[技术分享]Docker 基础原理了解

isle24发布于20 天前 • 43 次阅读

概念#

官网的说法是:虚拟机上的应用不仅包含了应用本身、必要的依赖(二进制和库包等),还包括整个操作系统;而docker应用不同,共享系统内核,仅仅包含应用本身和依赖。

Namespaces#

命名空间 (namespaces) 是 Linux 为我们提供的用于分离进程树、网络接口、挂载点以及进程间通信等资源的方法。在日常使用 Linux 或者 macOS 时,我们并没有运行多个完全分离的服务器的需要,但是如果我们在服务器上启动了多个服务,这些服务其实会相互影响的,每一个服务都能看到其他服务的进程,也可以访问宿主机器上的任意文件,这是很多时候我们都不愿意看到的,我们更希望运行在同一台机器上的不同服务能做到完全隔离,就像运行在多台不同的机器上一样

这种情况下,一旦服务器上的某一个服务被入侵,那么入侵者就能够访问当前机器上的所有服务和文件,这也是我们不想看到的,而 Docker 其实就通过 Linux 的 Namespaces 对不同的容器实现了隔离

Linux 的命名空间机制提供了以下七种不同的命名空间,包括 CLONE_NEWCGROUP、CLONE_NEWIPC、CLONE_NEWNET、CLONE_NEWNS、CLONE_NEWPID、CLONE_NEWUSER 和 CLONE_NEWUTS,通过这七个选项我们能在创建新的进程时设置新进程应该在哪些资源上与宿主机器进行隔离

进程#

机器上有有两个进程非常特殊,一个是 pid 为 1 的 /sbin/init 进程,另一个是 pid 为 2 的 kthreadd 进程,这两个进程都是被 Linux 中的上帝进程 idle 创建出来的,其中前者负责执行内核的一部分初始化工作和系统配置,也会创建一些类似 getty 的注册进程,而后者负责管理和调度其他的内核进程

宿主机上,docker进程构成的进程树

使用 clone(2) 创建新进程时传入 CLONE_NEWPID 实现的,也就是使用 Linux 的命名空间实现进程的隔离,Docker 容器内部的任意进程都对宿主机器的进程一无所知

containerRouter.postContainersStart
└── daemon.ContainerStart
    └── daemon.createSpec
        └── setNamespaces
            └── setNamespace

网络#

Docker 的容器通过 Linux 的命名空间完成了与宿主机进程的网络隔离,但是却有没有办法通过宿主机的网络与整个互联网相连,就会产生很多限制,所以 Docker 虽然可以通过命名空间创建一个隔离的网络环境,但是 Docker 中的服务仍然需要与外界相连才能发挥作用。

每一个使用 docker run 启动的容器其实都具有单独的网络命名空间,Docker 为我们提供了四种不同的网络模式,Host、Container、None 和 Bridge 模式。

Docker 默认的网络设置模式:网桥模式。在这种模式下,除了分配隔离的网络命名空间之外,Docker 还会为所有的容器设置 IP 地址。当 Docker 服务器在主机上启动之后会创建新的虚拟网桥 docker0,随后在该主机上启动的全部服务在默认情况下都与该网桥相连

默认情况下,每一个容器在创建时都会创建一对虚拟网卡,两个虚拟网卡组成了数据的通道,其中一个会放在创建的容器中,会加入到名为 docker0 网桥中。我们可以使用如下的命令来查看当前网桥的接口:

[root@192 ~]# brctl show
bridge name	bridge id		STP enabled	interfaces
docker0		8000.0242815b4890	no		veth9c24af4
							vethc077b7e

docker0 会为每一个容器分配一个新的 IP 地址并将 docker0 的 IP 地址设置为默认的网关。网桥 docker0 通过 iptables 中的配置与宿主机器上的网卡相连,所有符合条件的请求都会通过 iptables 转发到 docker0 并由网桥分发给对应的机器。

iptables -t nat -L
Chain PREROUTING (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
DOCKER     all  --  anywhere             anywhere             ADDRTYPE match dst-type LOCAL

Chain DOCKER (2 references)
target     prot opt source               destination
RETURN     all  --  anywhere             anywhere

在当前的机器上使用 docker run -d -p 6379:6379 redis 命令启动了一个新的 Redis 容器,在这之后我们再查看当前 iptables 的 NAT 配置就会看到在 DOCKER 的链中出现了一条新的规则

