基于Docker 的災(zāi)害信息發(fā)布網(wǎng)站群實(shí)驗(yàn)研究

楊旭明 李 忠 楊百一

(防災(zāi)科技學(xué)院應(yīng)急管理學(xué)院，河北 三河 065201)

隨著有關(guān)災(zāi)情監(jiān)測網(wǎng)站越來越多，造成部署和維護(hù)的Web 應(yīng)用呈現(xiàn)幾何級(jí)數(shù)增長，直接導(dǎo)致了兩個(gè)問題：一是在有限的資源條件下服務(wù)器的負(fù)載過重，響應(yīng)緩慢，資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重；二是不同的應(yīng)用程序所依賴的環(huán)境不一樣，如果把它們依賴的軟件都安裝在一個(gè)服務(wù)器上，不僅造成調(diào)試麻煩，而且可能出現(xiàn)沖突，給運(yùn)維人員帶來繁重的不必要?jiǎng)趧?dòng)。

目前的信息技術(shù)，雖然可以在服務(wù)器上創(chuàng)建不同的虛擬機(jī)，運(yùn)行不同的應(yīng)用，但是虛擬機(jī)的開銷比較高。Docker 容器作為輕量級(jí)的虛擬機(jī)，是一個(gè)很好的工具，與傳統(tǒng)的虛擬機(jī)相比，容器更加輕量化、啟動(dòng)的速度更快，在同樣數(shù)量的硬件設(shè)備中，可以部署更多的容器實(shí)例。Docker 作為一個(gè)軟件集裝箱化平臺(tái)，可以讓開發(fā)者構(gòu)建應(yīng)用程序時(shí)，將它與其依賴環(huán)境一起打包到一個(gè)容器中，然后容易地發(fā)布和應(yīng)用到任意平臺(tái)中。測試和運(yùn)維人員可以直接部署軟件鏡像來進(jìn)行測試和發(fā)布，大大簡化了系統(tǒng)集成、測試和發(fā)布的過程。同時(shí)可以消除線上線下環(huán)境的差異，保證了應(yīng)用生命周期的環(huán)境一致性標(biāo)準(zhǔn)化，是災(zāi)害信息數(shù)據(jù)網(wǎng)站群部署的理想思路。

1 Docker 容器技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)虛擬化與容器技術(shù)

傳統(tǒng)虛擬機(jī)(virtual machine)就是帶環(huán)境安裝的一種解決方案，可以在一種操作系統(tǒng)里面運(yùn)行另一種操作系統(tǒng)，比如在Windows 系統(tǒng)上運(yùn)行Linux 系統(tǒng)。應(yīng)用程序?qū)Υ撕翢o感知，因?yàn)樘摂M機(jī)看上去跟真實(shí)系統(tǒng)一模一樣，缺點(diǎn)是資源占用多、冗余步驟多、啟動(dòng)速度慢等。

作為一種新興的虛擬化方式，Docker 跟傳統(tǒng)的虛擬化方式相比具有更多優(yōu)勢?；谌萜鬟\(yùn)行的Docker 虛擬化技術(shù)并沒有虛擬一個(gè)完整的Linux 操作系統(tǒng)，而只保留了應(yīng)用程序運(yùn)行所必需的核心操作系統(tǒng)環(huán)境，具有啟動(dòng)時(shí)間短、空間占用少、分發(fā)和復(fù)制方便、資源開銷少等特點(diǎn)，具備和傳統(tǒng)虛擬機(jī)一樣的隔離性和安全性。Docker 容器與傳統(tǒng)虛擬機(jī)對比如表1 所示。

