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一文掌握 Docker 技术体系

  • 2022 年 4 月 27 日
  • 本文字数:5074 字

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提起 Docker,很多软件工程师都会认为那是运维工程师需要掌握的技能。殊不知互联网日益内卷,极限环境下如何脱颖而出——成为佼佼者,这才是值得思考的问题。因此,我们不要局限在特定领域的“一亩三分地”,掌握“应用全生命周期”的各个环节,才是万全之策。当“领域深耕+边界扩宽”逐渐成为一种趋势,T 型人才将会立于不败之地,这就是所谓的底层逻辑。

而 Docker 技术就是这样一种神奇的存在:懂,万物皆可容器化;不懂,则重复“搬砖”,繁忙而不自知。

因此,作为软件工程师,不妨提高自身壁垒,储备一些 Docker 技术知识体系以备不时之需。

值得关注的是,Docker 一词的“谷歌趋势”稳定在 75 分以上(热度最高的字词得 100 分),可以看出来近一年 Docker 技术的热度“有增无减”。



本文将围绕以下三点展开:

1.Docker 能做什么 

2.Docker 技术体系

◦ Docker 架构

◦ Docker 周边生态

◦ 理论实践相结合

3.如何快速掌握

◦ Docker 学习体系

◦ 书籍推荐

◦ 其他

言归正传,开篇我们先来讲一讲 Docker 技术体系,“扩宽边界”从场景出发。


01

Docker 能做什么

开始之前,先来盘一下日常的开发中什么情况会接触到 Docker 技术。



 

(1)固化配置,提高效率

Docker 提供了一个通用配置文件。在初次配置成功后,研发人员可以将配置文件固化,之后碰到相同的配置需求,直接复制即可使用。

随着应用逐渐增多,研发人员只需维护好与之对应的 Docker 配置文件即可,而这个配置文件则存储了 Docker 运行、启动、部署的命令。

(2)自动化 CI/CD 流程

Docker 提供了一组应用打包构建、传输及部署的方法,以便于用户能够轻而易举地在容器内运行任何应用。Docker 还提供了跨越这些异构环境以满足一致性的微环境——从开发到部署、再到流畅发布。

以上这些只是 Docker 的基本能力,除此之外,它最强大的地方是:可以和 Jenkins、GitLab 等串联起来,融入项目开发的 CI/CD(持续集成与持续发布)流程中,让一键部署成为可能。

(3)DevOps 节点运行能力

在传统软件开发过程中,开发和运维是两个极其割裂的环节。对于互联网公司而言,其业务高速发展,需要通过“小步快跑”的方式进行敏捷开发,以此来满足用户差异化的需求、应对竞争对手的产品策略。因此,在极端情况下,如:每周发布多次甚至每天发布多次的场景,高效的团队协作就显得尤为重要。

DevOps 在这种场景下应运而生,它打破了开发人员和运维人员之间的壁垒,通过“节点服务”组成工作流,串联项目完整生命周期,涵盖了研发、构建、测试、发布、监控及反馈等流程,从而促进了软件的一致性和标准化。

标准的“节点服务”依赖一些隔离的执行环境:既要快速启停、又要服务稳定执行、还要支持高并发调度,这一切都可以通过 Docker 来轻松实现。

(4)自动化测试

测试人员每天都需要完成大量的测试任务,手动执行测试会耗费大量的时间,这时可以考虑使用 Docker 进行自动化改造。自动化的成本是首次自动化程序的编写和维护,而收益则是解放人力、提高生产力。

测试人员在进行一些功能测试、性能测试以及 UI 测试时,需要快速搭建不同的运行环境、掌握 Docker 技术,可以让测试人员如虎添翼。

(5)应用隔离

读者或许会疑惑,为什么需要应用隔离?例如,服务器上混部了两个服务:

  • Node 服务,用来启动 Web 服务;

  • Java 服务,用来提供前后端分离的 API 接口。

可能出现这种情况——两个服务争夺服务器的 CPU 资源,无论哪一方失败都将造成灾难。如下图所示,服务器的 CPU 资源已经被 Java 服务占满。



在资源有限的前提下,同一时间无法同时满足多个进程的过度使用。当然,在这种场景下可以通过独立部署、为虚拟机设定资源优先级等方案解决。

但在 Docker 中,这些完全没有必要担心,因为 Docker 提供了进程级的隔离,可以更加精细地设置 CPU 和内存的使用率,进而更好地利用服务器的资源。

(6)动态扩容/缩容

在企业中,如果存在大促或流量不均的场景,则服务器的自动扩容/缩容就会很关键。

  • 在流量低谷时进行自动缩容,可以大幅度减少服务器成本。

  • 在峰值来临时,通过服务器性能嗅探,可以预测到瓶颈即将来临,自动触发服务器扩容操作,从而保证服务器稳定运行。

这一切在传统的虚拟机中显得十分笨重,而在 Docker 中却非常灵活并且高效,因为,每个容器都可作为单独的进程运行,并且可以共享底层操作系统的系统资源。这样可以提高容器的启动和停止效率,扩容也就毫不费力了。

