Docker底层设计-Docker学习笔记

一、基本架构

传统虚拟机技术是虚拟出一套硬件后,在其上运行一个完整操作系统,在该系统上再运行所需应用进程;而容器内的应用进程直接运行于宿主的内核,容器内没有自己的内核,而且也没有进行硬件虚拟。因此容器要比传统虚拟机更为轻便,一下列出了 Docker 和传统虚拟化方式的不同的设计:

传统虚拟化

Docker

Docker 采用了 C/S 架构,包括客户端和服务端。Docker 守护进程 (Daemon)作为服务端接受来自客户端的请求,并处理这些请求(创建、运行、分发容器)。

客户端和服务端既可以运行在一个机器上,也可通过 socket 或者 RESTful API 来进行通信。

Docker 守护进程一般在宿主主机后台运行,等待接收来自客户端的消息。

Docker 客户端则为用户提供一系列可执行命令,用户用这些命令实现跟 Docker 守护进程交互。

Docker 基本架构

二、命名空间

命名空间是 Linux 内核一个强大的特性。每个容器都有自己单独的命名空间,运行在其中的应用都像是在独立的操作系统中运行一样。命名空间保证了容器之间彼此互不影响。

2.1、pid 命名空间

不同用户的进程就是通过 pid 命名空间隔离开的,且不同命名空间中可以有相同 pid。所有的 LXC 进程在 Docker 中的父进程为Docker进程,每个 LXC 进程具有不同的命名空间。同时由于允许嵌套,因此可以很方便的实现嵌套的 Docker 容器。

2.2、net 命名空间

有了 pid 命名空间, 每个命名空间中的 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 命名空间实现的, 每个 net 命名空间有独立的 网络设备, IP 地址, 路由表, /proc/net 目录。这样每个容器的网络就能隔离开来。Docker 默认采用 veth 的方式,将容器中的虚拟网卡同 host 上的一 个Docker 网桥 docker0 连接在一起。

2.3、ipc 命名空间

容器中进程交互还是采用了 Linux 常见的进程间交互方法(interprocess communication - IPC), 包括信号量、消息队列和共享内存等。然而同 VM 不同的是,容器的进程间交互实际上还是 host 上具有相同 pid 命名空间中的进程间交互,因此需要在 IPC 资源申请时加入命名空间信息,每个 IPC 资源有一个唯一的 32 位 id。

2.4、mnt 命名空间

类似 chroot,将一个进程放到一个特定的目录执行。mnt 命名空间允许不同命名空间的进程看到的文件结构不同,这样每个命名空间 中的进程所看到的文件目录就被隔离开了。同 chroot 不同,每个命名空间中的容器在 /proc/mounts 的信息只包含所在命名空间的 mount point。

2.5、uts 命名空间

UTS(“UNIX Time-sharing System”) 命名空间允许每个容器拥有独立的 hostname 和 domain name, 使其在网络上可以被视作一个独立的节点而非 主机上的一个进程。

2.6、user 命名空间

每个容器可以有不同的用户和组 id, 也就是说可以在容器内用容器内部的用户执行程序而非主机上的用户。

三、控制组

控制组(cgroups)是 Linux 内核的一个特性,主要用来对共享资源进行隔离、限制、审计等。只有能控制分配到容器的资源,才能避免当多个容器同时运行时的对系统资源的竞争。

控制组技术最早是由 Google 的程序员在 2006 年提出,Linux 内核自 2.6.24 开始支持。

控制组可以提供对容器的内存、CPU、磁盘 IO 等资源的限制和审计管理。

四、联合文件系统

联合文件系统(UnionFS)是一种分层、轻量级并且高性能的文件系统,它支持对文件系统的修改作为一次提交来一层层的叠加,同时可以将不同目录挂载到同一个虚拟文件系统下(unite several directories into a single virtual filesystem)。

联合文件系统是 Docker 镜像的基础。镜像可以通过分层来进行继承,基于基础镜像(没有父镜像),可以制作各种具体的应用镜像。

另外,不同 Docker 容器就可以共享一些基础的文件系统层,同时再加上自己独有的改动层,大大提高了存储的效率。

Docker 中使用的 AUFS(AnotherUnionFS)就是一种联合文件系统。 AUFS 支持为每一个成员目录(类似 Git 的分支)设定只读(readonly)、读写(readwrite)和写出(whiteout-able)权限, 同时 AUFS 里有一个类似分层的概念, 对只读权限的分支可以逻辑上进行增量地修改(不影响只读部分的)。

Docker 目前支持的联合文件系统包括 OverlayFS, AUFS, Btrfs, VFS, ZFSDevice Mapper

各 Linux 发行版 Docker 推荐使用的存储驱动如下表。

Linux 发行版 Docker 推荐使用的存储驱动
Docker CE on Ubuntu aufs, devicemapper, overlay2 (Ubuntu 14.04.4 +, 16.04 +), overlay, zfs, vfs
Docker CE on Debian aufs, devicemapper, overlay2 (Debian Stretch), overlay, vfs
Docker CE on CentOS devicemapper, vfs
Docker CE on Fedora devicemapper, overlay2 (Fedora 26 +), overlay (实验性支持), vfs

在可能的情况下,推荐使用 overlay2 存储驱动,overlay2 是目前 Docker 默认的存储驱动,以前则是 aufs。你可以通过配置来使用以上提到的其他类型的存储驱动。

五、容器格式

最初,Docker 采用了 LXC 中的容器格式。从 0.7 版本以后开始去除 LXC,转而使用自行开发的 libcontainer,从 1.11 开始,则进一步演进为使用 runCcontainerd

对更多容器格式的支持,还在进一步的发展中。

Author: bugwz
Link: https://bugwz.com/2017/10/15/docker-3/
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