DNAT       tcp  --  anywhere             anywhere             tcp dpt:6379 to:172.17.0.2:6379

Docker 是将容器的内部的端口暴露出来并对数据包进行转发的;当有 Docker 的容器需要将服务暴露给宿主机器,就会为容器分配一个 IP 地址,同时向 iptables 中追加一条新的规则

Docker 通过 Linux 的命名空间实现了网络的隔离,又通过 iptables 进行数据包转发,让 Docker 容器能够优雅地为宿主机器或者其他容器提供服务。

libnetwork#

整个网络部分的功能都是通过 Docker 拆分出来的 libnetwork 实现的,它提供了一个连接不同容器的实现,同时也能够为应用给出一个能够提供一致的编程接口和网络层抽象的容器网络模型

libnetwork 中最重要的概念,容器网络模型由以下的几个主要组件组成,分别是 Sandbox、Endpoint 和 Network

在容器网络模型中,每一个容器内部都包含一个 Sandbox,其中存储着当前容器的网络栈配置,包括容器的接口、路由表和 DNS 设置,Linux 使用网络命名空间实现这个 Sandbox,每一个 Sandbox 中都可能会有一个或多个 Endpoint,在 Linux 上就是一个虚拟的网卡 veth,Sandbox 通过 Endpoint 加入到对应的网络中,这里的网络可能就是我们在上面提到的 Linux 网桥或者 VLAN

挂载点#

在新的进程中创建隔离的挂载点命名空间需要在 clone 函数中传入 CLONE_NEWNS,这样子进程就能得到父进程挂载点的拷贝,如果不传入这个参数子进程对文件系统的读写都会同步回父进程以及整个主机的文件系统

如果一个容器需要启动,那么它一定需要提供一个根文件系统(rootfs),容器需要使用这个文件系统来创建一个新的进程,所有二进制的执行都必须在这个根文件系统中。

想要正常启动一个容器就需要在 rootfs 中挂载以上的几个特定的目录,除了上述的几个目录需要挂载之外我们还需要建立一些符号链接保证系统 IO 不会出现问题。

Chroot#

简单介绍一下 chroot(change root),在 Linux 系统中,系统默认的目录就都是以 / 也就是根目录开头的,chroot 的使用能够改变当前的系统根目录结构,通过改变当前系统的根目录,我们能够限制用户的权利,在新的根目录下并不能够访问旧系统根目录的结构个文件,也就建立了一个与原系统完全隔离的目录结构

CGroups#

通过 Linux 的命名空间为新创建的进程隔离了文件系统、网络并与宿主机器之间的进程相互隔离,但是命名空间并不能够为我们提供物理资源上的隔离,比如 CPU 或者内存,如果在同一台机器上运行了多个对彼此以及宿主机器一无所知的『容器』,这些容器却共同占用了宿主机器的物理资源

如果其中的某一个容器正在执行 CPU 密集型的任务,那么就会影响其他容器中任务的性能与执行效率,导致多个容器相互影响并且抢占资源。如何对多个容器的资源使用进行限制就成了解决进程虚拟资源隔离之后的主要问题,而 Control Groups(简称 CGroups)就是能够隔离宿主机器上的物理资源,例如 CPU、内存、磁盘 I/O 和网络带宽。

每一个 CGroup 都是一组被相同的标准和参数限制的进程,不同的 CGroup 之间是有层级关系的,也就是说它们之间可以从父类继承一些用于限制资源使用的标准和参数。

Linux 的 CGroup 能够为一组进程分配资源,也就是我们在上面提到的 CPU、内存、网络带宽等资源,通过对资源的分配,CGroup 能够提供以下的几种功能:

在 CGroup 中,所有的任务就是一个系统的一个进程,而 CGroup 就是一组按照某种标准划分的进程,在 CGroup 这种机制中,所有的资源控制都是以 CGroup 作为单位实现的,每一个进程都可以随时加入一个 CGroup 也可以随时退出一个 CGroup

Linux 使用文件系统来实现 CGroup,我们可以直接使用下面的命令查看当前的 CGroup 中有哪些子系统

yum install libcgroup libcgroup-tools

[root@192 ~]# lssubsys -m
cpuset /sys/fs/cgroup/cpuset
cpu,cpuacct /sys/fs/cgroup/cpu,cpuacct
blkio /sys/fs/cgroup/blkio
memory /sys/fs/cgroup/memory
devices /sys/fs/cgroup/devices
freezer /sys/fs/cgroup/freezer
net_cls,net_prio /sys/fs/cgroup/net_cls,net_prio
perf_event /sys/fs/cgroup/perf_event
hugetlb /sys/fs/cgroup/hugetlb
pids /sys/fs/cgroup/pids

