作为一种容器虚拟化技术，Docker深度应用了操作系统的多项底层支持技术。

早期版本的Docker是基于已经成熟的Linux Container（LXC）技术实现的。自Docker 0.9版本起，Docker逐渐从LXC转移到新的libcontainer（https://github.com/docker/libcontainer）上，并且积极推动开放容器规范runc，试图打造更通用的底层容器虚拟化库。

从操作系统功能上看，目前Docker底层依赖的核心技术主要包括Linux操作系统的命名空间（Namespace）、控制组（Control Group）、联合文件系统（Union File System）和Linux网络虚拟化支持。

基本架构

Docker目前采用了标准的C/S架构。客户端和服务端既可以运行在一个机器上，也可运行在不同机器上通过socket或者RESTful API来进行通信。

1.服务端

Docker Daemon一般在宿主主机后台运行，作为服务端接受来自客户的请求，并处理这些请求（创建、运行、分发容器）。

在设计上，Docker Daemon是一个模块化的架构，通过专门的Engine模块来分发管理各个来自客户端的任务。

Docker服务端默认监听本地的unix:///var/run/docker.sock套接字，只允许本地的root用户或docker用户组成员访问。可以通过-H选项来修改监听的方式。

例如，让服务端监听本地的TCP连接1234端口，如下所示：

$ docker daemon -H 0.0.0.0:1234

此外，Docker还支持通过HTTPS认证方式来验证访问。

Debian/Ubuntu 14.04等使用upstart管理启动服务的系统中，Docker服务端的默认启动配置文件在/etc/default/docker。对于使用systemd管理启动服务的系统，配置文件在/etc/systemd/system/docker.service.d/docker.conf。

2.客户端

Docker客户端为用户提供一系列可执行命令，用户用这些命令与Docker Daemon交互。

用户使用的Docker可执行命令即为客户端程序。与Docker Daemon不同的是，客户端发送命令后，等待服务端返回，一旦收到返回后，客户端立刻执行结束并退出。用户执行新的命令，需要再次调用客户端命令。同样，客户端默认通过本地的unix:///var/run/docker.sock套接字向服务端发送命令。如果服务端没有监听在默认的地址，则需要客户端在执行命令的时候显式指定服务端地址。

例如，假定服务端监听在本地的TCP连接1234端口tcp://127.0.0.1:1234，只有通过-H参数指定了正确的地址信息才能连接到服务端，如下所示：

$ docker version

Client:
Version:      1.12.0
API version:  1.24
Go version:   go1.6.3
Git commit:   8eab29e
Built:        Thu Sep 28 22:00:36 2016
OS/Arch:      linux/amd64
Cannot connect to the Docker daemon. Is the docker daemon running on this host?

$ docker -H tcp://127.0.0.1:1234 version

Client:
Version:      1.12.0
API version:  1.24
Go version:   go1.6.3
Git commit:   8eab29e
Built:        Thu Sep 28 22:00:36 2016
OS/Arch:      linux/amd64
Server:
Version:      1.12.0
API version:  1.24
Go version:   go1.6.3
Git commit:   8eab29e
Built:        Thu Sep 28 22:00:36 2016
OS/Arch:      linux/amd64

3.新的架构设计

C/S架构给Docker基本功能的实现带来了许多便利，但同时也引入了一些限制。

使用Docker时，必须要启动并保持Docker Daemon的正常运行，它既要管理容器的运行时，又要负责提供对外部API的响应。而一旦Docker Daemon服务不正常，则已经运行在Docker主机上的容器也往往无法继续使用。

Docker团队已经意识到了这个问题，在较新的版本（1.11.0+）中，开始将维护容器运行的任务放到一个单独的组件containerd中来管理，并且支持OCI的runc规范。原先的对客户端API的支持则仍然放在Docker Daemon，通过解耦，大大减少了对Docker Daemon的依赖。同时，新的架构提高了启动容器的速度，一项测试表明，可以达到每秒启动超过100个容器。

