Docker技術實現分析

陳清金 陳存香 張 巖

1 中國聯(lián)通云數據有限公司 北京 100032

2 中國聯(lián)合網絡通信有限公司 北京 100033

隨著互聯(lián)網的迅猛發(fā)展，云計算作為一種商業(yè)計算模式在搜索服務、移動商務、開放協(xié)作等多樣化需求的推動下迅速發(fā)展起來[1]。云計算以動態(tài)的、易擴展等優(yōu)勢提供了虛擬化資源的計算和存儲方式，并受到Google、IBM、Amazon、Microsoft等IT廠商的大力推廣和應用[2]。

云計算包括基礎設施即服務(Infrastructure as a Service，IaaS)，平臺即服務(Platform as a Service，PaaS)和軟件即服務(Software as a Service，SaaS)[3]?；赑aaS平臺，用戶/開發(fā)者可以便捷地開發(fā)和部署應用程序，將應用程序托管在PaaS管理的云基礎設施中，從而節(jié)省大量的平臺搭建和維護工作，并達到縮短開發(fā)周期，降低運維成本的目的[4]。Docker作為輕量級的虛擬化方式，實現了PaaS平臺的高效部署、運行和維護。

1 研究背景

PaaS的核心技術之一就是虛擬化。維基百科將虛擬化定義為：虛擬化技術是一種資源管理技術，是將計算機的各種實體資源，如服務器、網絡、內存及存儲等，予以抽象、轉換后呈現出來，打破實體結構間的不可切割的障礙，使用戶可以用比原本的組態(tài)更好的方式來應用這些資源[5]。

虛擬化主要分為兩大類，即基于硬件的虛擬化和基于軟件的虛擬化。基于軟件的虛擬化分為應用虛擬化和平臺虛擬化。虛擬機(Virtual Machine，VM)技術屬于平臺虛擬化。應用虛擬化可細分為完全虛擬化、硬件輔助虛擬化、部分虛擬化、超虛擬化、操作系統(tǒng)級虛擬化。Docker屬于操作系統(tǒng)級的虛擬化。

2 Docker技術剖析

Docker是PaaS提供商dotCloud開源的一個基于LXC的高級容器引擎，基于go語言并遵從Apache2.0協(xié)議[6]。目前，已經有很多相關項目，逐漸形成了Docker生態(tài)圈。Docker自2013年發(fā)布以來，就成為了炙手可熱的PaaS項目。Redhat[7]、Google[8]、IBM[9]、百度[10]、阿里巴巴[11]等都相繼集成了對Docker的支持。

Docker的最終目的是實現“build、ship and run any app、anywhere”，即通過對應用組件的封裝(Packaging)、分發(fā)、部署、運行等生命周期的管理，達到應用組件級別的“一次封裝，隨處運行”。應用組件包括Web應用、數據庫服務、操作系統(tǒng)或編譯器。

2.1 Docker體系機構

Docker是一個客戶/服務器(Client/Server，CS)架構(見圖1)。Docker客戶端是遠程控制器，可通過TCP/REST向Docker Host發(fā)送請求，包括創(chuàng)建容器、運行容器、保存容器、刪除容器等請求。Docker服務端的Daemon對客戶端的請求進行相應的管理，隨后通過driver轉發(fā)至容器中的libcontainer執(zhí)行環(huán)境。libcontainer提供與不同Linux內核隔離的接口，類似命名空間及控制組。這種架構允許多個容器在共享同一個Linux內核的情況下完全隔離地運行。由于Docker容器并不需要專用操作系統(tǒng)，因此，實現了輕量級的要求。

圖1 Docker體系架構

2.2 Docker關鍵要素

Docker的核心要素有鏡像(Image)、容器(Container)和倉庫(Registry)。鏡像是一個面向Docker引擎的只讀模板，包含文件系統(tǒng)，它是構建容器的基礎。一個鏡像中可以包含完整的操作系統(tǒng)及相應的應用軟件。用戶可以根據需求自己創(chuàng)建或者下載他人創(chuàng)建的鏡像。容器是從鏡像創(chuàng)建的運行實例。鏡像可以理解為構建或打包階段，而容器可理解為啟動或執(zhí)行階段。Registry用來保存用戶創(chuàng)建的鏡像。鏡像來源主要有用戶定制和Docker自有兩種，前者稱為私有Registry，后者稱為公共Registry，也叫做Docker Hub。

2.3 Docker優(yōu)勢

Docker虛擬化的主要優(yōu)勢有4個方面。1)簡化服務器遷移帶來的環(huán)境再部署，提高工作效率，并降低部署過程中出現問題的風險系數。2)縮短環(huán)境交付和部署的周期。使用Docker，開發(fā)人員可通過鏡像快速部署開發(fā)環(huán)境，并能在開發(fā)結束后，平滑移交給運維和測試人員。同時，容器的維護相對簡單快捷，節(jié)約開發(fā)、測試、部署時間，可實現快速迭代。3)提高物理資源的利用率。由于Docker容器所占的存儲空間相對較小，同時刪除容器后，相應的文件也會被刪除，這樣可大大提高物理資源的使用率。4)更簡單快捷的迭代策略。Dockersf i le實現了開發(fā)環(huán)境中的配置更新可快速反饋到生產環(huán)境中，實現了自動化的高效管理。

