1.1 容器技術(shù)概述

容器是一種輕量級(jí)、可移植、自包含的軟件打包技術(shù)，它使得應(yīng)用程序可以在幾乎任何地方以相同的方式運(yùn)行。軟件開發(fā)工程師在自己筆記本上創(chuàng)建并測(cè)試完成的容器，無須任何修改就能夠在生產(chǎn)系統(tǒng)的虛擬機(jī)、物理機(jī)或云主機(jī)上運(yùn)行。

容器由應(yīng)用程序本身和它的環(huán)境依賴（庫和其他應(yīng)用程序）兩部分組成，并在宿主機(jī)（Host）操作系統(tǒng)的用戶空間中運(yùn)行，但與操作系統(tǒng)的其他進(jìn)程互相隔離，它們的實(shí)現(xiàn)機(jī)制有別于諸如VMWare、KVM和Xen等實(shí)現(xiàn)方案的傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)。容器與虛擬機(jī)的對(duì)比關(guān)系如圖1-1所示。

由于同一個(gè)宿主機(jī)上的所有容器都共享其底層操作系統(tǒng)（內(nèi)核空間），這就使得容器在體積上要比傳統(tǒng)的虛擬機(jī)小得多。另外，啟動(dòng)容器無須啟動(dòng)整個(gè)操作系統(tǒng)，所以容器部署和啟動(dòng)的速度更快，開銷更小，也更容易遷移。事實(shí)上，容器賦予了應(yīng)用程序超強(qiáng)的可移植能力。

1.1.1 容器技術(shù)的功用

IT系統(tǒng)在架構(gòu)上已經(jīng)迭代數(shù)十年之久，其環(huán)境復(fù)雜程度日趨加重，直有積重難返之勢(shì)。現(xiàn)如今，應(yīng)用程序開發(fā)人員通常需要同時(shí)使用多種服務(wù)構(gòu)建，并要架構(gòu)IT信息系統(tǒng)，涉及MQ、Cache和DB等，且很可能要部署到不同的環(huán)境中，如物理服務(wù)器、虛擬服務(wù)器、私有云或公有云之上。這些不同的主機(jī)或許還有著不同的系統(tǒng)環(huán)境，如RHEL、Debian或SUSE等Linux發(fā)行版，甚至是UNIX、Windows等。

結(jié)果，一方面應(yīng)用程序包含了多種服務(wù)，每種服務(wù)均可能存在依賴的庫和軟件包；另一方面存在多種部署環(huán)境，而服務(wù)在運(yùn)行時(shí)又可能需要?jiǎng)討B(tài)遷移到不同的環(huán)境中。于是，各種服務(wù)和環(huán)境通過排列組合產(chǎn)生了一個(gè)大部署矩陣。應(yīng)用程序開發(fā)工程師在編寫代碼時(shí)需要考慮不同的運(yùn)行環(huán)境，而運(yùn)維工程師則需要為不同的服務(wù)和平臺(tái)配置環(huán)境。對(duì)他們雙方來說，這都必將是一項(xiàng)困難而艱巨的任務(wù)。

幸運(yùn)的是，貨運(yùn)系統(tǒng)的集裝箱機(jī)制為解決這個(gè)難題提供了有效的借鑒方案。Docker正是將集裝箱思想運(yùn)用到軟件打包上，為代碼提供了一個(gè)基于容器的標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)輸系統(tǒng)。Docker可以將幾乎任何應(yīng)用程序及其依賴的運(yùn)行環(huán)境都打包成一個(gè)輕量級(jí)、可移植、自包含的容器，并能夠運(yùn)行于支持Docker容器引擎的所有操作系統(tǒng)之上。簡言之，容器的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

?□應(yīng)用程序開發(fā)工程師：“一次構(gòu)建，到處運(yùn)行”（Build Once, Run Anywhere）。容器意味著環(huán)境隔離和可重復(fù)性，開發(fā)人員只需為應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)運(yùn)行環(huán)境，并將其打包成容器便可在各種部署環(huán)境上運(yùn)行，并與它所在的宿主機(jī)環(huán)境隔離。

