Docker进阶与实战上

华为Docker实践小组集大成之作，此文主要是摘录笔记，分为上下两部分，陆续更新，欢迎交流

简介

概念澄清

Docker在LXC基础上做了什么工作

LXC含义

• LXC用户态工具
• Linux Container内核容器技术简称

通常指第二种，其特性为

• 跨主机部署
• 以应用为中心
• 自动构建
• 版本管理
• 组件重用
• 共享
• 工具生态链

Docker容器与虚拟机

• 虚拟机：是用来进行硬件资源划分的完美解决方案，利用硬件虚拟化技术，通过一个hypervisor层来实现对资源的彻底隔离；
• 容器：是操作系统级别的虚拟化，利用内核的Cgroup和Namespace特性，通过软件实现虚拟化，仅仅是进程本身就可以与其他进程隔离开，不需要任何辅助

对比虚拟机的总结

特性	容器	虚拟机
启动	秒级	分钟级
硬盘使用	一般为MB	一般为GB
性能	接近原生	弱于
系统支持量	单机支持上千个容器	一般几十个

关于容器技术

容器技术的前世今生

关于容器技术

容器技术主要包括Cgroup和Namespace

• Namespace 又称命名空间，主要做访问隔离。其原理是针对一类资源进行抽象，并将其封装在一起提供给一个容器使用，对这类资源每个容器都有自己的抽象并且彼此不可见，所以就可以做到访问隔离。
• Cgroup 是control group 的简称，又称为控制组，主要是做资源控制。其原理是将一组进程放在一个控制组里，通过给这个控制组分配指定的可用资源，达到控制这一组进程可用资源的目的。

一分钟理解容器

容器的组成

容器 = cgroup + namespace + rootfs + 容器引擎（用户态工具）

• Cgroup：资源控制
• Namespace： 访问隔离
• rootfs： 文件系统
• 容器引擎：生命周期控制

容器的创建原理

代码一：

pid = clone(fun, stack, flags, clone_arg);
(flags: CLONE_NEWPID | CLONE_NEWNS |
CLONE_NEWUSER | CLONE_NEWNET |
CLONE_NEWIPC | CLONE_NEWUTS |
...)

通过clone系统调用，并传入各个Namespace对应的clone flag，创建了一个新的子进程，该进程拥有自己的pid、mount、user、net、ipc、uts namespace

代码二：

echo $pid > /sys/fs/cgroup/cpu/tasks
echo $pid > /sys/fs/cgroup/cpuset/tasks
echo $pid > /sys/fs/cgroup/blkio/tasks
echo $pid > /sys/fs/cgroup/memory/tasks
echo $pid > /sys/fs/cgroup/devices/tasks
echo $pid > /sys/fs/cgroup/freezer/tasks

将代码一中产生的进程pid写入各个Cgroup子系统中，这样该进程就可以受到相应的Cgroup子系统的控制

代码三：

fun()
{
  ...
  pivot_root("path_of_rootfs/", path);
  ...
  exec("/bin/bash");
  ...
}

该fun函数由上面生成的新进程执行，在fun函数中，通过pivot_root系统调用，使进程进入一个新的rootfs，之后通过exec系统调用，在新的Namespace、Cgroup、rootfs中执行"/bin/bash"程序

Cgroup介绍

Cgroup是什么

Cgroup是control group的简写，属于Linux内核提供的一个特性，用于限制和隔离一组进程对系统资源的使用，也就是做资源的Qos，这些资源主要包括CPU、内存、block I/O和网络带宽。

Cgroup中实现的子系统及其作用如下：

• devices：设备权限控制
• cpuset：分配指定的CPU和内存节点
• cpu：控制CPU占用率
• cpuacct：统计CPU使用情况
• memory：限制内存的使用上限
• freezer：冻结（暂停）Cgroup中的进程
• net_cls：配合tc（traffic controller）限制网络带宽
• net_piro：设置进程的网络流量优先级
• huge_tlb：限制HugeTLB的使用
• perf_event：允许Perf工具基于Cgroup分组做性能监测

Namespace 介绍

Namespace是什么

Namespace是将内核的全局资源做封装，使得每个Namespace都有一份独立的资源，因此不同的进程在各自的Namespace内对同一资源的使用不会互相干扰

目前Linux内核总共实现了6种Namespace

• IPC：隔离System V IPC和POSIX消息队列
• Network：隔离网络资源
• Mount：隔离文件挂在系统
• PID：隔离进程ID
• UTS：隔离主机名和域名
• User：隔离用户ID和组ID

