基于Docker的計(jì)算機(jī)應(yīng)用快速部署系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蔣少華，陳德健，蔡裕源，唐麗蓉，夏 楠，張燦源

（韶關(guān)學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的興起，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴越來越強(qiáng)，巨大的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)隨之卷土而來，這既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，快速拓展互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)成為很多公司的核心戰(zhàn)略.若業(yè)務(wù)容量超過預(yù)期，需要在一個(gè)新的操作系統(tǒng)再重新部署一次軟件環(huán)境，傳統(tǒng)業(yè)務(wù)部署的流程總是需要經(jīng)過開發(fā)人員部署軟件環(huán)境→測試運(yùn)行→排錯(cuò)→再測試運(yùn)行→再排錯(cuò)→業(yè)務(wù)上線，整個(gè)過程消耗至少3天，耗時(shí)耗力，不利于公司的良好發(fā)展.

Docker是一個(gè)近幾年興起的，開源的應(yīng)用容器引擎，它重新定義了程序的開發(fā)、測試、交付以及程序的部署過程，開發(fā)人員可以打包自己的應(yīng)用以及依賴包到一個(gè)可移植的容器中，然后發(fā)布到任何流行的Linux機(jī)器上，也可以實(shí)現(xiàn)虛擬化［1］.每個(gè)運(yùn)行的容器與容器之間，是相互隔離的，沒有任何接口，完全使用沙箱機(jī)制，類似i-Phone的各個(gè)應(yīng)用之間的關(guān)系［2］.性能開銷接近于零，可以很容易地在機(jī)器和數(shù)據(jù)中心中運(yùn)行.Docker還有不依賴任何語言、框架或包裝系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)［3］.

Docker引擎創(chuàng)建的容器進(jìn)程伸縮性強(qiáng)，用戶可以方便、快捷增刪容器，數(shù)秒內(nèi)就可以完成操作.用戶通過對(duì)Docker容器的優(yōu)化配置，大大地減少了資源的浪費(fèi)，降低資源成本，提高數(shù)據(jù)中心的利用率，使服務(wù)器資源得到最有效的利用［4］.現(xiàn)今市場上己有各種比較成熟的PaaS（Platform-as-a-Service）平臺(tái)，例如：國外谷歌的Google App Engine，微軟的Windows Azure Platform，國內(nèi)百度的百度應(yīng)用引擎Baidu App Enginee（BAE），阿里的阿里云Aliyun Cloud Enginee（ACE）等.

針對(duì)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)部署出現(xiàn)的軟件交付困難，產(chǎn)品上線困難等問題，設(shè)計(jì)了基于Docker的計(jì)算機(jī)應(yīng)用PaaS服務(wù)模式平臺(tái)，可以有效實(shí)現(xiàn)工程快速構(gòu)建、環(huán)境迅速部署、平臺(tái)便捷管理等功能.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能要求

Docker技術(shù)快速部署系統(tǒng)需要完成的模塊與主要功能為：

（1）服務(wù)器虛擬化：利用kvm對(duì)服務(wù)器進(jìn)行虛擬化，可以極大地提高服務(wù)器的利用效率，虛擬機(jī)之間隔離性比較好，就好像每臺(tái)獨(dú)立的物理機(jī)，相互之間不會(huì)有影響.

（2）Docker容器集群：通過部署一個(gè)Docker容器集群，達(dá)到業(yè)務(wù)上的負(fù)載均衡，有效避免單點(diǎn)失效的災(zāi)難，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性.

（3）Docker儲(chǔ)存驅(qū)動(dòng)更換：DockerEngine的存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)有l(wèi)oop-lvm和direct-lvm兩種配置模式，其中l(wèi)oop-lvm是默認(rèn)的模式，由于官方明確不推薦使用該模式用于生產(chǎn)環(huán)境，在生產(chǎn)環(huán)境下應(yīng)該使用direct-lvm驅(qū)動(dòng)配置模式.

