基于Power Systems的Docker發展研究

張軍利

IBM中國 北京 100101

前言

開源軟件(Open Source Software，OSS)在近幾年發展迅猛。隨著大數據等相關技術在行業應用上的快速發展，OSS所涉及的領域也從傳統的操作系統、Web平臺等向更廣闊的空間擴展，并獲得業界的廣泛認同。國內外很多知名廠商在新一代服務器的開發上，與OSS進行了更為緊密的結合。

早期，X86平臺在OSS的發展方面優勢明顯。但從2013年以后出現的新開源項目來看，OSS在X86和Power Systems平臺上的發展幾乎同步。這一方面得益于Power Systems平臺自身的發展壯大，另一方面則得益于Docker的出現。

2013年8月，IBM、Google、TYAN、NVIDIA、Mellanox等5家公司發起成立了OpenPOWER聯盟，揭開IBM Power Systems的開放之路。憑借IBM強大的投資力度和日漸成熟的OSS生態系統， Power Systems系統級的實力得以發揮，在X86之外為用戶提供了更多甚至更好的選擇。

在新型應用負載主導平臺的爭奪戰中，X86和Power Systems兩大平臺一直是競爭對手。而最近火熱的Docker將有望成為Power Systems在與X86的角逐賽中實現“彎道超車”的利器。

1 什么是Docker

1.1 Docker簡介

Docker[1]是PaaS(應用平臺即服務)提供商dotCloud在2013年推出的一款基于Linux容器(Linux Container，LXC)的高級容器開源引擎。它基于go語言并遵從Apache2.0協議開源，源代碼托管在 Github上。由于Docker通過操作系統層的虛擬化實現隔離，所以Docker容器在運行時不需要諸如VMware的vSphere、微軟的Hyper-V或Linux的KVM等傳統虛擬機(VM)的額外操作系統開銷，有效提高了資源利用率，并提升了IO等方面的性能。目前，Docker可以在容器內部快速自動化部署應用，并可以通過內核虛擬化技術來提供容器的資源隔離與安全保障。

Docker在英語里的意思為“碼頭工人”，而其Logo(如圖1所示)可以說是對運行原理的形象描繪。一艘酷似鯨魚外形的大船，運載著一堆集裝箱前往各地的碼頭。而從其理論上來看，Docker就像是一個集裝箱，利用LXC技術來整合不同規模、類型、層級的應用鏡像，先通過集中匯總后，再進行有序地分發。每個碼頭就是一臺服務器或VM，大船就是Registry，碼頭的工人就是核心Engine，進行集裝箱的裝配。當然，它還需要一系列外圍的支持，比如最重要的管理等。

圖1 docker的圖標

1.2 Docker的創新和特點

Docker引起當時開源軟件界的廣泛關注，其開發公司docCloud甚至直接更名為Docker。Docker的興起主要是因為它有效解決了當時開源軟件發展面臨的四個主要問題。

1) 環境管理復雜問題。從各種OS到各種中間件再到各種App，一款產品能夠成功發布，作為開發者需要關心的東西太多，且難于管理，這個問題在軟件行業中普遍存在。Docker可以簡化部署多種應用實例工作，比如Web應用、后臺應用、數據庫應用、大數據應用等，比如Hadoop集群、消息隊列都可以打包成一個Image來實現部署。

2) 云計算時代的軟件管理問題。業務流程管理開發平臺(AWS)的成功，引導開發者將應用轉移到云上，解決了硬件管理問題，然而軟件配置和管理相關的問題依然存在。Docker的出現正好能幫助軟件開發者開闊思路，嘗試新的軟件管理方法來解決這個問題。

3) 虛擬化手段的變化問題。云時代采用標配硬件來降低成本，采用虛擬化手段來滿足用戶按需分配的資源需求，并保證可用性和隔離性。相對于原有的KVM和Xen，Docker為用戶提供了更高效的運行環境、更加輕量級的LXC，以及更加靈活和快速的部署。

4) LXC的便攜性問題。LXC在Linux 2.6的Kernel里就已經存在，但其設計之初并非為云計算考慮的，它缺少標準化的描述和容器的可便攜性，其構建出的環境難于分發和實現標準化管理。而Docker這個問題上做出了實質性的創新方法。

傳統虛擬化中包含兩種類型(如圖2所示)，即Type-1和Type-2。Type-1是指在服務器的硬件平臺上先部署虛擬機管理層(Hypervisor)，在Hypervisor之上生成虛擬機，再為每個虛擬機安裝操作系統、運行庫和相關的應用。Type-2則在裸機之上先安裝操作系統(比如Linux或Windows)，再安裝Hypervisor。Type-1虛擬化比較常見的是VMw are的vSphere、微軟的Hyper-V、Linux的KVM以及Xen；Type-2的典型代表是VMware的Workstation以及Oracle的VirtualBOX。Type-1型Hypervisor更接近硬件底層，所以可以更多地降低系統支出。但Hypervisor本身仍需一層基本的OS“墊底”。因為虛擬機都要先經過本地的OS再透過Hypervisor調用服務器的物理硬件資源，所以依然存在系統開銷。

