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每天5分钟玩转Docker容器技术(一)

写在最前面

《每天5分钟玩转Docker容器技术》是一个有关容器技术的教程,有下面两个特点:

  1. 系统讲解当前最流行的容器技术
    从容器的整个生态环境到各种具体的技术,从整体到细节逐一讨论。
  2. 重实践并兼顾理论
    从实际操作的角度带领大家学习容器技术。

为什么要写这个

简单回答是:容器技术非常热门,但门槛高

容器技术是继大数据和云计算之后又一炙手可热的技术,而且未来相当一段时间内都会非常流行。

对 IT 行业来说,这是一项非常有价值的技术。而对 IT 从业者来说,掌握容器技术是市场的需要,也是提升自我价值的重要途径。

拿我自己的工作经历来说,毕业后的头几年是做 J2EE 应用开发。后来到一家大型IT公司,公司的产品从中间件到操作系统、从服务器到存储、从虚拟化到云计算都有涉及。

我所在的部门是专门做 IT 基础设施实施服务的,最开始是做传统的 IT 项目,包括服务器配置,双机 HA 等。随着虚拟化技术成熟,工作上也开始涉及各种虚拟化技术的规划和实施,包括 VMWare、KVM、PowerVM等。后来云计算兴起,在公司业务和个人兴趣的驱动下,开始学习和实践 OpenStack,在这个过程中写了《每天5分钟玩转OpenStack》教程并得到大家的认可。

现在以 Docker 为代表的容器技术来了,而且关注度越来越高,这一点可以从 Google Trend 中 Docker 的搜索上升趋势(蓝色曲线)中清楚看到。

每一轮新技术的兴起,无论对公司还是个人既是机会也是挑战。

我个人的看法是:如果某项新技术未来将成为主流,就应该及早尽快掌握
因为:

  1. 新技术意味着新的市场和新的需求
    初期掌握这种技术的人不会很多,而市场需求会越来越大,因而会形成供不应求的卖方市场,物以稀为贵,这对技术人员将是一个难得的价值提升机会。
  2. 学习新技术需要时间和精力,早起步早成材

机会讲过了,咱们再来看看挑战。

新技术往往意味着技术上的突破和创新,会有不少新的概念和方法。
而且从大数据,云计算和容器技术来看,这些新技术都是平台级别,覆盖的技术范围非常广,包括了计算、网络、存储、高可用、监控、安全等多个方面,要掌握这些新技术对 IT 老兵尚有不小难度,更别说新人了。

由于对技术一直保持着很高的热诚和执着,在掌握了 OpenStack 相关 IaaS 技术后,我便开始调研 PaaS 技术栈。正好这时 Docker 也越来越流行,自然而然便开始了容器相关技术的学习研究和实践。

学习容器技术的过程可以说是惊喜不断,经常惊叹于容器理念的先进和容器生态环境的完整和强大。很多传统软件开发和运维中的难题在容器世界里都能轻松解决,也渐渐理解了容器为何如此受到青睐。

不夸张地说,容器为我打开了一扇通往另一个软件世界的大门,让我沉浸其中,激动不已。高兴之余,我也迫不及待地想把我所看到所学到和所想到的有关容器的知识介绍给更多的人,让更多的IT工程师能够从容器技术中受益。

我希望这个教程也能为大家打开这扇门,降低学习的曲线,系统地学习和掌握容器技术。

写给谁看?

这套教程的目标读者包括:

软件开发人员

相信微服务架构(Microservice Architectur)会逐渐成为开发应用系统的主流。而容器则是这种架构的基石。市场将需要更多能够开发出基于容器的应用程序的软件开发人员。

IT 实施和运维工程师

容器为应用提供了更好的打包和部署方式。越来越多的应用将以容器的方式在开发、测试和生产环境中运行。掌握容器相关技术将成为实施和运维工程师的核心竞争力。

我自己

我坚信最好的学习方法是分享。编写这个教程同时也是对自己学习和实践容器技术的总结。对于知识,只有把它写出来并能够让其他人理解,才能说明真正掌握了这项知识。

包含哪些内容?