（4）Ceph集群：Ceph是一個(gè)強(qiáng)大穩(wěn)定的分布式文件存儲(chǔ)系統(tǒng)，可以通過部署分布式文件系統(tǒng)，給Docker提供儲(chǔ)存塊RBD，實(shí)現(xiàn)Docker的rootfs也跑在網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)之上，打造一個(gè)無本地磁盤的容器服務(wù)系統(tǒng).

（5）本地私有鏡像庫：常用的鏡像可以自己寫Dockerfile自動(dòng)生成，并且儲(chǔ)存在本地的鏡像庫，當(dāng)需要的時(shí)候就可以直接拿來用，無需占用外網(wǎng)資源，而且Docker hup官網(wǎng)服務(wù)器在國外，進(jìn)行鏡像拉取速度很慢，本地鏡像庫可以實(shí)現(xiàn)鏡像資源自給自足，節(jié)省大量的時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)資源.

（6）gitlab版本控制器：基于Docker的計(jì)算機(jī)應(yīng)用快速部署平臺(tái)作為一個(gè)PaaS服務(wù)模式的平臺(tái)，需要給開發(fā)者提供一個(gè)本地的代碼托管平臺(tái)，提高開發(fā)團(tuán)隊(duì)的協(xié)同開發(fā)效率，用戶在開發(fā)好項(xiàng)目的同時(shí)可以立即利用快速部署平臺(tái)測試，同時(shí)開發(fā)者也可以在gitlab上進(jìn)行自動(dòng)化構(gòu)建.

（7）shipyard容器集中管理平臺(tái)：在shipyard平臺(tái)上，用戶可以比較直觀地看到容器的情況，而且可以直接在瀏覽器頁面上對(duì)容器進(jìn)行增刪查改的工作，通過web頁面了解和管理業(yè)務(wù)，對(duì)于技術(shù)人員或者非技術(shù)人員都方便操作.

2 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)包括集群設(shè)計(jì)、集群管理、業(yè)務(wù)管理3部分［5］.系統(tǒng)利用Docker技術(shù)將應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)資源的最大利用，節(jié)省應(yīng)用部署時(shí)間.

Docker集群主要采用層次結(jié)構(gòu)模型，整套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1.首先，需搭建部署開發(fā)環(huán)境：為了節(jié)省資源，提高開發(fā)效率，采用最小化Linux系統(tǒng)安裝（即沒有圖形界面的純命令行系統(tǒng)）；其次，在這些環(huán)境下利用kvm虛擬化技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬化；然后進(jìn)行Docker集群的設(shè)計(jì)，利用ansible自動(dòng)化運(yùn)維工具，對(duì)各個(gè)虛擬子系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化管理，再通過安裝Docker服務(wù)，在Docker上構(gòu)建registry、gitlab等服務(wù)的鏡像和容器，并且打通Docker hub，方便用戶對(duì)Docker服務(wù)的使用；最后利用shipyard技術(shù)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及其容器和鏡像進(jìn)行web界面管理，采用強(qiáng)大的rethinkdb數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)管理［6］.

采用層次結(jié)構(gòu)有兩個(gè)特點(diǎn)：①業(yè)務(wù)隔離：業(yè)務(wù)互相隔離，層次清晰；②故障定位快速：當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以根據(jù)故障原因快速定位故障點(diǎn).

集群管理采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見圖2），集群管理結(jié)構(gòu)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①業(yè)務(wù)易于伸縮.這種結(jié)構(gòu)可以延伸出很多分支和子分支，這些新節(jié)點(diǎn)和新分支都能容易地加入拓?fù)鋬?nèi)；②故障隔離較容易.如果某一分支的節(jié)點(diǎn)或線路發(fā)生故障，很容易將故障分支與整個(gè)系統(tǒng)隔離開來.

