Docker技術(shù)在乘客信息系統(tǒng)部署中的應(yīng)用

田 源，李 樊，汪曉臣，趙偉慧，黃志威

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京 100081；2. 軌道交通系統(tǒng)測試國家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081）

乘客信息系統(tǒng)（PIS)采用中心-車站-車載的多層級架構(gòu)，由控制中心統(tǒng)一管理各級設(shè)備[1]。目前的軟件部署采用單機(jī)拷貝安裝方式，面對數(shù)量龐大的設(shè)備集群，需要逐個設(shè)備安裝調(diào)試。部署過程中容易暴露出諸多弊端，如軟件運(yùn)行環(huán)境配置導(dǎo)致的未知錯誤；單機(jī)拷貝和配置的安裝方式耗費(fèi)人力；軟件版本升級或同步容易出錯；應(yīng)用與數(shù)據(jù)的耦合性較緊；硬件設(shè)備更換后，軟件需重新部署等。

目前，Docker技術(shù)在越來越多的場景中得到了應(yīng)用。張兆晨等人[2]設(shè)計(jì)了一種持續(xù)集成系統(tǒng)，利用Docker的鏡像封裝和輕量級特性，取代了傳統(tǒng)持續(xù)集成系統(tǒng)的虛擬機(jī)架構(gòu)，提升了開發(fā)效率，降低了系統(tǒng)占用資源；鄒保平等人[3]通過與傳統(tǒng)虛擬機(jī)比較的方式，驗(yàn)證了Docker容器化部署應(yīng)用的敏捷性；姚煒等人[4]在傳統(tǒng)開發(fā)平臺中引入Docker技術(shù)，簡化了從開發(fā)到部署的繁雜配置，有效提升了項(xiàng)目的發(fā)布速度。綜上所述，基于Docker的容器化部署方案適用于開發(fā)與發(fā)布緊密結(jié)合、安裝配置繁雜的軟件部署場景。Docker技術(shù)的引入，將有效解決當(dāng)下乘客信息系統(tǒng)中軟件部署的諸多難點(diǎn)。

1 容器技術(shù)應(yīng)用分析

1.1 容器技術(shù)優(yōu)勢

在乘客信息系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的應(yīng)用軟件部署方式是通過存儲介質(zhì)或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞?，拷貝軟件安裝包至目標(biāo)機(jī)。然后在操作系統(tǒng)中配置軟件運(yùn)行所需的依賴環(huán)境，安裝軟件并進(jìn)行配置，執(zhí)行二進(jìn)制文件或腳本來運(yùn)行程序，提供軟件服務(wù)。乘客信息系統(tǒng)中，車站設(shè)備數(shù)量多達(dá)上百臺，分布距離較遠(yuǎn)，逐個設(shè)備部署、安裝、調(diào)試的工作量非常巨大，后期對于軟件的部署架構(gòu)調(diào)整和版本維護(hù)都不友好。

容器是輕量級的操作系統(tǒng)級虛擬化。它可以實(shí)現(xiàn)在一個資源隔離的進(jìn)程中運(yùn)行應(yīng)用及其依賴項(xiàng)[5]。應(yīng)用程序與其所依賴的環(huán)境，可以被封裝成鏡像，并可以復(fù)用。應(yīng)用需要被部署到目標(biāo)機(jī)時，僅需在目標(biāo)機(jī)上獲取鏡像，將其實(shí)例化為容器進(jìn)程，運(yùn)行即可。當(dāng)軟件或依賴環(huán)境產(chǎn)生變化，只需更新鏡像即可。如此，將操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序相關(guān)的環(huán)境獨(dú)立開，可降低部署難度，提升軟件的可維護(hù)性，保證線路軟件部署質(zhì)量的統(tǒng)一性。容器技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

（1）敏捷環(huán)境：容器的啟動速度快，更新便捷。

（2）高效生產(chǎn)：開發(fā)人員不用擔(dān)心生產(chǎn)環(huán)境下特殊的運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一處調(diào)試，處處運(yùn)行的高質(zhì)量軟件發(fā)布效果。

（3）版本控制：容器必須由鏡像生成，鏡像的版本唯一決定了運(yùn)行容器的一致性。

（4）輕便：鏡像文件占用空間小，且僅包含應(yīng)用程序和關(guān)鍵依賴，方便軟件歸檔和版本分發(fā)。

1.2 Docker技術(shù)特性

Linux 容器（ LXC，Linux Container）是一個在單一 Linux 主機(jī)上提供多個隔離的Linux 環(huán)境的操作系統(tǒng)級虛擬技術(shù)[6]。Docker是一個基于LXC 的高級容器引擎[7]。Docker的沙箱機(jī)制有效的隔離各個用戶實(shí)例，多容器共享系統(tǒng)內(nèi)核的特性使得Docker實(shí)例輕量化，便于部署[8]。

