Docker 源码架构部署篇

Posted 2020-10-30

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Docker 源码架构部署篇相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一. Docker入门简介

Docker是Docker公司开源的一个基于轻量级虚拟化技术的容器引擎项目,整个项目基于Go语言开发，并遵从Apache 2.0协议。目前，Docker可以在容器内部快速自动化部署应用，并可以通过内核虚拟化技术（namespaces及cgroups等）来提供容器的资源隔离与安全保障等。由于Docker通过操作系统层的虚拟化实现隔离，所以Docker容器在运行时，不需要类似虚拟机（VM）额外的操作系统开销，提高资源利用率，并且提升诸如IO等方面的性能。

由于众多新颖的特性以及项目本身的开放性，Docker在不到两年的时间里迅速获得诸多厂商的青睐，其中更是包括Google、Microsoft、VMware等业界行业领导者。Google在今年六月份推出了Kubernetes，提供Docker容器的调度服务，而今年8月Microsoft宣布Azure上支持Kubernetes，随后传统虚拟化巨头VMware宣布与Docker强强合作。今年9月中旬，Docker更是获得4000万美元的C轮融资，以推动分布式应用方面的发展。

Docker 项目的目标是实现轻量级的操作系统虚拟化解决方案。 Docker 的基础是 Linux 容器（LXC）等技术。

在 LXC 的基础上 Docker 进行了进一步的封装，让用户不需要去关心容器的管理，使得操作更为简便。用户操作 Docker 的容器就像操作一个快速轻量级的虚拟机一样简单。

下面对比了Docker 和传统虚拟化（KVM、XEN等）方式的不同之处，容器是在操作系统层面上实现虚拟化，直接复用本地主机的操作系统，而传统方式则是在硬件的基础上，虚拟出自己的系统，再在系统上部署相关的APP应用。

下图为传统虚拟化方案：

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如下为Docker虚拟化方案：

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Docker虚拟化有三个概念需要理解，分别镜像、容器、仓库。

1) 镜像：docker的镜像其实就是模板，跟我们常见的ISO镜像类似，是一个样板。

2) 容器：使用镜像常见的应用或者系统，我们称之为一个容器。

3) 仓库：仓库是存放镜像的地方，分为公开仓库（Public）和私有仓库（Private）两种形式.

二. Docker虚拟化特点

跟传统VM比较具有如下优点：

1) 操作启动快

运行时的性能可以获取极大提升，管理操作（启动，停止，开始，重启等等）都是以秒或毫秒为单位的。

2) 轻量级虚拟化

你会拥有足够的“操作系统”，仅需添加或减小镜像即可。在一台服务器上可以布署100~1000个Containers容器。但是传统虚拟化，你虚拟10-20个虚拟机就不错了。

3) 开源免费

开源的，免费的，低成本的。由现代Linux内核支持并驱动。注* 轻量的Container必定可以在一个物理机上开启更多“容器”，注定比VMs要便宜。

4) 前景及云支持

正在越来越受欢迎，包括各大主流公司都在推动docker的快速发展，性能有很大的优势。

三.为什么要使用Docker

1、更高效的利用系统资源

由于容器不需要进行硬件虚拟及运行完整操作系统等额外开销，Docker对系统资源的利用率更高。无论是应用执行速度、内存损耗或者文件存储速度，都要比传统的虚拟机技术更高效。因此，相比虚拟机技术，一个相同配置的主机，往往可以运行更多数量的应用。

2、轻量级启动快速

传统的虚拟机是基于hypervisor进行虚拟出来，而docker是内核级虚拟化，由于直接运行与宿主内核，无序启动完整的操作系统，因此可以做到妙级，甚至毫秒级的启动时间，大大的节约了开发，测试，部署的时间

3、快速部署，快速迁移

由于Docker确保了执行环境的一致性，使得应用的迁移更加容易，Docker可以在很多平台上运行，无论是物理机，虚拟机，公有云，私有云，甚至是比较本，其运行结果是一致的，因此用户可以很轻易的将在一个平台上运行的应用，迁移到另一个平台上，而不用担心运行环境的变化导致应用无法正常运行的情况。

4、持续交付和部署

对于开发和运维人员来说，最希望的就是一次创建或配置，可以在任意地方正常运行。

使用Docker可以通过定制应用镜像来实现持续集成，持续交付，部署。开发人员可以通过Dockerfile来进行镜像构建，并结合持续集成系统进行集成测试，而运维人员则可以在生产环境中快速部署该镜像，甚至结合持续部署系统进行自动部署

5、一致的运行环境

开发过程中一个常见的问题是环境一致性问题，由于开发环境，测试环境，生产环境不一致，导致有些bug并未在开发过程中被发现，而Docker的镜像提供了除内核外完整的运行时环境，确保了应用运行环境一致性。从而不会再出现（这段代码在我机器上运行没问题啊）zz这类问题。

6、更轻松的维护和扩展

Docker使用的分层存数以及镜像的技术，使得应用重复部分的复用更为容易，也使得应用的维护更新更加简单，基于基础镜像进一步扩展镜像也变得非常简单，此外，Docker团队同各个开源项目团队一起维护了一大批高质量的官方镜像，既可以直接在生产环境使用，又可以作为基础进一步定制，大大的降低了应用服务的镜像制作成本。