表1 Docker 容器與虛擬機(jī)之間性能對比

1.2 Docker 工作原理

Docker 最初實(shí)現(xiàn)是基于LXC 的一個(gè)開源項(xiàng)目，誕生于2013年初，使用Google 公司推出的Go 語言進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)，對進(jìn)程進(jìn)行封裝隔離，屬于操作系統(tǒng)層面的虛擬化技術(shù)。由于隔離的進(jìn)程獨(dú)立于宿主和其它隔離的進(jìn)程，因此也稱為容器。Docker 能夠自動(dòng)執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，例如搭建和配置開發(fā)環(huán)境，從而解放了開發(fā)人員。用戶可以方便地創(chuàng)建和使用容器，把自己的應(yīng)用放入容器。容器還可以進(jìn)行版本管理、復(fù)制、分享、修改，就像管理普通的代碼一樣。

Docker 服務(wù)器端負(fù)責(zé)處理創(chuàng)建、運(yùn)行、保存容器的作用，客戶端負(fù)責(zé)連接并控制服務(wù)端進(jìn)程，客戶端和服務(wù)端的守護(hù)進(jìn)程可以通過RESTful API 或 者socket 進(jìn)行進(jìn)程間通信。Docker的 核 心 組 件 包 括Client、Docker Deamon、Docker Container、Docker Images 和Docker Register，如圖1 所示。Docker 鏡像(image)是指包含文件系統(tǒng)、可執(zhí)行程序以及程序的相關(guān)依賴配置文件的軟件包，可移植和重復(fù)使用。Docker 倉庫(Docker Register)是用來存放鏡像的地方，可以把創(chuàng)建好的基礎(chǔ)鏡像保存在倉庫中，供其他開發(fā)和運(yùn)維人員下載使用，避免反復(fù)構(gòu)建鏡像的麻煩。Docker Hub 是目前Docker 官方維護(hù)的一個(gè)公共倉庫，用戶可以直接下載鏡像來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。但是實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，一般采用創(chuàng)建自己的私有倉庫，來實(shí)現(xiàn)鏡像的內(nèi)部共享。Docker 容器(Docker Container)是通過Docker 鏡像運(yùn)行的實(shí)例，可以共享操作系統(tǒng)內(nèi)核，能夠迅速啟動(dòng)，占用很少的計(jì)算和內(nèi)存資源。通過docker run 命令并指定一些參數(shù)完成容器執(zhí)行一些進(jìn)程服務(wù)。容器可以被啟動(dòng)、停止、刪除等，而且每個(gè)容器之間具有安全的隔離空間。

圖1 Docker 基本架構(gòu)

2 基于Docker 的災(zāi)害信息網(wǎng)站群部署實(shí)現(xiàn)

2.1 需求分析

近年來，國家對各類災(zāi)害的監(jiān)測和監(jiān)控力度加大，對各類災(zāi)害信息發(fā)布提出了新的要求。本文以災(zāi)害信息網(wǎng)站群設(shè)計(jì)為例，研究網(wǎng)站群的快速部署和運(yùn)維問題。災(zāi)害信息發(fā)布系統(tǒng)包括地震信息發(fā)布系統(tǒng)、疫情在線、社會(huì)力量參與災(zāi)后救援管理系統(tǒng)、智能災(zāi)害信息分析工場等。由于每個(gè)網(wǎng)站屬于不同的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，而每個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)使用的開發(fā)環(huán)境可能不太相同，如表2 所示。由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境僅提供兩臺(tái)云服務(wù)器可供使用，這就需要解決在有限的資源條件下，如何實(shí)現(xiàn)對信息網(wǎng)站群的快速部署和運(yùn)維問題。

表2 災(zāi)害信息網(wǎng)站群開發(fā)環(huán)境

2.2 災(zāi)害信息網(wǎng)站群規(guī)劃部署

2.2.1 服務(wù)器規(guī)劃

本文采用一臺(tái)服務(wù)器作為Docker 服務(wù)器，一臺(tái)服務(wù)器作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與數(shù)據(jù)分離的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)Docker 服務(wù)器中的容器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間使用內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行通信，如圖2 所示。其中在Mysql 數(shù)據(jù)庫中分別為每個(gè)網(wǎng)站項(xiàng)目創(chuàng)建自己的賬號(hào)和數(shù)據(jù)庫，具體規(guī)劃如表3所示。