(7)节省成本,一体化管理

节省成本也是很多企业使用 Docker 的原因之一。传统企业一般会使用虚拟机,虚拟机虽然可以隔离出很多“子系统”,但占用的空间更大,启动更慢。

Docker 技术不需要虚拟出整个操作系统,只需要虚拟出一个小规模的环境,与“沙箱”类似。

此外,虚拟机一般要占用很大的存储空间(可以达到数十 GB);而容器只需要占用很小的存储空间(最小的仅为几 KB),这样就能节省出更多的服务器资源,从根本上节省成本。

可以看出,Docker 已经渗透到了日常开发的方方面面。那么究竟 Docker 的技术体系有多大,不妨一起来探究下。


02

Docker 技术体系

(1)Docker 架构

我们先从 Docker 技术体系展开,如下图:



简单说明下,架构主要包含这些部分:

  • Docker Client:开发者可以在命令行中使用 Docker 相关执行与 Docker 守护进程进行交互,从而管理诸如 Image(镜像)、Container(容器)、Network(网络)和 Data Volumes(数据卷)等实体。 

  • Docker Server:

    ◦ Daemon:通过 Libcontainer、LXC 等容器管理工具来接收 Client 端的指令完成容器管理操作;

    ◦ Containerd:Docker 引擎中的 Containerd 组件确保了 Docker 镜像能够以正确的 OCI Bundle 的格式传递给 Runc;

    ◦ Runc:实质上是一个轻量级的、针对 Libcontainer 进行了包装的命令行交互工具,可以理解为一个独立的容器运行时工具。作用只有一个——创建容器。

  • Docker Driver:

    Execdrive:存储了容器定义的配置信息了,Libcontainer 拿到这些配置信息后,将会调用底层的 Namespace 和 Cgroup 等技术来完成容器的创建和管理;

    ◦ Networkdirver:主要作用是完成 Docker 容器的网络环境配置,包括容器的 IP 地址、端口、防火墙策略,以及与主机的端口映射等;

    ◦ Graphdriver:主要负责对容器镜像的管理。

  • Linux Kernel:

    ◦ Chroot:即 change root directory (主要用来更改 root 目录)。在 Linux 系统中,系统默认的目录结构都是以 /,即以根 (root) 开始的。而在使用 Chroot 之后,系统的目录结构将以指定的位置作为 / 位置;

    ◦ Namespace:是 Linux 内核用来隔离内核资源的方式,目的就是实现轻量级虚拟化(容器)服务,为 Docker 等容器技术提供了基础条件;

    ◦ Cgroup:是 Linux 内核提供的一种可以限制单个进程或者多个进程所使用资源的机制,可以对 CPU、内存等资源实现精细化的控制,Docker 就使用了 Cgroup 提供的资源限制能力来完成 CPU,内存等部分的资源控制;

    ◦ Network:为 Docker 容器提供多种网络解决方案;

    ◦ Capability:Linux 引入了 Capabilities 机制对 root 权限进行细粒度的控制,实现按需授权,从而减小系统的安全攻击面; 

    ◦ Seccomp:即安全计算模式,可以使用它来限制容器内可用的操作。seccomp()系统调用在调用进程的 seccomp 状态下运行。Docker 中使用此功能来限制应用程序的访问;

    ◦ Filesystem:UnionFS 通过 Linux Filesystem 为容器提供高效的管理能力。Docker 的镜像就采用了 UnionFS 技术,从而实现了分层的镜像。

(2)Docker 周边生态

如果需要搭建“企业级容器化标准”,那么一定要对 Docker 周边生态有足够的了解,不妨一起从下图中感受整个技术体系。



从生态图中我们看到,Docker 涉及到很多工具或平台。

但万变不离其宗,“企业容器化标准”可以归纳以下几方面:

  • 服务发现:Etcd、ZooKeeper、Consul、Eureka

  • 负载均衡:Nginx、F5、LVS

  • 网络选型:Flannel、Calico、Weave、自研

  • 存储系统:PV/PVC 声明文件、StorageClass 动态供给

  • 部署发布:Jenkins、GitLab、Registry

  • 服务监控:Zabbix、Nagios、cAdvisor、Prometheus

  • 日志管理:两种模式 Daemonset 集中式、Sidecar 自定义,ELK

  • 链路追踪:Pinpoint、Jaeger 、SkyWalking、Zipkin

  • 容器编排:Swarm、Kubernetes、Mesos

  • 数据存储:Redis、MySQL、MongoDB

  • 弹性部署:手动扩容、自动扩容、定时扩容

  • 集群可靠性:集群预留、资源预留、集群组件(API Server、Etcd 集群方案、kube-scheduler 与 controller-manager)

(3)理论实践相结合

基于上述理论,我们来看一个实际场景:



对上述流程图简单解释一下:

  • 通过 Docker 对代码进行容器化处理;

  • 通过 Gitlab 托管代码;

  • Jenkins 监听 Gitlab 下的代码,触发自动构建,并执行 Kustomize 文件;

  • Kustomize 通过配置文件,设置了 Istio 的配置(染色识别、流量分发),并启动 K8s 部署应用;

  • 最终我们通过 Rancher 来对多容器进行界面化管理;

  • 打开浏览器进行访问。 

架构图如下:



看到这里,相信读者也猜到了,我们实现了一个“多容器化部署”的案例。它有什么意义呢?

