從云計算廠商、物聯(lián)網(wǎng)平臺商到程序員，再不了解這項技術(shù)就晚了...

------   【導(dǎo)讀】   ------

容器技術(shù)的思想來自于集裝箱。集裝箱解決了什么問題？在一艘大船上，各種類型的貨物，小到奶粉、化妝品，大到機(jī)器設(shè)備、跑車，都可以被裝到一個標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱內(nèi)。托運貨物的人只需要保證貨物在集裝箱內(nèi)的密封和固定，而無需關(guān)心集裝箱如何被擺放和運輸。同理，容器技術(shù)也可以讓開發(fā)者更加關(guān)注應(yīng)用程序本身，而不需要關(guān)心底層的操作系統(tǒng)和依賴環(huán)境，即容器技術(shù)的誕生其實主要解決了物聯(lián)網(wǎng)平臺PaaS層的技術(shù)實現(xiàn)。

這事兒還得從上世紀(jì)60年代以前說起......

那時，集裝箱運輸還未被認(rèn)可，幾乎所有的貨物都是以散件方式運輸。

以“勇士號”為例，在一次從布魯克林到不來梅的運輸中，貨物裝卸都是由普通的碼頭工人來完成的，它裝載了5015英噸的貨物，主要是食品、日用品、郵件、機(jī)器和車輛的零部件以及53輛車。這批貨物的數(shù)量達(dá)到了驚人的194582件，而且大小和種類各不相同。

所有的貨物都是碼頭工人一件一件放到貨盤上，再把貨盤降到船艙中一件一件搬下來堆好。他們裝完這艘船總共用了6天時間；橫跨大西洋的航行用了10天半的時間；在不來梅港，碼頭工人是晝夜不停地干活兒，他們卸船用了4天時間。

總而言之，這次航行有一半時間都花在碼頭上了。

為什么非要裝載、卸載、轉(zhuǎn)移和再裝載那么多的散件貨物？為什么不把貨物裝進(jìn)大箱子里，然后就只裝卸和搬運這些箱子？

集裝箱便由此誕生了。

運輸業(yè)大量采用集裝箱后，由咖啡制造商發(fā)出的一只35噸的集裝箱，可以在馬來西亞離開工廠，裝上一艘貨輪，經(jīng)過16天的航行到達(dá)9000營里之外的洛杉磯。一天之后，這個集裝箱被一列火車運到芝加哥，并被隨機(jī)轉(zhuǎn)移到了一輛開往辛辛那提的卡車上。從離開馬來西亞的工廠到抵達(dá)俄亥俄州的倉庫，這次11000營里的行程可能只需要花費22天的時間，其速度是每天500英里，而費用比一張單程的頭等艙機(jī)票還低。另外，在這一路上，很可能沒有人碰過集裝箱里的東西，甚至根本沒有人打開過它。同傳統(tǒng)的貨輪相比，集裝箱船的裝卸只需要大約1/6的時間和1/3的勞動力。

今天我們要講的“容器技術(shù)”的思想正是來源于此。

集裝箱解決了什么問題？在一艘大船上，各種類型的貨物，小到奶粉、化妝品，大到機(jī)器設(shè)備、跑車，都可以被裝箱到一個標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱內(nèi)。托運貨物的人只需要保證貨物在集裝箱內(nèi)的密封和固定，而無需關(guān)心集裝箱如何被擺放和運輸。

負(fù)責(zé)運輸?shù)娜藙t無需關(guān)心一個個集裝箱內(nèi)裝的不同貨物，只需把集裝箱當(dāng)做一個封閉、無差別的獨立個體，進(jìn)行裝載、卸貨、堆放、運輸，整個過程中集裝箱保持封閉狀態(tài)直到被運送到目的地。從輪船到火車，再到卡車運輸，都可以利用起重機(jī)（吊車）對集裝箱進(jìn)行操作，實現(xiàn)流程的自動化，從而以非常廉價的方式，有效解決了不同類型貨物在長距離運輸中的問題。

類似于集裝箱，容器技術(shù)的誕生給開發(fā)人員帶來了諸多方便，節(jié)約了不少成本，不管是在運維還是開發(fā)上。

容器技術(shù)的誕生史

在很久很久以前，想要在線上服務(wù)器部署一個應(yīng)用，首先需要購買一個物理服務(wù)器，在服務(wù)器安裝一個操作系統(tǒng)，然后安裝好應(yīng)用所需要的各種依賴環(huán)境，最后才可以進(jìn)行應(yīng)用的部署，而且一臺服務(wù)器只能部署一個應(yīng)用。

這就造成了以下幾個明顯問題：

• 部署應(yīng)用非常慢

• 需要花費的成本非常高

• 而且容易造成資源的浪費，因為往往一個應(yīng)用使用不了一個服務(wù)器的資源

• 難于遷移和擴(kuò)展

  • 遷移問題：要把應(yīng)用進(jìn)行遷移，又得重復(fù)部署應(yīng)用的過程：買服務(wù)器 -> 安裝os -> 配置環(huán)境 -> 部署應(yīng)用