業(yè)務(wù)管理主要采用web頁面對(duì)容器進(jìn)行管理，所有在系統(tǒng)上的業(yè)務(wù)都可以通過web頁面來進(jìn)行管理，響應(yīng)用戶操作，并且收集日志方便問題排查.頁面采用JS進(jìn)行編寫，框架采用AngularJS.

采用AngularJS有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①自定義Directive，比jQuery插件還靈活，封裝容易；②模塊化設(shè)計(jì)可以很容易的寫出可復(fù)用的代碼，對(duì)于敏捷開發(fā)的項(xiàng)目非常有幫助，業(yè)務(wù)流程見圖3.

圖1 集群設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖2 集群管理結(jié)構(gòu)

圖3 業(yè)務(wù)管理流程圖

3 Docker技術(shù)快速部署系統(tǒng)應(yīng)用測試

3.1 Docker技術(shù)快速部署系統(tǒng)響應(yīng)測試

用shell編寫一個(gè)自動(dòng)化測試腳本進(jìn)行比對(duì)測試，具體腳本如下：

#!/bin/bash

function handle（）

{start=$（date+%s%N）

start_ms=${start：0：16}

#輸入要執(zhí)行的代碼或腳本

dockerstart f999dc296f34＞/dev/null end=$（date+%s%N）

end_ms=${end：0：16}

echo"open the containercost time："

echo"scale=6；（$end_ms-$start_ms）/1000000"|bc}

handle.

物理機(jī)、虛擬機(jī)測試腳本：

#!/bin/sh

#ip為對(duì)應(yīng)的物理機(jī)或虛擬機(jī)的ip

#把腳本放在容器測試腳本里面運(yùn)行即可

ping-i 0.1-c 1 192.168.1.116＞/dev/null

while（（1==$?））；

do

ping-i 0.1-c 1 192.168.1.116＞/dev/null

done.

當(dāng)測試開啟同樣版本的一個(gè)centos純命令行系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，結(jié)果如下：Docker容器只用了1.56 s，物理機(jī)上耗時(shí)21.31s，在虛擬機(jī)上耗時(shí)33.74s，從測試數(shù)據(jù)來看，Docker的響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于其他虛擬機(jī)，測試結(jié)果見圖4.

當(dāng)測試開啟同樣版本的一個(gè)centos純命令行系統(tǒng)的鏡像大小，結(jié)果如下：Docker容器只有198 MB，而物理機(jī)和虛擬機(jī)的系統(tǒng)鏡像都要4 096 MB，資源占用較大.Docker容器、物理機(jī)和虛擬機(jī)測試比對(duì)結(jié)果見圖5.

從測試結(jié)果看，Docker容器有響應(yīng)速度快，占有資源小的優(yōu)點(diǎn)；物理機(jī)或虛擬機(jī)系統(tǒng)壞死需要重裝時(shí)也比較麻煩，耗時(shí)較多，而Docker引擎刪除和重建一個(gè)容器僅需一條命令，非常快捷，用在商業(yè)上，可以快速應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)的伸縮，可以省時(shí)省資源.

3.2 基于Docker的web集群測試

測試通過利用負(fù)載均衡技術(shù)，將客戶的請(qǐng)求負(fù)載均衡地分配到各個(gè)不同的web節(jié)點(diǎn)中，從而大大提高了web服務(wù)器的可靠性和安全性，使其在高并發(fā)的訪問下可以持續(xù)地提供服務(wù)，避免宕機(jī).在本地web服務(wù)器和Internet之間架設(shè)反向代理服務(wù)器，可以阻止用戶請(qǐng)求對(duì)web服務(wù)器的直接訪問，而且它會(huì)自動(dòng)承擔(dān)對(duì)原始web服務(wù)器的靜態(tài)頁面請(qǐng)求，將服務(wù)請(qǐng)求按照預(yù)先配置的負(fù)載均衡策略分配給不同的Docker容器，以防止服務(wù)器過載，保護(hù)業(yè)務(wù)的安全性和穩(wěn)定性.web集群服務(wù)器通過容器的快速響應(yīng)部署，可以給業(yè)務(wù)的彈性伸縮帶來了極大的便利.web集群框架圖見圖6.

