Docker應(yīng)用于私有云平臺(tái)
——以河北省級(jí)教育數(shù)據(jù)中心為例

馬銘冀，姜延凱

（河北省教育發(fā)展研究與信息管理中心，河北 石家莊050091）

Docker應(yīng)用于私有云平臺(tái)
——以河北省級(jí)教育數(shù)據(jù)中心為例

馬銘冀，姜延凱

（河北省教育發(fā)展研究與信息管理中心，河北 石家莊050091）

Docker是一種開源容器級(jí)虛擬化技術(shù)，基于它可建立PaaS云服務(wù)，相較于傳統(tǒng)虛擬化主機(jī)如：VMware、KVM，Docker生成的虛擬主機(jī)更為輕量級(jí)，數(shù)量可較傳統(tǒng)服務(wù)器虛擬化提升5倍以上。Docker對(duì)于推進(jìn)教育信息化基礎(chǔ)設(shè)施資源建設(shè)，特別是PaaS平臺(tái)建設(shè)具有一定意義，為此本文給出一種基于Docker、Kubernetes以及自研CloudBean平臺(tái)的省級(jí)教育數(shù)據(jù)中心PaaS私有云平臺(tái)搭建的技術(shù)思路。

云計(jì)算；Docker；CloudBean；教育信息化；PaaS；開源

一、引言

隨著云計(jì)算潮流的不斷演進(jìn)，以服務(wù)器虛擬化技術(shù)為核心的云計(jì)算技術(shù)在數(shù)據(jù)中心不斷落地，采用此類技術(shù)構(gòu)建的IaaS數(shù)據(jù)中心至少能帶來三點(diǎn)好處，一是用戶使用資源更方便，用戶無需再關(guān)注硬件設(shè)備細(xì)節(jié)，只需根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需要?jiǎng)討B(tài)申請(qǐng)與擴(kuò)容計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源；二是數(shù)據(jù)中心管理更簡單，信息化管理部門采用統(tǒng)一虛擬化管理平臺(tái)即可用更低的運(yùn)營成本、更簡便的管理方式管理數(shù)據(jù)中心資源，由運(yùn)維轉(zhuǎn)變成運(yùn)營；三是資源集約化程度更高，采用服務(wù)器虛擬化技術(shù)的數(shù)據(jù)中心通?？梢陨a(chǎn)物理服務(wù)器數(shù)量15倍以上的虛擬化服務(wù)器，相同的硬件環(huán)境能滿足更多的用戶需求。

較于傳統(tǒng)非虛擬化技術(shù)的數(shù)據(jù)中心而言，IaaS數(shù)據(jù)中心是一種質(zhì)的進(jìn)步，但這種進(jìn)步也面臨如下挑戰(zhàn)：

（1）虛擬主機(jī)為重量級(jí)，每臺(tái)虛擬機(jī)均需要有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、運(yùn)行庫、存儲(chǔ)空間等，有較大的資源消耗，通常兩路4CPU/64GB內(nèi)存物理服務(wù)器可生產(chǎn)20臺(tái)左右2CPU/4GB內(nèi)存虛擬主機(jī)。

（2）數(shù)據(jù)中心中有大量的業(yè)務(wù)屬于輕量級(jí)網(wǎng)站、數(shù)據(jù)庫、后端業(yè)務(wù)，其資源需求量總體不高，獨(dú)立放置于虛擬主機(jī)中也存在一定的資源浪費(fèi)，同時(shí)也面臨技術(shù)管理跟不上的問題；

（3）移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)中心不斷地落地，必然催生出指數(shù)級(jí)的虛擬主機(jī)資源需求，如何更低成本滿足這些需求。

上述問題的本質(zhì)其實(shí)可以歸結(jié)為如何在可控的成本之下，生產(chǎn)更多數(shù)量的虛擬主機(jī)，以及如何更高效的使用與管理這些生產(chǎn)出來的大規(guī)模虛擬主機(jī)。