?□運(yùn)維工程師：“一次配置，運(yùn)行所有”（Configure Once, Run Anything）。一旦配置好標(biāo)準(zhǔn)的容器運(yùn)行時(shí)環(huán)境，服務(wù)器就可以運(yùn)行任何容器，這使得運(yùn)維人員的工作變得更高效、一致和可重復(fù)。容器消除了開發(fā)、測(cè)試、生產(chǎn)環(huán)境的不一致性。

1.1.2 容器簡史

容器技術(shù)的概念最初出現(xiàn)在2000年，當(dāng)時(shí)稱為FreeBSD jail，這種技術(shù)可將FreeBSD系統(tǒng)分區(qū)為多個(gè)子系統(tǒng)（也稱為Jail）。2001年，通過Jacques Gélinas的VServer項(xiàng)目，隔離環(huán)境的實(shí)施理念進(jìn)入了Linux領(lǐng)域。

Jail的目的是讓進(jìn)程在經(jīng)過修改的chroot環(huán)境中創(chuàng)建，而不會(huì)脫離和影響整個(gè)系統(tǒng)——chroot環(huán)境對(duì)文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和用戶的訪問都實(shí)現(xiàn)了虛擬化。然而，Jail在實(shí)施方面存在著不少的局限性，當(dāng)它與Namespaces和CGroups等技術(shù)結(jié)合在一起之后，才讓這種隔離方法從構(gòu)想變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。后來，Linux容器項(xiàng)目（LXC）又為其添加了一些用戶常用的工具、模板、庫和語言綁定，從而較好地改善了用戶使用容器技術(shù)時(shí)的體驗(yàn)。

Docker在LXC項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，從文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)到進(jìn)程隔離等方面對(duì)容器技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的封裝，極大地簡化了容器的創(chuàng)建和維護(hù)過程，從而促進(jìn)了容器技術(shù)的大流行。Docker最初是由dotCloud公司創(chuàng)始人Solomon Hykes在法國期間發(fā)起的一個(gè)公司內(nèi)部項(xiàng)目，并于2013年3月以Apache 2.0授權(quán)協(xié)議開源，其項(xiàng)目代碼托管于GitHub之上。雖然其最初的實(shí)現(xiàn)是基于LXC項(xiàng)目的，但Docker在后來的0.7版本轉(zhuǎn)為使用自行開發(fā)的libcontainer容器引擎，而1.11版本又將其換作了runC和containerd。

1.1.3 Docker的功能限制

Docker本身非常適合用于管理單個(gè)容器，不過，一旦開始使用越來越多的容器封裝和運(yùn)行應(yīng)用程序，必將會(huì)導(dǎo)致其管理和編排變得越來越困難。最終，用戶不得不對(duì)容器實(shí)施分組，以便跨所有容器提供網(wǎng)絡(luò)、安全、監(jiān)控等服務(wù)。于是，以Kubernetes為代表的容器編排系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

真正的生產(chǎn)型應(yīng)用會(huì)涉及多個(gè)容器，這些容器必須跨多個(gè)服務(wù)器主機(jī)進(jìn)行部署。Kubernetes可以提供所需的編排和管理功能，以便用戶針對(duì)這些工作負(fù)載輕松完成大規(guī)模容器部署。而且，借助于Kubernetes的編排功能，用戶可以構(gòu)建出跨多個(gè)容器的應(yīng)用服務(wù)，并且可以實(shí)現(xiàn)跨集群調(diào)度、擴(kuò)展容器，以及長期持續(xù)管理這些容器的健康狀況等。使用中，Kubernetes還需要與網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安全性、監(jiān)控及其他服務(wù)進(jìn)行整合，以提供全面的容器基礎(chǔ)架構(gòu)，如圖1-2所示。

Kubernetes利用容器的擴(kuò)縮容機(jī)制解決了許多常見的問題，它將容器歸類到一起，形成“容器集”（Pod），為分組的容器增加了一個(gè)抽象層，用于幫助用戶調(diào)度工作負(fù)載（workload），并為這些容器提供所需的聯(lián)網(wǎng)和存儲(chǔ)等服務(wù)。Kubernetes的其他部分可幫助用戶在這些Pod之間達(dá)成負(fù)載均衡，同時(shí)確保運(yùn)行正確數(shù)量的容器，以充分支持實(shí)際的工作負(fù)載。