命名空间

命名空间（namespace）是Linux内核的一个强大特性，为容器虚拟化的实现带来极大便利。

利用这一特性，每个容器都可以拥有自己单独的命名空间，运行在其中的应用都像是在独立的操作系统环境中一样。命名空间机制保证了容器之间彼此互不影响。

在操作系统中，包括内核、文件系统、网络、PID、UID、IPC、内存、硬盘、CPU等资源，所有的资源都是应用进程直接共享的。要想实现虚拟化，除了要实现对内存、CPU、网络IO、硬盘IO、存储空间等的限制外，还要实现文件系统、网络、PID、UID、IPC等的相互隔离。前者相对容易实现一些，后者则需要宿主主机系统的深入支持。

随着Linux系统对于命名空间功能的逐步完善，现在已经可以实现这些需求，让进程在彼此隔离的命名空间中运行。虽然这些进程仍在共用同一个内核和某些运行时环境（runtime，例如一些系统命令和系统库），但是彼此是不可见的，并且认为自己是独占系统的。

1.进程命名空间

Linux通过命名空间管理进程号，对于同一进程（即同一个task_struct），在不同的命名空间中，看到的进程号不相同，每个进程命名空间有一套自己的进程号管理方法。进程命名空间是一个父子关系的结构，子空间中的进程对于父空间是可见的。新fork出的进程在父命名空间和子命名空间将分别有一个进程号来对应。

例如，查看Docker主进程的pid进程号是5989，如下所示：

$ ps -ef |grep docker

root      5989  5988  0 14:38 pts/6    00:00:00 docker -d

新建一个Ubuntu的“hello world”容器：

$  docker run -d ubuntu:14.04  /bin/sh -c "while true; do echo hello world;sleep 1; done"

ec559327572b5bf99d0f80b98ed3a3b62023844c7fdbea3f8caed4ffa5c62e86

查看新建容器进程的父进程，正是Docker主进程5989：

$ ps -ef |grep while

root      6126  5989  0 14:41 ?        00:00:00 /bin/sh -c while true; do echo hello world; sleep 1; done

2.网络命名空间

如果有了pid命名空间，那么每个命名空间中的进程就可以相互隔离，但是网络端口还是共享本地系统的端口。

通过网络命名空间，可以实现网络隔离。网络命名空间为进程提供了一个完全独立的网络协议栈的视图，包括网络设备接口、IPv4和IPv6协议栈、IP路由表、防火墙规则、sockets等，这样每个容器的网络就能隔离开来。Docker采用虚拟网络设备（Virtual Network Device）的方式，将不同命名空间的网络设备连接到一起。默认情况下，容器中的虚拟网卡将同本地主机上的docker0网桥连接在一起。

使用brctl工具可以看到桥接到宿主主机docker0网桥上的虚拟网口：

$ brctl show

bridge name     bridge id                   STP enabled     interfaces

docker0            8000.56847afe9799       no              veth4148 vethd166 vethd533

3.IPC命名空间

容器中进程交互还是采用了Linux常见的进程间交互方法（Interprocess Communication，IPC），包括信号量、消息队列和共享内存等。PID Namespace和IPC Namespace可以组合起来一起使用，同一个IPC命名空间内的进程可以彼此可见，允许进行交互；不同空间的进程则无法交互。

4.挂载命名空间

类似于chroot，将一个进程放到一个特定的目录执行。挂载命名空间允许不同命名空间的进程看到的文件结构不同，这样每个命名空间中的进程所看到的文件目录彼此被隔离。

5.UTS命名空间

UTS（UNIX Time-sharing System）命名空间允许每个容器拥有独立的主机名和域名，从而可以虚拟出一个有独立主机名和网络空间的环境，就跟网络上一台独立的主机一样。默认情况下，Docker容器的主机名就是返回的容器ID：

$ docker ps

CONTAINER ID    IMAGE            COMMAND               CREATED         STATUS           PORTS     NAMES

ec559327572b    ubuntu:14.04   /bin/sh -c 'while tr   18 minutes ago Up 18 minutes               furious_goodall