圖4 Docker容器、物理機(jī)、虛擬機(jī)的響應(yīng)速度測試結(jié)果

圖5 Docker容器、物理機(jī)、虛擬機(jī)對(duì)比

圖6 web集群框架

測試方案模擬中小型公司的網(wǎng)站業(yè)務(wù)進(jìn)行，在Docker集群中部署相同業(yè)務(wù)的網(wǎng)站（為了驗(yàn)證負(fù)載均衡的效果，設(shè)計(jì)中每個(gè)網(wǎng)站的內(nèi)容會(huì)不一樣），進(jìn)行均衡負(fù)載.首先利用Dockerfile把需要的網(wǎng)站鏡像快速構(gòu)建好，鏡像基于Ubuntu14.04，網(wǎng)站中部署好Nginx反向代理服務(wù)器，并且做好負(fù)載均配置.在不同的Docker節(jié)點(diǎn)中部署相同配置的網(wǎng)站，在宿主機(jī)上部署Nginx反向代理服務(wù)器，設(shè)置ip域名映射，采用平均策略的負(fù)載均衡，把Internet對(duì)宿主機(jī)web請(qǐng)求的訪問量以輪詢的方式分配給web集群中所有服務(wù)器，使得所有服務(wù)節(jié)點(diǎn)同時(shí)承擔(dān)外界對(duì)服務(wù)器的訪問，分解訪問壓力.訪問用戶在自己的客戶端設(shè)置web主機(jī)的域名解析，即可在瀏覽器上輸入域名訪問了.

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果見圖7.當(dāng)訪問主服務(wù)器的時(shí)候，web請(qǐng)求會(huì)將訪問壓力以輪詢的方式平均分配給每個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，保證了公司業(yè)務(wù)的可靠性和穩(wěn)定性.通過使用Docker容器技術(shù)，在設(shè)計(jì)的快速應(yīng)用部署系統(tǒng)下，該web集群應(yīng)用可以進(jìn)行快速的部署和拓展，符合當(dāng)下很多公司應(yīng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)快速變化的需要，具有良好的應(yīng)用前景.

圖7 web集群測試效果

4 結(jié)語

系統(tǒng)利用Docker技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速部署所需的應(yīng)用系統(tǒng)，以最小的時(shí)間代價(jià)和成本代價(jià)快速完成繁瑣的環(huán)境部署工作，大大縮短了開發(fā)周期和部署時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)用最低的成本創(chuàng)造最大的效益，解決了傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)拓展時(shí)間普遍較長的問題.系統(tǒng)簡單、快速，滿足IT開發(fā)公司、企業(yè)、學(xué)校實(shí)驗(yàn)室快速構(gòu)建開放、測試和產(chǎn)品環(huán)境等各種需求.

［1］張忠琳，黃炳良.基于 openstack 云平臺(tái)的 docker應(yīng)用[J].軟件，2014，35（11）:73-76.

［2］張建，謝天鈞.基于Docker的平臺(tái)即服務(wù)架構(gòu)研究[J].信息技術(shù)與信息化，2014（10）:131-134.

［3］劉思堯，李強(qiáng)，李斌.基于 Docker技術(shù)的容器隔離性研究[J].軟件，2015，36（4）:110-113.

［4］吳義鵬.基于容器虛擬化技術(shù)研究[J].軟件，2010，31（11）:28-30.

［5］劉琳羽，南凱.一種基于Docker的開發(fā)者服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].科研信息化技術(shù)與應(yīng)用，2015，6（5）:65-72.

［6］鄭玲，江萌.基于Docker彈性調(diào)度架構(gòu)的研究[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2016（23）:15-17.