全面讲解Docker容器技术的基本概念

什么是Docker？
docker的英文本意是码头工人，也就是搬运工，这种搬运工搬运的是集装箱（Container），集装箱里面装的可不是商品货物，而是任意类型的App，Docker把App（叫Payload）装在Container内，通过Linux Container技术的包装将App变成一种标准化的、可移植的、自管理的组件，这种组件可以在你的latop上开发、调试、运行，最终非常方便和一致地运行在production环境下。
Docker的核心底层技术是LXC（Linux Container），Docker在其上面加了薄薄的一层，添加了许多有用的功能。这篇stackoverflow上的问题和答案很好地诠释了Docker和LXC的区别，能够让你更好的了解什么是Docker， 简单翻译下就是以下几点：
Docker提供了一种可移植的配置标准化机制，允许你一致性地在不同的机器上运行同一个Container；而LXC本身可能因为不同机器的不同配置而无法方便地移植运行；
Docker以App为中心，为应用的部署做了很多优化，而LXC的帮助脚本主要是聚焦于如何机器启动地更快和耗更少的内存；
Docker为App提供了一种自动化构建机制（Dockerfile），包括打包，基础设施依赖管理和安装等等；
Docker提供了一种类似git的Container版本化的机制，允许你对你创建过的容器进行版本管理，依靠这种机制，你还可以下载别人创建的Container，甚至像git那样进行合并；
Docker Container是可重用的，依赖于版本化机制，你很容易重用别人的Container（叫Image），作为基础版本进行扩展；
Docker Container是可共享的，有点类似github一样，Docker有自己的INDEX，你可以创建自己的Docker用户并上传和下载Docker Image；
Docker提供了很多的工具链，形成了一个生态系统；这些工具的目标是自动化、个性化和集成化，包括对PAAS平台的支持等；
那么Docker有什么用呢？对于运维来说，Docker提供了一种可移植的标准化部署过程，使得规模化、自动化、异构化的部署成为可能甚至是轻松简单的事情；而对于开发者来说，Docker提供了一种开发环境的管理方法，包括映像、构建、共享等功能。
Docker vs. VM
从下图可以看出，VM是一个运行在宿主机之上的完整的操作系统，VM运行自身操作系统会占用较多的CPU、内存、硬盘资源。Docker不同于VM，只包含应用程序以及依赖库，基于libcontainer运行在宿主机上，并处于一个隔离的环境中，这使得Docker更加轻量高效，启动容器只需几秒钟之内完成。由于Docker轻量、资源占用少，使得Docker可以轻易的应用到构建标准化的应用中。但Docker目前还不够完善，比如隔离效果不如VM，共享宿主机操作系统的一些基础库等；网络配置功能相对简单，主要以桥接方式为主；查看日志也不够方便灵活。

另外，IBM发表了一篇关于虚拟机和Linux container性能对比的论文，论文中实际测试了虚拟机和Linux container在CPU、内存、存储IO以及网络的负载情况，结果显示Docker容器本身几乎没有什么开销，但是使用AUFS会一定的性能损耗，不如使用Docker Volume，Docker的NAT在较高网络数据传输中会引入较大的工作负载，带来额外的开销。不过container的性能与native相差不多，各方面的性能都一般等于或者优于虚拟机。Container和虚拟机在IO密集的应用中都需要调整优化以更好的支持IO操作，两者在IO密集型的应用中都应该谨慎使用。
Docker组件

Docker是CS架构，主要由下面三部分组成：
Docker daemon: 运行在宿主机上，Docker守护进程，用户通过Docker client(Docker命令)与Docker daemon交互
Docker client: Docker 命令行工具，是用户使用Docker的主要方式，Docker client与Docker daemon通信并将结果返回给用户，Docker client也可以通过socket或者RESTful api访问远程的Docker daemon
Docker hub/registry: 共享和管理Docker镜像，用户可以上传或者下载上面的镜像，官方地址为https://registry.hub.docker.com/，也可以搭建自己私有的Docker registry。
了解了Docker的组成，再来了解一下Docker的两个主要概念：
Docker image：镜像是只读的，镜像中包含有需要运行的文件。镜像用来创建container，一个镜像可以运行多个container；镜像可以通过Dockerfile创建，也可以从Docker hub/registry上下载。
Docker container：容器是Docker的运行组件，启动一个镜像就是一个容器，容器是一个隔离环境，多个容器之间不会相互影响，保证容器中的程序运行在一个相对安全的环境中。
Docker网络
Docker的网络功能相对简单，没有过多复杂的配置，Docker默认使用birdge桥接方式与容器通信，启动Docker后，宿主机上会产生docker0这样一个虚拟网络接口， docker0不是一个普通的网络接口， 它是一个虚拟的以太网桥，可以为绑定到docker0上面的网络接口自动转发数据包，这样可以使容器与宿主机之间相互通信。每次Docker创建一个容器，会产生一对虚拟接口，在宿主机上执行ifconfig，会发现多了一个类似veth****这样的网络接口，它会绑定到docker0上，由于所有容器都绑定到docker0上，容器之间也就可以通信。
在宿主机上执行ifconfig，会看到docker0这个网络接口， 启动一个container，再次执行ifconfig, 会有一个类似veth****的interface，每个container的缺省路由是宿主机上docker0的ip，在container中执行netstat -r可以看到如下图所示内容：