本系列教程分为《每天5分钟玩转Docker容器技术》和《每天5分钟玩转Docker容器平台》两本,包括以下三大块内容:

下面分别介绍各部分包含的内容。

启程

“启程”会介绍容器的生态系统,让大家先从整体上了解容器都包含哪些技术,各种技术之间的相互关系是什么,然后再来看我们的教程都会涉及生态中的哪些部分。

为了让大家尽快对容器有个感性认识,我们会搭建实验环境并运行第一个容器,为之后的学习热身。

容器技术

这是教程的主要内容,包含“容器核心知识”和“容器进阶知识”两部分。

核心知识主要回答有关容器 what, why 和 how 三方面的问题。 其中以 how 为重,将展开讨论架构、镜像、容器、网络和存储。

进阶知识包括将容器真正用于生产所必需的技术,包括多主机管理、跨主机网络、监控、数据管理、日志管理和安全管理。

这部分内容将在本书《每天5分钟玩转Docker容器技术》中详细讨论。

容器平台技术

如下图所示,“容器平台技术”包括容器编排引擎、容器管理平台和基于容器的 PaaS。容器平台技术在生态环境中占据着举足轻重的位置,对于容器是否能够落地,是否能应用于生产至关重要。

我们将在本系列教程的另一本书《每天5分钟玩转Docker容器平台》中详细讨论容器编排引擎、容器管理平台和基于容器的 PaaS,学习和实践业界最具代表性的开源产品。

怎样的编写方式?

我会继续采用《每天5分钟玩转OpenStack》的方式,通过大量的实验由浅入深地探讨和实践容器技术,力求达到如下目标:

  1. 快速上手:以最直接、最有效的方式让大家把容器用起来。
  2. 循序渐进:由易到难,从浅入深,详细分析容器的各种功能和配置使用方法。
  3. 理解架构:从设计原理和架构分析入手,深入探讨容器的架构和运行机理。
  4. 注重实践:以大量实际操作案例为基础,让大家能够掌握真正的实施技能。

在内容的发布上还是通过微信公众号(cloudman6)每周 1、3、5 定期分享。欢迎大家通过公众号提出问题和建议,进行技术交流。

为什么叫《每天5分钟玩转Docker容器技术》?

为了降低学习的难度并且考虑到移动端碎片化阅读的特点,每次推送的内容大家只需要花5分钟就能看完(注意这里说的是看完,有时候要完全理解可能需要更多时间哈),每篇内容包含1-3个知识点,这就是我把教程命名为《每天5分钟玩转Docker容器技术》的原因。虽然是碎片化推送,但整个教程是系统、连贯和完整的,只是化整为零了。

好了,今天这5分钟算是开了个头,下次我们正式开始玩转容器技术。

容器生态系统

对于像容器这类平台级别的技术,通常涉及的知识范围会很广,相关的软件,解决方案也会很多,初学者往往容易迷失。

那怎么办呢?

我们可以从生活经验中寻找答案。
当我们去陌生城市旅游想了解一下这个城市一般我们会怎么做?

我想大部分人应该会打开手机看一下这个城市的地图:

  1. 城市大概的位置和地理形状是什么?
  2. 都由哪几个区或县组成?
  3. 主要的交通干道是哪几条?

同样的道理,学习容器技术我们可以先从天上鸟瞰一下:

  1. 容器生态系统包含哪些不同层次的技术?
  2. 不同技术之间是什么关系?
  3. 哪些是核心技术哪些是辅助技术?

首先得对容器技术有个整体认识,之后我们的学习才能够有的放矢,才能够分清轻重缓急,做到心中有数,这样就不容易迷失了。

接下来我会根据自己的经验帮大家规划一条学习路线,一起探索容器生态系统。

学习新技术得到及时反馈是非常重要的,所以我们马上会搭建实验环境,并运行第一个容器,感受什么是容器。

千里之行始于足下,让我们从了解生态系统开始吧。

鸟瞰容器生态系统

容器生态系统

一谈到容器,大家都会想到 Docker。

Docker 现在几乎是容器的代名词。确实,是 Docker 将容器技术发扬光大。同时,大家也需要知道围绕 Docker 还有一个生态系统。Docker 是这个生态系统的基石,但完善的生态系统才是保障 Docker 以及容器技术能够真正健康发展的决定因素。

大致来看,容器生态系统包含核心技术、平台技术和支持技术。

下面分别介绍。

容器核心技术

容器核心技术是指能够让 container 在 host 上运行起来的那些技术。

这些技术包括容器规范、容器 runtime、容器管理工具、容器定义工具、Registry 以及 容器 OS,下面分别介绍。

容器规范

容器不光是 Docker,还有其他容器,比如 CoreOS 的 rkt。为了保证容器生态的健康发展,保证不同容器之间能够兼容,包含 Docker、CoreOS、Google在内的若干公司共同成立了一个叫 Open Container Initiative(OCI) 的组织,其目是制定开放的容器规范。

目前 OCI 发布了两个规范:runtime spec 和 image format spec。
有了这两个规范,不同组织和厂商开发的容器能够在不同的 runtime 上运行。这样就保证了容器的可移植性和互操作性。