四.Docker 的体系结构

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不难看出，用户是使用Docker Client与Docker Daemon建立通信，并发送请求给后者。

而Docker Daemon作为Docker架构中的主体部分，首先提供Server的功能使其可以接受Docker Client的请求；而后Engine执行Docker内部的一系列工作，每一项工作都是以一个Job的形式的存在。

Job的运行过程中，当需要容器镜像时，则从Docker Registry中下载镜像，并通过镜像管理驱动graphdriver将下载镜像以Graph的形式存储；当需要为Docker创建网络环境时，通过网络管理驱动networkdriver创建并配置Docker容器网络环境；当需要限制Docker容器运行资源或执行用户指令等操作时，则通过execdriver来完成。

而libcontainer是一项独立的容器管理包，networkdriver以及execdriver都是通过libcontainer来实现具体对容器进行的操作。

当执行完运行容器的命令后，一个实际的Docker容器就处于运行状态，该容器拥有独立的文件系统，独立并且安全的运行环境等。

五、Docker 架构内各模块的功能与实现分析

主要模块

5.1 docker client [发起请求]

Docker Client是和Docker Daemon建立通信的客户端。用户使用的可执行文件为docker（类似可执行脚本的命令），docker命令后接参数的形式来实现一个完整的请求命令（例如docker images，docker为命令不可变，images为参数可变）。
Docker Client可以通过以下三种方式和Docker Daemon建立通信：tcp://host:port，unix://path_to_socket和fd://socketfd。
Docker Client发送容器管理请求后，由Docker Daemon接受并处理请求，当Docker Client接收到返回的请求相应并简单处理后，Docker Client一次完整的生命周期就结束了。[一次完整的请求：发送请求→处理请求→返回结果]，与传统的C/S架构请求流程并无不同。

5.2 docker daemon [后台守护进程]

Docker Daemon架构图

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1、Docker Server [调度分发请求]

docker Server 架构图

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1、Docker Server相当于C/S架构的服务端。功能为接受并调度分发Docker Client发送的请求。接受请求后，Server通过路由与分发调度，找到相应的Handler来执行请求。

2、在Docker的启动过程中，通过包gorilla/mux，创建了一个mux.Router，提供请求的路由功能。在Golang中，gorilla/mux是一个强大的URL路由器以及调度分发器。该mux.Router中添加了众多的路由项，每一个路由项由HTTP请求方法（PUT、POST、GET或DELETE）、URL、Handler三部分组成。

3、创建完mux.Router之后，Docker将Server的监听地址以及mux.Router作为参数，创建一个httpSrv=http.Server{}，最终执行httpSrv.Serve()为请求服务。

4、在Server的服务过程中，Server在listener上接受Docker Client的访问请求，并创建一个全新的goroutine来服务该请求。在goroutine中，首先读取请求内容，然后做解析工作，接着找到相应的路由项，随后调用相应的Handler来处理该请求，最后Handler处理完请求之后回复该请求。

2、Engine

1、Engine是Docker架构中的运行引擎，同时也Docker运行的核心模块。它扮演Docker container存储仓库的角色，并且通过执行job的方式来操纵管理这些容器。

2、在Engine数据结构的设计与实现过程中，有一个handler对象。该handler对象存储的都是关于众多特定job的handler处理访问。举例说明，Engine的handler对象中有一项为：{"create": daemon.ContainerCreate,}，则说明当名为"create"的job在运行时，执行的是daemon.ContainerCreate的handler。

3、Job

1、一个Job可以认为是Docker架构中Engine内部最基本的工作执行单元。Docker可以做的每一项工作，都可以抽象为一个job。例如：在容器内部运行一个进程，这是一个job；创建一个新的容器，这是一个job。Docker Server的运行过程也是一个job，名为serveapi。

2、Job的设计者，把Job设计得与Unix进程相仿。比如说：Job有一个名称，有参数，有环境变量，有标准的输入输出，有错误处理，有返回状态等。

5.3 docker registry [镜像注册中心]

Docker Registry是一个存储容器镜像的仓库（注册中心），可理解为云端镜像仓库，按repository来分类，docker pull 按照[repository]:[tag]来精确定义一个image。
在Docker的运行过程中，Docker Daemon会与Docker Registry通信，并实现搜索镜像、下载镜像、上传镜像三个功能，这三个功能对应的job名称分别为"search"，"pull" 与 "push"。
可分为公有仓库（docker hub）和私有仓库。

5.4 Graph [docker内部数据库]

graph的架构图

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其中，GraphDB是一个构建在SQLite之上的小型图数据库，实现了节点的命名以及节点之间关联关系的记录。它仅仅实现了大多数图数据库所拥有的一个小的子集，但是提供了简单的接口表示节点之间的关系。

同时在Graph的本地目录中，关于每一个的容器镜像，具体存储的信息有：该容器镜像的元数据，容器镜像的大小信息，以及该容器镜像所代表的具体rootfs。

5.5 dirver

Driver是Docker架构中的驱动模块。通过Driver驱动，Docker可以实现对Docker容器执行环境的定制。即Graph负责镜像的存储，Driver负责容器的执行。在Docker Driver的实现中，可以分为以下三类驱动：graphdriver、networkdriver和execdriver。

1、graphdriver

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