淺析Docker容器技術(shù)的發(fā)展前景

易升海，彭江強(qiáng)，卿勇軍，伍琪

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，長沙 410126）

云計算是一種融合了多項計算機(jī)技術(shù)的以數(shù)據(jù)和處理能力為中心的密集型計算模式，其中以虛擬化、SDN、分布式存儲等技術(shù)最為關(guān)鍵。經(jīng)過十多年的發(fā)展，云計算技術(shù)已經(jīng)從發(fā)展培育期步入快速成長期，越來越多的企業(yè)已經(jīng)開始使用云計算服務(wù)。與此同時，云計算的核心技術(shù)也在發(fā)生著巨大的變化，新一代的技術(shù)正在優(yōu)化甚至取代前一代技術(shù)。Docker容器技術(shù)以其輕便、靈活和快速部署等特性對傳統(tǒng)的基于虛擬機(jī)的虛擬化技術(shù)帶來了顛覆性的挑戰(zhàn)，正在改變著基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)平臺和平臺即服務(wù)(PaaS)平臺的架構(gòu)和實現(xiàn)。

Docker容器技術(shù)是一個風(fēng)頭直追OpenStack的云計算開源項目，關(guān)于它的熱議已席卷虛擬化乃至云計算行業(yè)，業(yè)內(nèi)各大廠商（包括亞馬遜、紅帽、IBM和VMware等）都加入了容器的行列。

1 Docker容器技術(shù)介紹

Docker是基于Go語言實現(xiàn)的云開源項目，誕生于2013年初，最初發(fā)起者是dotCloud公司。Docker自開源后受到廣泛關(guān)注和討論，目前已有多個相關(guān)項目，逐漸形成了圍繞Docker的生態(tài)系統(tǒng)。dotCloud公司后來也改名為Docker Inc，專注于Docker相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)。

Docker中有兩個重要概念，一個是鏡像(Image)，另一個是容器(Container)。容器即利用Docker構(gòu)建出來的虛擬環(huán)境，可理解為一個自給自足的Linux環(huán)境，在功能上，與一個完整的Linux環(huán)境基本一致。鏡像，類似于虛擬機(jī)中的鏡像，利用 Docker運(yùn)行鏡像即可還原出構(gòu)建的容器。對于鏡像，會有基礎(chǔ)鏡像，就好比一個純凈的操作系統(tǒng)，可以在基礎(chǔ)鏡像上做修改，比如安裝應(yīng)用、配置某些環(huán)境變量，形成我們自己的鏡像，利用鏡像就可以還原出一個完全相同的環(huán)境。

Docker容器技術(shù)是近年來新興的虛擬化工具，容器技術(shù)和虛擬化技術(shù)的實現(xiàn)原理，如圖1所示。

圖1 虛擬機(jī)和容器的技術(shù)架構(gòu)

虛擬機(jī)技術(shù)中的虛擬機(jī)操作系統(tǒng)和虛擬機(jī)管理程序?qū)釉贒ocker中被 Docker引擎層所替代。虛擬機(jī)操作系統(tǒng)為虛擬機(jī)安裝的操作系統(tǒng)，它是一個完整操作系統(tǒng)內(nèi)核；虛擬機(jī)管理程序?qū)涌梢院唵卫斫鉃橐粋€硬件虛擬化平臺，它在宿主機(jī)操作系統(tǒng)是以內(nèi)核態(tài)的驅(qū)動存在的。

因為容器不需要為每個應(yīng)用分配單獨(dú)的操作系統(tǒng)，所以容器會擁有更高的資源使用效率。同時，容器實例規(guī)模更小、創(chuàng)建和遷移速度也更快。因此，相比于虛擬機(jī)，同等配置的硬件設(shè)備當(dāng)中可以部署數(shù)量更多的容器實例。

2 Docker容器技術(shù)性能分析

Docker容器若要大規(guī)模商用，需要對Docker容器性能、管理能力、存儲能力、隔離能力、應(yīng)用部署等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。本文基于華為、中興（基于Kubernetes）、福富（基于 Kubernetes）以及互聯(lián)網(wǎng)公司 Daocloud（基于 Docker Swarm）、網(wǎng)澈（基于HOR）的Docker容器技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1 容器性能

相比傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)，容器不需要為每個應(yīng)用分配單獨(dú)的操作系統(tǒng)，所以容器會擁有更高的資源使用效率。容器資源利用率明顯高于虛擬機(jī)，如圖2所示。

