Docker虛擬化技術(shù)在嵌入式平臺的應(yīng)用實踐研究

葉連杰

（西安西電電氣研究院有限責任公司，西安 710077）

0 引言

虛擬化是對計算機各種硬件實體資源的綜合管理技術(shù)，將計算機的計算資源、網(wǎng)絡(luò)、存儲等資源進行抽象、轉(zhuǎn)換后進行呈現(xiàn)。利用虛擬化技術(shù)可以打破傳統(tǒng)的硬件不可分割成塊的障礙，根據(jù)使用場景隨意組合，可以更加高效、合理的利用硬件資源。虛擬化后的計算資源不受硬件地域或物理組態(tài)方式的限制，能夠更加靈活的配置組網(wǎng)。虛擬化技術(shù)的引入，避免了大量服務(wù)器硬件資源的堆砌，簡化組網(wǎng)復(fù)雜度和管理難度，降低采購和運維成本。

1 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)可以分為半虛擬化、完全虛擬化和準虛擬化。隨著虛擬化的發(fā)展，逐步形成了幾類主流的技術(shù)或產(chǎn)品：

Xen-由劍橋大學(xué)開發(fā)的，一款開源的虛擬機監(jiān)視器，它采用ICA協(xié)議，屬于半虛擬化技術(shù)，所以其性能損失非常小；

KVM-KVM是一個全虛擬化的解決方案，但需要CPU支持虛擬化功能；

LXC-即：Linux Container，Linux容器，是一種輕量級的虛擬化的手段。它可以提供輕量級的虛擬化，以隔離進程和資源，而且不需要提供指令解釋機制以及全虛擬化的其他復(fù)雜性；

Hyper-V-是微軟件推出的一種虛擬化技術(shù)，可以采用半虛擬化或全虛擬的方式創(chuàng)建虛擬機，但其本身只能運行在Windows系統(tǒng)下。

Oracle VM-Oracle推出的服務(wù)器虛擬化軟件，基于開源的Xen技術(shù)，包括Oracle VM Server和Oracle VM Manager兩部分。

VMware Workstation-是一款桌面虛擬機軟件，可以在一臺實體機器上模擬完整的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并可運行多個Windows、DOS、Linux或Mac系統(tǒng)。VMware Workstation是一款完全虛擬化產(chǎn)品，可借助硬件輔助在不修改用戶操作系統(tǒng)的情況下完整虛擬化操作系統(tǒng)。同時，針對更高級的資源管理和控制功能，還有VMware ESX Server可供選擇。

2 嵌入式虛擬化

虛擬化技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)征服了桌面系統(tǒng)，隨著芯片處理能力的提高，虛擬化技術(shù)逐步向嵌入式領(lǐng)域拓展。在嵌入式平臺上進行虛擬化，同樣可以獲得靈活的系統(tǒng)管理和應(yīng)用布局。

2.1 研究現(xiàn)狀

Xen是可以移植到嵌入式平臺的虛擬化典型產(chǎn)品，而且Xen具備一個優(yōu)異的特點是可以直接在底層硬件上運行。它可以將主機操作系統(tǒng)按照區(qū)域進行劃分，利用特殊的管理程序進行控制，而這個管理程序中最常見的便是Linux。若想使用Xen管理程序，目前比較理想的設(shè)計平臺是基于ARMv8處理器的賽靈思ZynqUltraScale+MPSoC，其對Xen的支持較好。

VirtualLogix公司的VirtualLogix VLX是比較典型的嵌入式虛擬化技術(shù)，它將底層硬件與應(yīng)用軟件之間進行了隔離，形成了抽象的虛擬化層，并對此層進行了分區(qū)，之后分配給各嵌入式系統(tǒng)，由此各系統(tǒng)獨立運行。

Docker是虛擬化的一種，它將底層系統(tǒng)、依賴環(huán)境、應(yīng)用程序等進行統(tǒng)一打包，形成一個整體的鏡像文件，成為一個獨立的容器，部署在其他的平臺或宿主機上。與其他虛擬化技術(shù)不同的是，Docker是直接運行在宿主機的操作系統(tǒng)之上的容器，類似獨立的沙箱，容器之間完全隔離，每個容器可以獨立管理、配置。