目前省級(jí)教育數(shù)據(jù)中心已實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器虛擬化技術(shù)，并搭建了規(guī)模不一的IaaS平臺(tái)。筆者認(rèn)為隨著我省教育信息化應(yīng)用的深度推進(jìn)，依賴于IaaS平臺(tái)支撐信息化業(yè)務(wù)仍會(huì)面臨較高運(yùn)維成本和相對(duì)低的資源使用效率，業(yè)務(wù)處室里相當(dāng)多的業(yè)務(wù)應(yīng)歸類于輕量級(jí)業(yè)務(wù)，即大多數(shù)業(yè)務(wù)僅需要基礎(chǔ)的應(yīng)用環(huán)境 （如：WEB環(huán)境、數(shù)據(jù)庫環(huán)境、測試環(huán)境）并不關(guān)注于虛擬主機(jī)操作系統(tǒng)層面的細(xì)節(jié)，事實(shí)上考慮到虛擬主機(jī)信息安全、運(yùn)維能力等多方面因素，也不建議業(yè)務(wù)用戶介入主機(jī)層面細(xì)節(jié)，一是業(yè)務(wù)用戶擅長于業(yè)務(wù)開發(fā)，但主機(jī)運(yùn)維與安全管理能力較弱；二是業(yè)務(wù)上線僅需要應(yīng)用環(huán)境，不需要關(guān)注于底層主機(jī)細(xì)節(jié)；基于此筆者認(rèn)為數(shù)據(jù)中心信息化基礎(chǔ)設(shè)施資源建設(shè)時(shí)應(yīng)著力發(fā)展PaaS私有云平臺(tái)，即面向業(yè)務(wù)用戶提供標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范并專業(yè)的應(yīng)用支撐環(huán)境，目前業(yè)內(nèi)有多種PaaS云平臺(tái)實(shí)施技術(shù)，包括：IBM、Oracle的私有云方案，國內(nèi)如：百度、新浪的PaaS公有云平臺(tái)，筆者認(rèn)為對(duì)于教育數(shù)據(jù)中心來講，搭建私有云PaaS平臺(tái)即要考慮實(shí)施成本，又要考慮平臺(tái)本身的科研屬性，因此筆者建議并提出一種基于開源Docker[1]、Kubernetes以及自研的CloudBean的PaaS平臺(tái)搭建思路，當(dāng)然這個(gè)思路的基礎(chǔ)是Docker操作系統(tǒng)級(jí)虛擬化技術(shù)。

二、Docker簡介

Docker是一種基于go語言開發(fā)，并遵從Apache 2.0協(xié)議開源的容器級(jí)虛擬化技術(shù)，其源代碼托管于Github上，它由PaaS供應(yīng)商dotCloud于2013年發(fā)布，Docker發(fā)布后獲得業(yè)內(nèi)極大關(guān)注，主流的IT服務(wù)商，如：谷歌、微軟、IBM、紅帽均加入Docker聯(lián)盟，共同推動(dòng)Docker的應(yīng)用與普及。

Docker本質(zhì)上是基于LXC（Linux Container）的操作系統(tǒng)容器級(jí)虛擬化技術(shù)，它的幾個(gè)主要特點(diǎn)包括：

（1）隔離性，Docker生成的虛擬主機(jī)實(shí)例相互隔離，互不干擾，Docker宿主機(jī)基于AUFS文件系統(tǒng)構(gòu)建，通過AUFS可以保證多個(gè)容器實(shí)例可以互不影響并獨(dú)立共享使用根文件系統(tǒng)；并基于Linux內(nèi)核的namespace技術(shù)，通過pid、net、ipc、mnt、uts等namespace將虛擬主機(jī)的進(jìn)程、網(wǎng)絡(luò)、消息、文件系統(tǒng)、主機(jī)名稱進(jìn)行有效隔離。

（2）資源彈性，Docker基于cgroup技術(shù)進(jìn)行資源層面彈性管理，通過它可以實(shí)現(xiàn)CPU、內(nèi)存等資源的分配與使用。

（3）靈活鏡像管理，Docker虛擬主機(jī)基于鏡像技術(shù)構(gòu)建，每啟動(dòng)一個(gè)Docker實(shí)例前需要通過公開下載或基于Dockerfile文件創(chuàng)建一個(gè)新的image鏡像，采用鏡像的管理方式使得應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)布變得非常靈活與便捷，同時(shí)基于鏡像也間接方便了虛擬主機(jī)的遷移與移動(dòng)。

目前主流使用的IaaS層面服務(wù)器虛擬化技術(shù)多是基于完全虛擬化技術(shù)，即由Hypervisor層完整模擬一個(gè)“物理主機(jī)”，在生成主機(jī)上制備操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)上安裝并部署相應(yīng)運(yùn)行庫文件、業(yè)務(wù)系統(tǒng)等，這種虛擬化手段典型代表是VMware ESX、KVM等，相比較于傳統(tǒng)的服務(wù)器虛擬化技術(shù)，Docker更為輕量級(jí)，它直接省缺了“物理主機(jī)”的模擬，通過各實(shí)例共享宿主機(jī)操作系統(tǒng)的方式生產(chǎn)虛擬主機(jī)，雙方的架構(gòu)對(duì)比如圖1所示。