圖2 容器與數(shù)據(jù)庫訪問

表3 服務(wù)器資源規(guī)劃表

2.2.2 網(wǎng)站群容器化部署實(shí)現(xiàn)

首先在服務(wù)器上安裝Docker 軟件，作為服務(wù)器端，再根據(jù)災(zāi)害信息網(wǎng)站群中的不同網(wǎng)站的開發(fā)環(huán)境，需要為每種開發(fā)環(huán)境分別構(gòu)建Docker 鏡像。下面以地震信息中心網(wǎng)站的容器化部署為例說明具體部署過程，如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)站容器化部署流程

2.2.2.1 創(chuàng)建運(yùn)行環(huán)境并完成Docker 鏡像的構(gòu)建。地震信息中心網(wǎng)站使用的Tomcat8.5.61 和Jdk1.8 運(yùn)行環(huán)境，可以先從Docker Hub 公共倉庫中使用Docker pull 命令下載官方Tomcat8.5.61 鏡像，使用Docker run 命令運(yùn)行該容器。進(jìn)入容器后，再為此容器安裝Jdk1.8 的運(yùn)行環(huán)境，同時(shí)把網(wǎng)站所需的war 包通過宿主主機(jī)拷入到容器的tomcat/webapps 目錄下，并修改相應(yīng)的配置文件，實(shí)現(xiàn)對該特定網(wǎng)站鏡像的構(gòu)建。2.2.2.2 提交Docker 新鏡像并部署。對2.2.2.1 中構(gòu)建好的鏡像通過docker commit 命令提交為新的鏡像，使用docker run 命令重新啟動(dòng)新的鏡像容器，并將容器中的8080 端口映射到宿主機(jī)的8002 端口上，實(shí)現(xiàn)地震信息中心網(wǎng)站通過http://宿主機(jī)IP:8002 的正常訪問。2.2.2.3 把Docker 鏡像上傳到私有倉庫。在Docker 服務(wù)器上創(chuàng)建一個(gè)本地私有倉庫用來存放鏡像文件，這樣可以把制作好的鏡像文件存到本地倉庫，以便供其他開發(fā)人員和運(yùn)維人員直接下載使用。先通過Docker tag 命令把鏡像標(biāo)記為私有倉庫鏡像，然后再通過Docker push 命令把標(biāo)記號(hào)的鏡像上傳保存到私有倉庫中。

3 系統(tǒng)測試

Docker 技術(shù)具有持續(xù)集成、版本控制、可移植性、隔離性和安全性等特性，本文通過對其在某些方面的優(yōu)勢進(jìn)行系統(tǒng)測試，來進(jìn)一步驗(yàn)證Docker 技術(shù)在災(zāi)害信息網(wǎng)站群中的使用價(jià)值。

3.1 安全性與隔離性測試

通過對每個(gè)容器的CPU、內(nèi)存和IO 資源進(jìn)行控制，可以避免某個(gè)容器因占用太多資源而影響其他容器乃至整個(gè)宿主機(jī)的性能。本次測試以內(nèi)存為例，在一臺(tái)已經(jīng)運(yùn)行多個(gè)容器的Docker 宿主機(jī)上，運(yùn)行stress 壓力測試工具鏡像，設(shè)置內(nèi)存限制資源為128M，同時(shí)分別給定內(nèi)存壓力值memory 為120M 和512M，使用默認(rèn)的memory-swap 值0(表示容器可以使用swap大小為memory 值得兩倍)，觀察壓力測試容器運(yùn)行狀態(tài)，如圖4所示。當(dāng)使用內(nèi)存壓力值120M進(jìn)行測試時(shí)，容器運(yùn)行正常；使用內(nèi)存壓力值512M進(jìn)行測試時(shí)，容器運(yùn)行失敗。再次使用內(nèi)存壓力值255M進(jìn)行測試，由于壓力值沒有達(dá)到內(nèi)存限制資源的兩倍，通過使用swap，容器可以運(yùn)行成功；當(dāng)使用內(nèi)存壓力值256M進(jìn)行測試時(shí)，壓力值達(dá)到了內(nèi)存限制資源的兩倍，容器運(yùn)行失敗。