容器中的默认网关跟docker0的地址是一样的：

当容器退出之后，veth*虚拟接口也会被销毁。
除bridge方式，Docker还支持host、container、none三种网络通信方式，使用其它通信方式，只要在Docker启动时，指定--net参数即可，比如:

host方式可以让容器无需创建自己的网络协议栈，而直接访问宿主机的网络接口，在容器中执行ip addr会发现与宿主机的网络配置是一样的，host方式让容器直接使用宿主机的网络接口，传输数据的效率会更加高效，避免bridge方式带来的额外开销，但是这种方式也可以让容器访问宿主机的D-bus等网络服务，可能会带来意想不到的安全问题，应谨慎使用host方式；container方式可以让容器共享一个已经存在容易的网络配置； none方式不会对容器的网络做任务配置，需要用户自己去定制。
Docker生态
随着Docker迅速火遍全球， 以Docker为基础的生态系统也迅速的发展起来，从以部署和运行container为基础的CoreOS到各种各样的管理工具和PaaS软件，Docker以及生态产品都在迅猛发展，以下介绍几个代表性的软件。
首先介绍CoreOS，它的出现极大地推动了Docker技术的推广和发展，CoreOS是专门为大规模服务部署而设计的一种新的Linux发行版，通过运行轻量级的容器方便扩展和维护大规模的服务。它具有以下特点：
CoreOS使用container管理服务(容器即服务)，即以容器的角度去管理服务，服务的代码和依赖都打包到容器里，打包后的容器直接在CoreOS上运行管理。通过容器用户不再需要关注虚拟机环境等，极大地降低了服务和系统环境的耦合性。另外部署在CoreOS的多个容器都运行在各自独立的环境中，不会相互影响。
CoreOS专门为cluster等大规模部署而设计，提供了Etcd进行服务发现，以及Fleet管理容器保证服务可用。
CoreOS更加精简，比如RAM使用比普通Linux低40%。
CoreOS采用双分区模式(Dual-Partition)，主分区为主动模式，负责系统运行，被动模式分区负责系统更新，更新时将整个CoreOS系统下载下来。
CoreOS是为集群服务而设计的，提供了Etcd、Fleet等管理工具管理容器和服务。Etcd是一种类似Zookeeper的分布式key/value存储服务，用于服务发现和配置管理。Fleet是容器管理工具，保证服务的可用性，当某个机器的服务不可用时，Fleet会将服务迁移到其它机器上运行。
Docker生态中还有一个非常重要的容器管理工具--Kubernetes，它是Google开源的用于在集群环境中管理、维护、自动扩展容器，通过Kubernetes可以很方便地在多个机器上管理和部署容器服务。现在已经得到IBM、Microsoft、RedHat等多个大公司的支持。
在Kubernetes中pod是一个基本单元，一个pod可以是提供相同功能的多个container，这些容器会被部署在同一个minion上。Replication controller定义了多个pod或者容器需要运行，如果当前集群中运行的pod或容器达不到配置的数量，replication controller会调度容器在多个minion上运行，保证集群中的pod数量。service则定义真实对外提供的服务，一个service会对应后端运行的多个container。Kubernetes的架构由一个master和多个minion组成，master通过api提供服务，接受kubectl的请求来调度管理整个集群。minion是运行Kubelet的机器，它接受master的指令创建pod或者容器。
最后介绍一下基于Docker实现的PaaS软件，Docker PaaS软件中以Deis和Flynn最为知名。Deis是基于Docker和CoreOS实现的轻量级的PaaS，受到Heroku的启发，遵循“十二要素”构建应用方法。Deis是以应用程序为中心设计的，分为build、release、run三个阶段，用户执行"git push"后，Deis使用Docker 容器编译并将编译结果保存在Docker镜像；发布阶段，一次build和配置文件产生一个数字标识的发布镜像，将发布镜像保存到Docker registry中以供后续发布到线上运行；运行阶段应用镜像会被调度到主机上运行，并更新相应的路由。Flynn与Deis类似，也是以应用为中心，Flynn组件分为两层，layer0是底层资源的抽象，主要负责资源调度以及服务发现等，为上层应用容器的运行提供底层资源调度支持；layer1处理具体应用，通过Docker容器编译、部署和维护上层应用程序。