馬銘冀，姜延凱

（河北省教育發展研究與信息管理中心，河北 石家莊050091）

Docker應用于私有云平臺
——以河北省級教育數據中心為例

馬銘冀，姜延凱

（河北省教育發展研究與信息管理中心，河北 石家莊050091）

Docker是一種開源容器級虛擬化技術，基于它可建立PaaS云服務，相較于傳統虛擬化主機如：VMware、KVM，Docker生成的虛擬主機更為輕量級，數量可較傳統服務器虛擬化提升5倍以上。Docker對于推進教育信息化基礎設施資源建設，特別是PaaS平臺建設具有一定意義，為此本文給出一種基于Docker、Kubernetes以及自研CloudBean平臺的省級教育數據中心PaaS私有云平臺搭建的技術思路。

云計算；Docker；CloudBean；教育信息化；PaaS；開源

一、引言

隨著云計算潮流的不斷演進，以服務器虛擬化技術為核心的云計算技術在數據中心不斷落地，采用此類技術構建的IaaS數據中心至少能帶來三點好處，一是用戶使用資源更方便，用戶無需再關注硬件設備細節，只需根據業務發展需要動態申請與擴容計算、存儲、網絡資源；二是數據中心管理更簡單，信息化管理部門采用統一虛擬化管理平臺即可用更低的運營成本、更簡便的管理方式管理數據中心資源，由運維轉變成運營；三是資源集約化程度更高，采用服務器虛擬化技術的數據中心通常可以生產物理服務器數量15倍以上的虛擬化服務器，相同的硬件環境能滿足更多的用戶需求。

較于傳統非虛擬化技術的數據中心而言，IaaS數據中心是一種質的進步，但這種進步也面臨如下挑戰：

（1）虛擬主機為重量級，每臺虛擬機均需要有獨立的操作系統、運行庫、存儲空間等，有較大的資源消耗，通常兩路4CPU/64GB內存物理服務器可生產20臺左右2CPU/4GB內存虛擬主機。

（2）數據中心中有大量的業務屬于輕量級網站、數據庫、后端業務，其資源需求量總體不高，獨立放置于虛擬主機中也存在一定的資源浪費，同時也面臨技術管理跟不上的問題；

（3）移動互聯網、大數據在數據中心不斷地落地，必然催生出指數級的虛擬主機資源需求，如何更低成本滿足這些需求。

上述問題的本質其實可以歸結為如何在可控的成本之下，生產更多數量的虛擬主機，以及如何更高效的使用與管理這些生產出來的大規模虛擬主機。

目前省級教育數據中心已實現了服務器虛擬化技術，并搭建了規模不一的IaaS平臺。筆者認為隨著我省教育信息化應用的深度推進，依賴于IaaS平臺支撐信息化業務仍會面臨較高運維成本和相對低的資源使用效率，業務處室里相當多的業務應歸類于輕量級業務，即大多數業務僅需要基礎的應用環境 （如：WEB環境、數據庫環境、測試環境）并不關注于虛擬主機操作系統層面的細節，事實上考慮到虛擬主機信息安全、運維能力等多方面因素，也不建議業務用戶介入主機層面細節，一是業務用戶擅長于業務開發，但主機運維與安全管理能力較弱；二是業務上線僅需要應用環境，不需要關注于底層主機細節；基于此筆者認為數據中心信息化基礎設施資源建設時應著力發展PaaS私有云平臺，即面向業務用戶提供標準、規范并專業的應用支撐環境，目前業內有多種PaaS云平臺實施技術，包括：IBM、Oracle的私有云方案，國內如：百度、新浪的PaaS公有云平臺，筆者認為對于教育數據中心來講，搭建私有云PaaS平臺即要考慮實施成本，又要考慮平臺本身的科研屬性，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平臺搭建思路，當然這個思路的基礎是Docker操作系統級虛擬化技術。

