简介

Docker是一个开源的应用容器引擎，基于Go语言并遵从Apache2.0协议开源。
Docker可以让开发者打包他们的应用以及依赖包到一个轻量级、可移植的容器中，然后发布到任何流行的Linux机器上，也可以实现虚拟化。
容器是完全使用沙箱机制，相互隔离，相互之间不会有任何联系（类似IPhone的app），更重要的是容器性能开销极低。
Docker从17.03版本之后分为CE（Community Edition：社区版）和EE（Enterprise Edition：企业版）。
总结：
Docker是一种容器技术，解决软件跨环境迁移的问题。

Docker起源

Docker 是 PaaS 提供商 dotCloud 开源的一个基于 LXC 的高级容器引擎，源代码托管在 Github 上, 基于go语言并遵从Apache2.0协议开源。
Docker自2013年以来非常火热，无论是从 github 上的代码活跃度，还是Redhat在RHEL6.5中集成对Docker的支持, 就连 Google 的 Compute Engine 也支持 docker 在其之上运行。
一款开源软件能否在商业上成功，很大程度上依赖三件事 – 成功的 user case(用例), 活跃的社区和一个好故事。 dotCloud 之家的 PaaS 产品建立在docker之上，长期维护且有大量的用户，社区也十分活跃，接下来我们看看docker的故事。

• 环境管理复杂 – 从各种OS到各种中间件到各种app, 一款产品能够成功作为开发者需要关心的东西太多，且难于管理，这个问题几乎在所有现代IT相关行业都需要面对。
• 云计算时代的到来 – AWS的成功, 引导开发者将应用转移到 cloud 上, 解决了硬件管理的问题，然而中间件相关的问题依然存在 (所以openstack HEAT和 AWS cloudformation 都着力解决这个问题)。开发者思路变化提供了可能性。
• 虚拟化手段的变化 – cloud 时代采用标配硬件来降低成本，采用虚拟化手段来满足用户按需使用的需求以及保证可用性和隔离性。然而无论是KVM还是Xen在 docker 看来,都在浪费资源，因为用户需要的是高效运行环境而非OS, GuestOS既浪费资源又难于管理, 更加轻量级的LXC更加灵活和快速。
• LXC的移动性 – LXC在 linux 2.6 的 kernel 里就已经存在了，但是其设计之初并非为云计算考虑的，缺少标准化的描述手段和容器的可迁移性，决定其构建出的环境难于迁移和标准化管理(相对于KVM之类image和snapshot的概念)。docker 就在这个问题上做出实质性的革新。这是docker最独特的地方。

VM技术和容器技术对比

面对上述几个问题，docker设想是交付运行环境如同海运，OS如同一个货轮，每一个在OS基础上的软件都如同一个集装箱，用户可以通过标准化手段自由组装运行环境，同时集装箱的内容可以由用户自定义，也可以由专业人员制造。这样，交付一个软件，就是一系列标准化组件的集合的交付，如同乐高积木，用户只需要选择合适的积木组合，并且在最顶端署上自己的名字(最后一个标准化组件是用户的app)。这也就是基于docker的PaaS产品的原型。

术语解析

LXC

LXC，其名称来自Linux软件容器（Linux Containers）的缩写，一种操作系统层虚拟化（Operating system–level virtualization）技术，为Linux内核容器功能的一个用户空间接口。它将应用软件系统打包成一个软件容器（Container），内含应用软件本身的代码，以及所需要的操作系统核心和库。透过统一的名字空间和共享API来分配不同软件容器的可用硬件资源，创造出应用程序的独立沙箱执行环境，使得Linux用户可以容易的创建和管理系统或应用容器。[1]
在Linux内核中，提供了cgroups功能，来达成资源的区隔化。它同时也提供了名称空间区隔化的功能，使应用程序看到的操作系统环境被区隔成独立区间，包括行程树，网络，用户id，以及挂载的文件系统。但是cgroups并不一定需要启动任何虚拟机。
LXC利用cgroups与名称空间的功能，提供应用软件一个独立的操作系统环境。LXC不需要Hypervisor这个软件层，软件容器（Container）本身极为轻量化，提升了创建虚拟机的速度。软件Docker被用来管理LXC的环境。

cgroups

cgroups，其名称源自控制组群（英语：control groups）的简写，是Linux内核的一个功能，用来限制、控制与分离一个进程组的资源（如CPU、内存、磁盘输入输出等）。
这个项目最早是由Google的工程师（主要是Paul Menage和Rohit Seth）在2006年发起，最早的名称为进程容器（process containers）。在2007年时，因为在Linux内核中，容器（container）这个名词有许多不同的意义，为避免混乱，被重命名为cgroup，并且被合并到2.6.24版的内核中去。自那以后，又添加了很多功能。

