Docker 101：介绍与入门体验

Docker是一种在Linux容器里运行应用的开源工具，一种轻量级的虚拟机。除了运行应用，Docker还提供了一些工具，借助Docker Index或自己托管的Docker注册表对进行了集装箱化处理的应用进行分发，从而简化复杂应用的部署过程。

我将在本文介绍如今在部署复杂系统时公司所面临的挑战，Docker怎样有效地解决这个问题，以及Docker的其他用例。

部署的挑战

服务器应用的部署已经越来越复杂了。把几个Perl脚本拷贝到正确目录就完成服务器应用的安装，这种时代已经一去不复返了。如今的软件有很多类型的需求：

• 对已安装软件和库的依赖（“Python版本高于2.6.3，使用Django 1.2”）
• 依赖于正在运行的服务（“需要一个MySQL 5.5数据库和一个RabbitMQ队列”）
• 依赖于特定的操作系统（“在64位的Ubuntu Linux 12.04上构建、测试”）
• 资源需求：
  • 最小的可用内存（“需要1GB的可用内存”）
  • 能绑定特定的端口（“绑定80和443端口”）

我们来看一个相对简单的应用的部署：Wordpress。Wordpress的安装通常要求：

• Apache 2
• PHP 5
• MySQL
• Wordpress源码
• 一个Wordpress MySQL数据库，配置Wordpress使用该数据库
• Apache的配置：
  • 加载PHP模块
  • 支持URL重写和.htaccess文件
  • 指向WordPress源码的DocumentRoot

在服务器上部署、运行这样一个系统，我们可能会遇到下面的问题和挑战：

1. 隔离性：如果我们已经在这个服务器上部署了不同的网站，已有的网站只能在nginx上 运行，而Wordpress依赖于Apache，这时我们就会有麻烦：它们都监听80端口。同时运行两个网站是可以的，但需要调整配置（修改监听端口）， 设置反向代理等。库级别也会出现类似的冲突，如果还要运行一个仍然依赖PHP4的老应用就会出问题，因为Wordpress不再支持PHP4，同时运行 PHP4和PHP5则非常困难。运行在同一个服务器上的应用没有互相隔离（在文件系统级别和网络级别），所以它们可能会互相冲突。
2. 安全性：Wordpress的安全记录并不是非常好。所以还是给它创建个沙箱，至少黑客入侵时不会影响其他运行的应用。
3. 升级、降级：升级应用一般会覆盖现有文件。升级过程中会发生什么？系统要关闭么？如果升级失败，或者不对该怎么办？我们怎样快速回退到先前的版本？
4. 快照、备份：一旦所有的内容都设置好，就给系统创建一个“快照”，以便能备份快照，甚至能移到另一个服务器上再次启动，或者拷贝到多个服务器上以备不时之需。
5. 重复性：系统出新版本之后，比较好的做法是先在测试基础设施上自动部署并测试，然后再发布到生产系统。通常会利用诸如Chef、Puppet等 工具在服务器上自动安装一堆包，等一切内容都就绪后，再在生产系统上运行相同的部署脚本。这在百分之九十九的情况下都没有问题。但有百分之一的例外，在部 署到测试环境和生产环境之间的时间跨度里，你依赖的包在包仓库里有了更新，而新版本并不兼容。结果生产环境的设置和测试环境不同，还有可能破坏生产系统。 假如没有控制部署的每一个方面（例如托管自己的APT或YUM仓库），持续在多个阶段（比如测试、预演、生产环境）重复搭建出完全相同的系统就很困难。
6. 资源限制：如果我们的Wordpress耗费CPU资源，并占用了所有的CPU周期，导致其他应用无法做任何事情怎么办？如果它用尽了全部可用的内存呢？或者疯狂写日志阻塞磁盘呢？要是能限制应用的可用资源，比如CPU、内存和磁盘空间，就会非常方便。
7. 易于安装：也许有Debian或CentOS包，抑或是能自动执行所有复杂步骤并安装 Wordpress的Chef菜谱。但这些菜谱很难稳定下来，因为它们需要考虑目标系统上可能的系统配置。很多情况下，这些菜谱只能在干净的系统上运行。 因此，你不太可能更换成自己的包或Chef菜谱。这样的话，安装就是个复杂的系统工程，而不是午休期间就能搞定的事情。
8. 易于移除：软件应该能轻松、干净地移除，不留痕迹。但部署应用通常要调整已有的配置文件、设置状态（MySQL数据库的数据，日志），完全移除应用也变得不那么容易。