圖2 虛擬機(jī)和容器性能對比圖

物理機(jī)容器 CPU利用率是虛擬機(jī)的1.3倍，內(nèi)存讀效率是虛擬機(jī)的1.3倍，內(nèi)存寫效率是虛擬機(jī)的1.3倍。磁盤 I/O性能容器是虛擬機(jī)的2倍，網(wǎng)絡(luò) I/O性能容器是虛擬機(jī)的1.1倍，數(shù)據(jù)庫讀效率容器是虛擬機(jī)的1.2倍，數(shù)據(jù)庫寫效率容器是虛擬機(jī)的1.1倍。由此可見，采用容器技術(shù)在性能上將全面超過傳統(tǒng)的虛擬機(jī)技術(shù)。

2.2 管理能力

容器技術(shù)所提供的輕量級虛擬化實現(xiàn)秒級部署、彈性擴(kuò)展，并更高效的利用計算資源。容器鏡像正逐漸成為應(yīng)用交付的標(biāo)準(zhǔn)，加之迅速成長的生態(tài)系統(tǒng)，將會是應(yīng)用發(fā)布、分享的首選方式。管理平臺基本能提供控制臺、容器啟停、集群管理等運(yùn)維管理功能，可查看容器信息、集群信息、性能信息和日志信息；支持應(yīng)用快速擴(kuò)展和負(fù)載均衡等能力；具備故障自動恢復(fù)能力。各容器廠家的產(chǎn)品性能如表1所示。

容器管理產(chǎn)品商用案例不多，成熟度仍有待提升。DaoCloud、網(wǎng)澈有商用版本，而中興 OpenPalette R3、華為 FusionContainner、福富 FCSP尚未有正式商用版本；華為、中興從資源池管理角度，考慮了容器與虛機(jī)、物理機(jī)的聯(lián)動管理；網(wǎng)澈 HOR、DaocloudDCE、福富 FCSP等則僅關(guān)注容器的管理，不涉及底層物理資源管理。

表1 容器廠家產(chǎn)品介紹

2.3 存儲能力

容器是近年興起的應(yīng)用開發(fā)、交付和運(yùn)維的方式，隨著應(yīng)用模式的深入，已經(jīng)從原先無狀態(tài)為主的應(yīng)用，逐漸發(fā)展到有狀態(tài)的容器應(yīng)用，有狀態(tài)的容器應(yīng)用必需要有數(shù)據(jù)持久化儲存的能力。

在容器中運(yùn)行的應(yīng)用，應(yīng)用真正需要保存的數(shù)據(jù)，可以寫入持久化的數(shù)據(jù)卷。由于以微服務(wù)架構(gòu)為主的容器應(yīng)用多為分布式系統(tǒng)，容器可能在多個節(jié)點(diǎn)中動態(tài)地啟動、停止、伸縮或遷移，因此，當(dāng)容器應(yīng)用具有持久化的數(shù)據(jù)時，必須確保數(shù)據(jù)能被不同的節(jié)點(diǎn)所訪問。

目前僅華為容器云平臺和華為分布式存儲可以實現(xiàn)存儲卷的創(chuàng)建、掛載、刪除及遷移等功能。通過第三方插件可以接收北向 API收到的存儲請求，如創(chuàng)建、刪除、加載、卸載和遷移數(shù)據(jù)卷等，并傳遞給底層數(shù)據(jù)平面去完成實際的存儲操作。

2.4 隔離能力

Docker容器技術(shù)安全性是生產(chǎn)應(yīng)用中必須重點(diǎn)考慮的問題，必須保障各個容器之間的安全隔離。目前的容器產(chǎn)品大多能實現(xiàn)以下安全功能。

（1）可以報賬容器與容器之間、容器與宿主機(jī)之間的 CPU、內(nèi)存、磁盤 I/O的資源隔離。

（2）可以通過SDN技術(shù)，可以實現(xiàn)不同 Vxlan間的隔離。

（3）通過鏡像倉庫的權(quán)限控制及鏡像校驗實現(xiàn)鏡像的安全訪問。

2.5 應(yīng)用部署

Docker容器技術(shù)具有快速部署、環(huán)境一致性等特性。傳統(tǒng)模式下，運(yùn)維人員需要部署測試和生產(chǎn)環(huán)境，部署工作相對比較復(fù)雜，且有很多重復(fù)工作，浪費(fèi)時間。容器模式下，開發(fā)人員將部署環(huán)境形成鏡像，運(yùn)維及測試人員只需獲取鏡像啟動容器即可，減輕了工作量，節(jié)省了時間。容器鏡像啟動，自動服務(wù)發(fā)現(xiàn)與負(fù)載均衡配置，耗時約5 min，虛擬機(jī)實例復(fù)制、網(wǎng)絡(luò)配置，耗時約 30～60 min。因此容器極大地提高了應(yīng)用部署速度。