  • 擴(kuò)展問題：只能購買新的硬件來升級物理服務(wù)器，或者購買更高性能的服務(wù)器，這就又涉及到遷移問題了

• 可能會被限定硬件廠商，因為那時候有不同硬件平臺

虛擬化技術(shù)出現(xiàn)以后，對于這種問題有所改變，虛擬化技術(shù)會在本地操作系統(tǒng)之上加多一層 Hypervisor層。Hypervisor是一種運行在物理服務(wù)器和操作系統(tǒng)之間的中間軟件層，可以虛擬化硬件資源，例如cpu、硬盤、內(nèi)存資源等。然后我們可以基于通過虛擬化出來的資源之上安裝操作系統(tǒng)，這也就是所謂的虛擬機(jī)。

通過Hypervisor層，我們可以創(chuàng)建不同的虛擬機(jī)，并且可以限定每個虛擬機(jī)的物理資源，并且每個虛擬機(jī)都是分離、獨立的。例如A虛擬機(jī)給它使用2個cpu、8g內(nèi)存、100g磁盤，B虛擬機(jī)給它使用4個cpu、16g內(nèi)存、300g磁盤等等......這樣就可以實現(xiàn)物理資源利用率的最大化。

如此一來：

• 一臺物理機(jī)就可以部署多個應(yīng)用

• 每個應(yīng)用都可以獨立運行在一個虛擬機(jī)里

  虛擬化技術(shù)的優(yōu)點：

  • 資源池——一個物理機(jī)的資源分配到了不同的虛擬機(jī)里

  • 很容易擴(kuò)展——增加物理機(jī)或者虛擬機(jī)即可，因為虛擬機(jī)是可以復(fù)制的

  • 很容易云化——亞馬孫AWS，阿里云，谷歌云等

• 
  

  然而，隨著時間推移，用戶發(fā)現(xiàn)hypervisor這種方式麻煩越來越多。

  
  

  為什么？因為對于hypervisor環(huán)境來說，每個虛擬機(jī)都需要運行一個完整的操作系統(tǒng)以及其中安裝好的大量應(yīng)用程序。但實際生產(chǎn)開發(fā)環(huán)境里，我們更關(guān)注的是自己部署的應(yīng)用程序，如果每次部署發(fā)布我都得搞一個完整操作系統(tǒng)和附帶的依賴環(huán)境，那么這讓任務(wù)和性能變得很重和很低下。

  
  

  基于上述情況，人們就在想，有沒有其他什么方式能讓人更加的關(guān)注應(yīng)用程序本身，底層多余的操作系統(tǒng)和環(huán)境我可以共享和復(fù)用？換句話來說，那就是我部署一個服務(wù)運行好后，我再想移植到另外一個地方，可以不用再安裝一套操作系統(tǒng)和依賴環(huán)境。

  
  

  Linux Container容器技術(shù)的誕生（2008年）就解決了IT世界里“集裝箱運輸”的問題。Linux Container（簡稱LXC）它是一種內(nèi)核輕量級的操作系統(tǒng)層虛擬化技術(shù)。

  
  

  Linux Container主要由Namespace和Cgroup兩大機(jī)制來保證實現(xiàn)。

  
  

  剛才我們上文中提到了集裝箱，集裝箱的作用當(dāng)然是可以對貨物進(jìn)行打包隔離了，不讓A公司的貨跟B公司的貨混在一起，不然卸貨就分不清楚了。那么Namespace也是一樣的作用，做隔離。

  
  

  光有隔離還沒用，我們還需要對貨物進(jìn)行資源的管理。同樣的，航運碼頭也有這樣的管理機(jī)制：貨物用什么樣規(guī)格大小的集裝箱，貨物用多少個集裝箱，貨物哪些優(yōu)先運走，遇到極端天氣怎么暫停運輸服務(wù)怎么改航道等等.....通用的，與此對應(yīng)的Cgroup就負(fù)責(zé)資源管理控制作用，比如進(jìn)程組使用CPU/MEM的限制，進(jìn)程組的優(yōu)先級控制，進(jìn)程組的掛起和恢復(fù)等等。

  為什么容器技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)和云計算

  如此重要？

  
  

  說了這么多，我們不妨來總結(jié)一下容器技術(shù)的特點：

  
  

  1.資源獨立、隔離 

  Docker通過Linux Namespace、Cgroup限制了硬件資源與軟件運行環(huán)境，與宿主機(jī)上的其他應(yīng)用實現(xiàn)了隔離，做到了互不影響。不同應(yīng)用或服務(wù)以“集裝箱”（container）為單位裝“船”或卸“船”，“集裝箱船”（運行container的宿主機(jī)或集群 ）上，數(shù)千數(shù)萬個“集裝箱”排列整齊，不同公司、不同種類的“貨物”（運行應(yīng)用所需的程序、組件、運行環(huán)境、依賴）保持獨立。

  
  

  這恰好也是云計算平臺的最基本需求。

  
  