容器 runtime

runtime 是容器真正运行的地方。runtime 需要跟操作系统 kernel 紧密协作,为容器提供运行环境。

如果大家用过 Java,可以这样来理解 runtime 与容器的关系:

Java 程序就好比是容器,JVM 则好比是 runtime。JVM 为 Java 程序提供运行环境。同样的道理,容器只有在 runtime 中才能运行。

lxc、runc 和 rkt 是目前主流的三种容器 runtime。

lxc 是 Linux 上老牌的容器 runtime。Docker 最初也是用 lxc 作为 runtime。

runc 是 Docker 自己开发的容器 runtime,符合 oci 规范,也是现在 Docker 的默认 runtime。

rkt 是 CoreOS 开发的容器 runtime,符合 oci 规范,因而能够运行 Docker 的容器。

容器管理工具

光有 runtime 还不够,用户得有工具来管理容器啊。容器管理工具对内与 runtime 交互,对外为用户提供 interface,比如 CLI。这就好比除了 JVM,还得提供 java 命令让用户能够启停应用不是。

lxd 是 lxc 对应的管理工具。

runc 的管理工具是 docker engine。docker engine 包含后台 deamon 和 cli 两个部分。我们通常提到 Docker,一般就是指的 docker engine。

rkt 的管理工具是 rkt cli。

容器定义工具

容器定义工具允许用户定义容器的内容和属性,这样容器就能够被保存,共享和重建。

docker image 是 docker 容器的模板,runtime 依据 docker image 创建容器。

dockerfile 是包含若干命令的文本文件,可以通过这些命令创建出 docker image。

ACI (App Container Image) 与 docker image 类似,只不过它是由 CoreOS 开发的 rkt 容器的 image 格式。

Registry

容器是通过 image 创建的,需要有一个仓库来统一存放 image,这个仓库就叫做 Registry。


企业可以用 Docker Registry 构建私有的 Registry。

Docker Hub(https://hub.docker.com) 是 Docker 为公众提供的托管 Registry,上面有很多现成的 image,为 Docker 用户提供了极大的便利。

http://Quay.iohttps://quay.io/)是另一个公共托管 Registry,提供与 Docker Hub 类似的服务。

容器 OS

由于有容器 runtime,几乎所有的 Linux、MAC OS 和 Windows 都可以运行容器。但这不并没有妨碍容器 OS 的问世。

容器 OS 是专门运行容器的操作系统。与常规 OS 相比,容器 OS 通常体积更小,启动更快。因为是为容器定制的 OS,通常它们运行容器的效率会更高。

目前已经存在不少容器 OS,CoreOS、atomic 和 ubuntu core 是其中的杰出代表。

容器平台技术

容器核心技术使得容器能够在单个 host 上运行。而容器平台技术能够让容器作为集群在分布式环境中运行。

容器平台技术包括容器编排引擎、容器管理平台和基于容器的 PaaS。

容器编排引擎

基于容器的应用一般会采用微服务架构。在这种架构下,应用被划分为不同的组件,并以服务的形式运行在各自的容器中,通过 API 对外提供服务。为了保证应用的高可用,每个组件都可能会运行多个相同的容器。这些容器会组成集群,集群中的容器会根据业务需要被动态地创建、迁移和销毁。

大家可以看到,这样一个基于微服务架构的应用系统实际上是一个动态的可伸缩的系统。这对我们的部署环境提出了新的要求,我们需要有一种高效的方法来管理容器集群。而这,就是容器编排引擎要干的工作。

所谓编排(orchestration),通常包括容器管理、调度、集群定义和服务发现等。通过容器编排引擎,容器被有机的组合成微服务应用,实现业务需求。

docker swarm 是 Docker 开发的容器编排引擎。

kubernetes 是 Google 领导开发的开源容器编排引擎,同时支持 Docker 和 CoreOS 容器。

mesos 是一个通用的集群资源调度平台,mesos 与 marathon 一起提供容器编排引擎功能。

以上三者是当前主流的容器编排引擎。

容器管理平台

容器管理平台是架构在容器编排引擎之上的一个更为通用的平台。通常容器管理平台能够支持多种编排引擎,抽象了编排引擎的底层实现细节,为用户提供更方便的功能,比如 application catalog 和一键应用部署等。

