云集技术学社｜容器技术和Docker介绍

1月20日，深信服大云售前专家YJ在信服云《云集技术学社》系列直播课上进行了《容器技术和Docker介绍》的分享，详细介绍了容器技术的发展、以Docker为代表的容器技术生态以及容器技术的应用场景。以下是他分享内容摘要。

看点一

容器和Docker发展历史

容器技术发展是从上世纪70年代开始，在算力飞速发展的背景下，科学家围绕着如何提高资源利用率进行研究，因此产生了最早的资源隔离技术，如chroot。资源隔离技术持续发展到21世纪初期，Namespace、Cgroup等资源隔离技术加入Linux内核，形成了内核标准的LXC容器技术。

2010年前后，云计算逐步发展，共享经济和互联网的趋势越来越明显，要求企业对客户的需求能够精准把控和快速满足，因此出现了敏捷迭代。在敏捷迭代的场景下，如果每次都需要工程师重复地去规划底层资源的隔离，配额，环境配置等，整体流程就无法实现敏捷。

基于这些背景，一个叫做Solomon Hykes的工程师提出了现代化容器的解决方案，他把这些技术整合到一个开箱即用的软件中，并且加入了诸多如用户友好的管理界面、规模化管理、存储格式等功能，这些能力如今都成为了容器的标准能力。

2014到2017年，Google等头部厂商先后开源围绕容器生态的解决方案，并试图掌握技术主导权，由此分化出CNCF和OCI等不同的技术组织和标准。

2018年后，CNCF主导的容器生态获得巨大成功，驱动了容器技术为基础的新一代PaaS的发展，孵化出了如应用开发运维能力（DevOps），应用架构（微服务），无服务器架构等领域的新方案。

以上就是容器技术大概的发展历史。提起容器技术大家会联想到Docker，其实容器技术并不特指Docker，但Docker在整个容器技术领域有着非常重要的作用，主要表现在三个方面：

一是Docker是容器技术的开创者，Docker在LXC的基础上降低了容器技术使用的复杂度，提出了大规模使用的管理运维方案。开创性提出了镜像文件实现了应用和运行环境的“一次封装到处运行”，进而又推动技术的普及度。

二是Docker是容器技术的推广者，DockerHub镜像仓库构建了基于镜像的开发者社区和生态，让全球开发者都参与到生态建设和分享中来，为容器技术的普及做出了极大贡献，Docker也凭此获得高速发展和领导者地位。

三是Docker是标准的推动者，Docker贡献和领导了容器镜像和运行时的OCI标准制定，加速了容器技术的发展。同时还贡献了containerd，参与了CRI标准制定，推动了容器生态和组织的发展，最终达到工业级应用。

尽管近些年Docker在容器技术主导权的地位争夺中发展不太乐观，但Docker经过十年经营，在市场认知度、学习资源的完善度、客户应用的成熟度等方面仍具有巨大优势，是了解容器发展历史和技术的首推学习对象。

看点二

Docker为代表的容器技术介绍

当谈论Docker的时候，并不是谈论单独的产品，而是Docker公司针对容器技术、管理和生态的一整套解决方案。

Docker由RunC、Containerd、Docker Engine、Docker Compose、Docker Swarm等部分组成： 

RunC（low-level)是一个轻量级的工具，用来运行容器，也是标准化的产物，是在围绕容器格式和对运行时制定的一个开放的工业化标准。

Containerd（high-level）是容器虚拟化技术，从Docker中剥离出来，形成开放容器接口（OCI）标准的一部分，起到承上启下的作用，对上接受命令参数的内容，对下调用RunC实际的操作容器服务。

Docker Engine是执行Docker标准的后台应用程序（Dockerd），用来构建镜像，运行容器，管理网络和存储等。它的API不遵循CRI标准。任何第三方平台与其集成必须开发对接其接口（Docker-shim）。