理解Docker镜像

Docker image概念介绍

Docker image是用来启动容器的只读模板，是容器启动所需要的rootfs，类似于虚拟机所使用的镜像。

Docker镜像的表示方法
Remote-dockerhub.com/namespace/bar:latest

• Remote-dockerhub.com: Remote image hub，集中存储镜像的Web服务器地址（若缺少，则使用默认的镜像库，即Docker官方镜像库）
• namespace: Namespace，类似于Github中的命名空间，是一个用户或组织中所有镜像的集合
• bar: Repository，类似于Github仓库，一个仓库可以有很多个镜像，不同镜像通过tag来区分
• latest: Tag，类似于Git仓库中的tag，一般用来区分同一镜像的不同版本
• Layer：镜像有一系列层组成，每层都用64位的十六进制，类似于Git仓库中的commit
• Image ID：镜像最上层的layer ID就是该镜像的ID，Repo:tag提供了易于人类识别的名字，而ID便于脚本处理、操作镜像

使用Docker镜像

Docker内嵌了一系列命令制作、管理、上传、下载镜像，可以调用REST API给Docker daemon发送相关命令，也可以使用client端提供CLI命令完成操作。

列出本机的镜像

docker images

Build：创建镜像

• 直接下载 docker pull busybox
• 导入镜像
  • docker save -o busybox.tar busybox 导出busybox为busybox.tar
  • docker load -i busybox.tar 导入该镜像
• 制作新镜像 docker import 用于导入根文件系统的归档，并将之变成Docker镜像。常用于制作Docker基础镜像，与此相比，docker export则是把一个镜像导出为根文件系统的归档

Ship：传输一个镜像

镜像传输是连接开发和部署的桥梁。可以使用Docker镜像仓库做中转传输，还可以使用docker export/docker save生成的tar包来实现，或者使用Docker镜像的模板文件Dockerfile做间接传输。

Run：以image为模板启动一个容器

启动容器时，使用docker run命令

• 命令间逻辑不一致，docker ps列出容器，docker images列出镜像
• docker inspect 查看容器和镜像的详细信息

Docker image的组织结构

Docker image包含着数据及必要的元数据。数据由一层层的image layer组成，元数据则是一些JSON文件，用来描述数据（image layer）之间的关系以及容器的一些配置信息。

写时复制

当父进程fork子进程时，内核并没有为子进程分配内存（当然基本的进程控制块、堆栈还是需要的），而是让父子进程共享内存。当两者之一修改共享内存时，会触发一次缺页异常导致真正的内存分配。这样既加速了子进程的创建速度，又减少了内存的消耗。

仓库

什么是仓库

仓库（repository）是用来集中存储Docker镜像，支持镜像分发和更新

仓库的组成

仓库的名字通常是由两部分组成，中间以斜线分开，斜线之前是用户名，斜线之后是镜像名。

仓库镜像

仓库下面包含一组镜像，镜像之间用标签（tag）区分，一个完整的镜像路径通常由服务器地址、仓库名称和标签组成

registry.hub.docker.com/official/ubuntu:14.04

它代表Docker Hub上的Ubuntu官方镜像，发行版本是14.04

• docker push localhost:5000/official/ubuntu:14.04 向本地私有仓库上传镜像，如果不写服务器地址默认上传到官方Docker Hub
• docker pull ubuntu:14.04 下载镜像，不写服务器地址默认从官方Docker Hub下载
• docker search localhost:5000/ubuntu 查询镜像

再看Docker Hub

Docker Hub优点

• 为开发者提供海量的Docker镜像，供免费下载学习和使用
• 拥有完善的账户管理系统，为用户提供付费扩容
• 服务器采用分布式部署，支持负载均衡
• 支持镜像上传、下载、查询、删除及属性设置等多种操作
• 支持在线编译镜像
• 后端采用分布式存储，可容灾备份
• 其核心是Docker distribution，在开源社区上设计维护，会不断更新和完善
• 提供企业版Docker Hub，为企业级用户提供一站式解决方案

账户管理系统

• 用户可以编辑自己的注册信息，如密码邮箱等
• 创建和删除用户下的镜像
• 收费用户可以创建和设置私有镜像
• 创建和维护组织，添加组员
• 用户之间可以互相关注

仓库服务

Registry功能和架构

Registry旨在实现镜像的创建、存储、分发和更新等功能

• 镜像存储 镜像数据存储在Registry后端，与本地镜像存储方式类似，它也分隔成多个镜像层，放置在各自的目录中，保存成tar格式。还保留了清单文件（manifest）和镜像签名文件（signature）等
• 镜像创建、分发和更新 本地用户和Registry之间通过Registry API传输镜像。Registry API 即一系列HTTP/HTTPS请求，用来发送用户请求到Registry，并接收Registry响应，请求响应中包含了镜像数据的交互