如果我们想要创建一个新的 cgroup 只需要在想要分配或者限制资源的子系统下面创建一个新的文件夹,然后这个文件夹下就会自动出现很多的内容,如果你在 Linux 上安装了 Docker,你就会发现所有子系统的目录下都有一个名为 docker 的文件夹

在启动容器时,Docker 会为这个容器创建一个与容器标识符相同的 CGroup,每一个 CGroup 下面都有一个 tasks 文件,其中存储着属于当前控制组的所有进程的 pid,作为负责 cpu 的子系统,如果系统管理员想要控制 Docker 某个容器的资源使用率就可以在 docker 这个父控制组下面找到对应的子控制组并且改变它们对应文件的内容,当然我们也可以直接在程序运行时就使用参数,让 Docker 进程去改变相应文件中的内容

当我们使用 Docker 关闭掉正在运行的容器时,Docker 的子控制组对应的文件夹也会被 Docker 进程移除,Docker 在使用 CGroup 时其实也只是做了一些创建文件夹改变文件内容的文件操作,不过 CGroup 的使用也确实解决了我们限制子容器资源占用的问题,系统管理员能够为多个容器合理的分配资源并且不会出现多个容器互相抢占资源的问题

存储驱动#

Docker 使用了一系列不同的存储驱动管理镜像内的文件系统并运行容器,这些存储驱动与 Docker 卷(volume)有些不同,存储引擎管理着能够在多个容器之间共享的存储。

想要理解 Docker 使用的存储驱动,我们首先需要理解 Docker 是如何构建并且存储镜像的,也需要明白 Docker 的镜像是如何被每一个容器所使用的;Docker 中的每一个镜像都是由一系列只读的层组成的,Dockerfile 中的每一个命令都会在已有的只读层上创建一个新的层

当镜像被 docker run 命令创建时就会在镜像的最上层添加一个可写的层,也就是容器层,所有对于运行时容器的修改其实都是对这个容器读写层的修改。

容器和镜像的区别就在于,所有的镜像都是只读的,而每一个容器其实等于镜像加上一个可读写的层,也就是同一个镜像可以对应多个容器

AUFS#

UnionFS 其实是一种为 Linux 操作系统设计的用于把多个文件系统『联合』到同一个挂载点的文件系统服务。而 AUFS 即 Advanced UnionFS 其实就是 UnionFS 的升级版,它能够提供更优秀的性能和效率。

AUFS 作为联合文件系统,它能够将不同文件夹中的层联合(Union)到了同一个文件夹中,这些文件夹在 AUFS 中称作分支,整个『联合』的过程被称为联合挂载(Union Mount):

每一个镜像层或者容器层都是 /var/lib/docker/ 目录下的一个子文件夹;在 Docker 中,所有镜像层和容器层的内容都存储在 /var/lib/docker/aufs/diff/ 目录中

而 /var/lib/docker/aufs/layers/ 中存储着镜像层的元数据,每一个文件都保存着镜像层的元数据,最后的 /var/lib/docker/aufs/mnt/ 包含镜像或者容器层的挂载点,最终会被 Docker 通过联合的方式进行组装

这张图片非常好的展示了组装的过程,每一个镜像层都是建立在另一个镜像层之上的,同时所有的镜像层都是只读的,只有每个容器最顶层的容器层才可以被用户直接读写,所有的容器都建立在一些底层服务(Kernel)上,包括命名空间、控制组、rootfs 等等,这种容器的组装方式提供了非常大的灵活性,只读的镜像层通过共享也能够减少磁盘的占用

除了 AUFS 之外,Docker 还支持了不同的存储驱动,包括 aufs、devicemapper、overlay2、zfs 和 vfs 等等,在最新的 Docker 中,overlay2 取代了 aufs 成为了推荐的存储驱动,但是在没有 overlay2 驱动的机器上仍然会使用 aufs 作为 Docker 的默认驱动

不同的存储驱动在存储镜像和容器文件时也有着完全不同的实现

查看当前系统的 Docker 上使用了哪种存储驱动

[root@192 ~]# docker info | grep Storage
Storage Driver: overlay2

本文来自此处

共收到 1 条回复
y

打卡收藏