Docker是一種在Linux容器里運行應用的開源工具，一種輕量級的虛擬機。除了運行應用，Docker還提供了一些工具，借助Docker Index或自己托管的Docker注冊表對進行了集裝箱化處理的應用進行分發，從而簡化復雜應用的部署過程。

我將在本文介紹如今在部署復雜系統時公司所面臨的挑戰，Docker怎樣有效地解決這個問題，以及Docker的其他用例。

部署的挑戰

服務器應用的部署已經越來越復雜了。把幾個Perl腳本拷貝到正確目錄就完成服務器應用的安裝，這種時代已經一去不復返了。如今的軟件有很多類型的需求：

• 對已安裝軟件和庫的依賴（“Python版本高于2.6.3，使用Django 1.2”）
• 依賴于正在運行的服務（“需要一個MySQL 5.5數據庫和一個RabbitMQ隊列”）
• 依賴于特定的操作系統（“在64位的Ubuntu Linux 12.04上構建、測試”）
• 資源需求：
  • 最小的可用內存（“需要1GB的可用內存”）
  • 能綁定特定的端口（“綁定80和443端口”）

我們來看一個相對簡單的應用的部署：Wordpress。Wordpress的安裝通常要求：

• Apache 2
• PHP 5
• MySQL
• Wordpress源碼
• 一個Wordpress MySQL數據庫，配置Wordpress使用該數據庫
• Apache的配置：
  • 加載PHP模塊
  • 支持URL重寫和.htaccess文件
  • 指向WordPress源碼的DocumentRoot

在服務器上部署、運行這樣一個系統，我們可能會遇到下面的問題和挑戰：

1. 隔離性：如果我們已經在這個服務器上部署了不同的網站，已有的網站只能在nginx上 運行，而Wordpress依賴于Apache，這時我們就會有麻煩：它們都監聽80端口。同時運行兩個網站是可以的，但需要調整配置（修改監聽端口）， 設置反向代理等。庫級別也會出現類似的沖突，如果還要運行一個仍然依賴PHP4的老應用就會出問題，因為Wordpress不再支持PHP4，同時運行 PHP4和PHP5則非常困難。運行在同一個服務器上的應用沒有互相隔離（在文件系統級別和網絡級別），所以它們可能會互相沖突。
2. 安全性：Wordpress的安全記錄并不是非常好。所以還是給它創建個沙箱，至少黑客入侵時不會影響其他運行的應用。
3. 升級、降級：升級應用一般會覆蓋現有文件。升級過程中會發生什么？系統要關閉么？如果升級失敗，或者不對該怎么辦？我們怎樣快速回退到先前的版本？
4. 快照、備份：一旦所有的內容都設置好，就給系統創建一個“快照”，以便能備份快照，甚至能移到另一個服務器上再次啟動，或者拷貝到多個服務器上以備不時之需。
5. 重復性：系統出新版本之后，比較好的做法是先在測試基礎設施上自動部署并測試，然后再發布到生產系統。通常會利用諸如Chef、Puppet等 工具在服務器上自動安裝一堆包，等一切內容都就緒后，再在生產系統上運行相同的部署腳本。這在百分之九十九的情況下都沒有問題。但有百分之一的例外，在部 署到測試環境和生產環境之間的時間跨度里，你依賴的包在包倉庫里有了更新，而新版本并不兼容。結果生產環境的設置和測試環境不同，還有可能破壞生產系統。 假如沒有控制部署的每一個方面（例如托管自己的APT或YUM倉庫），持續在多個階段（比如測試、預演、生產環境）重復搭建出完全相同的系統就很困難。
6. 資源限制：如果我們的Wordpress耗費CPU資源，并占用了所有的CPU周期，導致其他應用無法做任何事情怎么辦？如果它用盡了全部可用的內存呢？或者瘋狂寫日志阻塞磁盤呢？要是能限制應用的可用資源，比如CPU、內存和磁盤空間，就會非常方便。
7. 易于安裝：也許有Debian或CentOS包，抑或是能自動執行所有復雜步驟并安裝 Wordpress的Chef菜譜。但這些菜譜很難穩定下來，因為它們需要考慮目標系統上可能的系統配置。很多情況下，這些菜譜只能在干凈的系統上運行。 因此，你不太可能更換成自己的包或Chef菜譜。這樣的話，安裝就是個復雜的系統工程，而不是午休期間就能搞定的事情。
8. 易于移除：軟件應該能輕松、干凈地移除，不留痕跡。但部署應用通常要調整已有的配置文件、設置狀態（MySQL數據庫的數據，日志），完全移除應用也變得不那么容易。