Registry特点

• 快速上传和下载镜像
• 设计方案新颖且高性能
• 部署方便
• 有详细完整的Registry API说明文档
• 后端支持多种分布式云存储方案（s3、azure）和本地文件系统等，接口以插件方式存在，易于配置
• 清单文件（Manifest）作为元数据完整的记录镜像信息
• 以Webhook方式实现通知系统
• 实现了本地的TLS，支持HTTPS安全访问
• 有可配置的认证模块
• 有健康检查模块
• 管理镜像的清单文件和摘要文件格式清晰，更清楚地为镜像打标签
• 拥有完善的镜像缓存机制，镜像下载更加快捷

Registry API

API描述：Registry API遵循REST设计标准，用于Registry和Docker Engine之间的通信，实现Registry镜像分发，是Docker Registry的重要组成部分

API传输的对象主要包括镜像layer的块数据（blob）和表单（Manifests）

Manifest是JSON格式的文件，记录镜像的元数据信息，并兼容V1版本镜像信息

{
  "name": <name>,
  "tag": <tag>,
  "fsLayers": [
    {
	  "blobSum": <tarsum>
	},
	...
  ],
  "history": [...],
  "signatures": [...]
}

鉴权机制

鉴权机制是Registry V2版本之后新增的功能，目的是校验用户请求权限。校验和控制访问权限的任务是由Docker Engine、Registry 和Auth Service 协作完成

部署私有仓库

运行私有仓库

Docker私有服务（private registry）用来建设私有仓库、管理私有Docker镜像。

部署私有服务的有点：

• 可独立开发和运维私有仓库
• 节省带宽资源
• 有独立的账户管理系统
• 增加了定制化功能

搭建私有仓库的前提是部署Docker Private Registry。命令如下
docker run -d --hostname localhost --name registry-v2 -v /opt/data/distribution:/var/lib/registry/docker/registry/v2 -p 5000:5000 registry:2.0

构建反向代理

在实际使用中，暴露主机端口的方法是不安全的，如果Registry没有配置访问代理，任何用户都可以直接通过端口访问，因此，设计时需要为其加上HTTPS反向代理。
该方式会用代理服务器来接受用户的HTTPS请求，然后将请求转发给内部网络上的Registry服务器，并将Registry响应结果返回给用户。

Index及仓库高级功能

Index作用和组成

Index作用：

• 管理Docker Private Hub注册用户，认证用户访问权限
• 保存记录和更新用户信息，以及token等校验信息
• Docker元数据（metadata）存储
• 记录用户操作镜像的历史数据
• 提供操作界面Web UI，用户可以方便的访问和更新资源

Index主要由控制单元、鉴权模块、数据库、健康检查和日志系统组成

Docker网络

Docker网络现状

Libnetwork提出新的容器网络模型（Container Network Model，简称CNM），定义了标准的API用于为容器配置网络，其底层可以适配各种网络驱动。

CNM三个重要概念

• 沙盒 是一个隔离的网络运行环境，保存了容器网络栈的配置，包括了对网络接口、路由表和DNS配置的管理。
• Endpoint 将沙盒加入一个网络，Endpoint的实现可以是一对veth pair或者OVS内部端口，当前的Libnetwork使用的是veth pair
• 网络 网络包括一组能互相通信的Endpoint。网络实现可以是Linux bridge、vlan等

从CNM的概念角度讲，Libnetwork的出现使得Docker具备了跨主机多子网的能力，同一个子网内的不同容器可以运行在不同主机上

Libnetwork五种驱动（driver）

• bridge Docker默认的容器网络驱动
• host 容器于主机共享同一Network Namespace，共享同一套网络协议栈、路由表及iptables规则等，容器和主机看到的是相同的网络视图
• null 容器内网络配置为空，需要用户手动为容器配置网络接口及路由等
• remote Docker网络插件的实现，Remote driver 使得Libnetwork可以通过HTTP RESTful API对接第三方的网络方案，
  类似SocketPlane的SDN方案只要实现了约定的HTTP URL处理函数及底层的网络接口配置方法，就可以替换Docker原生的网络实现
• overlay Docker原生的跨主机多子网网络方案

基本网络配置

Docker网络初探

Docker五种容器网络模式

• none 不为容器配置任何网络功能
• container 与另一个运行中的容器共享Network Namespace，共享相同的网络视图
• host 与主机共享Root Network Namespace，容器有完整的权限可以操纵主机的协议栈、路由表和防火墙等，所以被认为是不安全的
• bridge Docker设计的NAT网络模型
• overlay Docker原生的跨主机多子网模型

