ghost访问 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
　　

　　如果需要外部能够访问容器，需要做端口映射规则，和配置虚拟机一样的道理, 只不过这里可以看到的是，80端口并没有占用了本地端口，而是在容器内部做了监听，外部是通过docker0 桥接过去的，每个容器间也做到了端口和网络隔离.

6.日志记录
　　不多说，在 /var/lib/docker/containers/.log 下

7.变更管理
　　Docker的变更管理看做是git的版本管理好了。
　　生成镜像的时候，未做改动的部分就是上一个版本的镜像的引用，如果做了改动，就是一个新的文件。
　　将刚才操作的容器做成镜像
　　docker commit  
　　此时的镜像多出来的部分，比如我在这个镜像中安装了Python，那么多出来的部分作为新文件，其他部分任然是上一个版本的引用。
　　你可以搭建自己的镜像服务器，push到自己的镜像服务器，从其他机器拉下来后直接可以运行。

　　以上，一点愚见，希望指正.