Docker服務(wù)部署在宿主機(jī)操作系統(tǒng)之上。如圖1所示，Docker將應(yīng)用及其依賴環(huán)境封裝在容器中運(yùn)行。容器是操作系統(tǒng)為不同的用戶或進(jìn)程分配的具有一定相互獨(dú)立空間（包括內(nèi)存分頁空間、CPU時鐘分配、硬盤空間、進(jìn)程空間、運(yùn)行庫等、IP地址）。

2 系統(tǒng)部署架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文在傳統(tǒng)乘客信息系統(tǒng)的架構(gòu)之上，引入Docker虛擬化技術(shù)。軟件供應(yīng)商將既有應(yīng)用軟件進(jìn)行鏡像封裝，依據(jù)Docker私有倉庫（Registry）規(guī)范，搭建一套應(yīng)用軟件管理系統(tǒng)。

圖 1 Docker技術(shù)架構(gòu)

該系統(tǒng)接入中心機(jī)房的核心交換機(jī)，負(fù)責(zé)管理乘客信息系統(tǒng)全部的應(yīng)用鏡像，并向各層級設(shè)備群提供鏡像下載服務(wù)，如圖2所示。

圖 2 基于Docker的乘客信息系統(tǒng)部署架構(gòu)

2.1 應(yīng)用軟件管理系統(tǒng)

應(yīng)用軟件管理系統(tǒng)由軟件倉庫管理工作站和軟件倉庫服務(wù)器組成。軟件供應(yīng)商提供初始的Docker鏡像。鏡像文件經(jīng)管理工作站，推送至軟件倉庫服務(wù)器。軟件倉庫服務(wù)器宜采用主備集群策略，保證倉庫鏡像存儲的高可靠性。結(jié)合Docker輕量、敏捷的技術(shù)特性，設(shè)備可在較短時間內(nèi)完成部署任務(wù)，或從故障狀態(tài)中快速的恢復(fù)。同時，該架構(gòu)提供了云端應(yīng)用級的容災(zāi)方案。

2.2 服務(wù)器集群和設(shè)備群

控制中心服務(wù)器集群、車站子系統(tǒng)設(shè)備群和車載子系統(tǒng)設(shè)備群的各設(shè)備需預(yù)置Docker環(huán)境，通過pull或run方式下載或更新軟件鏡像，如圖3所示。

圖 3 軟件鏡像部署與運(yùn)行流程

虛線（1）所示是pull指令的數(shù)據(jù)傳遞流程。部署人員在操作系統(tǒng)中使用CLI指令向Docker守護(hù)進(jìn)程發(fā)送拉取鏡像A的指令，守護(hù)進(jìn)程從軟件倉庫服務(wù)器獲取對應(yīng)的鏡像A。

實(shí)線（2）所示是鏡像的實(shí)例化過程。運(yùn)行指令傳遞給Docker守護(hù)進(jìn)程后，守護(hù)進(jìn)程會將鏡像A在本地實(shí)例化為容器A-1，并返回一個用于訪問容器的虛擬會話。容器A-1在宿主機(jī)后臺運(yùn)行，通過端口映射向外部提供應(yīng)用服務(wù)。

通過上述流程，基于Docker的私有倉庫和應(yīng)用容器化技術(shù)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用軟件從云端備份到本地運(yùn)行的無縫結(jié)合。

3 架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 鏡像制作

鏡像是一個用于創(chuàng)建Docker容器的只讀模板。鏡像的制作方式有2種。

（1）容器提交（docker commit）

選擇合適的基礎(chǔ)鏡像，啟動一個可交換的容器。進(jìn)入其中，安裝需要的依賴環(huán)境和軟件包。然后，退出容器。使用docker commit指令，將容器中的全部修改提交，形成一份新的鏡像。

（2）鏡像構(gòu)建（docker build）

建立鏡像首先需要創(chuàng)建一個Dockerfile文件。根據(jù)語法，在Dockerfile文件中定義了創(chuàng)建和運(yùn)行鏡像的必要指令。Dockerfile中的每一條指令都會在鏡像中創(chuàng)建一個獨(dú)立層，當(dāng)Dockerfile內(nèi)容發(fā)生變更需要重新構(gòu)建時，只有變更的地方會被重建，因此，與其他虛擬化技術(shù)相比，Docker鏡像顯得更加輕量、小巧和快速。

上述兩種鏡像的生成方式優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1所示。乘客信息系統(tǒng)的應(yīng)用軟件多為定制化較強(qiáng)的專用軟件，軟件依賴環(huán)境特殊，版本控制嚴(yán)格。在應(yīng)用軟件的鏡像制作中，針對不同軟件類型，應(yīng)制作不同的鏡像。

考慮到應(yīng)用軟件依賴環(huán)境的多元化，對于依賴環(huán)境定制程度不高的應(yīng)用軟件類型，可以通過Dockerfile構(gòu)建鏡像。Dockerfile模板可擴(kuò)展后服務(wù)于多個鏡像構(gòu)建，易于版本迭代和鏡像維護(hù)。