那我們應該如何解決這些問題呢？

虛擬機！

我們決定在單獨的虛擬機上運行獨立的應用，例如Amazon的EC2，大部分問題這時會迎刃而解：

1. 隔離性：在一個VM上安裝一個應用，應用是完全獨立的，除非它們攻入了對方的防火墻。
2. 重復性：用你喜歡的方式準備系統，然后創建一個AMI。你可以隨意實例化多個AMI實例。完全是可重現的。
3. 安全性：由于我們完全隔離，如果Wordpress遭到攻擊，其余的基礎設施并不會受到影響——除非你沒有保管好SSH密鑰或者在哪里都使用同一個密碼，但你應該不會這么做吧？
4. 資源限制：VM會分配特定的CPU周期、可用內存和磁盤空間，沒有加價的話就不能超額。
5. 易于安裝：越來越多的應用能夠在EC2上運行，只要在AWS marketplace上點擊一個按鈕就能實例化應用。啟動只需要幾分鐘，就是這樣。
6. 易于移除：不需要某個應用了？銷毀VM。干凈又方便。
7. 升級、降級：Netflix如何部署代碼里提到，只需要在新VM上部署新版本，然后讓負載均衡器指向部署了新版本的VM。不過應用如果需要在本地保存狀態，這種方法就不是很好用了。
8. 快照、備份：點擊一個按鈕（或者調用一下API）就能獲得EBS磁盤的快照，快照會備份到S3中。

完美！

不過……我們有個新問題：虛擬機在兩個方面比較昂貴：

• 金錢：你真的有那么多錢為每個應用啟動一個EC2實例？另外你能預測到需要多少個實例么？如果你以后需要更多的資源，你需要停止VM進行升級——否則就要為閑置資源白白付錢，直到真正用起來（除非你用能動態調整大小的Solaris Zones，比如Joyent上的）。
• 時間：虛擬機相關的操作大多都很慢：啟動要幾分鐘，捕捉快照要幾分鐘，創建鏡像也需要幾分鐘。世界不停轉動，我們可沒有這種時間！

我們能做得更好嗎？

進入Docker的世界吧。

Docker是由公共PaaS提供商dotCloud的人發起的開源項目，于去年初發起。從技術角度來說，Docker（主要用Go語言編寫）試圖簡化兩種已有技術的使用：

• LXC：Linux容器，允許獨立進程在比普通Unix進程更高的隔離級別上運行。使用的技術術語是集裝箱化：一個容器里運行一個進程。容器支持的隔離級別有：
  • 文件系統：容器只能訪問自己的沙箱文件系統（類似于chroot），否則要專門掛載到容器的文件系統中才能訪問。
  • 用戶名字空間：容器有自己的用戶數據庫（也就是容器的root不等于主機的root賬戶）。
  • 進程名字空間：只有容器里的進程才是可見的（ps aux的輸出會非常簡潔）。
  • 網絡名字空間：每個容器都有自己的虛擬網絡設備和虛擬IP（因此它可以綁定任意端口，不用占用主機端口）。
• AUFS：高級多層的統一文件系統，可用來創建聯合、寫時拷貝的文件系統。

Docker可以安裝在任何支持AUFS和內核版本大于等于3.8的Linux系統上。但從概念上來說它并不依賴于這些技術，以后也可以和類似的技術一起運行，例如Solaris的Zones或BSD jails，并將ZFS作為文件系統。不過目前只能選擇Linux 3.8+和AUFS。

那Docker為什么有意思呢？

• Docker非常輕量。啟動VM是個大動作，需要占用大量內存；而啟動Docker容器只耗費很少的CPU和內存，并且非常快。幾乎和啟動一個常規進程沒什么區別。不僅運行容器快，構建鏡像、捕獲文件系統的快照也很快。
• 它運行在已經虛擬化過的環境中。也就是說，你可以在EC2實例、Rackspace VM或VirtualBox里運行Docker。事實上，在Mac和Windows上使用Docker的首選方式是使用Vagrant。
• Docker容器能移植到任何運行Docker的操作系統上。無論是Ubuntu還是CentOS，只要Docker運行著，你的容器就能運行。