Rancher 和 ContainerShip 是容器管理平台的典型代表。

基于容器的 PaaS

基于容器的 PaaS 为微服务应用开发人员和公司提供了开发、部署和管理应用的平台,使用户不必关心底层基础设施而专注于应用的开发。

Deis、Flynn 和 Dokku 都是开源容器 PaaS 的代表。

容器支持技术

下面这些技术被用于支持基于容器的基础设施。

容器网络

容器的出现使网络拓扑变得更加动态和复杂。用户需要专门的解决方案来管理容器与容器,容器与其他实体之间的连通性和隔离性。

docker network 是 Docker 原生的网络解决方案。除此之外,我们还可以采用第三方开源解决方案,例如 flannel、weave 和 calico。不同方案的设计和实现方式不同,各有优势和特点,需要根据实际需要来选型。

服务发现

动态变化是微服务应用的一大特点。当负载增加时,集群会自动创建新的容器;负载减小,多余的容器会被销毁。容器也会根据 host 的资源使用情况在不同 host 中迁移,容器的 IP 和端口也会随之发生变化。

在这种动态的环境下,必须要有一种机制让 client 能够知道如何访问容器提供的服务。这就是服务发现技术要完成的工作。

服务发现会保存容器集群中所有微服务最新的信息,比如 IP 和端口,并对外提供 API,提供服务查询功能。

etcd、consul 和 zookeeper 是服务发现的典型解决方案。

监控

监控对于基础架构非常重要,而容器的动态特征对监控提出更多挑战。针对容器环境,已经涌现出很多监控工具和方案。

docker ps/top/stats 是 Docker 原生的命令行监控工具。除了命令行,Docker 也提供了 stats API,用户可以通过 HTTP 请求获取容器的状态信息。

sysdig、cAdvisor/Heapster 和 Weave Scope 是其他开源的容器监控方案。

数据管理

容器经常会在不同的 host 之间迁移,如何保证持久化数据也能够动态迁移,是 Rex-Ray 这类数据管理工具提供的能力。

日志管理

日志为问题排查和事件管理提供了重要依据。

docker logs 是 Docker 原生的日志工具。而 logspout 对日志提供了路由功能,它可以收集不同容器的日志并转发给其他工具进行后处理。

安全性

对于年轻的容器,安全性一直是业界争论的焦点。

OpenSCAP 能够对容器镜像进行扫描,发现潜在的漏洞。

本教程覆盖的知识范围

前面我们已经鸟瞰了整个容器生态系统,对容器所涉及的技术体系有了全面的认识。那我们的系列教程会讨论其中的哪些内容呢?

会覆盖容器生态系统 91.6% 的技术!

运行第一个容器

为了让大家对容器有个感性认识,我们将尽快让一个容器运行起来。首先我们需要搭建实验环境。

环境选择

容器需要管理工具、runtime 和操作系统,我们的选择如下:

  1. 管理工具 - Docker Engine
    因为 Docker 最流行使用最广泛。
  2. runtime - runc
    Docker 的默认 runtime
  3. 操作系统 - Ubuntu
    虽然存在诸如 CoreOS 的容器 OS,因考虑到我们目前处于初学阶段,选择大家熟悉的操作系统更为合适。等具备了扎实的容器基础知识后再使用容器 OS 会更有利。

安装 Docker

本节我们将在 ubuntu 16.04 虚拟机中安装 Docker。因为安装过程需要访问 internet, 所以虚拟机必须能够上网。

Docker 支持几乎所有的 Linux 发行版,也支持 Mac 和 Windows。各操作系统的安装方法可以访问:https://docs.docker.com/engine/installation/

Docker 分为开源免费的 CE(Community Edition)版本和收费的 EE(Enterprise Edition)版本。下面我们将按照文档,通过以下步骤在 Ubuntu 16.04 上安装 Docker CE 版本。

配置 Docker 的 apt 源

1.安装包,允许 apt 命令 HTTPS 访问 Docker 源。

2.添加 Docker 官方的 GPG key

3.将 Docker 的源添加到 /etc/apt/sources.list

安装 Docker

运行第一个容器

环境就绪,马上运行第一个容器,执行命令:

其过程可以简单的描述为:

  1. 从 Docker Hub 下载 httpd 镜像。镜像中已经安装好了 Apache HTTP Server。
  2. 启动 httpd 容器,并将容器的 80 端口映射到 host 的 80 端口。

下面我们可以通过浏览器验证容器是否正常工作。在浏览器中输入 http://[your ubuntu host IP]

可以访问容器的 http 服务了,第一个容器运行成功!我们轻轻松松就拥有了一个 WEB 服务器。随着学习的深入,会看到容器技术带给我们更多的价值。

小结

我们已经完成了教程的第一部分。

我们认识了容器生态系统,后面会陆续学习生态系统中的大部分技术。我们在 Ubuntu 16.04 上配置好了实验环境,并成功运行了第一个容器 httpd。

容器大门已经打开,让我们去探秘吧。


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