二、Docker簡介

Docker是一種基于go語言開發，并遵從Apache 2.0協議開源的容器級虛擬化技術，其源代碼托管于Github上，它由PaaS供應商dotCloud于2013年發布，Docker發布后獲得業內極大關注，主流的IT服務商，如：谷歌、微軟、IBM、紅帽均加入Docker聯盟，共同推動Docker的應用與普及。

Docker本質上是基于LXC（Linux Container）的操作系統容器級虛擬化技術，它的幾個主要特點包括：

（1）隔離性，Docker生成的虛擬主機實例相互隔離，互不干擾，Docker宿主機基于AUFS文件系統構建，通過AUFS可以保證多個容器實例可以互不影響并獨立共享使用根文件系統；并基于Linux內核的namespace技術，通過pid、net、ipc、mnt、uts等namespace將虛擬主機的進程、網絡、消息、文件系統、主機名稱進行有效隔離。

（2）資源彈性，Docker基于cgroup技術進行資源層面彈性管理，通過它可以實現CPU、內存等資源的分配與使用。

（3）靈活鏡像管理，Docker虛擬主機基于鏡像技術構建，每啟動一個Docker實例前需要通過公開下載或基于Dockerfile文件創建一個新的image鏡像，采用鏡像的管理方式使得應用系統的發布變得非常靈活與便捷，同時基于鏡像也間接方便了虛擬主機的遷移與移動。

目前主流使用的IaaS層面服務器虛擬化技術多是基于完全虛擬化技術，即由Hypervisor層完整模擬一個“物理主機”，在生成主機上制備操作系統，在操作系統上安裝并部署相應運行庫文件、業務系統等，這種虛擬化手段典型代表是VMware ESX、KVM等，相比較于傳統的服務器虛擬化技術，Docker更為輕量級，它直接省缺了“物理主機”的模擬，通過各實例共享宿主機操作系統的方式生產虛擬主機，雙方的架構對比如圖1所示。

圖1 虛擬化架構對比

通過這種直觀的比較可以看出：一是Docker生產的虛擬主機數量要比前者多的多，通常在實踐使用時同等硬件資源在虛擬主機數量上可多出5-10倍；二是基于Docker生產的虛擬主機屬于輕量級，其啟動速度會更快，資源利用會更高效；三是Docker虛擬主機更適合承擔單一業務，如：只充當數據庫服務器、WEB服務器、消息服務器，這種模式其實更容易節約資源，并確保構建業務組件化、標準化。

上述的三個特性，可以得出一個這樣的使用場景，對于信息化基礎設施預算比較低或采購周期比較長的用戶，可以通過Docker技術在同等硬件條件下具備搭建更多的虛擬主機的能力，對于一些業務處室特定的時期，如學位考試、專升本考試、大學生畢業等業務高峰期，可以通過標準化業務組件橫向大批量擴展，快速啟動部署的方式支撐業務高峰期，低谷期資源快速回收。

三、PaaS云平臺架構

在面向教育數據中心的PaaS私有云平臺架構層面上，本文設計了一種三層PaaS平臺架構，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，架構如圖2所示。

圖2 基于三層的PaaS云平臺架構

這三層的主要作用如下：

（1）容器資源層

容器資源層是整個PaaS平臺的資源基礎，它向上提供容器的計算、存儲、網絡資源，該層主要由計算集群、數據存儲集群、鏡像倉庫組成。

其中計算集群負責提供容器虛擬主機資源，采用普通兩路機架服務器 （8*2.0GHz CPU、96GB內存、1TB以上磁盤，雙網卡），其操作系統可選用Ubuntu、CentOS或CoreOS[2]，CoreOS是一種新型，經過重新精減后，可專職從事Docker容器的Linux操作系統，CoreOS極為精練，它使用systemd和fleet來對Docker容器進行管理，使用etcd這種鍵值數據庫進行服務發現和配置信息共享。業內通常推薦采用CoreOS，但考慮到CoreOS在省級數據中心普及較低，這里推薦采用CentOS 7。計算節點的網絡建議采用虛擬網絡架構Open-vSwitch[5]，以適應于大規模的容器集群業務。