  2.環(huán)境的一致性 

  開發(fā)工程師完成應(yīng)用開發(fā)后build一個docker image，基于這個image創(chuàng)建的container像是一個集裝箱，里面打包了各種“散件貨物”（運行應(yīng)用所需的程序、組件、運行環(huán)境、依賴）。無論這個集裝箱在哪里：開發(fā)環(huán)境、測試環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境，都可以確保集裝箱里面的“貨物”種類與個數(shù)完全相同，軟件包不會在測試環(huán)境缺失，環(huán)境變量不會在生產(chǎn)環(huán)境忘記配置，開發(fā)環(huán)境與生產(chǎn)環(huán)境不會因為安裝了不同版本的依賴導(dǎo)致應(yīng)用運行異常。這樣的一致性得益于“發(fā)貨”（build docker image）時已經(jīng)密封到”集裝箱“中，而每一個環(huán)節(jié)都是在運輸這個完整的、不需要拆分合并的”集裝箱“。

  
  

  3.輕量化 

  傳統(tǒng)的虛擬機(jī)通過硬件虛擬化創(chuàng)造一個虛擬的系統(tǒng)，每個虛擬機(jī)都有自己的內(nèi)存、硬盤和操作系統(tǒng)，預(yù)分配的資源會被虛擬機(jī)完全占用。使用虛擬機(jī)來隔離應(yīng)用會造成比較大的資源浪費，一個應(yīng)用加上依賴只有幾十到幾百M的大小，而操作系統(tǒng)往往還需要消耗10G左右容量。

  上圖展示了容器技術(shù)和虛擬機(jī)的區(qū)別。容器包含了應(yīng)用和所需的依賴，但不需要獨占資源，沒有一個虛擬系統(tǒng)，而是和宿主機(jī)共享硬件資源和操作系統(tǒng)，和其他容器共享內(nèi)核，從而實現(xiàn)資源的動態(tài)分配。多個容器在同一個宿主機(jī)操作系統(tǒng)中的用戶空間以獨立的進(jìn)程運行。因此，容器相比虛擬機(jī)要輕量許多，在一個主機(jī)上可以同時啟動近百個容器，一個應(yīng)用要在數(shù)量上橫向擴(kuò)展非常便捷，而虛擬機(jī)則幾乎不可能啟動同樣多的數(shù)量。對于重啟操作，容器近似于重啟一個進(jìn)程，而虛擬機(jī)則相當(dāng)于重啟操作系統(tǒng)。

  
  

  4.Build Once, Run Everywhere 

  “貨物”（應(yīng)用）在“汽車”，“火車”，“輪船”（私有云、公有云等服務(wù)）之間遷移交換時，只需要遷移符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和裝卸方式的“集裝箱”（docker container），削減了耗時費力的人工“裝卸”（上線、下線應(yīng)用），帶來的是巨大的時間人力成本節(jié)約，這使未來僅有少數(shù)幾個運維人員運維超大規(guī)模裝載線上應(yīng)用的容器集群成本可能。

  
  

  看到這里，有沒有覺得非常眼熟？

  
  

  近幾年大熱的物聯(lián)網(wǎng)平臺，宣傳的不也就是這些點嗎？

  
  

  物聯(lián)網(wǎng)平臺商往往會這么告訴你：在我們的平臺上提供了多種多樣的開發(fā)工具，你可以使用拖拽式的手法開發(fā)程序，完全不用操心底層的操作系統(tǒng)和所依賴的環(huán)境，只需專注于客戶的需求和應(yīng)用程序本身......

  
  

  就像OpenStack、Cloudstack這樣的技術(shù)是解決IaaS層的問題，容器技術(shù)的誕生其實主要解決了PaaS層的技術(shù)實現(xiàn)。

  
  

  現(xiàn)在最常用的開源云平臺架構(gòu)Kubernetes、Cloud Foundary還是Serverless，其背后驅(qū)動都是容器技術(shù)。而市面上多達(dá)上百家的物聯(lián)網(wǎng)平臺，幾乎都是PaaS平臺。

   圖：各XaaS中用戶管理和平臺功能的劃分

  說到這里，大家可能就會充分理解容器技術(shù)的重要性了。

  
  

  容器技術(shù)為軟件開發(fā)和系統(tǒng)運維帶來了顛覆性的突破，而隨著容器技術(shù)的普及，系統(tǒng)開發(fā)和管理的效率必將上升到一個新的臺階，從而為企業(yè)帶來不可估量的效益。

  
  

  【參考文章】

  1.CSDN ，Gary的影響力，《為什么容器技術(shù)將主宰世界？》

  2.騰訊云+社區(qū)，寶哥@devops運維，《十分鐘明白什么是容器技術(shù)？》

  3.51CTO，ZeroOne01，《容器技術(shù)概述》

  4.達(dá)觀數(shù)據(jù)，《從“集裝箱運輸”了解容器技術(shù)》

  5.Docker，《如何理解容器技術(shù)平臺的不同姿態(tài)》