网络解决方案进阶

• Weave
• Flannel
• SocketPlane

容器卷管理

Docker卷管理基础

增加新数据卷

docker run -d -v /tmp/data --name busyboxtest busybox
其中-v参数会在容器的/tmp/data目录下创建一个新的数据卷，用户可以通过docker inspect 命令查看数据卷所在主机中的位置

将主机目录挂载为数据卷

-v参数除了可以用于创建数据卷外，还可以用来将Docker daemon所在主机上的文件或文件夹挂载在容器中
docker run -d -v /host/data:/data --name busyboxtest busybox
上述命令是将主机的/host/data目录挂载在容器的/data目录

还可以只读的方式挂载

docker run -d -v /host/data:/data:ro --name busyboxtest busybox

如果容器中的/data路径已经存在，Docker会使用/host/data的内容覆盖该目录，与mount命令行为一致

数据卷的备份、转储和迁移

使用如下命令将数据卷中的数据打包，并将打包后的文件拷贝到主机当前目录中
docker run --rm --volumes-from dbdata -v $(pwd):/backup ubuntu tar cvf

上述命令创建了一个容器，该容器挂载了dbdata数据卷，并将主机的当前目录挂载到容器的/backup目录中；然后在容器中使用tar命令将dbdata数据卷中的内容打包存放到/backup目录的backup.tar文件中。
待容器执行结束后，备份文件就出现在主机的当前目录。之后可以将备份文件恢复到当前容器或者新创建的容器中，完成数据的备份和迁移工作

Docker卷管理的问题

• 只支持本地数据卷
• 缺乏对数据卷生命周期的有效管理

使用卷插件

卷插件简介

开发者可以根据自己的需要开发卷插件，可以更方便、更灵活地将本机或远端的存储卷挂载到本机的容器中，提供比Docker自身的卷管理更丰富的功能（如快照、备份等）

已有的卷插件

• Convoy 一种基于本地存储的单机版插件
• Flocker 支持多种后台存储驱动

Docker API

关于Docker API

REST简介

REST Representational State Transfer 一般来说只要一个架构设计满足REST，就可以称之为RESTful架构

Docker安全

深入理解Docker的安全

Docker的安全性

Docker安全性主要体现如下几个方面

• Docker容器的安全性：这是指容器是否会危害到host或其他容器
• 镜像的安全性：用户如何确保下载下来的镜像是可信的、未被篡改的
• Docker daemon的安全性：如何确保发送给daemon的命令是可信用户发起的。

Docker容器的安全性

安全策略

Cgroup

Docker如何使用Cgroup

• 限制CPU
• 限制内存
• 限制块设备 I/O

ulimit

Linux系统中有一个ulimit指令，可以对一些类型的资源起到限制作用，包括core dump文件的大小、进程数据段的大小、可创建文件的大小、常驻内存集的大小、打开文件数量、进程栈的大小、CPU时间、单个用户的最大线程数、进程的最大虚拟内存等

容器组网

在接入容器隔离不足的情况下，将受信任的和不受信任的容器组网在不同的网络中，可以减少危险

容器+全虚拟化

如果将容器运行在全虚拟化环境中（例如在虚拟机中运行容器），这样就算容器被攻破，也有虚拟机的保护作用

镜像签名

当发布者将镜像push到远程仓库时，Docker会对镜像用私钥进行签名，之后其他人pull镜像时，Docker就会用发布者的公钥来校验该镜像是否和发布者所发布的镜像一致，是否被篡改，是否是最新版

日志审计

目前支持的类型none、json-file、syslog、gelf、fluentd，默认为json-file

监控

在使用容器时，应该注意监控容器的信息，若发现异常，就能采取措施及时补救

文件系统级防护

Docker可以设置容器的根文件系统为只读模式，只读模式的好处是即使容器与host使用的是同一文件系统，也不用担心会影响甚至破坏host的根文件系统

capability

打破了Linux操作系统中超级用户/普通用户的概念，让普通用户也可以做只有超级用户才能完成的工作

SELinux

Security-Enhanced Linux 美国国家安全局对于强制访问控制的实现，在这种访问控制体系下，进程只能访问那些在它的任务中所需要的文件

AppArmor

其主要作用是设置某个可执行程序的访问控制权限

Seccomp

Seccomp（secure computing mode）是一种Linux内核提供的安全特性，可以实现应用程序的沙盒机制，以白名单或黑名单的方式限制进程进行系统调用

grsecurity

可以用来控制资源访问权限

几个与Docker安全相关的项目

• Notary 保证server和client之间的交互使用可信任的连接
• docker-bench-security 检测用户的生产环境是否符合Docker的安全实践

安全加固

主机逃逸

利用虚拟机软件或虚拟机中运行的软件漏洞进行攻击，以达到攻击或控制虚拟机宿主操作系统的目的

后记

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