2.2 Docker

Docker是利用LXC實現(xiàn)了VM類似的功能，得到的效果便是以最小的硬件開銷達到更高的計算能力，因此Docker的虛擬化技術(shù)屬于操作系統(tǒng)級虛擬化方法。

2.2.1 Docker的架構(gòu)

Docker使用服務(wù)器-客戶端（C/S）架構(gòu)模式。Docker服務(wù)器運行后，會在宿主機上形成一個守護進程，Docker服務(wù)器或守護進程會接受來自客戶端的創(chuàng)建、運行、停止、刪除等請求，處理完成后返回相應(yīng)結(jié)果。Docker的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 Docker架構(gòu)圖

2.2.2 Docker的核心組件

Docker主要由鏡像、倉庫、容器等幾部分組成。其中鏡像是構(gòu)建Docker容器的基礎(chǔ)，是一種層式結(jié)構(gòu)的增量文件系統(tǒng)，更加輕量化，可以在鏡像倉庫中下載后直接運行使用；容器是鏡像創(chuàng)建后的運行實例，相互之間獨立、隔離，數(shù)據(jù)信息通過開放的端口進行交互。在這里需要注意的是，Docker基于Linux內(nèi)核進行運行，且只能運行在64位主機中，無法在32位的Linux環(huán)境下運行。

3 Docker應(yīng)用實踐

本文選擇Raspberry Pi 3開發(fā)板為硬件基礎(chǔ)平臺。此開發(fā)板的CPU為ARM Cortex-A53 1.2GHz四核，輔以1GB的RAM。同時配備了4個USB接口、RJ45接口、內(nèi)置WIFI等豐富接口。本文將在此開發(fā)板上部署Docker，同時部署Redis數(shù)據(jù)庫和自編寫的C/C++應(yīng)用程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲。

3.1 Docker環(huán)境搭建

我們的首要任務(wù)是在板卡上安裝Docker的服務(wù)。Docker的安裝有多種方式，可以利用官方的yum源安裝，也可以獲取安裝腳本自動下載安裝，在此我們選擇后者。由于樹莓派3B的CPU是64位架構(gòu)，操作系統(tǒng)為Debian，因此可以通過Docker官方指導(dǎo)文檔掌握其對應(yīng)的安裝方式。為簡化操作流程，我們可以通過“curl-fsSL get.docker.com -o get-docker.sh”和“sh get-docker.sh”2條命令自動完成Docker服務(wù)的安裝。

圖2 Docker環(huán)境安裝驗證

3.2 部署Redis

啟動Docker服務(wù)需要對應(yīng)的鏡像，可以在Docker的鏡像倉庫中下載安裝，docker同樣提供了豐富的命令可供使用。

本文中使用的Redis鏡像版本為latest，執(zhí)行命令docker pull redis：latest。Redis的版本盡量選擇最新版本，軟件的穩(wěn)定性和功能支持比較優(yōu)良。Docker鏡像下載后會自動安裝，安裝完成后可以利用docker images命令進行查看，確認安裝是否順利完成。

執(zhí)行以下命令可以運行Redis數(shù)據(jù)庫，docker run-p 6379：6379-d redis：latest redis-server，啟動時可以通過不同的命令實現(xiàn)Redis的后臺運行。

圖3 運行redis：latest鏡像

利用docker attach“容器ID”命令或者docker exec-it“容器ID”/bin/bash命令可以進入運行中的Docker容器，查看其運行狀態(tài)以及進行其他操作。

3.3 自定義Docker鏡像制作

本文所選取的自定義應(yīng)用為SIEMENS的PLC數(shù)據(jù)采集協(xié)議S7，使用C/C++語言開發(fā)完成，此程序在其他平臺進行了測試，程序正確性和穩(wěn)定性方面無問題。

參照前文所述，選取一個基礎(chǔ)鏡像。由于需要制作含有自定義應(yīng)用的Docker鏡像，因此選取的鏡像需要完整，包含Linux系統(tǒng)提供應(yīng)用的運行環(huán)境支持，本文選取的是gcc：latest版本作為運行基礎(chǔ)。從鏡像倉庫下載下來安裝完成后，將自定義應(yīng)用源代碼在當前嵌入式環(huán)境下利用gcc進行編譯，生成可執(zhí)行文件。

本文采用Dockerfile的方式將自定義應(yīng)用可執(zhí)行文件和運行所需的配置文件融合進gcc鏡像，形成自己的鏡像，此鏡像的啟動可以實現(xiàn)自定義應(yīng)用的自動運行。

