Docker技術實現分析

陳清金 陳存香 張 巖

1 中國聯通云數據有限公司 北京 100032

2 中國聯合網絡通信有限公司 北京 100033

隨著互聯網的迅猛發展，云計算作為一種商業計算模式在搜索服務、移動商務、開放協作等多樣化需求的推動下迅速發展起來[1]。云計算以動態的、易擴展等優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]。基于PaaS平臺，用戶/開發者可以便捷地開發和部署應用程序，將應用程序托管在PaaS管理的云基礎設施中，從而節省大量的平臺搭建和維護工作，并達到縮短開發周期，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、操作系統級虛擬化。Docker屬于操作系統級的虛擬化。

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協議[6]。目前，已經有很多相關項目，逐漸形成了Docker生態圈。Docker自2013年發布以來，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、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發送請求，包括創建容器、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轉發至容器中的libcontainer執行環境。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，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，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及相應的應用軟件。用戶可以根據需求自己創建或者下載他人創建的鏡像。容器是從鏡像創建的運行實例。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行階段。Registry用來保存用戶創建的鏡像。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優勢

Docker虛擬化的主要優勢有4個方面。1)簡化服務器遷移帶來的環境再部署，提高工作效率，并降低部署過程中出現問題的風險系數。2)縮短環境交付和部署的周期。使用Docker，開發人員可通過鏡像快速部署開發環境，并能在開發結束后，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，節約開發、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實現了開發環境中的配置更新可快速反饋到生產環境中，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，對創建容器時鏡像的初始狀態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。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，無法發揮出容器的獨有優勢；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，進而通過API或者HTTP關聯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自發布以來，一直受到業界的熱捧。這個開源的容器引擎使得開發者可以通過鏡像打包自己的應用以及運行環境，實現快速開發、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.云環境下動態信任模型研究綜述[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