容器技術(shù)為啥能這樣“火”

為什么追捧容器技術(shù)

在英文中容器被譯為“Container”，與“集裝箱”使用的是同一個(gè)單詞，解釋為一種可以裝貨的容器或盒子。對(duì)于容器的概念，有人會(huì)覺(jué)得難以理解。但是如果將容器換做集裝箱，理解起來(lái)會(huì)更簡(jiǎn)單。從本質(zhì)上講，“容器”和“集裝箱”沒(méi)有太大區(qū)別，不同的是容器打包的是“應(yīng)用及其依賴的包”，讓?xiě)?yīng)用變成一種標(biāo)準(zhǔn)化的組件，擺脫與系統(tǒng)之間的緊耦合關(guān)系，能在任何主流系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行。

2013年，隨著開(kāi)源應(yīng)用容器引擎Docker第一個(gè)版本的發(fā)布，容器這種能夠打包應(yīng)用和隔離運(yùn)行環(huán)境的技術(shù)就引起了開(kāi)發(fā)者的高度關(guān)注。由此推動(dòng)容器技術(shù)就進(jìn)入了快速發(fā)展期，這背后的動(dòng)力源自于越來(lái)越多的碎片化工業(yè)應(yīng)用和分布式部署需求。

回顧十年前，那時(shí)候的制造企業(yè)更多關(guān)注的是ERP、PLM、CRM等大型應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)和部署，這些軟件模塊多，功能復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，實(shí)施過(guò)程復(fù)雜，而且采用集中式應(yīng)用部署方式。在平臺(tái)的選擇上，主要以傳統(tǒng)服務(wù)器為主，應(yīng)用軟件和平臺(tái)系統(tǒng)之間是緊耦合關(guān)系，并不存在應(yīng)用迭代和平臺(tái)遷移需求。

但近年來(lái)，隨著智能制造的推進(jìn)，企業(yè)開(kāi)始關(guān)注工廠的智能化轉(zhuǎn)型，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，不同企業(yè)的工廠生產(chǎn)特點(diǎn)各不相同，而且呈現(xiàn)出的是零散和碎片化的個(gè)性化應(yīng)用需求，部署環(huán)境也存在多樣性，如虛擬化服務(wù)器、公有云、私有云等。因此，要像ERP、PLM、CRM等軟件開(kāi)發(fā)和應(yīng)用那樣，利用傳統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)手段針對(duì)極具個(gè)性化的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景打造通用化的應(yīng)用軟件，其實(shí)并不可行。而且在傳統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和部署模式下，應(yīng)用軟件與部署環(huán)境之間存在緊耦合依賴關(guān)系，對(duì)應(yīng)用在運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)遷移，以及不同服務(wù)在不同環(huán)境中的適配帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。因此，像容器這種能通過(guò)打包應(yīng)用及依賴包，實(shí)現(xiàn)“一次開(kāi)發(fā)，到處運(yùn)行”的技術(shù)受到了用戶的積極追捧。

主流容器技術(shù)Docker

近年來(lái)，以Docker為代表的容器技術(shù)已經(jīng)深入人心，無(wú)論是傳統(tǒng)IT企業(yè)還是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，商業(yè)巨擘亦或是初創(chuàng)公司，大家都以飽滿的熱情投入到Docker容器技術(shù)的討論和探索中來(lái)，圍繞Docker相關(guān)的技術(shù)，不僅有像微軟、IBM、Amazon和Google等國(guó)際著名云廠商支持Docker技術(shù)，國(guó)內(nèi)像騰訊，阿里，百度等也相繼加入Docker的陣營(yíng)。國(guó)內(nèi)基于Docker的成功應(yīng)用案例也逐漸開(kāi)始浮出水面。為構(gòu)建具備彈性擴(kuò)展能力的PaaS平臺(tái)提供了很多值得借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

虛擬機(jī)和Docker比較

從結(jié)構(gòu)來(lái)看，虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)和Hypervisor在Docker中已經(jīng)被Docker引擎所取代。虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)資源隔離的方式是利用Hypervisor虛擬化服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、IO等設(shè)備。而Docker就簡(jiǎn)單得多，Docker引擎可以看成Linux的namespace、cgroup和鏡像管理文件系統(tǒng)的封裝，Docker并沒(méi)有和虛擬機(jī)一樣利用一個(gè)完全獨(dú)立的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境隔離，利用的是目前l(fā)inux內(nèi)核本身支持的容器方式實(shí)現(xiàn)的資源和環(huán)境隔離，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，Docker就是利用namespace實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)環(huán)境的隔離，利用cgroup實(shí)現(xiàn)資源限制，利用鏡像實(shí)現(xiàn)根環(huán)境的的隔離。

內(nèi)核虛擬化技術(shù)

具體來(lái)講，Docker底層的核心技術(shù)包括Libcontainer（LXC），這是一種內(nèi)核虛擬化技術(shù)，可以提供輕量級(jí)的虛擬化，以便隔離進(jìn)程和資源。LXC的兩大組件包括命名空間（Namespaces），由IBM貢獻(xiàn)，以及控制組（Control groups），由Google貢獻(xiàn)。

