docker底层技术概览-低调大师

docker底层技术概览

2016-12-31 675

docker解决了云计算环境难于分发并且管理复杂，而用KVM、Xen等虚拟化又浪费系统资源的问题。Docker最初是基于lxc构建了容器引擎，为了提供跨平台支持，后又专门开发了libcontainer来抽象容器引擎。但无论是libcontainer还是lxc，其底层所依赖的内核特性都是相同的。我们来看看docker都使用了技术来实现容器引擎的。

命名空间

Docker使用了pid、network、ipc、美mnt、uts等命名空间来隔离网络、文件系统、进程等资源。注意，由于Linux并不是namespace了所有东西（如cgroups、/sys、SELinux、/dev/sd*、内核模块等），仅靠这几个namespace是无法实现像KVM那样的完全资源隔离的。

pid namespace：实现进程隔离，容器只能看到自己的进程，并且每个容器都有一个pid为1的父进程，kill掉该进程容器内的所有进程都会停止；
net namespace：实现网络隔离，每个容器都可以设置自己的interface、routers、iptables等；docker默认采用veth的方式将container中的虚拟网卡同host上的一个docker bridge: docker0连接在一起；
ipc namespace：container中进程交互还是采用linux常见的进程间交互方法(interprocess communication - IPC), 包括常见的信号量、消息队列和共享内存。然而同 VM 不同的是，container 的进程间交互实际上还是host上具有相同pid namespace中的进程间交互，因此需要在IPC资源申请时加入namespace信息 - 每个IPC资源有一个唯一的 32 位 ID；
mnt namespace：类似chroot，将一个进程放到一个特定的目录执行。mnt namespace允许不同namespace的进程看到的文件结构不同，这样每个 namespace 中的进程所看到的文件目录就被隔离开了。同chroot不同，每个namespace中的container在/proc/mounts的信息只包含所在namespace的mount point；
uts namspace：允许每个container拥有独立的hostname和domain name, 使其在网络上可以被视作一个独立的节点而非Host上的一个进程；
user namespace：每个container可以有不同的 user 和 group id, 也就是说可以在container内部用container内部的用户执行程序而非Host上的用户。

对于容器所依赖的内核文件系统（这些都是non-namespaced），为了保证安全性，docker将其限制为只读的：

. /sys
. /proc/sys
. /proc/sysrq-trigger
. /proc/irq
. /proc/bus

cgroups机制

cgroups 实现了对资源的配额和度量。 cgroups 的使用非常简单，提供类似文件的接口，在 /cgroup目录下新建一个文件夹即可新建一个group，在此文件夹中新建task文件，并将pid写入该文件，即可实现对该进程的资源控制。groups可以限制blkio、cpu、cpuacct、cpuset、devices、freezer、memory、net_cls、ns九大子系统的资源，以下是每个子系统的详细说明：

blkio 这个子系统设置限制每个块设备的输入输出控制。例如:磁盘，光盘以及usb等等。
cpu 这个子系统使用调度程序为cgroup任务提供cpu的访问。
cpuacct 产生cgroup任务的cpu资源报告。
cpuset 如果是多核心的cpu，这个子系统会为cgroup任务分配单独的cpu和内存。
devices 允许或拒绝cgroup任务对设备的访问。
freezer 暂停和恢复cgroup任务。
memory 设置每个cgroup的内存限制以及产生内存资源报告。
net_cls 标记每个网络包以供cgroup方便使用。
ns 名称空间子系统。

对于centos7来说，通过systemd-cgls来查看系统cgroups tree：

...
  ├─docker-b1f965f8e682e9d2ff9ed3039fca63c008810efd9c5e6d796344b0270d329a98.scope
  │ ├─18853 /usr/lib/systemd/systemd
  │ └─system.slice
  │   ├─keepalived.service
  │   │ ├─19307 /usr/sbin/keepalived -D -d -S 7
  │   │ └─19309 /usr/sbin/keepalived -D -d -S 7
  │   ├─haproxy.service
  │   │ ├─25195 /usr/sbin/haproxy-systemd-wrapper -f /etc/haproxy/haproxy.cfg -p /run/haproxy.pid
  │   │ ├─25210 /usr/sbin/haproxy -f /etc/haproxy/haproxy.cfg -p /run/haproxy.pid -Ds
  │   │ └─25211 /usr/sbin/haproxy -f /etc/haproxy/haproxy.cfg -p /run/haproxy.pid -Ds
  │   ├─rsyslog.service
  │   │ └─23648 /usr/sbin/rsyslogd -n
  │   └─systemd-journald.service
  │     └─18990 /usr/lib/systemd/systemd-journald
...

