容器技术原理

Docker, 容器云 / 作者：

容器技术原理

提起容器就不得不说 chroot，因为 chroot 是最早的容器雏形。chroot 意味着切换根目录，有了 chroot 就意味着我们可以把任何目录更改为当前进程的根目录，这与容器非常相似，下面我们通过一个实例了解下 chroot。

chroot

chroot 是在 Unix 和 Linux 系统的一个操作，针对正在运作的软件行程和它的子进程，改变它外显的根目录。一个运行在这个环境下，经由 chroot 设置根目录的程序，它不能够对这个指定根目录之外的文件进行访问动作，不能读取，也不能更改它的内容。

chroot 就是可以改变某进程的根目录，使这个程序不能访问目录之外的其他目录，这个跟我们在一个容器中是很相似的。下面我们通过一个实例来演示下 chroot。

首先我们在当前目录下创建一个 rootfs 目录：

# mkdir rootfs

为了方便演示，我使用现成的 busybox 镜像来创建一个系统，镜像的概念和组成后面我会详细讲解，如果你没有 Docker 基础可以把下面的操作命令理解成在 rootfs 下创建了一些目录和放置了一些二进制文件。

# cd rootfs
# docker export $(docker create busybox) -o busybox.tar
# tar -xf busybox.tar

执行完上面的命令后，在 rootfs 目录下，我们会得到一些目录和文件。下面我们使用 ls 命令查看一下 rootfs 目录下的内容。

# ls
bin busybox.tar dev etc home proc root sys tmp usr var

可以看到我们在 rootfs 目录下初始化了一些目录，下面让我们通过一条命令来见证 chroot 的神奇之处。使用以下命令，可以启动一个 sh 进程，并且把 /home/centos/rootfs 作为 sh 进程的根目录。

# chroot /home/centos/rootfs /bin/sh
此时，我们的命令行窗口已经处于上述命令启动的 sh 进程中。在当前 sh 命令行窗口下，我们使用 ls 命令查看一下当前进程，看是否真的与主机上的其他目录隔离开了。
# ls
bin busybox.tar dev etc home proc root sys tmp usr var
这里可以看到当前进程的根目录已经变成了主机上的 /home/centos/rootfs 目录。这样就实现了当前进程与主机的隔离。到此为止，一个目录隔离的容器就完成了。
但是，此时还不能称之为一个容器，为什么呢？你可以在上一步（使用 chroot 启动命令行窗口）执行以下命令，查看如下路由信息：
/etc # /bin/ip route
default via 172.20.1.1 dev eth0
172.17.0.0/16 dev docker0 scope link src 172.17.0.1
172.20.1.0/24 dev eth0 scope link src 172.20.1.3

执行 ip route 命令后，你可以看到网络信息并没有隔离，实际上进程等信息此时也并未隔离。要想实现一个完整的容器，我们还需要 Linux 的其他三项技术： Namespace、Cgroups 和联合文件系统。

Docker 是利用 Linux 的 Namespace 、Cgroups 和联合文件系统三大机制来保证实现的， 所以它的原理是使用 Namespace 做主机名、网络、PID 等资源的隔离，使用 Cgroups 对进程或者进程组做资源（例如：CPU、内存等）的限制，联合文件系统用于镜像构建和容器运行环境。

后面我会对这些技术进行详细讲解，这里我就简单解释下它们的作用。

Namespace

Namespace 是 Linux 内核的一项功能，该功能对内核资源进行隔离，使得容器中的进程都可以在单独的命名空间中运行，并且只可以访问当前容器命名空间的资源。Namespace 可以隔离进程 ID、主机名、用户 ID、文件名、网络访问和进程间通信等相关资源。

Docker 主要用到以下五种命名空间。

  • pid namespace：用于隔离进程 ID。

  • net namespace：隔离网络接口，在虚拟的 net namespace 内用户可以拥有自己独立的 IP、路由、端口等。

  • mnt namespace：文件系统挂载点隔离。

  • ipc namespace：信号量,消息队列和共享内存的隔离。

  • uts namespace：主机名和域名的隔离。

Cgroups

Cgroups 是一种 Linux 内核功能，可以限制和隔离进程的资源使用情况（CPU、内存、磁盘 I/O、网络等）。在容器的实现中，Cgroups 通常用来限制容器的 CPU 和内存等资源的使用。

联合文件系统

联合文件系统，又叫 UnionFS，是一种通过创建文件层进程操作的文件系统，因此，联合文件系统非常轻快。Docker 使用联合文件系统为容器提供构建层，使得容器可以实现写时复制以及镜像的分层构建和存储。常用的联合文件系统有 AUFS、Overlay 和 Devicemapper 等。

结语

容器技术从 1979 年 chroot 的首次问世便已崭露头角，但是到了 2013 年，Dokcer 的横空出世才使得容器技术迅速发展，可见 Docker 对于容器技术的推动力和影响力。

另外， Docker 还提供了工具和平台来管理容器的生命周期：

  1. 使用容器开发应用程序及其支持组件。

  2. 容器成为分发和测试你的应用程序的单元。

  3. 可以将应用程序作为容器或协调服务部署到生产环境中。无论您的生产环境是本地数据中心，云提供商还是两者的混合，其工作原理都相同。

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