那我们应该如何解决这些问题呢？

虚拟机！

我们决定在单独的虚拟机上运行独立的应用，例如Amazon的EC2，大部分问题这时会迎刃而解：

1. 隔离性：在一个VM上安装一个应用，应用是完全独立的，除非它们攻入了对方的防火墙。
2. 重复性：用你喜欢的方式准备系统，然后创建一个AMI。你可以随意实例化多个AMI实例。完全是可重现的。
3. 安全性：由于我们完全隔离，如果Wordpress遭到攻击，其余的基础设施并不会受到影响——除非你没有保管好SSH密钥或者在哪里都使用同一个密码，但你应该不会这么做吧？
4. 资源限制：VM会分配特定的CPU周期、可用内存和磁盘空间，没有加价的话就不能超额。
5. 易于安装：越来越多的应用能够在EC2上运行，只要在AWS marketplace上点击一个按钮就能实例化应用。启动只需要几分钟，就是这样。
6. 易于移除：不需要某个应用了？销毁VM。干净又方便。
7. 升级、降级：Netflix如何部署代码里提到，只需要在新VM上部署新版本，然后让负载均衡器指向部署了新版本的VM。不过应用如果需要在本地保存状态，这种方法就不是很好用了。
8. 快照、备份：点击一个按钮（或者调用一下API）就能获得EBS磁盘的快照，快照会备份到S3中。

完美！

不过……我们有个新问题：虚拟机在两个方面比较昂贵：

• 金钱：你真的有那么多钱为每个应用启动一个EC2实例？另外你能预测到需要多少个实例么？如果你以后需要更多的资源，你需要停止VM进行升级——否则就要为闲置资源白白付钱，直到真正用起来（除非你用能动态调整大小的Solaris Zones，比如Joyent上的）。
• 时间：虚拟机相关的操作大多都很慢：启动要几分钟，捕捉快照要几分钟，创建镜像也需要几分钟。世界不停转动，我们可没有这种时间！

我们能做得更好吗？

进入Docker的世界吧。

Docker是由公共PaaS提供商dotCloud的人发起的开源项目，于去年初发起。从技术角度来说，Docker（主要用Go语言编写）试图简化两种已有技术的使用：

• LXC：Linux容器，允许独立进程在比普通Unix进程更高的隔离级别上运行。使用的技术术语是集装箱化：一个容器里运行一个进程。容器支持的隔离级别有：
  • 文件系统：容器只能访问自己的沙箱文件系统（类似于chroot），否则要专门挂载到容器的文件系统中才能访问。
  • 用户名字空间：容器有自己的用户数据库（也就是容器的root不等于主机的root账户）。
  • 进程名字空间：只有容器里的进程才是可见的（ps aux的输出会非常简洁）。
  • 网络名字空间：每个容器都有自己的虚拟网络设备和虚拟IP（因此它可以绑定任意端口，不用占用主机端口）。
• AUFS：高级多层的统一文件系统，可用来创建联合、写时拷贝的文件系统。

Docker可以安装在任何支持AUFS和内核版本大于等于3.8的Linux系统上。但从概念上来说它并不依赖于这些技术，以后也可以和类似的技术一起运行，例如Solaris的Zones或BSD jails，并将ZFS作为文件系统。不过目前只能选择Linux 3.8+和AUFS。

