docker 的体系结构

Posted 2020-12-30

Docker的体系结构
Docker 的体系结构
docker使用C/S 架构，docker daemon 作为 server 端接受 client 的请求，并处理（创建、运
行、分发容器），他们可以运行在一个机器上，也通过socket或者RESTful API 通信

Docker daemon 一般在宿主主机后台运行。
Docker client以系统命令的形式存在，用户用docker命令来跟docker daemon 交互。Docker 守护进程（Docker daemon）
如上图所示，Docker 守护进程运行在一台主机上。用户并不直接和守护进程进行交互，而是通过 Docker 客户端间接和其通信。
Docker 客户端（Docker client）
Docker 客户端，实际上是docker的二进制程序，是用户与 Docker 交互方式。它接收用户指
令并且与背后的 Docker 守护进程通信

Docker 内部：
要理解 Docker 内部构建，需要理解以下三大核心概念：
Docker 镜像 - Docker images
Docker 仓库 - Docker repository
Docker 容器 - Docker containers
只有理解了这三个核心概念，才能顺利地理解Docker容器的整个生命周期。
Docker镜像
Docker镜像是Docker容器运行时的只读模板，镜像可以用来创建Docker容器。每一个镜像由
一系列的层 (layers) 组成。Docker使用UnionFS（联合文件系统）来将这些层联合到单独
的镜像中。UnionFS允许独立文件系统中的文件和文件夹(称之为分支)被透明覆盖，形成一
个单独连贯的文件系统。正因为有了这些层的存在，Docker是如此的轻量。当你改变了一个
Docker镜像，比如升级到某个程序到新的版本，一个新的层会被创建。因此，不用替换整个原先的镜像或者重新建立(在使用虚拟机的时候你可能会这么做)，只是一个新的层被添加或升级了。现在你不用重新发布整个镜像，只需要升级，层使得分发Docker 镜像变得简单和快速。
例如：centos镜像中安装nginx，就成了“nginx镜像”，其在此时Docker镜像的层级概念就体现出来了。底层一个centos操作系统镜像，上面叠加一个nginx层，就完成了一个nginx镜像的构建。层级概念就不难理解，此时我们一般centos操作系统镜像称为nginx镜像层的父镜像。
nginx镜像的构建。层级概念就不难理解，此时我们一般centos操作系统镜像称为nginx镜像层的父镜像。
镜像是创建Docker容器的基础。通过版本管理和增量的文件系统，Docker提供了一套十分简单的机制来创建和更新现有的镜像，用户甚至可以从网上下载一个已经做好的镜像，并直接使用。
Docker仓库
Docker仓库类似于代码仓库，它是Docker集中存放镜像文件的场所不要将Docker仓库和仓库注册服务器（Registry）混为一谈。实际上，仓库注册服务器是存放仓库的地方，其上往往存放着多个仓库。每个仓库集中存放某一类镜像，往往包括多个镜像文件，通过不同的标签（tag）来进行区分。例如存放Ubuntu操作系统镜像的仓库称为Ubuntu仓库，其中可能包括14.04、12.04等不同版本的镜像。仓库注册服务器的示例如图
所示。
Docker容器
Docker利用容器来运行应用，一个Docker容器包含了所有的某个应用运行所需要的环境。每一个Docker 容器都是从Docker 镜像创建的，是通过镜像创建的运行实例。Docker容器可以运行、开始、停止、移动和删除。每一个Docker容器都是独立和安全的应用平台，彼此相互隔离、互不见
可以把容器看做是一个简易版的Linux环境（包括root用户权限、进程空间、用户空间和网络空间等）和运行在其中的应用程序。
*注：镜像是只读的，容器在启动的时候创建一层可写层作为最上层