圖1 虛擬化架構(gòu)對(duì)比

通過這種直觀的比較可以看出：一是Docker生產(chǎn)的虛擬主機(jī)數(shù)量要比前者多的多，通常在實(shí)踐使用時(shí)同等硬件資源在虛擬主機(jī)數(shù)量上可多出5-10倍；二是基于Docker生產(chǎn)的虛擬主機(jī)屬于輕量級(jí)，其啟動(dòng)速度會(huì)更快，資源利用會(huì)更高效；三是Docker虛擬主機(jī)更適合承擔(dān)單一業(yè)務(wù)，如：只充當(dāng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WEB服務(wù)器、消息服務(wù)器，這種模式其實(shí)更容易節(jié)約資源，并確保構(gòu)建業(yè)務(wù)組件化、標(biāo)準(zhǔn)化。

上述的三個(gè)特性，可以得出一個(gè)這樣的使用場景，對(duì)于信息化基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)算比較低或采購周期比較長的用戶，可以通過Docker技術(shù)在同等硬件條件下具備搭建更多的虛擬主機(jī)的能力，對(duì)于一些業(yè)務(wù)處室特定的時(shí)期，如學(xué)位考試、專升本考試、大學(xué)生畢業(yè)等業(yè)務(wù)高峰期，可以通過標(biāo)準(zhǔn)化業(yè)務(wù)組件橫向大批量擴(kuò)展，快速啟動(dòng)部署的方式支撐業(yè)務(wù)高峰期，低谷期資源快速回收。

三、PaaS云平臺(tái)架構(gòu)

在面向教育數(shù)據(jù)中心的PaaS私有云平臺(tái)架構(gòu)層面上，本文設(shè)計(jì)了一種三層PaaS平臺(tái)架構(gòu)，第一層為容器資源層，第二層是容器管理層，第三層為門戶層，架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于三層的PaaS云平臺(tái)架構(gòu)

這三層的主要作用如下：

（1）容器資源層

容器資源層是整個(gè)PaaS平臺(tái)的資源基礎(chǔ)，它向上提供容器的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源，該層主要由計(jì)算集群、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集群、鏡像倉庫組成。

其中計(jì)算集群負(fù)責(zé)提供容器虛擬主機(jī)資源，采用普通兩路機(jī)架服務(wù)器 （8*2.0GHz CPU、96GB內(nèi)存、1TB以上磁盤，雙網(wǎng)卡），其操作系統(tǒng)可選用Ubuntu、CentOS或CoreOS[2]，CoreOS是一種新型，經(jīng)過重新精減后，可專職從事Docker容器的Linux操作系統(tǒng)，CoreOS極為精練，它使用systemd和fleet來對(duì)Docker容器進(jìn)行管理，使用etcd這種鍵值數(shù)據(jù)庫進(jìn)行服務(wù)發(fā)現(xiàn)和配置信息共享。業(yè)內(nèi)通常推薦采用CoreOS，但考慮到CoreOS在省級(jí)數(shù)據(jù)中心普及較低，這里推薦采用CentOS 7。計(jì)算節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)建議采用虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Open-vSwitch[5]，以適應(yīng)于大規(guī)模的容器集群業(yè)務(wù)。

鏡像倉庫負(fù)責(zé)管理整個(gè)PaaS集群中的本地容器鏡像，它至少采用一臺(tái)普通物理服務(wù)器 （4*2.0GHz CPU、32GB內(nèi)存、2TB以上磁盤，雙網(wǎng)卡）搭建的docker-registry服務(wù)器構(gòu)成，通常推薦采用兩臺(tái)服務(wù)器，這樣可以做到鏡像互備。

存儲(chǔ)集群負(fù)責(zé)提供容器虛擬主機(jī)運(yùn)行所需要的額外數(shù)據(jù)空間，它基于開源的Ceph[3]分布式文件系統(tǒng)，通過建議至少由三臺(tái)普通兩路機(jī)架服務(wù)器（4*2.0GHzCPU、32GB內(nèi)存、4TB以上磁盤，雙網(wǎng)卡）搭建，該Ceph集群掛接至計(jì)算集群所有節(jié)點(diǎn)。

（2）容器管理層

容器管理層是整個(gè)PaaS平臺(tái)的資源調(diào)度中心。它調(diào)度與管理所有的容器虛擬主機(jī)，容器管理層推薦采用Google推出的開源版Kubernetes[4]進(jìn)行管理，該管理工具可跨平臺(tái)使用，能夠靈活調(diào)度大規(guī)模Docker容器虛擬主機(jī)。Kubernetes的Master、etcd組件由一臺(tái)獨(dú)立普通物理服務(wù)器支撐，minion組件安裝在各計(jì)算節(jié)點(diǎn)中。