那Docker为什么有意思呢？

• Docker非常轻量。启动VM是个大动作，需要占用大量内存；而启动Docker容器只耗费很少的CPU和内存，并且非常快。几乎和启动一个常规进程没什么区别。不仅运行容器快，构建镜像、捕获文件系统的快照也很快。
• 它运行在已经虚拟化过的环境中。也就是说，你可以在EC2实例、Rackspace VM或VirtualBox里运行Docker。事实上，在Mac和Windows上使用Docker的首选方式是使用Vagrant。
• Docker容器能移植到任何运行Docker的操作系统上。无论是Ubuntu还是CentOS，只要Docker运行着，你的容器就能运行。

让我们回到前面的部署、操作问题列表，看看Docker是怎么解决的：

1. 隔离性：Docker在文件系统和网络级别隔离了应用。从这个意义上来讲很像在运行”真正的“虚拟机。
2. 重复性：用你喜欢的方式准备系统（登录并在所有软件里执行apt-get命令，或者使用Dockerfile），然后把修改提交到镜像中。你可以随意实例化若干个实例，或者把镜像传输到另一台机器，完全重现同样的设置。
• 安全性：Docker容器比普通的进程隔离更为安全。Docker团队已经确定了一些安全问题，正在着手解决。
• 资源约束：Docker现在能限制CPU的使用率和内存用量。目前还不能直接限制磁盘的使用情况。
• 易于安装：Docker有一个Docker Index，这个仓库存储了现成的Docker镜像，你用一条命令就可以完成实例化。比如说，要使用Clojure REPL镜像，只要运行docker run -t -i zefhemel/clojure-repl命令就能自动获取并运行该镜像。
• 易于移除：不需要应用了？销毁容器就行。
• 升级、降级：和EC2 VM一样：先启动应用的新版本，然后把负载均衡器切换到新的端口。
• 快照、备份：Docker能提交镜像并给镜像打标签，和EC2上的快照不同，Docker是立即处理的。

怎么使用Docker

假设你已经安装了Docker。要在Ubuntu容器中运行bash，只要执行：

docker run -t -i ubuntu /bin/bash

根据“ubuntu”镜像的下载情况，Docker会选择下载或者使用本地可用的拷贝，然后在Ubuntu容器里运行/bin/bash。接着你就能在容器里执行几乎所有典型的Ubuntu操作，比如安装新的包。

我们来安装个“hello”：

$ docker run -t -i ubuntu /bin/bash
root@78b96377e546:/# apt-get install hello
Reading package lists... Done
Building dependency tree... Done
The following NEW packages will be installed:
  hello
0 upgraded, 1 newly installed, 0 to remove and 0 not upgraded.
Need to get 26.1 kB of archives.
After this operation, 102 kB of additional disk space will be used.
Get:1 http://archive.ubuntu.com/ubuntu/ precise/main hello amd64 2.7-2 [26.1 kB]
Fetched 26.1 kB in 0s (390 kB/s)
debconf: delaying package configuration, since apt-utils is not installed
Selecting previously unselected package hello.
(Reading database ... 7545 files and directories currently installed.)
Unpacking hello (from .../archives/hello_2.7-2_amd64.deb) ...
Setting up hello (2.7-2) ...
root@78b96377e546:/# hello
Hello, world!

现在退出，然后再运行一次相同的Docker命令：

root@78b96377e546:/# exit
exit
$ docker run -t -i ubuntu /bin/bash
root@e5e9cde16021:/# hello
bash: hello: command not found

怎么了？我们美丽的hello命令哪儿去了？事实上我们刚刚根据干净的Ubuntu镜像启动了一个新的容器。要继续先前那个，我们必须把它提交到仓库中。我们退出这个容器，看看先前启动容器的ID是什么：