  • 首先,当然是环境隔离了,研发每人一个容器开发,互不干扰;

  • 其次,我们可以做很多小流量、灰度发布等事情;

  • 最后,低成本隔离,自动化部署,一站式的流程体验;

Docker 技术体系相当庞大,这也就导致了很多新人望而生畏。因此,我整理了一套 Docker 学习体系,为读者快速掌握提供帮助。

03

如何快速掌握

(1)Docker 学习体系

市场上不乏 Docker 技术相关的书籍,或围绕官方基础文档缺乏新意,或直入源码让新人望而却步。鲜有既满足读者入门需要,又结合企业实际案例的佳作。

《Docker 实战派:容器入门七步法》正是看到了这一点,另辟蹊径,从读者角度出发,首次提出了“七步法”的概念。 



何谓“七步法”?七是人们最容易记住的数字,也是人类瞬间记忆的极限,本书正是立意于此。



  • 第一步,从具象的故事开始,开门见山、降低认知门槛。

  • 第二步,通过“第一个 Docker 项目”,帮助读者快速上手。在读者建立起体系概念后;

  • 第三步,直切核心原理,围绕 Docker 架构展开,由浅入深的讲解了 Docker 底层隔离机制、容器生命周期、网络与通讯、存储原理以及源码。深入剖析,知其然而知其所以然。

  • 第四步,趁热打铁,围绕前后端项目,从全栈角度进行项目实战。

  • 第五步,从 Docker 容器运维角度出发,进一步补充读者知识图谱,这也是初学者最容易忽视的内容。

  • 第六步,步入高级教程,该部分重点围绕 Docker 技术最佳实践展开,提供了容器与进程、文件存储与备份、网络配置、镜像优化以及安全策略等内容,示例丰富,操作性十足。

  • 第七步,全书内容升华。通过云原生持续交付模型、企业容器标准化及两个实际的企业级方案,将本书所有内容进行串联。  

至此,七步完成。读者可以清晰的感受每一步带来的技术提升,稳扎稳打,从而完全将 Docker 技术融会贯通。


本书特色


《Docker 实战派——容器入门七步法》最大的亮点如下。

(1) 趣味易懂。

书中较多的原理,剥除了 Docker 官方文档晦涩难懂的外衣,通过趣味的故事展开。如:

  • 通过“盖房子”的比方来理解 Docker 是什么;

  • 通过“别墅与胶囊旅馆”的例子来阐述容器与虚拟机的概念;

  • 通过“工厂和车间”来说明进程和线程等。

读者无须记忆就可轻松理解,这也正是本书想要传达的观点:并非技术晦涩难懂,而是缺乏技巧。

(2) 案例丰富。

本书第 2、4、5、6、7 章都包含大量的示例。不管是“第一个 Docker 项目”还是项目实战,或者是“企业案例”都包含了大量的代码讲解。

读者完全可以按照教程逐步实现,体验 Docker 编程的乐趣。

(3) 实操性强。

值得一提的是,本书中案例均来自于实际的研发过程,为了让读者能够轻松掌握,去除了容器中包含的业务逻辑,保留了 Docker 容器最核心的架构,实操性强。

熟练掌握书中的精彩案例,沉淀其所表现出来的方法论,相信读者一定能够在企业应用中灵活运用,事半功倍。


作者简介

王嘉涛(Jartto),高级技术专家,技术博客作者。擅长 Web 领域,对性能优化、工程化、以及容器化略有心得。现就职于美团,负责前端公共技术建设。

李传龙(Alonso),Kubernetes 运维专家。在运维领域积累了丰富的实战经验,尤其是服务容器化、PaaS 化、稳定性建设、运维体系建设等方面探索深入。现就职于百度,负责云相关运维。

卢桂周(Storm),前端技术专家。在前端技术升级、UI 自动化测试、CI/CD、前端工程化、服务容器化有丰富的实战经验。现就职于拉勾,负责前端团队。

Docker 容器化并不是一个单点的技术,反而涉及工程化以及运维体系的方方面面。因此,特邀请李传龙、卢桂周两位行业大佬通力合作,让本书在该领域更具专业性。而做这一切的目的,就是为读者提供舒适的阅读体验和清晰明了的入门之旅。 

也许你暂时不会接触 Docker 容器化技术,但《Docker 实战派:容器入门七步法》却值得拥有。因为它能为你指明方向:技术入门,七步可成!





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