圖4 創(chuàng)建自定義應(yīng)用鏡像

圖5 Docker鏡像匯總查看

3.4 容器并行測試驗證

應(yīng)用Docker，必然需要啟動多個容器，運行多種應(yīng)用才能實現(xiàn)它的價值。

本文利用兩款SIEMENS的PLC和一款A(yù)B的PLC，連同搭載Docker虛擬化技術(shù)的嵌入式網(wǎng)關(guān)形成一套驗證環(huán)境。驗證思路為針對不同的采集協(xié)議制作多個Docker鏡像并先后啟動運行，分別利用S7通訊協(xié)議和ModbusRTU協(xié)議完成數(shù)據(jù)的采集。Docker下的多個容器采用沙箱機制，互相獨立，互不影響。

圖6 Docker容器并行測試驗證環(huán)境

驗證前期需要分別將S7采集程序和ModbusRTU協(xié)議程序源代碼在嵌入式環(huán)境下進行編譯，并利用前述方法生成另一個Docker鏡像。

本文所述的S7數(shù)據(jù)采集協(xié)議為TCP/IP協(xié)議族的一種，因此在對應(yīng)的容器運行時，需要對容器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行配置。Docker提供了多種網(wǎng)絡(luò)配置方式，有host、container、none和bridge模式。某些應(yīng)用需要利用宿主機的網(wǎng)絡(luò)IP與同網(wǎng)段網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通訊，可配置為host模式，此時利用如下命令docker run-it--rm--net=host“image名稱”：“image版本”bash啟動容器，之后可以進入容器內(nèi)查看其IP是否與宿主機IP一致，實現(xiàn)容器與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

圖7 宿主機網(wǎng)絡(luò)配置信息

圖8 自定義鏡像容器IP配置

依據(jù)上述配置，依次啟動含有S 7 協(xié)議程序和ModbusRTU協(xié)議程序的鏡像。

圖9 啟動各鏡像

圖10 鏡像運行狀態(tài)匯總

搭載不同采集協(xié)議程序的鏡像獨立運行，分別完成各自所負責PLC的數(shù)據(jù)采集，并將采集數(shù)據(jù)寫入Redis數(shù)據(jù)庫，通過RedisDesktopManager連接Redis查看數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的匯總存儲。

圖11 采集數(shù)據(jù)查看

3.5 Docker應(yīng)用實踐結(jié)果

利用Docker容器技術(shù)，我們可以實現(xiàn)運行于不同環(huán)境下的程序的共存，Docker將底層設(shè)備與上層應(yīng)用進行了隔離，統(tǒng)一了運行環(huán)境，可以極大的降低應(yīng)用開發(fā)過程中依據(jù)嵌入式系統(tǒng)環(huán)境進行移植的大量工作，同時Docker的核心組件為自定義應(yīng)用的組合、容器的制作提供了便捷可行的方法，不僅能夠降低應(yīng)用調(diào)度程序的開發(fā)成本，也能更加靈活的對應(yīng)用進行拓展和組網(wǎng)。

4 結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)由于其架構(gòu)的特殊性，虛擬化的工作不像桌面端容易部署，而隨著大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)的快速發(fā)展，業(yè)務(wù)需求不斷增加，數(shù)據(jù)量驟增，數(shù)據(jù)處理節(jié)點已經(jīng)向終端下沉，虛擬化技術(shù)的實現(xiàn)為終端邊緣計算提供了無限可能。

眾多虛擬化方案中，Docker的優(yōu)勢明顯。Docker以占用最小的存儲空間提供完整一致的運行環(huán)境，安裝部署簡單，啟動快速，遷移方便，這些特性都優(yōu)于傳統(tǒng)虛擬機技術(shù)，也可以降低開發(fā)人員的程序開發(fā)難度，因此Docker在嵌入式環(huán)境中具有廣闊的應(yīng)用平臺。本文也通過樹莓派硬件平臺對Docker在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用進行了驗證，可以充分挖掘Docker在嵌入式領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛能，將云計算的架構(gòu)體系、服務(wù)能力進一步下沉，提升終端側(cè)的邊緣計算能力和服務(wù)在線升級能力，改變傳統(tǒng)嵌入式設(shè)備服務(wù)更新困難以及升級后重啟的弊端。