第一部分 Docker入门

欢迎来到Docker的世界！

在这一部分里，笔者将介绍Docker的基础知识，本部分分为8章。

第1章介绍Docker开源项目以及它与现有的虚拟化技术，特别是Linux容器技术的关系；第2章介绍Docker的三大核心概念，以及如何在常见的操作系统环境中安装Docker；第3章第5章通过具体的示例操作讲解Docker的常用命令；第6章剖析如何在Docker中使用数据卷来保存数据；第7章介绍如何使用容器网络，特别是使容器访问外网和其他容器；第8章介绍如何编写Dockerfile，以及使用Dockerfile配置文件来创建镜像的具体方法和注意事项。

第1章 初识Docker

如果说个人主机时代大家比拼的关键是CPU主频的高低和内存的大小，那么在云计算时代，虚拟化技术无疑是整座信息技术大厦最核心的一块基石。

伴随着信息技术产业的发展，虚拟化技术已经应用到各种关键场景中。从最早上世纪60年代IBM推出的大型主机虚拟化到后来X86平台上的虚拟化，虚拟化技术自身也在不断丰富和创新。

虚拟化既可以通过硬件模拟来实现，也可以通过操作系统来实现。而近些年出现的容器虚拟化方案，更是充分利用了操作系统本身已有的机制和特性，可以实现轻量级的虚拟化，甚至有人把它称为新一代的虚拟化技术。Docker毫无疑问就是其中的佼佼者。

那么，什么是Docker？它会带来什么好处？它跟现有虚拟化技术又有何关系呢？

本章在介绍Docker项目的起源和发展之后，会剖析Docker和Linux容器技术的密切联系，以及在开发和运维中使用Docker的突出优势。最后，还将阐述Docker在整个虚拟化领域中的定位。

1.1 什么是Docker

Docker开源项目

Docker是基于Go语言实现的云开源项目，诞生于2013年初，最初发起者是dotCloud公司。Docker自开源后受到广泛的关注和讨论，目前已有多个相关项目，逐渐形成了围绕Docker的生态体系。dotCloud公司后来也改名为Docker Inc，专注于Docker相关技术和产品的开发。

Docker项目目前已加入了Linux基金会，遵循Apache 2.0协议，全部开源代码均在https://github.com/docker/docker上进行维护。在最近一次Linux基金会的调查中，Docker是仅次于OpenStack的最受欢迎的云计算开源项目。

现在主流的Linux操作系统都已经支持Docker。例如，Redhat RHEL 6.5/ CentOS 6.5往上的操作系统、Ubuntu 14.04操作系统，都已经默认带有Docker软件包。Google公司宣称在其PaaS（Platform as a Service）平台及服务产品中广泛应用了Docker。微软公司宣布和Docker公司合作，以加强其云平台Azure对Docker的支持。公有云提供商亚马逊近期也推出了AWS EC2 Container，提供对Docker的支持。

Docker的主要目标是“Build, Ship and Run Any App, Anywhere”，即通过对应用组件的封装（Packaging）、分发（Distribution）、部署（Deployment）、运行（Runtime）等生命周期的管理，达到应用组件级别的“一次封装，到处运行”。这里的应用组件，既可以是一个Web应用，也可以是一套数据库服务，甚至是一个操作系统或编译器。

Docker基于Linux的多项开源技术提供了高效、敏捷和轻量级的容器方案，并且支持在多种主流云平台（PaaS）和本地系统上部署。可以说Docker为应用的开发和部署提供了“一站式”的解决方案。

Linux容器技术

Docker引擎的基础是Linux容器（Linux Containers，LXC）技术。IBM DeveloperWorks上给出了关于容器技术的准确描述：

容器有效地将由单个操作系统管理的资源划分到孤立的组中，以便更好地在孤立的组之间平衡有冲突的资源使用需求。与虚拟化相比，这样既不需要指令级模拟，也不需要即时编译。容器可以在核心CPU本地运行指令，而不需要任何专门的解释机制。此外，也避免了准虚拟化（paravirtualization）和系统调用替换中的复杂性。

Linux容器其实不是一个全新的概念。最早的容器技术可以追溯到1982年Unix系列操作系统上的chroot工具（直到今天，主流的Unix、Linux操作系统仍然支持和带有该工具）。早期的容器实现技术包括Sun Solaris操作系统上的Solaris Containers（2004年发布），FreeBSD操作系统上的FreeBSD jail（2000年左右出现），以及GNU/Linux上的Linux-ⅤServer (http://linux-vserver.org/)（2001年10月）和OpenⅤZ (http://openvz.org)（2005年）。