特权模式下的容器：

└─system.slice
  ├─NetworkManager-dispatcher.service
  │ └─2580 /usr/libexec/nm-dispatcher.action
  ├─var-lib-docker-devicemapper-mnt-a80a5f851d00842414d5fb03866c19424df1f2afb47a04f41dd056b54c4df7ac.mount
  ├─docker-a80a5f851d00842414d5fb03866c19424df1f2afb47a04f41dd056b54c4df7ac.scope
  │ ├─2558 /usr/sbin/init
  │ └─system.slice
  │   ├─systemd-journald.service
  │   │ └─2605 /usr/lib/systemd/systemd-journald
  │   ├─dbus.socket
  │   ├─dbus.service
  │   ├─system-getty.slice
  │   ├─rc-local.service
  │   ├─systemd-user-sessions.service
  │   ├─dev-dm\x2d0.swap
  │   ├─etc-yum.repos.d.mount
  │   ├─etc-hosts.mount
  │   ├─etc-hostname.mount
  │   ├─etc-resolv.conf.mount
  │   └─-.mount

cgroups配置方法：

(1) cpu相对权重：docker run -it --rm -c 512，如果未设置，默认为1024

# cat /sys/fs/cgroup/cpu/system.slice/docker-a80a5f851d00842414d5fb03866c19424df1f2afb47a04f41dd056b54c4df7ac.scope/cpu.shares
1024

如果在容器开启的时候没有设置cpu权重，可以在容器启动后修改，如

[root@fei ~]# systemctl set-property --runtime docker-a80a5f851d00842414d5fb03866c19424df1f2afb47a04f41dd056b54c4df7ac.scope CPUShares=128
[root@fei ~]# cat /sys/fs/cgroup/cpu/system.slice/docker-a80a5f851d00842414d5fb03866c19424df1f2afb47a04f41dd056b54c4df7ac.scope/cpu.shares
128

(2) 设置cpu pin：docker run -it --rm --cpuset=0,1

# cat /sys/fs/cgroup/cpuset/system.slice/docker-b0848aa49a03b8541bb698c1544b6c411c584dce5e86831f84803228e93e61d4.scope/cpuset.cpus
0-1

(3) 内存限制: docker run -it --rm -m 128m，默认swap为mem的两倍

[root@fei ~]# cat /sys/fs/cgroup/memory/system.slice/docker-c9fed54afc8986be888b231b984be9c1a2a533c739f7a5458a56882fb13b4b93.scope/memory.limit_in_bytes
134217728
[root@fei ~]# cat /sys/fs/cgroup/memory/system.slice/docker-c9fed54afc8986be888b231b984be9c1a2a533c739f7a5458a56882fb13b4b93.scope/memory.memsw.limit_in_bytes
268435456

如果不设置-m 128m，则默认容器内存是不设限的

[root@fei ~]# cat /sys/fs/cgroup/memory/system.slice/docker-641cdebd22b55f2656a560cd250e661ab181dcf2f5c5b78dc306df7ce62231f2.scope/memory.limit_in_bytes
9223372036854775807

(4) 磁盘IO限制，docker本身默认没有做磁盘io的限制，不过我们可以通过直接操作cgroups来实现

# 磁盘写
[root@fei ~]# cid=641cdebd22b5
[root@fei ~]# nsenter --target $(docker inspect -f '{{ .State.Pid }}' $cid) --mount --uts --ipc --net --pid mount | head -1
/dev/mapper/docker-253:1-138011042-641cdebd22b55f2656a560cd250e661ab181dcf2f5c5b78dc306df7ce62231f2 on / type ext4 (rw,relatime,discard,stripe=16,data=ordered)
[root@fei ~]# systemctl set-property --runtime docker-641cdebd22b55f2656a560cd250e661ab181dcf2f5c5b78dc306df7ce62231f2.scope "BlockIOWriteBandwidth=/dev/mapper/docker-253:1-138011042-641cdebd22b55f2656a560cd250e661ab181dcf2f5c5b78dc306df7ce62231f2 1M"
# 磁盘读
[root@fei ~]# systemctl set-property --runtime docker-641cdebd22b55f2656a560cd250e661ab181dcf2f5c5b78dc306df7ce62231f2.scope "BlockIOReadBandwidth =/dev/mapper/docker-253:1-138011042-641cdebd22b55f2656a560cd250e661ab181dcf2f5c5b78dc306df7ce62231f2 1M"