$ docker ps -a
ID                  IMAGE                   COMMAND                CREATED              STATUS              PORTS
e5e9cde16021        ubuntu:12.04            /bin/bash              About a minute ago   Exit 127
78b96377e546        ubuntu:12.04            /bin/bash              2 minutes ago        Exit 0

docker ps命令能列出当前运行的容器，docker ps -a还会显示已经退出的容器。每个容器都有一个唯一的ID，类似于Git提交哈希值。命令也列出了容器基于的镜像、运行的命令、创建时间、当前状态，以及容器暴露的端口和与主机端口之间的映射。

上面那个是我们第二次启动的容器，不包含“hello”；下面那个是我们想重用的，所以我们提交一下，再创建一个新的容器：

$ docker commit 78b96377e546 zefhemel/ubuntu
356e4d516681
$ docker run -t -i zefhemel/ubuntu /bin/bash
root@0d7898bbf8cd:/# hello
Hello, world!

我用容器ID把容器提交到了仓库中。仓库类似于Git仓库，包含一或多个打了标签的镜像。如果像我一样没有指定标签名称，标签会被命名为“latest”。运行docker images命令可以查看本地安装的所有镜像。

Docker提供了一些基础镜像（比如ubuntu和centos），你也可以创建自己的镜像。用户仓库的命名模型和Github的类似：Docker用户名后面跟一个斜线，然后再跟仓库名称。

前面创建Docker镜像的方式并不是特别正规，你可以试试。更简洁的方式是使用Dockerfile。

使用Dockerfile构建镜像

Dockerfile是个简单的文本文件，介绍了如何从基础镜像构建镜像。我在Github上提供了几个Dockerfile。下面的文件用来运行、安装SSH服务器：

FROM ubuntu
RUN apt-get update
RUN apt-get install -y openssh-server
RUN mkdir /var/run/sshd
RUN echo "root:root" | chpasswd
EXPOSE 22

上面的内容一目了然。FROM命令定义了基础镜像，基础镜像可以是官方的，也可以是我们刚刚创建的zefhemel/ubuntu。RUN命令用来配置镜像。在这里，我们更新了APT包仓库，安装了openssh-server，创建了一个目录，然后给我们的root账户设置了一个再简单不过的密码。EXPOSE命令会向外暴露22端口（SSH端口）。接下来看看如何构建并实例化这个Dockerfile。

第一步是构建一个镜像。在包含Dockerfile的目录下运行：

$ docker bui ld -t zefhemel/ssh .

这会创建一个zefhemel/ssh仓库，包含我们新的SSH镜像。如果创建成功，就能进行实例化了：

$ docker run -d zefhemel/ssh /usr/sbin/sshd -D

和前面的命令不一样。-d表示会在后台运行容器，而不是运行bash，所以我们用前台模式（用-D参数指定）运行了sshd守护进程。

让我们检查运行中的容器，看看命令做了些什么：

$ docker ps
ID                  IMAGE                   COMMAND                CREATED             STATUS              PORTS
23ee5acf5c91        zefhemel/ssh:latest     /usr/sbin/sshd -D      3 seconds ago       Up 2 seconds        49154->22

可以看到我们的容器启动着。PORTS头下的内容比较有意思。由于我们EXPOSE了22端口，这个端口现在映射到了主机系统的一个端口（这里是49154）。让我们看看它能否运行。

$ ssh root@localhost -p 49154
The authenticity of host '[localhost]:49154 ([127.0.0.1]:49154)' can't be established.
ECDSA key fingerprint is f3:cc:c1:0b:e9:e4:49:f2:98:9a:af:3b:30:59:77:35.
Are you sure you want to continue connecting (yes/no)? yes
Warning: Permanently added '[localhost]:49154' (ECDSA) to the list of known hosts.
root@localhost's password:  Welcome to Ubuntu 12.04 LTS (GNU/Linux 3.8.0-27-generic x86_64)   * Documentation:  https://help.ubuntu.com/  The programs included with the Ubuntu system are free software; the exact distribution terms for each program are described in the individual files in /usr/share/doc/*/copyright.  Ubuntu comes with ABSOLUTELY NO WARRANTY, to the extent permitted by applicable law.  root@23ee5acf5c91:~#