与虚拟机相比，容器有一个很大的差异，它们被设计用来运行"单进程"，无法很好地模拟一个完整的环境。Docker设计者极力推崇“一个容器一个进程的方式”，如果你要选择在一个容器中运行多个进程，那唯一情况是：出于调试目的。容器是设计来运行一个应用的，而非一台机器。你可能会把容器当虚拟机用，但你将失去很多的灵活性，因为Docker提供了用于分离应用与数据的工具，使得你可以快捷地更新运行中的代码/系统，而不影响数据
Docker 底层技术
docker底层的2个核心技术分别是 Namespaces和Control groups
Namespaces用来隔离各个容器
1) pid namespace
不同用户的进程就是通过pid namespace隔离开的，且不同namespace中可以有相同pid。所有的LXC进程在docker中的父进程为docker进程，每个lxc进程具有不同的namespace 。
2) net namespace有了pid namespace, 每个namespace中的pid能够相互隔离，但是网络端口还是共享host的端口。网络隔离是通过net namespace实现的，每个netnamespace有独立的network
devices, IP addresses, IP routing tables, /proc/net 目录。这样每个container的网络就能隔离开来。docker默认采用veth的方式将container中的虚拟网卡同host上的一个
docker bridge: docker0 连接在一起。
3) ipc namespace
container中进程交互还是采用linux常见的进程间交互方法 (interprocess communication- IPC),包括常见的信号量、消息队列和共享内存。container的进程间交互实际上还host
上具有相同pid namespace中的进程间交互。
4) mnt namespace
类似chroot，将一个进程放到一个特定的目录执行。mnt namespace 允许不同namespace的进程看到的文件结构不同，这样每个namespace中的进程所看到的文件目录就被隔离开了。
在container里头，看到的文件系统，就是一个完整的linux系统，有/etc、/lib 等，通过chroot实现。
5) uts namespace
UTS("UNIX Time-sharing System") namespace 允许每个container拥有独立的hostname和domain name, 使其在网络上可以被视作一个独立的节点而非Host上的一个进程。
6) user namespace
每个container可以有不同的user和group id，也就是说可以在container内部用container内部的用户执行程序而非Host上的用户。有了以上6种namespace从进程、网络、IPC、文件系统、UTS和用户角度的隔离，一个container就可以对外展现出一个独立计算机的能力，并且不container从OS层面实现了隔离。然而不同namespace之间资源还是相互竞争的，仍然需要类似ulimit来管理每个container所能使用的资源--cgroup。
cgroups（Control groups）实现了对资源的配额和度量。
cgroups（Control Groups）最初叫Process Container，由Google工程师（PaulMenage和Rohit Seth）于2006年提出，后来因为Container有多重含义容易引起误解，就在
2007年更名为Control Groups，并被整合进Linux内核。顾名思义就是把进程放到一个组里面统一加以控制。官方的定义如下：cgroups是Linux内核提供的一种机制，这种机制可以根据特定的行为，把一系列系统任务及其子任务整合（或分隔）到按资源划分等级的不同组内，从而为系统资源管理提供一个统一的框架。
通俗的来说，cgroups可以限制、记录、隔离进程组所使用的物理资源（包括：CPU、memory、IO等），为容器实现虚拟化提供了基本保证，是构建Docker等一系列虚拟化管理工具的基石。
实现cgroups的主要目的是为不同用户层面的资源管理，提供一个统一化的接口。从单个进程的资源控制到操作系统层面的虚拟化。Cgroups提供了以下四大功能：资源限制（Resource Limitation）：cgroups可以对进程组使用的资源总额进行限制。如设定应用运行时使用内存的上限，一旦超过这个配额就发出OOM（Out ofMemory）。优先级分配（Prioritization）：通过分配的CPU时间片数量及硬盘IO带宽大小，实际上就相当于控制了进程运行的优先级。
资源统计（Accounting）： cgroups可以统计系统的资源使用量，如CPU使用时长、内存用量等等，这个功能非常适用于计费。进程控制（Control）：cgroups可以对进程组执行挂起、恢复等操作。