讓我們回到前面的部署、操作問題列表，看看Docker是怎么解決的：

1. 隔離性：Docker在文件系統和網絡級別隔離了應用。從這個意義上來講很像在運行”真正的“虛擬機。
2. 重復性：用你喜歡的方式準備系統（登錄并在所有軟件里執行apt-get命令，或者使用Dockerfile），然后把修改提交到鏡像中。你可以隨意實例化若干個實例，或者把鏡像傳輸到另一臺機器，完全重現同樣的設置。
• 安全性：Docker容器比普通的進程隔離更為安全。Docker團隊已經確定了一些安全問題，正在著手解決。
• 資源約束：Docker現在能限制CPU的使用率和內存用量。目前還不能直接限制磁盤的使用情況。
• 易于安裝：Docker有一個Docker Index，這個倉庫存儲了現成的Docker鏡像，你用一條命令就可以完成實例化。比如說，要使用Clojure REPL鏡像，只要運行docker run -t -i zefhemel/clojure-repl命令就能自動獲取并運行該鏡像。
• 易于移除：不需要應用了？銷毀容器就行。
• 升級、降級：和EC2 VM一樣：先啟動應用的新版本，然后把負載均衡器切換到新的端口。
• 快照、備份：Docker能提交鏡像并給鏡像打標簽，和EC2上的快照不同，Docker是立即處理的。

怎么使用Docker

假設你已經安裝了Docker。要在Ubuntu容器中運行bash，只要執行：

docker run -t -i ubuntu /bin/bash

根據“ubuntu”鏡像的下載情況，Docker會選擇下載或者使用本地可用的拷貝，然后在Ubuntu容器里運行/bin/bash。接著你就能在容器里執行幾乎所有典型的Ubuntu操作，比如安裝新的包。

我們來安裝個“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!

現在退出，然后再運行一次相同的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？我們美麗的hello命令哪兒去了？事實上我們剛剛根據干凈的Ubuntu鏡像啟動了一個新的容器。要繼續先前那個，我們必須把它提交到倉庫中。我們退出這個容器，看看先前啟動容器的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命令能列出當前運行的容器，docker ps -a還會顯示已經退出的容器。每個容器都有一個唯一的ID，類似于Git提交哈希值。命令也列出了容器基于的鏡像、運行的命令、創建時間、當前狀態，以及容器暴露的端口和與主機端口之間的映射。

上面那個是我們第二次啟動的容器，不包含“hello”；下面那個是我們想重用的，所以我們提交一下，再創建一個新的容器：

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

我用容器ID把容器提交到了倉庫中。倉庫類似于Git倉庫，包含一或多個打了標簽的鏡像。如果像我一樣沒有指定標簽名稱，標簽會被命名為“latest”。運行docker images命令可以查看本地安裝的所有鏡像。

Docker提供了一些基礎鏡像（比如ubuntu和centos），你也可以創建自己的鏡像。用戶倉庫的命名模型和Github的類似：Docker用戶名后面跟一個斜線，然后再跟倉庫名稱。

前面創建Docker鏡像的方式并不是特別正規，你可以試試。更簡潔的方式是使用Dockerfile。

使用Dockerfile構建鏡像

Dockerfile是個簡單的文本文件，介紹了如何從基礎鏡像構建鏡像。我在Github上提供了幾個Dockerfile。下面的文件用來運行、安裝SSH服務器：

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

上面的內容一目了然。FROM命令定義了基礎鏡像，基礎鏡像可以是官方的，也可以是我們剛剛創建的zefhemel/ubuntu。RUN命令用來配置鏡像。在這里，我們更新了APT包倉庫，安裝了openssh-server，創建了一個目錄，然后給我們的root賬戶設置了一個再簡單不過的密碼。EXPOSE命令會向外暴露22端口（SSH端口）。接下來看看如何構建并實例化這個Dockerfile。

第一步是構建一個鏡像。在包含Dockerfile的目錄下運行：

$ docker bui ld -t zefhemel/ssh .