與傳統的服務器虛擬化相比，LXC是一個將Linux運行時、庫以及其他軟件運行支撐環境與相關應用進行封閉的技術。它本身就源于操作系統的內核(Linux Kernel)，相當于系統的一個本地進程，與一個裸機(無虛擬化)應用沒有區別，無需額外的虛擬化指令以及相應的系統虛擬化支出。Docker就是以LXC為根基構建的，在實現應用間隔離的同時，減少Hypervisor虛擬化管理層，基本消除了額外的系統支出。這可以說是Docker區別于傳統服務器虛擬化的一個重要特點。

雖然LXC較傳統的服務器虛擬化有所改進，但在技術發展中也逐漸顯示出弊端。LXC缺少全局的統一標準化描述定義，它在原始開發中沒有過多考慮可遷移性(共享)，所以在管理方面比較復雜。在“互聯網+云計算”時代，應用大規模擴展部署的情況時常出現，傳統LXC缺乏有效的應對辦法。而Docker的誕生很好地解決了這個問題，通過“云+端”的理念，以PaaS云管理模式為容器技術賦予了新生。

圖2 Docker與傳統VM以及Linux容器技術(LXC)的對比

從Docker的應用封裝架構(如圖3所示)中可以看出，其最基礎的運行內核與底層鏡像就源于Linux的內核，用戶可以利用Dockerfile生成好的應用鏡像上傳至遠端的Docker Registry，例如Docker公司自己運營的云服務或是私有的Docker Registry，也可以從Docker Registry里下載一個別人已經建立好的鏡像直接運行。Docker賦予了LXC更好的靈活部署和快速應變能力。

Docker Registry和Docker Engine是Docker體系中的兩個關鍵組成。Docker Registry通過Docker Hub進行索引，在遠端(或稱云端)負責收集與分發Docker的應用鏡像(Images)。Docker Engine在客戶端負責構建Docker應用容器。這是一個典型的PaaS云服務理念。當然，用戶也可以在自己的數據中心內部建立私有的Docker Registry，以方便在私有云內迅速生成自己的Docker集群，應對靈活的、大規模的應用擴展需求，就相當于在企業數據中心內部形成了一個“云+端”的Docker架構。

圖3 Docke的架構封裝

2 Docker的優勢與生態環境

從創新和特點可以看出，Docker最明顯的優勢在于大幅度變革了傳統應用DevOps的模式和流程，可以讓開發者更專注于應用的本身，從而使得應用的更新與共享、遷移更為容易。這也是云時代特別被看重的特性。

在單一類別應用的大規模部署方面，Docker有著得天獨厚的優勢。通過便利的鏡像組合，Docker可以做到一次生成之后進行隨意地極速部署。在云計算和互聯網IT形態日益普及的趨勢下，應用集群的動態擴展需求非常普遍，對于那些客戶流量波動性大的企業更是如此。例如，大型電商在做促銷時訪問量峰值可能是平時的十倍甚至百倍，如何平滑地快速擴展相關應用集群成為決定業務營收的關鍵。而在一臺POWER8的雙路PowerLinux服務器上，僅需40秒就可以部署100個Apache Web服務器實例，這在以往的虛擬化環境中是不可想象的。

憑借著眾多新穎的特性、優秀的性能表現以及項目本身的開放性，Docker迅速成為PaaS領域里不可或缺的成員。目前，Docker官方Registry所注冊保存的Docker鏡像已經超過6萬個，并在不到兩年的時間里迅速獲得諸多廠商的青睞，其中不乏Google、Microsoft、VMware、IBM等行業領導者。

2014年，Google推出Kubernetes提供Docker容器的調度服務；同年8月，Microsoft宣布在Azure上支持Kubernetes；隨后，傳統虛擬化巨頭VMware宣布與Docker強強合作[2]。2014年9月中旬，Docker獲得4 000萬美元的C輪融資，以推動分布式應用方面的發展。2014年12月，IBM宣布其PaaS平臺BlueMIX正式支持Docker，并提供傻瓜級的操作，最大程度地降低了Docker對具體操作技能的要求。與此同時，IBM自主的硬件平臺——Power Systems服務器與System z大型主機也開始全面支持Docker，配合相應的OSS環境的建設，開始了針對X86平臺的“趕超”。

3 Docker對Power Systems的影響

Power Systems和Docker彼此促進、互為助力，兩者的相互影響主要體現在兩個層面：硬件層面和基礎設施軟件層面。

3.1 硬件層面

最主要的影響表現在基于POWER8的新一代PowerLinux服務器上。在這個服務器上，Docker所支持的Linux平臺更為豐富，除RedHat與SUSE外，還加入了Ubuntu[3]。就硬件系統而言，POWER8平臺為Docker提供了更高性能和高RAS特性帶來的可用性保障。性能的提升一方面讓Docker應用受益，另一方面也意味著在性能體驗相同的情況下，可以讓單機上的Docker部署密度更高。實驗表明，Docker在POWER8平臺上的部署密度較X86可提升2倍甚至更高。通過POWER8獨家的CAPI接口所連接的存儲(如FlashSystem全閃存陣列)與網絡平臺， POWER8平臺的整體性能表現與負載能力在外圍I/O層面得到極大擴展，配合POWER8服務器自身完善的RAS特性，為Docker提供了比X86更為可靠、綜合性能更好的平臺。