命名空間（Namespaces）是Linux內(nèi)核一個(gè)強(qiáng)大的特性。每個(gè)容器都有自己?jiǎn)为?dú)的命名空間，運(yùn)行在其中的應(yīng)用都像是在獨(dú)立的操作系統(tǒng)中運(yùn)行一樣。命名空間保證了容器之間彼此互不影響，包含容器間PID資源隔離、網(wǎng)絡(luò)隔離、IPC資源隔離、文件目錄隔離、主機(jī)名和域名隔離、用戶和組的隔離。

控制組（cgroups）主要用來(lái)對(duì)共享資源進(jìn)行隔離、限制、審計(jì)等。只有能控制分配到容器的資源，才能避免當(dāng)多個(gè)容器同時(shí)運(yùn)行時(shí)的對(duì)系統(tǒng)資源的競(jìng)爭(zhēng)?？蓪?duì)容器使用的CPU、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)等資源進(jìn)行管理控制。

正如所有應(yīng)用都需要文件系統(tǒng)支撐一樣，Docker采用AUFS文件系統(tǒng)，一種分層、輕量級(jí)并且高性能的文件系統(tǒng)，它支持對(duì)文件系統(tǒng)的修改作為一次提交來(lái)一層層的疊加，同時(shí)可以將不同目錄掛載到同一個(gè)虛擬文件系統(tǒng)下。Docker的AUFS文件系統(tǒng)分為兩層，只有最上層是可讀寫(xiě)的（Container），其他的層只具有讀權(quán)限（Image）。

文件系統(tǒng)的修改

比如容器已經(jīng)對(duì)A應(yīng)用及其動(dòng)態(tài)庫(kù)打包，而隨著應(yīng)用需求的變化，企業(yè)需要在這個(gè)容器A進(jìn)行修改，這個(gè)時(shí)候的做法是：只需要將需要將新的應(yīng)用和動(dòng)態(tài)庫(kù)進(jìn)行打包并推送到容器鏡像庫(kù)，在原有的容器A的基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加和更新即可，極大的降低了應(yīng)用重新開(kāi)發(fā)和部署的難度。

從性能上看，由于Docker有著比虛擬機(jī)更少的抽象層，不需要Hypervisor實(shí)現(xiàn)硬件資源虛擬化，運(yùn)行在Docker容器上的程序直接使用的都是實(shí)際物理機(jī)的硬件資源，減少了加載操作系統(tǒng)內(nèi)核的時(shí)間和資源的消耗，因此，在CPU、內(nèi)存等資源利用率上更有優(yōu)勢(shì)。比如容器啟動(dòng)時(shí)間是秒級(jí)，而虛擬機(jī)都是分鐘級(jí)，硬盤(pán)使用一般為MB計(jì)算，而虛擬機(jī)大多是GB級(jí)的空間占用，在性能上，容器更接近原生，單機(jī)就能支持上千個(gè)，遠(yuǎn)多于虛擬機(jī)的幾十個(gè)。

Docker與虛擬機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間及資源消耗的比較

從應(yīng)用層面看，容器技術(shù)有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：一是“一次構(gòu)建、到處運(yùn)行”。二是“增量更新、快速回退”。這兩個(gè)優(yōu)勢(shì)極大的降低了軟件開(kāi)發(fā)和運(yùn)維難度，也推動(dòng)了持續(xù)集成和部署（DevOps）模式的發(fā)展。

持續(xù)發(fā)布平臺(tái)

對(duì)開(kāi)發(fā)和運(yùn)維人員來(lái)說(shuō)，最希望的就是一次創(chuàng)建或配置，可以在任意地方正常運(yùn)行。開(kāi)發(fā)者可以使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的鏡像來(lái)構(gòu)建一套開(kāi)發(fā)容器，開(kāi)發(fā)完成之后，運(yùn)維人員可以直接使用這個(gè)容器來(lái)部署代碼。由于Docker很輕很快，可以快速創(chuàng)建容器，快速迭代應(yīng)用程序，并讓整個(gè)過(guò)程全程可見(jiàn)，使團(tuán)隊(duì)中的其他成員更容易理解應(yīng)用程序是如何創(chuàng)建和工作的。

后記

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為推進(jìn)企業(yè)智能制造型重要使能平臺(tái)，已經(jīng)受到了企業(yè)的廣泛關(guān)注。然而面對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的個(gè)性化需求，傳統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)手段已經(jīng)無(wú)法支撐起碎片化和專(zhuān)業(yè)化的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)需求。而以容器和微服務(wù)為代表的新興技術(shù)正在成為構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺(tái)的新選擇。容器技術(shù)是極具顛覆性的計(jì)算機(jī)資源隔離技術(shù)，不僅對(duì)CPU、存儲(chǔ)的額外開(kāi)銷(xiāo)非常小，還可以實(shí)現(xiàn)秒級(jí)的開(kāi)啟和關(guān)閉。對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，容器技術(shù)已經(jīng)成為實(shí)際上封裝、分發(fā)和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

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