简介

Docker 是一个开源的应用容器引擎，让开发者可以打包他们的应用以及依赖包到一个可移植的镜像中，然后发布到任何流行的 Linux或Windows操作系统的机器上，也可以实现虚拟化。容器是完全使用沙箱机制，相互之间不会有任何接口。
一个完整的Docker有以下几个部分组成：

DockerClient客户端
Docker Daemon守护进程
Docker Image镜像
DockerContainer容器

Docker核心

Docker作为一个软件集装箱化平台，可以让开发者构建应用程序时，将它与其依赖环境一起打包到一个容器中，然后很容易地发布和应用到任意平台中
在这里插入图片描述

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，接下看看docker的故事。

环境管理复杂
云计算时代的到来
虚拟化手段的变化
LXC的移动性

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。

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	面向对象
容器	对象
镜像	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。

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PAAS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。

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，其缺点是前者需要base OS许多前提条件，后者几乎不可以修改(因为copy on write 的文件格式在运行时rootfs是read only的)。并且后者文件体积大，环境管理和版本控制本身也是一个问题。
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，能够在单机环境下与KVM之类的虚拟化方案相比能够更加快速和占用更少资源

局限

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cgroup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
cgroup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

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。所以可以从虚拟化到docker要解决的问题出发，看看docker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
可配额/可度量
移动性
安全性

Linux Namespace

LXC所实现的隔离性主要是来自kernel的namespace, 其中pid, net, ipc, mnt, uts 等namespace将container的进程, 网络, 消息, 文件系统和hostname 隔离开。
pid namespace之前提到用户的进程是lxc-start进程的子进程, 不同用户的进程就是通过pidnamespace隔离开的，且不同 namespace 中可以有相同PID。具有以下特征:

每个namespace中的pid是有自己的pid=1的进程(类似/sbin/init进程)
每个namespace中的进程只能影响自己的同一个namespace或子namespace中的进程
因为/proc包含正在运行的进程，因此在container中的pseudo-filesystem的/proc目录只能看到自己namespace中的进程
因为namespace允许嵌套，父namespace可以影响子namespace的进程，所以子namespace的进程可以在父namespace中看到，但是具有不同的pid

Linux 容器

借助于namespace的隔离机制和cgroup限额功能，LXC提供了一套统一的API和工具来建立和管理container。
LXC 旨在提供一个共享kernel的 OS 级虚拟化方法，在执行时不用重复加载Kernel, 且container的kernel与host共享，因此可以大大加快container的启动过程，并显著减少内存消耗。在实际测试中，基于LXC的虚拟化方法的IO和CPU性能几乎接近 baremetal 的性能, 大多数数据有相比 Xen具有优势。当然对于KVM这种也是通过Kernel进行隔离的方式, 性能优势或许不是那么明显, 主要还是内存消耗和启动时间上的差异。
在参考文献中提到了利用iozone进行 Disk IO吞吐量测试KVM反而比LXC要快，而且笔者在device mapping driver下重现同样case的实验中也确实能得到如此结论。参考文献从网络虚拟化中虚拟路由的场景(网络IO和CPU角度)比较了KVM和LXC, 得到结论是KVM在性能和隔离性的平衡上比LXC更优秀 - KVM在吞吐量上略差于LXC, 但CPU的隔离可管理项比LXC更明确。