3.2 基礎設施軟件層面

在基礎設施軟件層面，Docker的使用將進一步體現出Power Systems的優勢。雖然Docker較傳統VM更具優勢，但并不表示有了Docker就不需要虛擬化了。事實上，Docker與虛擬化平臺在很多場合是相輔相成的。Docker是基于Linux內核的一種特殊進程，雖然它具備了一些虛擬化的特性，但仍不具備動態遷移、應用環境混合部署等一些關鍵的虛擬化特性，也無法滿足更進一步的應用隔離與安全性等需求；因此，有必要借助傳統虛擬化平臺的能力來幫助Docker應對更多的場景需求。

從Docker和虛擬機的對比(如圖4所示)結果可以看出，Docker完全可以部署在傳統的虛擬化環境中。只要支持64位的Linux，就能部署Docker，并由此具備虛擬機本身的一些優點。為此，微軟、VMware等傳統虛擬化巨頭均紛紛表示支持Docker在其平臺上的部署。

為驗證POWER架構對Docker的天然優異支持性，我們可以對PowerVM和其他Hypervisor上部署的結果進行比較分析。

首先，雖然PowerVM也是Type-1級別的Hypervisor，但它是更接近“裸機”的虛擬化解決方案，與POWER平臺有著天生的結合能力，所以在性能的體驗上與Docker可謂異曲同工。在PowerVM上部署Docker就等同于在裸機上進行部署，能提供更好的性能保證。

其次，通過PowerVM，POWER服務器可以被劃分成多個邏輯分區(LPAR，相當于VM)，在其上同時部署UNIX(AIX)和Linux操作環境，從而實現異構平臺的混載，而這是X86廠商所做不到的。同時，PowerVM是目前公認最安全的Hypervisor，基于PowerVM環境，Docker可以獲得更好的安全防護。

PowerVM+Power Systems可以為Docker提供比X86更為強大和靈活的虛擬化平臺，為Docker應對更多的應用場景，尤其是將其帶入UNIX/Linux混合應用環境打下良好基礎。

此外，PowerKVM的正式發布為熟悉KVM的用戶向PowerLinux平滑遷移提供了保障。與X86的KVM相比，PowerKVM的能耗管理、RAS特性與CPU調用更為強大(例如EnergyScale、Extended Error Handling、微核模式等)，可以為Docker提供更好的KVM虛擬化平臺。

圖4 Docker和虛擬機對比

在軟件層面，Docker研發成員正與相關合作方一起全力構建面向POWER架構的Docker環境。在云方面，諸如BlueMIX等產品(系統)已經可以支持Docker的部署，Docker也已經可以裸機部署在SoftLayer平臺或SoftLayer的虛擬化平臺上。在端方面，眾多公司開始與Docker公司圍繞 Docker Hub Enterprise (DHE) 在企業級應用領域展開緊密合作，其中IBM將通過集成方案和單獨產品兩種模式生產和銷售DHE，為用戶提供基于云或他們自己數據中心內部的Docker分發服務。

目前，全球TOP15的Docker鏡像已經或將支持POWER平臺。其中，已經支持POWER的鏡像包括Ubuntu、MySQL、Rails、Postgres、Wordpress、Redis、Mongo、Python、Base(deprecated Ubuntu)、Debian、Java等，BusyBox與Centos則正在路上。

在Docker的管理方面，借助OpenStack中的HEAT組件，業內領先的云管理平臺ICM(IBM Cloud Manager with OpenStack，算是OpenStack的IBM發行版)都在加快完善對Docker的支持。這里的支持與傳統的HEAT不太一樣。ICM云管理平臺本身是跨異構平臺的，包括POWER、System z以及X86，它為用戶提供了一個統一的管理環境，為Docker開辟了更為廣闊的應用環境。

4 小結

Docker的出現可以說在理念上實現了巧妙的創新，給軟件的開發運維管理(DevOps)帶來重要的變革，最重要的是為整體的應用形態和應用的快速部署帶來深遠影響，足以促進相關的IT技術與基礎架構發生重大的變化，這種變化既帶來挑戰，也帶來機遇。

面向未來，OSS將在未來的IT環境中扮演越來越重要的角色，借助Docker的發展，Power Systems超越X86已經不再僅是個夢想。

參考文獻

[1]James Turnbull.Docker[M].北京:人民郵電出版社,2015

[2]What is Docker[EB/OL].[2015-01-03].https://www.docker.com/whatisdocker/

[3]IBM Inc.[EB/OL].[2015-01-03].http://www-03.ibm.com/systems/power/?lnk=mprSY-psys-usen