（3）門戶層

門戶層作用是為管理人員、用戶提供統(tǒng)一服務(wù)門戶，門戶層的實(shí)現(xiàn)是基于自主開發(fā)的CloudBean平臺(tái)搭建，CloudBean平臺(tái)是基于Python與PHP開發(fā)，支持KVM、Docker兩種虛擬環(huán)境的資源納管，可面向后臺(tái)管理運(yùn)營人員提供統(tǒng)一IaaS、PaaS數(shù)據(jù)中心、物理主機(jī)、虛擬主機(jī)的統(tǒng)一管理、調(diào)度入口，同時(shí)也可以面向終端用戶提供簡單的虛擬主機(jī)自助管理服務(wù)。門戶層CloudBean平臺(tái)部署在一臺(tái)獨(dú)立的物理服務(wù)器或docker容器中。

CloudBean部署后的效果如圖3、圖4所示：

圖3 CloudBean門戶效果

圖4 CloudBean門戶效果

門戶層是整個(gè)PaaS服務(wù)的入口。通過三層的架構(gòu)與實(shí)施可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)支撐數(shù)千虛擬主機(jī)規(guī)模，并能擴(kuò)展至上萬容器虛擬主機(jī)的PaaS云平臺(tái)，由于自主研發(fā)的CloudBean平臺(tái)也具有一定的容器資源管理能力，因此對(duì)于中小規(guī)模的PaaS平臺(tái)運(yùn)營也可以采用二層PaaS架構(gòu)，即省略中間的容器管理層。

四、總結(jié)與展望

通過本文的設(shè)計(jì)可以搭建省級(jí)教育數(shù)據(jù)中心PaaS私有云平臺(tái)，部署PaaS云后能夠極大的提升教育信息化應(yīng)用服務(wù)水平，基于PaaS至少能在如下幾個(gè)方面的業(yè)務(wù)有所突破：

（1）業(yè)務(wù)處室各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)部署方面，如前面所述實(shí)現(xiàn)PaaS云后，以非常標(biāo)準(zhǔn)的方式提供各類WEB服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、中間件、消息等服務(wù)環(huán)境，會(huì)更方便、更低成本、更快速度部署各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)；此外在各業(yè)務(wù)的峰值時(shí)可更靈活、更快速擴(kuò)展應(yīng)用環(huán)境資源。

（2）信息化科研與測試方面，由于可大規(guī)模的部署容器虛擬主機(jī)，在信息化方面的科研、以及測試任務(wù)中可靈活搭建相應(yīng)的測試實(shí)驗(yàn)床，如可快速、穩(wěn)定地搭建數(shù)千個(gè)容器虛擬主機(jī)充當(dāng)客戶端進(jìn)行各類壓力測試。

筆者相信隨著不斷深化PaaS平臺(tái)的應(yīng)用場景，像分配電子郵件一樣為所有工作人員人手分配一臺(tái)虛擬主機(jī)為目標(biāo)，必將極大地調(diào)動(dòng)各方使用與應(yīng)用信息化的動(dòng)力，這種主動(dòng)性與積極性的提升必將會(huì)推動(dòng)教育信息化整體應(yīng)用水平的飛躍。

基于本文給出通過開源與自研的PaaS私有云平臺(tái)具有低成本、使用維護(hù)方便、部署簡單的特點(diǎn)，但較于更成熟的商用PaaS平臺(tái)仍存在以下不足，如：大規(guī)模資源調(diào)度與擴(kuò)展、穩(wěn)定性、可靠性、功能的完備與易用性等方面，這些不足將會(huì)在后續(xù)的工作中不斷完善。

[1]Docker[DB/OL].https://www.docker.com.

[2]CoreOS[DB/OL].http://www.coreos.com.

[3]ceph[DB/OL].http://www.ceph.com.

[4]Kubernetes[DB/OL].https://github.com/Google-CloudPlatform/kubernetes.

[5]open-vswitch[DB/OL].http://www.openvswitch. org/.

[6]謝浩暉,高濟(jì).基于NGPD的PaaS平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2011,(05).

[7]姜文周,馬明麗,李先毅.基于Cloud Foundry的PaaS云平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,(02).

[8]何穎,唐彥,林勇.基于多租戶架構(gòu)的PaaS構(gòu)建剖析[J].數(shù)字通信,2012,(03).

[9]徐鵬,張巖江,蘇森.PaaS云資源調(diào)度技術(shù)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,(S2).

(編輯：郭桂真）

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1673-8454（2017）08-0082-03