KVM

基于内核的虚拟机 Kernel-based Virtual Machine（KVM）是一种内建于 Linux® 中的开源虚拟化技术。
具体而言，KVM 可帮助您将 Linux 转变为虚拟机监控程序，使主机计算机能够运行多个隔离的虚拟环境，即虚拟客户机或虚拟机（VM）。
KVM 是 Linux 的一部分。Linux 2.6.20 或更新版本包括 KVM。KVM 于 2006 年首次公布，并在一年后合并到主流 Linux 内核版本中。由于 KVM 属于现有的 Linux 代码，因此它能立即享受每一项新的 Linux 功能、修复和发展，无需进行额外工程。

Docker架构

Docker 使用客户端-服务器 (C/S) 架构模式，使用远程API来管理和创建Docker容器。Docker 容器通过 Docker 镜像来创建。容器与镜像的关系类似于面向对象编程中的对象与类。


Docker采用 C/S架构 Docker daemon 作为服务端接受来自客户的请求，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 daemon 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 daemon 交互。

• 镜像（Image）：Docker镜像，就相当于一个root文件系统。比如官方镜像ubuntu:16.04就包含了完整的一套ubuntu16.04最小系统的root文件系统。
• 容器（container）：镜像和容器的关系，就像是面向对象程序设计中的类和对象一样，镜像是静态的定义，容骑士镜像运行时的实体。容器可以被创建、启动、停止、删除、暂停等。
• 仓库（Repository）：仓库可看成一个代码控制中心，用来保存镜像。

Docker特性

在docker的网站上提到了docker的典型场景：

• Automating the packaging and deployment of applications（使应用的打包与部署自动化）
• Creation of lightweight, private PAAS environments（创建轻量、私密的平台环境）
• Automated testing and continuous integration/deployment（实现自动化测试和持续的集成/部署）
• Deploying and scaling web apps, databases and backend services（部署与扩展webapp、数据库和后台服务）
  由于其基于LXC的轻量级虚拟化的特点，docker相比KVM之类最明显的特点就是启动快，资源占用小。因此可以构建隔离的标准化的运行环境，轻量级的PaaS(如dokku), 构建自动化测试和持续集成环境，以及一切可以横向扩展的应用(尤其是需要快速启停来应对峰谷的web应用)。

传统方案的缺点

构建标准化的运行环境，现有的方案大多是在一个baseOS上运行一套puppet/chef，或者一个image文件，其缺点是需要base OS许多前提条件，还有几乎不可以修改(因为copy on write 的文件格式在运行时rootfs是read only的)。并且文件体积大，环境管理和版本控制本身也是一个问题。

Docker方案的优点

• PaaS环境是不言而喻的，其设计之初和dotcloud的案例都是将其作为PaaS产品的环境基础。
• 因为其标准化构建方法(buildfile)和良好的REST API，自动化测试和持续集成/部署能够很好的集成进来。
• 因为LXC轻量级的特点，其启动快，而且docker能够只加载每个container变化的部分，这样资源占用小，在单机环境下与KVM之类的虚拟化方案相比更加快速、占用更少资源。