$ docker inspect  -f {{".Config.Hostname"}}  ec5

ec559327572b

6.用户命名空间

每个容器可以有不同的用户和组id，也就是说可以在容器内使用特定的内部用户执行程序，而非本地系统上存在的用户。

每个容器内部都可以有root帐号，但跟宿主主机不在一个命名空间。

通过使用隔离的用户命名空间可以提高安全性，避免容器内进程获取到额外的权限。

控制组

控制组（CGroups）是Linux内核的一个特性，主要用来对共享资源进行隔离、限制、审计等。只有能控制分配到容器的资源，才能避免多个容器同时运行时对宿主机系统的资源竞争。控制组可以提供对容器的内存、CPU、磁盘IO等资源进行限制和计费管理。控制组的设计目标是为不同的应用情况提供统一的接口，从控制单一进程（比如nice工具）到系统级虚拟化（包括OpenVZ、Linux-VServer、LXC等）。

具体来看，控制组提供：

1. 资源限制（Resource limiting）：可以将组设置为不超过设定的内存限制。比如：内存子系统可以为进程组设定一个内存使用上限，一旦进程组使用的内存达到限额再申请内存，就会出发Out of Memory警告。
2. 优先级（Prioritization）：通过优先级让一些组优先得到更多的CPU等资源。
3. 资源审计（Accounting）：用来统计系统实际上把多少资源用到适合的目的上，可以使用cpuacct子系统记录某个进程组使用的CPU时间。
4. 隔离（isolation）：为组隔离命名空间，这样一个组不会看到另一个组的进程、网络连接和文件系统。
5. 控制（Control）：挂起、恢复和重启动等操作。

安装Docker后，用户可以在/sys/fs/cgroup/memory/docker/目录下看到对Docker组应用的各种限制项，包括：

$ cd /sys/fs/cgroup/memory/docker 

$ ls   

用户可以通过修改这些文件值来控制组限制Docker应用资源。

例如，通过下面的命令可限制Docker组中所有进程使用的物理内存总量不超过100MB：

$ sudo echo 104857600 >/sys/fs/cgroup/memory/docker/memory.limit_in_bytes

进入对应的容器文件夹，可以看到对应容器的一些状态：

$ cd 42352bb6c1d1c5c411be8fa04e97842da87d14623495189c4d865dfc444d12ae/

$ ls

$ cat memory.stat

在开发容器工具时，往往需要一些容器运行状态数据，这时就可以从这里得到更多的信息。

可以在创建或启动容器时为每个容器指定资源的限制，例如使用-c|--cpu-shares[=0]参数来调整容器使用CPU的权重；使用-m|--memory[=MEMORY]参数来调整容器使用内存的大小。

联合文件系统

联合文件系统（UnionFS）是一种轻量级的高性能分层文件系统，它支持将文件系统中的修改信息作为一次提交，并层层叠加，同时可以将不同目录挂载到同一个虚拟文件系统下，应用看到的是挂载的最终结果。

联合文件系统是实现Docker镜像的技术基础。Docker镜像可以通过分层来进行继承。例如，用户基于基础镜像（用来生成其他镜像的基础，往往没有父镜像）来制作各种不同的应用镜像。这些镜像共享同一个基础镜像层，提高了存储效率。此外，当用户改变了一个Docker镜像（比如升级程序到新的版本），则会创建一个新的层（layer）。因此，用户不用替换整个原镜像或者重新建立，只需要添加新层即可。用户分发镜像的时候，也只需要分发被改动的新层内容（增量部分）。这让Docker的镜像管理变得十分轻量级和快速。

1.Docker存储

Docker目前通过插件化方式支持多种文件系统后端。Debian/Ubuntu上成熟的AUFS（Another Union File System，或v2版本往后的Advanced Multilayered Unification File System），就是一种联合文件系统实现。AUFS支持为每一个成员目录（类似Git的分支）设定只读（readonly）、读写（readwrite）或写出（whiteout-able）权限，同时AUFS里有一个类似分层的概念，对只读权限的分支可以在逻辑上进行增量地修改（不影响只读部分的）。