容器技术：从虚拟化到Docker的全面解析

# 容器技术：从虚拟化到 Docker 的全面解析 ## 1. 传统应用部署与资源困境 在传统的应用部署中，由于没人清楚新应用的性能要求，为了给未来业务量增长预留足够空间，IT 部门往往会过度采购服务器。他们只能靠猜测来决定要购买的服务器型号和规格。 典型的应用程序软件供应生命周期流程如下： 1. 在数据中心准备好物理服务器。 2. 安装或使用现有的操作系统。 3. 安装应用程序软件所需的任何额外工具。 4. 安装软件的任何依赖项。 5. 运行软件。 6. 停用应用程序。 7. 重新利用或回收服务器硬件。 这种方式存在明显的资源浪费问题，而虚拟化技术的出现为解决这一困境提供了新思路。 ## 2. 虚拟化技术解析 ### 2.1 虚拟化概述 VMware 引入虚拟机（VM）概念后，IT 部门无需每次有新应用就采购新的超大服务器。相反，IT 可以在有空闲容量的现有服务器上运行新应用。虚拟化允许在单个物理服务器上运行多个虚拟机，每个虚拟机包含操作系统、应用程序、必要的二进制文件和库的完整副本。 ### 2.2 虚拟化的核心组件——Hypervisor 虚拟化堆栈中的核心组件是 Hypervisor，也称为虚拟机监视器（VMM）。它在主机计算机上创建一个虚拟平台，多个来宾操作系统在该平台上执行和监控。这些多个操作系统可以是同一操作系统的不同实例，也可以是不同的操作系统，它们共享同一主机提供的硬件资源。 Hypervisor 主要分为以下两类： |类型|描述|示例| | ---- | ---- | ---- | |Type 1（原生或裸机）|直接运行在主机硬件上以控制硬件并监控来宾操作系统，来宾操作系统运行在 Hypervisor 之上的单独层。|Oracle VM、Microsoft Hyper - V、VMWare ESX、Xen| |Type 2（托管）|运行在传统操作系统内，在主机操作系统之上添加一个独特的软件层，来宾操作系统成为硬件之上的第三层软件。|Oracle VM VirtualBox、VMWare Server 和 Workstation、Microsoft Virtual PC、KVM、QEMU、Parallels| ### 2.3 虚拟化的局限性 每个虚拟机都需要自己专用的操作系统，这是虚拟化的一个主要缺陷。每个操作系统都会消耗 CPU、RAM 和其他资源，并且需要进行许可、打补丁和监控。此外，还存在以下挑战： - 操作系统镜像体积大，通常达到 GB 级别。 - 启动过程缓慢。 - 应用程序不具备可移植性。 - 启动虚拟机可能需要 1 - 2 分钟。 为了解决这些问题，2013 年 Docker 容器应运而生。 ## 3. 容器技术的崛起 ### 3.1 容器概述 容器使用操作系统级别的虚拟化，不需要自己完整的操作系统。单个主机上的所有容器共享主机的操作系统，这释放了大量的系统资源，包括 CPU、RAM 和存储，同时降低了潜在的许可成本和操作系统打补丁及其他维护的开销。容器在操作系统层进行抽象，将代码和依赖项打包在一起。 容器具有启动速度快和超便携的特点，它们非常轻量级，可以在几秒钟甚至几毫秒内启动。容器工作负载可以快速轻松地从笔记本电脑迁移到云，再迁移到数据中心的虚拟机或裸机上。 ### 3.2 容器的发展历程 - **2000 年**：FreeBSD 引入了 Jails，这是容器技术的早期实现。 - **2001 年**：Linux VServer 项目使得在单个盒子上运行多个通用 Linux 服务器成为现实，它将用户空间环境分离成不同的单元，称为虚拟专用服务器（VPS），每个 VPS 对其中包含的进程来说就像一个真实的服务器。 - **2006 年**：提出了“通用进程容器”，后更名为 Cgroups（控制组），它允许将进程分组，并确保每个组都能获得一定份额的内存、CPU 和磁盘 I/O，同时防止任何一个容器独占这些资源。 - **2008 年**：IBM 创建了 Linux 容器项目（LXC），LXC 1.0 于 2014 年发布。 - **新特性**： - Seccomp：是 Linux 内核的一个特性，用于限制任务可以使用的系统调用，适合容器使用场景。 - SELinux：具有访问控制模式，用于“标记进程、文件和设备，并定义标记进程与标记进程、文件和设备之间的交互规则”，Linux 容器作为一组进程，非常适合使用 SELinux 进行加固。 Docker 在这些特性的基础上逐步发展，最初使用 LXC 驱动，后来迁移到 libcontainer，现在更名为 runc。2015 年 6 月，Docker 公司将 Docker 开源给开放容器倡议（OCI）。 ### 3.3 容器内部机制——命名空间 命名空间是内核级别的特性，它允许进程之间共享全局资源，如网络和磁盘。当全局资源被封装在命名空间中时，只有在同一命名空间中运行的进程才能看到和访问这些资源。例如，将一部分磁盘放入一个命名空间后，在另一个命名空间中运行的进程无法看到或访问它。同样，一个命名空间中的进程无法访问分配给另一个命名空间的内存中的任何内容。 Docker 就是基于这种机制工作的，每个 Docker 容器都在自己的命名空间中运行，但与其他所有容器使用相同的内核。隔离是因为内核知道分配给进程的命名空间，在进行 API 调用时，它确保进程只能访问自己命名空间中的资源。 以下是容器发展历程的 mermaid 流程图： ```mermaid graph LR A[2000年] --> B[FreeBSD引入Jails] B --> C[2001年] C --> D[Linux VServer项目实现多服务器运行] D --> E[2006年] E --> F[提出通用进程容器，后更名Cgroups] F --> G[2008年] G --> H[IBM创建Linux容器项目LXC] H --> I[2014年] I --> J[LXC 1.0发布] J --> K[新特性：Seccomp和SELinux] K --> L[2013年] L --> M[Docker容器诞生] M --> N[2015年6月] N --> O[Docker开源给OCI] ``` ## 4. 虚拟化与容器化的对比 ### 4.1 虚拟化原理 在虚拟化中，VM 管理器接管 CPU ring 0（在较新的 CPU 中也称为“根模式”），拦截来宾操作系统发出的所有特权调用，从而营造出来宾操作系统拥有自己硬件的假象。这使得可以在同一底层硬件上运行两个完全不同的操作系统，每个来宾操作系统都