這會創建一個zefhemel/ssh倉庫，包含我們新的SSH鏡像。如果創建成功，就能進行實例化了：

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

和前面的命令不一樣。-d表示會在后臺運行容器，而不是運行bash，所以我們用前臺模式（用-D參數指定）運行了sshd守護進程。

讓我們檢查運行中的容器，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

可以看到我們的容器啟動著。PORTS頭下的內容比較有意思。由于我們EXPOSE了22端口，這個端口現在映射到了主機系統的一個端口（這里是49154）。讓我們看看它能否運行。

$ 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！現在有了一個運行的SSH服務器，我們能登錄它。在有人猜出密碼并攻擊容器之前，讓我們先從SSH退出，殺掉容器。

$ docker kill 23ee5acf5c91

如你所見，容器的22端口映射到了49154端口，但這是完全隨機的。要把它映射到特定端口，運行命令時傳入-p參數：

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

現在，如果2222端口可用，我們的端口就會映射到2222上。我們在Dockerfile的結尾再添加一行內容，以便我們的鏡像對用戶更加友好：

CMD /usr/sbin/sshd -D

CMD表示構建鏡像時并不會運行命令，實例化時才運行。所以不傳遞其它參數時就會執行/usr/sbin/sshd -D。然后我們可以直接運行：

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

得到的結果和前面一樣。要發布新創建的鏡像，只要運行docker push就可以了：

docker push zefhemel/ssh

登錄之后，鏡像就可用了，用先前的docker run命令就能執行命令。

讓我們回到Wordpress的例子。怎樣在容器里用Docker運行Wordpress呢？要構建一個Wordpress鏡像，我們要創建一個Dockerfile：

1. 安裝Apache、PHP5和MySQL
2. 下載Wordpress，解壓到文件系統的某個地方
3. 創建一個MySQL數據庫
4. 更新WordPress的配置文件，指向MySQL數據庫
5. 把WordPress設置為Apache的DocumentRoot
6. 啟動MySQL和Apache（比如用supervisord）

幸運的是，很多人已經成功了，比如John Fink的GitHub庫就包括創建這樣一個Wordpress鏡像需要的所有內容。

Docker用例

除了用可靠、可重復的方式簡化復雜應用的部署，Docker還有很多用途。下面是一些有趣的Docker用法和項目：

• 持續集成和部署：在Docker容器里構建軟件，確保構建之間的隔離性。構建好的軟件鏡像可以自動推到私有的Docker倉庫中，并部署到測試環境或生產環境。
• Dokku：一個簡單的PaaS，用不到一百行的Bash構建而成。
• Flynn和Deis，兩個使用Docker的開源PaaS項目。
• 在容器里運行桌面環境。
• CoreOS驗證了Docker的合理性，CoreOS是個非常輕量級的Linux發行版，其中的應用都用Docker安裝、運行，由systemd管理。

Docker不是什么

盡管Docker有助于系統的可靠部署，但它本身并不是個完全成熟的部署系統。它操作的是容器里運行的應用。哪個容器安裝在哪個服務器上，以及如何啟動它們，則超出了Docker的范圍。

同樣的，Docker也不處理跨多個容器（可能在多個物理服務器上，也可能在多個VM上）運行的應用。要讓容器互相通信，需要某些發現機制，來找出哪些IP和端口上的其他應用可用。這和跨常規虛擬機的服務發現非常相似。etcd等工具，或者其他的服務發現機制都能用來解決這個問題。

結論

雖然本文描述的所有內容用原始的LXC、cgroups和AUFS也可能實現，但實現起來絕對沒有那么容易或簡單。Docker提供了一種簡單的方式將復雜應用打包到容器中，而且能輕松版本化、可靠分發。進而讓輕量級的Linux容器和真正的虛擬機一樣靈活、強大，但成本更低、方式更為便捷。即便Vagrant VirtualBox VM在Macbook Pro上，使用運行在其中的Docker創建的Docker鏡像也能很好地運行在EC2、Rackspace Cloud或物理硬件上，反之亦然。

Docker可以從它的網站上獲取，并免費使用。交互式的入門指南很不錯。項目的路線圖指出，第一個生產就緒的版本是2013年10月發布的0.8版本，不過此前大家已經在生產環境里使用Docker了。