局限性

Docker并不是全能的，设计之初也不是KVM之类虚拟化手段的替代品，简单总结几点：

• Docker是基于Linux 64bit的，无法在32bit的linux/Windows/unix环境下使用。
• LXC是基于cgroups等linux kernel功能的，因此container的guest系统只能是linux base的。
• 隔离性相比KVM之类的虚拟化方案还是有些欠缺，所有container公用一部分的运行库。
• 网络管理相对简单，主要是基于namespace隔离。
• cgroups的cpu和cpuset提供的cpu功能相比KVM的等虚拟化方案相比难以度量(所以dotcloud主要是按内存收费)。
• Docker对disk的管理比较有限。
• container随着用户进程的停止而销毁，container中的log等用户数据不便收集。
  针对1-2，有windows base应用的需求的基本可以pass了;
  3-5主要是看用户的需求，到底是需要一个container还是一个VM, 同时也决定了docker作为 Iaas（基础设施即服务，英语：Infrastructure as a Service，简称IaaS；是提供消费者处理、储存、网络以及各种基础运算资源，用以部署与执行操作系统或应用程序等各种软件）不太可行。
  针对6,7虽然是docker本身不支持的功能，但是可以通过其他手段解决(disk quota, mount –bind)。总之，选用container还是vm, 就是在隔离性和资源复用性上做权衡。
  另外即便docker 0.7能够支持非AUFS的文件系统，但是由于其功能还不稳定，商业应用或许会存在问题，而AUFS的稳定版需要kernel 3.8, 所以如果想复制dotcloud的成功案例，可能需要考虑升级kernel或者换用ubuntu的server版本(后者提供deb更新)。这也是为什么开源界更倾向于支持ubuntu的原因(kernel版本)。
  Docker并非适合所有应用场景，Docker只能虚拟基于Linux的服务。Windows Azure 服务能够运行Docker实例，但到目前为止Windows服务还不能被虚拟化。
  可能最大的障碍在于管理实例之间的交互。由于所有应用组件被拆分到不同的容器中，所有的服务器需要以一致的方式彼此通信。这意味着任何人如果选择复杂的基础设施，那么必须掌握应用编程接口管理以及集群工具，比如Swarm、Mesos或者Kubernets以确保机器按照预期运转并支持故障切换。
  Docker在本质上是一个附加系统。使用文件系统的不同层构建一个应用是有可能的。每个组件被添加到之前已经创建在组件之上，比作为一个文件系统更明智。分层架构带来另一方面的效率提升，当你重建存在变化的Docker镜像时，不需要重建整个Docker镜像，只需要重建变化的部分。
  可能更为重要的是，Docker旨在用于弹性计算。每个Docker实例的运营生命周期有限，实例数量根据需求增减。在一个管理适度的系统中，这些实例生而平等，不再需要时便各自消亡了。
  针对Docker环境存在的不足，意味着在开始部署Docker前需要考虑如下几个问题。首先，Docker实例是无状态的。这意味着它们不应该承载任何交易数据，所有数据应该保存在数据库服务器中。
  其次，开发Docker实例并不像创建一台虚拟机、添加应用然后克隆那样简单。为成功创建并使用Docker基础设施，管理员需要对系统管理的各个方面有一个全面的理解，包括Linux管理、编排及配置工具比如Puppet、Chef以及Salt。这些工具生来就基于命令行以及脚本。

原理

Docker核心解决的问题是利用LXC来实现类似VM的功能，从而利用更加节省的硬件资源提供给用户更多的计算资源。同VM的方式不同, LXC 其并不是一套硬件虚拟化方法 – 无法归属到全虚拟化、部分虚拟化和半虚拟化中的任意一个，而是一个操作系统级虚拟化方法, 理解起来可能并不像VM那样直观。所以我们从虚拟化到docker要解决的问题出发，看看他是怎么满足用户虚拟化需求的。
用户需要考虑虚拟化方法，尤其是硬件虚拟化方法，需要借助其解决的主要是以下4个问题：

• 隔离性 – 每个用户实例之间相互隔离, 互不影响。 硬件虚拟化方法给出的方法是VM, LXC给出的方法是container，更细一点是kernel namespace。
• 可配额/可度量 – 每个用户实例可以按需提供其计算资源，所使用的资源可以被计量。硬件虚拟化方法因为虚拟了CPU, memory可以方便实现, LXC则主要是利用cgroups来控制资源。
• 移动性 – 用户的实例可以很方便地复制、移动和重建。硬件虚拟化方法提供snapshot和image来实现，docker(主要)利用AUFS实现。
• 安全性 – 这个话题比较大，这里强调是host主机的角度尽量保护container。硬件虚拟化的方法因为虚拟化的水平比较高，用户进程都是在KVM等虚拟机容器中翻译运行的, 然而对于LXC, 用户的进程是lxc-start进程的子进程, 只是在Kernel的namespace中隔离的, 因此需要一些kernel的patch来保证用户的运行环境不会受到来自host主机的恶意入侵, dotcloud(主要是)利用kernel grsec patch解决的。