3 Docker和VM分析比較

從上述Docker分析中可以發(fā)現VM和Docker存在一定的差異，下面對兩者之間的技術實現和性能進行對比分析。

3.1 VM和Docker技術實現分析

Docker中容器停止后，對創(chuàng)建容器時鏡像的初始狀態(tài)所做的操作都會丟失。虛擬機停止后，大部分文件(除去部分臨時文件)不會被刪除。這就使得虛擬機所占的存儲空間遠遠大于Docker。

Docker可采用標準的IPC機制進行通信，如隧道、Sockets等，虛擬機只能通過以太網的方式進行通信。

Docker可直接運行于宿主機的內核上，不同容器可以共享同一個Linux內核，虛擬機則需要運行于Hypervisor之上(見圖2)。

圖2 VM與Docker虛擬化實現方式對比

3.2 VM和Docker性能分析

作為一種輕量級的虛擬化方式，Docker在性能上還是略優(yōu)于VM的，具體的性能分析比較見表1。

表1 Docker與虛擬機性能對比

從表1中的分析比較可以明顯發(fā)現，利用Docker技術，物理服務器可以承載更多的容器，資源的使用率大大提高，這也是云計算需要達到的真正目的。

4 Docker與OpenStack結合

OpenStack是一個旨在為公共及私有云的建設與管理提供軟件的開源項目[12]。該項目得到了AMD、IBM、Intel的青睞。同時，也成為2014年最受關注的開源項目；因此，Docker與OpenStack的結合是未來PaaS平臺發(fā)展的一大趨勢。二者的結合主要基于Heat和Nova兩種，下面分別就這兩種方式進行分析。

1) Docker與Nova集成。通過driver形式實現了Docker與Openstack的集成(見圖3)。Openstack的Nova中，command和dashboard通過API接口與compute連接，compute與Docker的driver通過API連接，由此實現了二者的關聯(lián)。Docker的registry鏡像以及driver的數據都將反饋給Glance。這個過程中Docker容器當作虛擬機來使用。

圖3 Docker與Nova集成

2) Docker與Heat集成(見圖4)。Docker與Nova的集成中將Docker以虛擬機的形式使用，無法發(fā)揮出容器的獨有優(yōu)勢；因此，出現了Heat與Docker的集成方案。Heat通過Plugin API與相應插件關聯(lián)，進而通過API或者HTTP關聯(lián)Docker。利用Heat中的插件機制，可實現Openstack部署和管理Docker容器。

圖4 Docker與Heat集成

5 總結

Docker自發(fā)布以來，一直受到業(yè)界的熱捧。這個開源的容器引擎使得開發(fā)者可以通過鏡像打包自己的應用以及運行環(huán)境，實現快速開發(fā)、快速部署、快速迭代。同時，沙箱機制可降低接口之間的數據開銷，提高硬件的資源利用率。但是關于Docker與現有開源架構的研究還需進一步完善。

參考文獻

[1]袁璐,李仁發(fā).云環(huán)境下動態(tài)信任模型研究綜述[D/OL].(2010-10-20)[2015-02-02].http://www.paper.edu.cn/html/releasepaper/2010/10/364/

[2]Daniel Nations.What is Cloud Computing?[EB/OL].[2015-01-05].http://webtrends.about.com/od/enterprise20/a/cloud-computing.htm

[3]互動百科.云計算[EB/OL].[2015-02-02].http://www.hudong.com/wiki/%E4%BA%91%E8%AE%A1%E7%AE%97

[4]林琳,滕騰,李偉彬.PaaS的范疇及架構標準化研究[J].信息技術與標準化,2012(10):25-32

[5]虛擬化技術[EB/OL].[2015-02-02].http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%99%9B%E6%93%AC%E5%8C%96

[6]Dua,Bangalore,Raja.Virtualization vs Containerization to Support PaaS[J].IEEE,2014,41:610-614

[7]Red Hat推出專為Docker定制的Linux發(fā)行版[EB/OL].[2015-02-02].http://www.infoq.com/cn/news/2015/03/redhat-docker-linux.2015

[8]Google擁抱Docker:把互聯(lián)網變成一個巨大的計算機[EB/OL].[2015-2-02].http://www.pingwest.com/google-docker/

[9]IBM和Docker宣布建立戰(zhàn)略伙伴關系[EB/OL].[2015-02-02].http://www.oschina.net/news/58186/ibm-docker

[10]國內“BAT”先鋒企業(yè)百度Baidu App Engine(BAE)平臺[EB/OL].[2015-02-02].http://www.xueliedu.com/a/xinwenzixun/2015/0220/280618.html

[11]Docker周報:阿里云ECS支持Docker[EB/OL].[2015-02-02].http://www.infoq.com/cn/news/2014/10/dockeraliyun-ecs?utm_campaign=infoq_content&utm_source=infoq&utm_medium=feed&utm_term=global

[12]誰在掌管著OpenStack項目[EB/OL].[2015-02-02].http://os.51cto.com/art/201111/304714.htm