虽然这些技术经过多年的演化已经十分成熟，但是由于种种原因，这些容器技术并没有被集成到主流的Linux内核中，使用起来并不方便。例如，如果用户要使用OpenⅤZ技术，就需要先给操作系统打上特定的内核补丁方可使用。

后来LXC项目借鉴了前人成熟的容器设计理念，并基于一系列新的内核特性实现了更具扩展性的虚拟化容器方案。更加关键的是，LXC被集成到了主流Linux内核中，进而成为Linux系统轻量级容器技术的事实标准。

从Linux容器到Docker

在LXC的基础上，Docker进一步优化了容器的使用体验。Docker提供了各种容器管理工具（如分发、版本、移植等）让用户无需关注底层的操作，可以简单明了地管理和使用容器。用户操作Docker容器就像操作一个轻量级的虚拟机那样简单。

读者可以简单地将Docker容器理解为一种沙盒（Sandbox）。每个容器内运行一个应用，不同的容器相互隔离，容器之间也可以建立通信机制。容器的创建和停止都十分快速，容器自身对资源的需求也十分有限，远远低于虚拟机。很多时候，甚至直接把容器当作应用本身也没有任何问题。

有理由相信，随着Docker技术的进一步成熟，它将成为更受欢迎的容器虚拟化技术实现，得到更广泛的应用。

1.2 为什么要使用Docker

Docker容器虚拟化的好处

Docker项目的发起人和Docker Inc.的CTO Solomon Hykes认为，Docker在正确的地点、正确的时间顺应了正确的趋势—即高效地构建应用。现在开发者需要能方便地创建运行在云平台上的应用，也就是说应用必须能够脱离底层机器，而且同时必须是“任何时间任何地点”可获取的。因此，开发者们需要一种创建分布式应用程序的方式，这也是Docker所能够提供的。

举个简单的应用场景的例子。假设用户试图基于最常见的LAMP（Linux + Apache +MySQL + PHP）组合来运维一个网站。按照传统的做法，首先，需要安装Apache、MySQL和PHP以及它们各自运行所依赖的环境；之后分别对它们进行配置（包括创建合适的用户、配置参数等）；经过大量的操作后，还需要进行功能测试，看是否工作正常；如果不正常，则意味着更多的时间代价和不可控的风险。可以想象，如果再加上更多的应用，事情会变得更加难以处理。

更为可怕的是，一旦需要服务器迁移（例如从阿里云迁移到腾讯云），往往需要重新部署和调试。这些琐碎而无趣的“体力活”，极大地降低了工作效率。

而Docker提供了一种更为聪明的方式，通过容器来打包应用，意味着迁移只需要在新的服务器上启动需要的容器就可以了。这无疑将节约大量的宝贵时间，并降低部署过程出现问题的风险。

Docker在开发和运维中的优势

对开发和运维（DevOps）人员来说，可能最梦寐以求的就是一次性地创建或配置，可以在任意环境、任意时间让应用正常地运行。而Docker恰恰是可以实现这一终极目标的瑞士军刀。

具体说来，Docker在开发和运维过程中，具有如下几个方面的优势。

□ 更快速的交付和部署。使用Docker，开发人员可以使用镜像来快速构建一套标准的开发环境；开发完成之后，测试和运维人员可以直接使用相同环境来部署代码。Docker可以快速创建和删除容器，实现快速迭代，大量节约开发、测试、部署的时间。并且，各个步骤都有明确的配置和操作，整个过程全程可见，使团队更容易理解应用的创建和工作过程。

□ 更高效的资源利用。Docker容器的运行不需要额外的虚拟化管理程序（Ⅴirtual Machine Manager，ⅤMM，以及Hypervisor）支持，它是内核级的虚拟化，可以实现更高的性能，同时对资源的额外需求很低。

□ 更轻松的迁移和扩展。Docker容器几乎可以在任意的平台上运行，包括物理机、虚拟机、公有云、私有云、个人电脑、服务器等。 这种兼容性让用户可以在不同平台之间轻松地迁移应用。

□ 更简单的更新管理。使用Dockerfile，只需要小小的配置修改，就可以替代以往大量的更新工作。并且所有修改都以增量的方式进行分发和更新，从而实现自动化并且高效的容器管理。