2.6 優(yōu)劣勢對比

容器是傳統(tǒng)虛擬技術(shù)的補(bǔ)充，可以在基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化、DevOps等領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)有的優(yōu)勢，隨著容器技術(shù)和生態(tài)發(fā)展逐步成熟，行業(yè)應(yīng)用越來越多，容器引擎、集群管理工具將快速發(fā)展。

2.6.1 容器技術(shù)的優(yōu)勢

容器不需要為每個應(yīng)用分配單獨(dú)的操作系統(tǒng)，容器資源利用率明顯高于虛擬機(jī)。CPU利用率、內(nèi)存讀寫效率、磁盤 I/O性能、網(wǎng)絡(luò) I/O性能、數(shù)據(jù)庫讀寫效率均高于傳統(tǒng)的虛擬機(jī)技術(shù)。另外Docker容器技術(shù)具有啟動速度更快、快速部署、環(huán)境一致性和在線業(yè)務(wù)的彈性伸縮等特性。

2.6.2 容器技術(shù)的劣勢

容器技術(shù)的國內(nèi)管理平臺等產(chǎn)品正在完善中，目前進(jìn)行測試的產(chǎn)品尚未有大規(guī)模商用案例，容器管理平臺廠家提供服務(wù)的方式和成本問題還未清晰，大規(guī)模的壓力測試下的性能有待進(jìn)一步驗證，容器運(yùn)行維護(hù)的經(jīng)驗不與虛擬機(jī)技術(shù)豐富。

2.7 應(yīng)用場景

由于容器技術(shù)資源利用率高、部署速度快、資源在線動態(tài)伸縮以及對運(yùn)維人員技術(shù)要求高等特點(diǎn)，容器技術(shù)應(yīng)用場景主要有3種。

（1）短連接、無狀態(tài)的應(yīng)用系統(tǒng)，非常適合容器可以根據(jù)業(yè)務(wù)量在線動態(tài)伸縮的特點(diǎn)。

（2）Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、 Restful API。

（3）開發(fā)、測試、新技術(shù)試驗。

3 小結(jié)

Docker容器是一種操作系統(tǒng)級的輕量化虛擬化技術(shù)，與傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)相比，容器技術(shù)以容器引擎替代了傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)的用戶操作系統(tǒng)和虛擬機(jī)管理程序，與宿主機(jī)共用操作系統(tǒng)內(nèi)核。相比于傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)，Docker容器技術(shù)CPU、內(nèi)存利用率更高，網(wǎng)絡(luò)I/O性能更高，磁盤讀寫性能更好。盡管目前技術(shù)還不太成熟，沒有太多商用產(chǎn)品，但是Docker容器技術(shù)依然是云計算技術(shù)發(fā)展的方向。

[1] 謝超群.Docker容器技術(shù)在高校數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用[J]. 貴陽學(xué)院學(xué)報 (自然科學(xué)版)，2015(04).

[2] 王鵑，胡威，張雨菡，等. 基于Docker的可信容器[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2017(02).

[3] 陳軍相，李桂杰. 虛擬化及Docker輕量容器技術(shù)在高校圖書館中的應(yīng)用[J]. 圖書館研究與工作，2016(05).

[4] 王健. Docker技術(shù)將引爆容器生態(tài)系統(tǒng)[J]. 軟件和集成電路，2016(Z1).

[5] 楊鵬，馬志程，彭博，等. 集成Docker容器虛擬化的OpenStack云計算平臺[J]. 計算機(jī)工程，2017(02).

[6] 趙樂樂，黃剛，馬越. 基于Docker的Hadoop平臺架構(gòu)研究[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2016(09).

[7] 張忠琳，黃炳良. 基于openstack云平臺的docker應(yīng)用[J]. 軟件,2014(11).

[8] 彭勇，謝劍，童遙，等. 一種基于Docker的數(shù)據(jù)中心云平臺實現(xiàn)方法及系統(tǒng)[J]. 中興通訊技術(shù)，2017(02).

[9] 武志學(xué). 云計算虛擬化技術(shù)的發(fā)展與趨勢[J]. 計算機(jī)應(yīng)用,2017(04).

[10] 伍陽. 基于Docker的虛擬化技術(shù)研究[J]. 信息技術(shù)，2016(01).

[11] 王亞玲，李春陽，崔蔚，等. 基于Docker的PaaS平臺建設(shè)[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2016(03).

[12] 衛(wèi)彪，劉成龍，郭旭. 深入淺出Docker輕量級虛擬化[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2016(10).

[13] 嚴(yán)麗云. 虛擬化與Docker容器之爭[J]. 人民郵電，2015,8.