Docker Compose是基于YAML规范使用脚本来定义和简化多容器部署的工具。Docker Swarm是Docker集群管理平台。

Docker的核心概念是镜像，镜像含有启动Docker容器所需的文件系统结构及内容。可以说，镜像是Docker设计精巧的、引爆容器技术的核弹。

镜像有五个特性：一是封装，Docker镜像将应用及其类库，配置、环境等依赖全部打包紧耦合到一个文件实现应用迁移，让应用到任意环境都可开箱并立即正常运行。

二是分层，Docker镜像由基础层（base image）和应用层构成，而应用层可以根据对底层的依赖程度，抽象出不同的基础层。

三是共享，基于分层文件系统，不同的层可以被共享和依赖，使得镜像通过标准API操作进行复制时，只需要获取数据不同的层即可，不需要所有依赖都被复制（底层依赖已经存在情况下，会通过层的UUID进行校验）。

四是轻量，多个容器通过同一个镜像创建时，不需要对镜像进行复制（对比虚拟机），只需要将镜像层挂载为只读，然后再加上一个可读写层即可。

五是写时复制，只有在可读写层的数据变化且需要保存写入新的层的时候，Docker镜像才会生成新的镜像层。写时复制与分层机制可以大大减少磁盘空间的占用和容器启动时间。

Docker基于镜像去创建容器的具体步骤是：首先将BaseImage内容作为容器的rootfs以只读方式挂载。然后Docker Daemon继续解析镜像的其它层，如ADD，ENV等信息，对容器的运行时环境进行初始化。初始化后Docker Daemon继续解析镜像文件，执行CMD信息中的命令并执行，使得容器进入运行态。

Docker在计算时会用到Namespace和Cgroup技术，Docker会基于Namespace技术进行包括网络、文件系统和环境等在内的资源隔离。Linux Cgroup就是Linux内核中用来为进程设置资源限制的一个重要功能，全称是Linux Control Group，主要作用是限制一个进程能够使用的资源上限，包括CPU、内存、磁盘、网络带宽等等。 

镜像仓库是用来存储和分发容器镜像的应用。企业和个人对产出的镜像文件可以集中管理，便于进行权限控制、安全控制、能力共享、生态建设等。镜像仓库可以对基于容器镜像的应用进行统一的版本，分发管理等。镜像仓库可以简化和优化企业基于容器的开发测试管理和集成，运维流程等（如CICD）。

看点三

容器其他重要概念与应用场景

除了容器技术生态外，容器还有着其他的重要概念。Docker和虚拟机都是资源隔离的方案。Docker是基于OS的资源隔离技术，Docker Engine占用资源很少，物理机资源基本上被容器应用和物理机操作系统使用。虚拟机多了一层Guest OS（虚拟机操作系统），若一台物理机上跑10台虚拟机，则有10个Guest OS的资源损耗，Hypervisor层虚拟化，降低了虚拟机性能。

容器安全也是现在一个比较重要的领域，目前容器安全主要注重四个方面，一是镜像安全，如果使用了不安全的外部镜像依赖，镜像中有系统漏洞、缺陷，或者被恶意植入病毒和后门等，都会对容器造成较大威胁。二是容器逃逸，由于容器是基于OS共享的架构，如果攻击者利用容器漏洞，获取OS root权限，文件系统权限等，都会对整个系统造成极大危害。三是配置安全，即对容器引擎，镜像仓库，Kubernetes等没有进行正确的权限配置等造成的入侵。四是漏洞管理，针对镜像中的类库文件漏洞，如apache log4j2漏洞，需要对镜像文件进行及时识别和更新。

容器技术在深入到企业级应用时，还要有巨大的知识需要掌握，比如管理调度、大规模网络的网络性能、容器日志运行监控等，这些都需要对相应的解决方案进行深入学习。另外，由于容器技术的特性和生态发展，云服务厂商也在普遍使用容器技术构建企业级PaaS平台。

容器的应用场景主要有六个：一是快速开发，由于公有镜像仓库有着庞大的开源社区和开放的镜像资源，可以让开发者实现开箱即用。二是多云应用，因为容器与IaaS解耦以及容器本身轻量的特性让容器更便于去做多云的迁移。三是应用隔离，在同一个服务器里需要运行多个应用时，可以使用容器去做运行环境和依赖的隔离。四是微服务架构，容器与微服务架构轻量、敏捷弹性的特性适配。五是能力沉淀，利用容器技术可以将前期架构的运行环境封装起来，方便后来的技术人员开箱即用，这也是对企业能力的沉淀。六是持续集成和部署，容器可以保障开发测试环境的一致性，实现快速迭代和部署。

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