圖4 docker 內(nèi)存壓力測試圖

測試結(jié)果表明，通過容器的內(nèi)存進(jìn)行控制，有效地限制了容器對宿主機(jī)內(nèi)存的使用，從而避免了因某個(gè)容器占用資源過多而影響其他容器乃至整個(gè)宿主機(jī)性能的情況發(fā)生。

3.2 快速部署與恢復(fù)測試

和標(biāo)準(zhǔn)部署與集成過程一樣，Docker 可以構(gòu)建、測試和發(fā)布鏡像，這個(gè)鏡像可以跨多個(gè)服務(wù)器進(jìn)行部署。當(dāng)部署多個(gè)來自同一個(gè)基礎(chǔ)鏡像的容器時(shí)，避免了多次復(fù)制操作，運(yùn)維人員通過把運(yùn)行正常的鏡像存儲(chǔ)到私有倉庫中。當(dāng)網(wǎng)站出現(xiàn)問題或者需要在其他服務(wù)器部署時(shí)，可以第一時(shí)間利用倉庫中的鏡像進(jìn)行快速恢復(fù)和部署，提高網(wǎng)站維護(hù)效率。本次測試分為兩個(gè)階段，第一階段測試通過基礎(chǔ)鏡像部署多個(gè)容器的能力以及版本控制功能；第二階段測試快速恢復(fù)能力。

首先，由于疫情在線和地震信息中心網(wǎng)站的開發(fā)環(huán)境都是一樣的，就以web:base 作為基礎(chǔ)鏡像，運(yùn)行yqzx 和earthweb 兩個(gè)容器來部署兩個(gè)網(wǎng)站。部署成功后可以保存為v1 版本的鏡像，當(dāng)后續(xù)涉及到軟件升級(jí)等操作時(shí)，可以通過保存為v2 版本，實(shí)現(xiàn)版本控制功能，如圖5 所示。

圖5 Docker 鏡像的多版本展示

其次，通過把運(yùn)行中的earthweb 容器中的tomcat 程序停掉，制造出網(wǎng)站異常的現(xiàn)象。此時(shí)可以直接把當(dāng)前異常容器刪掉，再直接運(yùn)行earthweb:v2 鏡像來啟動(dòng)容器。此時(shí)測試網(wǎng)站恢復(fù)正常，如圖6 所示。

圖6 Docker 快速恢復(fù)測試

測試結(jié)果表明，可以通過同一個(gè)基礎(chǔ)鏡像同時(shí)部署多個(gè)容器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站的快速部署。當(dāng)運(yùn)行在容器中的網(wǎng)站由于版本升級(jí)等原因出現(xiàn)問題時(shí)，可以通過運(yùn)行最新正常版本的鏡像來重新啟動(dòng)容器，啟動(dòng)過程也都是秒級(jí)的，體現(xiàn)了快速恢復(fù)能力。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的Web 網(wǎng)站發(fā)布技術(shù)多采用單機(jī)提供或者多端口并發(fā)訪問服務(wù)，容易造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和訪問速度緩慢等問題，一直制約著網(wǎng)站群的設(shè)計(jì)和建設(shè)。本文在分析云存儲(chǔ)和云計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上，利用Docker 虛擬化容器技術(shù)，通過運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了將多個(gè)不同開發(fā)環(huán)境的Web 網(wǎng)站部署到Docker容器中，解決了在有限的資源條件下實(shí)現(xiàn)對災(zāi)害信息網(wǎng)站群的部署困難問題，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)站群建設(shè)的快速部署和高利用率。對于開發(fā)測試和運(yùn)維人員，可以利用Docker 虛擬化技術(shù)直接部署軟件鏡像，完成系統(tǒng)測試和相關(guān)信息發(fā)布，簡化了系統(tǒng)集成、測試和發(fā)布的過程，管理更加簡單方便，這對網(wǎng)站群設(shè)計(jì)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。