再次成功了！现在有了一个运行的SSH服务器，我们能登录它。在有人猜出密码并攻击容器之前，让我们先从SSH退出，杀掉容器。

$ docker kill 23ee5acf5c91

如你所见，容器的22端口映射到了49154端口，但这是完全随机的。要把它映射到特定端口，运行命令时传入-p参数：

docker run -p 2222:22 -d zefhemel/ssh /usr/sbin/sshd -D

现在，如果2222端口可用，我们的端口就会映射到2222上。我们在Dockerfile的结尾再添加一行内容，以便我们的镜像对用户更加友好：

CMD /usr/sbin/sshd -D

CMD表示构建镜像时并不会运行命令，实例化时才运行。所以不传递其它参数时就会执行/usr/sbin/sshd -D。然后我们可以直接运行：

docker run -p 2222:22 -d zefhemel/ssh

得到的结果和前面一样。要发布新创建的镜像，只要运行docker push就可以了：

docker push zefhemel/ssh

登录之后，镜像就可用了，用先前的docker run命令就能执行命令。

让我们回到Wordpress的例子。怎样在容器里用Docker运行Wordpress呢？要构建一个Wordpress镜像，我们要创建一个Dockerfile：

1. 安装Apache、PHP5和MySQL
2. 下载Wordpress，解压到文件系统的某个地方
3. 创建一个MySQL数据库
4. 更新WordPress的配置文件，指向MySQL数据库
5. 把WordPress设置为Apache的DocumentRoot
6. 启动MySQL和Apache（比如用supervisord）

幸运的是，很多人已经成功了，比如John Fink的GitHub库就包括创建这样一个Wordpress镜像需要的所有内容。

Docker用例

除了用可靠、可重复的方式简化复杂应用的部署，Docker还有很多用途。下面是一些有趣的Docker用法和项目：

• 持续集成和部署：在Docker容器里构建软件，确保构建之间的隔离性。构建好的软件镜像可以自动推到私有的Docker仓库中，并部署到测试环境或生产环境。
• Dokku：一个简单的PaaS，用不到一百行的Bash构建而成。
• Flynn和Deis，两个使用Docker的开源PaaS项目。
• 在容器里运行桌面环境。
• CoreOS验证了Docker的合理性，CoreOS是个非常轻量级的Linux发行版，其中的应用都用Docker安装、运行，由systemd管理。

Docker不是什么

尽管Docker有助于系统的可靠部署，但它本身并不是个完全成熟的部署系统。它操作的是容器里运行的应用。哪个容器安装在哪个服务器上，以及如何启动它们，则超出了Docker的范围。

同样的，Docker也不处理跨多个容器（可能在多个物理服务器上，也可能在多个VM上）运行的应用。要让容器互相通信，需要某些发现机制，来找出哪些IP和端口上的其他应用可用。这和跨常规虚拟机的服务发现非常相似。etcd等工具，或者其他的服务发现机制都能用来解决这个问题。

结论

虽然本文描述的所有内容用原始的LXC、cgroups和AUFS也可能实现，但实现起来绝对没有那么容易或简单。Docker提供了一种简单的方式将复杂应用打包到容器中，而且能轻松版本化、可靠分发。进而让轻量级的Linux容器和真正的虚拟机一样灵活、强大，但成本更低、方式更为便捷。即便Vagrant VirtualBox VM在Macbook Pro上，使用运行在其中的Docker创建的Docker镜像也能很好地运行在EC2、Rackspace Cloud或物理硬件上，反之亦然。

Docker可以从它的网站上获取，并免费使用。交互式的入门指南很不错。项目的路线图指出，第一个生产就绪的版本是2013年10月发布的0.8版本，不过此前大家已经在生产环境里使用Docker了。