(5) 磁盘大小，docker容器默认都会分配10GB的空间，如果想改变这个值，需要修改docker服务启动参数，并重启docker服务：docker -d --storage-opt dm.basesize=5G。其他磁盘相关的配置可以参考https://github.com/docker/docker/tree/master/daemon/graphdriver/devmapper。

Capability机制

Linux把原来和超级用户相关的高级权限划分成为不同的单元，称为Capability，这样就可以独立对特定的Capability进行使能或禁止。通常来讲，不合理的禁止Capability，会导致应用崩溃。

Docker默认为容器删除了以下capability：

CAP_SETPCAP Modify process capabilities
CAP_SYS_MODULE  Insert/Remove kernel modules
CAP_SYS_RAWIO   Modify Kernel Memory
CAP_SYS_PACCT   Configure process accounting
CAP_SYS_NICE    Modify Priority of processes
CAP_SYS_RESOURCE    Override Resource Limits
CAP_SYS_TIME    Modify the system clock
CAP_SYS_TTY_CONFIG  Configure tty devices
CAP_AUDIT_WRITE Write the audit log
CAP_AUDIT_CONTROL   Configure Audit Subsystem
CAP_MAC_OVERRIDE    Ignore Kernel MAC Policy
CAP_MAC_ADMIN   Configure MAC Configuration
CAP_SYSLOG  Modify Kernel printk behavior
CAP_NET_ADMIN   Configure the network
CAP_SYS_ADMIN   Catch all

如果确实需要这些capability，可以通过--cap-add or --cap-drop添加或删除，如docker run --cap-add all --cap-drop sys-admin -ti rhel7 /bin/sh。

SELinux

SELinux是一个标签系统，进程有标签，每个文件、目录、系统对象都有标签。SELinux通过撰写标签进程和标签对象之间访问规则来进行安全保护。

Union FS

对于这种叠加的文件系统，有一个很好的实现是AUFS，在Ubuntu比较新的发行版里都是自带的，这个可以做到以文件为粒度的copy-on-write，为海量的container的瞬间启动，提供了技术支持，也会持续部署提供了帮助（注意，centos7系统是基于devicemapper来实现类似的功能的）。

AUFS支持为每一个成员目录(类似Git Branch)设定readonly、readwrite 和 whiteout-able 权限, 同时 AUFS 里有一个类似分层的概念, 对 readonly 权限的 branch 可以逻辑上进行修改(增量地, 不影响 readonly 部分的)。通常 Union FS 有两个用途, 一方面可以实现不借助 LVM、RAID 将多个disk挂到同一个目录下, 另一个更常用的就是将一个 readonly 的 branch 和一个 writeable 的 branch 联合在一起，Live CD正是基于此方法可以允许在 OS image 不变的基础上允许用户在其上进行一些写操作。Docker 在 AUFS 上构建的 container image 也正是如此。

IPTABLES

主要用来做端口映射以及NAT转换，端口映射已经集成到Docker命令中，但NAT转换需要手动执行iptables命令。

本文转自feisky博客园博客，原文链接：http://www.cnblogs.com/feisky/p/4105739.html，如需转载请自行联系原作者

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2016-12-31

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由于aufs并未并入内核，故而目前只有Ubuntu系统上能够使用aufs作为docker的存储引擎，而其他系统上使用lvm thin provisioning（overlayfs是一个和aufs类似的union filesystem，未来有可能进入内核，但目前还没有；Lvm snapshot are useful for doing e.g. backup of a snapshot, but regress badly in performance when you start having many snapshots of the same device.）。为了实现lvm thin provisioning，docker启动时会设置一个100G的sparse文件（ /var/lib/docker/devicemapper/devicemapper/data，元数据为/var/lib/docker/devicemapper/devicemapper/metadata），并将其作为devicemapper的存储池，而所有容器都从该存储池中分配默认10G的存储空间使用，如下图所示： ...

2016-12-31

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