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

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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。

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Docker 内部

要理解 Docker 内部构建,需要理解以下三种部件:

Docker 镜像 - Docker images

Docker 仓库 - Docker registeries

Docker 容器 - Docker containers

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。

每个docker都有很多层次构成,docker使用  union file systems  将这些不同的层结合到一个image 中去。

例如:centos镜像中安装nginx,就成了nginx镜像,其实在此时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ngnx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。


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Docker 仓库

Docker 仓库用来保存镜像,可以理解为代码控制中的代码仓库。同样的,Docker 仓库也有公有和私有的概念。公有的 Docker 仓库名字是 Docker Hub。Docker Hub 提供了庞大的镜像集合供使用。这些镜像可以是自己创建,或者在别人的镜像基础上创建。

仓库是集中存放镜像文件的场所。有时候会把仓库和仓库注册服务器(Registry)混为一谈,并不严格区分。实际上,仓库注册服务器上往往存放着多个仓库,每个仓库中又包含了多个镜像,每个镜像有不同的标签(tag)。

 

仓库分为公开仓库(Public)和私有仓库(Private)两种形式。

最大的公开仓库是 Docker Hub,存放了数量庞大的镜像供用户下载。国内的公开仓库包括 Docker Pool等,可以提供大陆用户更稳定快速的访问。

 

当然,用户也可以在本地网络内创建一个私有仓库。

当用户创建了自己的镜像之后就可以使用push命令将它上传到公有或者私有仓库,这样下次在另外一台机器上使用这个镜像时候,只需要从仓库上pull下来就可以了。

*注:Docker 仓库的概念跟Git类似,注册服务器可以理解为 GitHub 这样的托管服务。

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。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。

容器是从镜像创建的运行实例。它可以被启动、开始、停止、删除。每个容器都是相互隔离的、保证安全的平台。

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。

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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 从 0.9 版本开始使用 libcontainer 替代 lxc,libcontainer 和 Linux 系统的交互图如下: 

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Docker  底层技术

docker底层的 2 个核心技术分别是 Namespaces Control groups

Namespaces用来隔离各个容器

1)pid namespace

不同容器的进程就是通过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 net namespace 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是host 上具有相同ipc 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。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 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 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,并且不同 container 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

cgroupsControl groups实现了对资源的配额和度量。

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