Docker与虚拟机比较

作为一种轻量级的虚拟化方式，Docker在运行应用上跟传统的虚拟机方式相比具有显著优势：

□ Docker容器很快，启动和停止可以在秒级实现，这相比传统的虚拟机方式要快得多。

□ Docker容器对系统资源需求很少，一台主机上可以同时运行数千个Docker容器。

□ Docker通过类似Git的操作来方便用户获取、分发和更新应用镜像，指令简明，学习成本较低。

□ Docker通过Dockerfile配置文件来支持灵活的自动化创建和部署机制，提高工作效率。

Docker容器除了运行其中的应用之外，基本不消耗额外的系统资源，保证应用性能的同时，尽量减小系统开销。传统虚拟机方式运行N个不同的应用就要启动N个虚拟机（每个虚拟机需要单独分配独占的内存、磁盘等资源），而Docker只需要启动N个隔离的容器，并将应用放到容器内即可。

当然，在隔离性方面，传统的虚拟机方式多了一层额外的隔离。但这并不意味着Docker就不安全。Docker利用Linux系统上的多种防护机制实现了严格可靠的隔离。从1.3版本开始，Docker引入了安全选项和镜像签名机制，极大地提高了使用Docker的安全性。

下表总结了使用Docker容器技术与传统虚拟机技术的特性比较。

1.3 虚拟化与Docker

虚拟化技术是一个通用的概念，在不同领域有不同的理解。在计算领域，一般指的是计算虚拟化（Computing Ⅴirtualization），或通常说的服务器虚拟化。维基百科上的定义如下：

在计算机技术中，虚拟化（Ⅴirtualization）是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源，如服务器、网络、内存及存储等，予以抽象、转换后呈现出来，打破实体结构间的不可切割的障碍，使用户可以用比原本的组态更好的方式来应用这些资源。

可见，虚拟化的核心是对资源进行抽象，目标往往是为了在同一个主机上运行多个系统或应用，从而提高系统资源的利用率，同时带来降低成本、方便管理和容错容灾等好处。

从大类上分，虚拟化技术可分为基于硬件的虚拟化和基于软件的虚拟化。其中，真正意义上的基于硬件的虚拟化技术不多见，少数如网卡中的单根多IO虚拟化（Single Root I/OⅤirtualization and Sharing Specification，SR-IOⅤ）等技术，也超出了本书的讨论范畴。

基于软件的虚拟化从对象所在的层次，又可以分为应用虚拟化和平台虚拟化（通常说的虚拟机技术即属于这个范畴）。其中，前者一般指的是一些模拟设备或Wine这样的软件。后者又可以细分为如下几个子类：

□ 完全虚拟化。虚拟机模拟完整的底层硬件环境和特权指令的执行过程，客户操作系统无需进行修改。例如ⅤMware Workstation、ⅤirtualBox、QEMU等。

□ 硬件辅助虚拟化。利用硬件（主要是CPU）辅助支持（目前x86体系结构上可用的硬件辅助虚拟化技术包括Intel-ⅤT和AMD-Ⅴ）处理敏感指令来实现完全虚拟化的功能，客户操作系统无需修改，例如ⅤMware Workstation、Xen、KⅤM。

□ 部分虚拟化。只针对部分硬件资源进行虚拟化，客户操作系统需要进行修改。现在有些虚拟化技术的早期版本仅支持部分虚拟化。

□ 超虚拟化（Paravirtualization）。部分硬件接口以软件的形式提供给客户机操作系统，客户操作系统需要进行修改，例如早期的Xen。

□ 操作系统级虚拟化。内核通过创建多个虚拟的操作系统实例（内核和库）来隔离不同的进程。容器相关技术即在这个范畴。

可见，Docker以及其他容器技术都属于操作系统的虚拟化这个范畴。

Docker虚拟化方式之所以拥有众多优势，这跟操作系统的虚拟化自身的特点是分不开的。下面图1-1比较了Docker和常见的虚拟机方式的不同之处。

传统方式是在硬件层面实现虚拟化，需要有额外的虚拟机管理应用和虚拟机操作系统层。

Docker容器是在操作系统层面上实现虚拟化，直接复用本地主机的操作系统，因此更加轻量级。

1.4 本章小结

通过本章内容的叙述，相信读者已经对于Docker技术不再陌生，并为它带来的众多优势所深深吸引。通过为Linux容器技术提供更简便的使用和管理方案、更高效的版本控制机制，Docker让容器技术一下子变得前所未有的方便易用。

笔者相信，随着云计算技术的进一步发展，以Docker技术为代表的容器技术必将在整个虚拟化领域占有越来越重要的地位。