表 1 兩種Docker鏡像制作方式比較

對于依賴環(huán)境定制程度高的應(yīng)用軟件類型，宜在既有容器逐步調(diào)試依賴環(huán)境，生成穩(wěn)定可用的鏡像。當(dāng)軟件版本或依賴環(huán)境需要變更時，在前一鏡像版本的基礎(chǔ)上，進(jìn)入容器修改，通過鏡像迭代完成版本升級和軟件維護(hù)。

3.2 容器實(shí)例化

容器是鏡像的實(shí)例。通過Docker API或CLI（Command Line Interface），可以創(chuàng)建、啟動、停止、移動或刪除一個容器。默認(rèn)情況下，一個容器與其他容器、宿主機(jī)之間是相互隔離的。由于Docker引對卷掛載和端口映射的良好支持，容器可以通過外部存儲的掛載（-v參數(shù)），或映射網(wǎng)絡(luò)端口（-p參數(shù)），與宿主機(jī)或外部設(shè)備進(jìn)行通信。

3.2.1 端口映射

在乘客信息系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件的實(shí)現(xiàn)都建立在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上。應(yīng)用軟件容器化后，如何將容器內(nèi)端口映射至宿主機(jī)是首要任務(wù)。

Docker容器運(yùn)行時，通過-p參數(shù)，可以將容器內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)端口映射至宿主機(jī)端口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的功能。對于多網(wǎng)卡宿主機(jī)，可以通過指定宿主機(jī)IP的方式，將容器內(nèi)端口映射至指定網(wǎng)卡的端口。下述指令實(shí)現(xiàn)了將nginx容器的80端口映射至宿主機(jī)配置IP為192.168.1.10網(wǎng)卡的8090端口。

docker run -p 192.168.1.10:8090:80 -d nginx:latest

3.2.2 數(shù)據(jù)持久化

Dokcer鏡像是一堆只讀層的集合。容器實(shí)例化過程，是在只讀鏡像層基礎(chǔ)上，建立一層可讀寫的容器層。以鏡像為模板，創(chuàng)建的容器層可以通過提交指令轉(zhuǎn)換為只讀層，形成新的鏡像。若不提交，在容器退出后，docker服務(wù)進(jìn)程會將容器層移除。

綜上所述，由鏡像創(chuàng)建出的容器，其運(yùn)行過程中的狀態(tài)不會持久保存。所以，在實(shí)現(xiàn)例如數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用的容器化時，除了端口映射，還需要保證數(shù)據(jù)的持久化。通過-v參數(shù)，將容器中的/var/lib/mysql文件夾映射至宿主機(jī)本地文件夾。

docker run -d -p 3306:3306 -v /usr/local/mysql/data:/var/lib/mysql mysql:latest

3.2.3 圖像傳輸

乘客信息系統(tǒng)的終端設(shè)備需要提供媒體和信息服務(wù)，媒體播放應(yīng)用程序需要圖形化界面顯示圖形和文字信息。Docker容器中應(yīng)用的圖形化顯示，可以利用X11服務(wù)實(shí)現(xiàn)。容器運(yùn)行命令中使用-v參數(shù)，可以掛載容器的X11的unix套接字到宿主機(jī)，同時通過-e參數(shù)，更改宿主機(jī)的DISPLAY環(huán)境變量，控制圖形輸出至宿主機(jī)。

docker run -e DISPLAY=unix$DISPLAY -v /tmp/.X11-unix:/tmp/.X11-unix myGuiApp

在Docker容器與宿主機(jī)間，X11通信數(shù)據(jù)流如圖4所示。

圖 4 容器應(yīng)用圖像傳輸流程示意圖

3.3 應(yīng)用軟件管理系統(tǒng)搭建

應(yīng)用軟件管理系統(tǒng)由軟件倉庫服務(wù)器和軟件倉庫管理工作站組成。軟件倉庫是應(yīng)用軟件的Docker鏡像的集合，位于控制中心，向中心服務(wù)器、車站服務(wù)器和車站播控提供鏡像下載服務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)倉庫存儲鏡像數(shù)據(jù)的持久化，需要將倉庫存儲掛載至宿主機(jī)，即軟件倉庫服務(wù)器的本地目錄。

軟件倉庫的界面化管理平臺基于開源軟件實(shí)現(xiàn)，平臺采用B/S架構(gòu)。運(yùn)維人員通過軟件倉庫管理工作站，可以實(shí)現(xiàn)鏡像上傳、鏡像更新、鏡像標(biāo)簽編輯，鏡像移除、鏡像備份等操作，避免了在工作站環(huán)境下安裝Docker環(huán)境和CLI訪問倉庫的繁雜步驟。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于容器技術(shù)的軟件部署方案。通過容器化設(shè)計(jì)降低了應(yīng)用程序與運(yùn)行環(huán)境的耦合性，簡化了系統(tǒng)安裝與部署流程，保證了軟件運(yùn)行的可靠性，有助于降低人力成本和維護(hù)難度。但是本文提出的軟件容器化部署方案，僅從操作系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)了資源節(jié)約，未來可進(jìn)一步研究基于硬件資源平臺的虛擬化方案，對系統(tǒng)級的云平臺構(gòu)建提出設(shè)計(jì)方案。