鏡像倉庫負責管理整個PaaS集群中的本地容器鏡像，它至少采用一臺普通物理服務器 （4*2.0GHz CPU、32GB內存、2TB以上磁盤，雙網卡）搭建的docker-registry服務器構成，通常推薦采用兩臺服務器，這樣可以做到鏡像互備。

存儲集群負責提供容器虛擬主機運行所需要的額外數據空間，它基于開源的Ceph[3]分布式文件系統，通過建議至少由三臺普通兩路機架服務器（4*2.0GHzCPU、32GB內存、4TB以上磁盤，雙網卡）搭建，該Ceph集群掛接至計算集群所有節點。

（2）容器管理層

容器管理層是整個PaaS平臺的資源調度中心。它調度與管理所有的容器虛擬主機，容器管理層推薦采用Google推出的開源版Kubernetes[4]進行管理，該管理工具可跨平臺使用，能夠靈活調度大規模Docker容器虛擬主機。Kubernetes的Master、etcd組件由一臺獨立普通物理服務器支撐，minion組件安裝在各計算節點中。

（3）門戶層

門戶層作用是為管理人員、用戶提供統一服務門戶，門戶層的實現是基于自主開發的CloudBean平臺搭建，CloudBean平臺是基于Python與PHP開發，支持KVM、Docker兩種虛擬環境的資源納管，可面向后臺管理運營人員提供統一IaaS、PaaS數據中心、物理主機、虛擬主機的統一管理、調度入口，同時也可以面向終端用戶提供簡單的虛擬主機自助管理服務。門戶層CloudBean平臺部署在一臺獨立的物理服務器或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PaaS服務的入口。通過三層的架構與實施可以實現一個支撐數千虛擬主機規模，并能擴展至上萬容器虛擬主機的PaaS云平臺，由于自主研發的CloudBean平臺也具有一定的容器資源管理能力，因此對于中小規模的PaaS平臺運營也可以采用二層PaaS架構，即省略中間的容器管理層。

四、總結與展望

通過本文的設計可以搭建省級教育數據中心PaaS私有云平臺，部署PaaS云后能夠極大的提升教育信息化應用服務水平，基于PaaS至少能在如下幾個方面的業務有所突破：

（1）業務處室各類業務系統部署方面，如前面所述實現PaaS云后，以非常標準的方式提供各類WEB服務、數據庫服務、中間件、消息等服務環境，會更方便、更低成本、更快速度部署各類業務系統；此外在各業務的峰值時可更靈活、更快速擴展應用環境資源。

（2）信息化科研與測試方面，由于可大規模的部署容器虛擬主機，在信息化方面的科研、以及測試任務中可靈活搭建相應的測試實驗床，如可快速、穩定地搭建數千個容器虛擬主機充當客戶端進行各類壓力測試。

筆者相信隨著不斷深化PaaS平臺的應用場景，像分配電子郵件一樣為所有工作人員人手分配一臺虛擬主機為目標，必將極大地調動各方使用與應用信息化的動力，這種主動性與積極性的提升必將會推動教育信息化整體應用水平的飛躍。

基于本文給出通過開源與自研的PaaS私有云平臺具有低成本、使用維護方便、部署簡單的特點，但較于更成熟的商用PaaS平臺仍存在以下不足，如：大規模資源調度與擴展、穩定性、可靠性、功能的完備與易用性等方面，這些不足將會在后續的工作中不斷完善。

[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.基于NGPD的PaaS平臺研究與實現[J].計算機應用研究,2011,(05).

[7]姜文周,馬明麗,李先毅.基于Cloud Foundry的PaaS云平臺的設計與實現[J].微型機與應用,2014,(02).

[8]何穎,唐彥,林勇.基于多租戶架構的PaaS構建剖析[J].數字通信,2012,(03).

[9]徐鵬,張巖江,蘇森.PaaS云資源調度技術研究[J].華中科技大學學報(自然科學版),2013,(S2).

(編輯：郭桂真）

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1673-8454（2017）08-0082-03