從「集裝箱運輸」了解容器技術
容器技術的火爆和日益普及已經成為不爭的事實，眾多公有雲平台紛紛支持Docker，AWS、Google、Azure、阿里雲以及國內的各大公有雲廠商都推出了容器雲業務，國內也有不少創業公司通過構建容器Paas平台幫助企業實現微服務架構改造。
達觀數據作為領先的人工智慧企業，在容器技術領域也積累了比較多的實踐經驗。達觀提供的文本挖掘、智能推薦、垂直搜索，無論是公有雲服務，或者私有化部署，主要是基於容器雲實現，從而保證部署的高效率、服務的穩定性、快速可擴展性和應用的隔離性，為我們的客戶提供了持續升級的長久穩定服務。
為什麼使用容器？
發布一個應用的經典過程一般是這樣：首先要在測試伺服器上進行開發，配置環境依賴並測通；再到生產環境中，為一台台伺服器配置環境依賴並部署應用。即使現在已經進入雲計算時代，整個發布過程依然沒有太大變化。當我們有大量架構迥異的應用服務，需要發布到多種環境，如本地環境、虛擬機環境、公有雲環境等等，底層使用的又是各種不同類型的硬體，稍有不慎就會導致發布失敗。
圖 1 異構應用部署到多樣硬體的問題
從下面的矩陣圖可以更直觀的感受到我們面對的困難之大，矩陣的列代表不同的硬體環境，行代表各種應用/服務。矩陣列出了一個應用的發布或者重構所要考慮的複雜情況，不管是應用的開發人員，還是系統運維人員，都必須從一開始就要考慮複雜環境帶來的問題，以保證發布和升級的順利。
圖 2 異構應用和多樣硬體矩陣
解決這個問題的思路非常有意思。Docker公司給出了非常形象的比喻：集裝箱運輸。1960年之前的全球化運輸過程如下圖所示，不同的貨物和不同的運輸方式也構成了一個龐大的矩陣。託運貨物的人，和搬運工會擔心不同類型的貨物放在一起會造成相互碰撞、擠壓導致損壞。
然而將不同貨物分類進行運輸是一種非常高成本、低效率的解決方式，貨物在運輸途中可能需要在某個港口卸貨，與來自其他地方的同類型貨物一起裝車，再運到下一個目的地。整個運輸過程導致大量的貨物被損壞，或者被盜。
圖 3 1960年以前的貨物運輸
全球化運輸現在已經不是問題，各個港口整齊堆放的集裝箱就是完美的解決方案。各種類型的貨物，小到奶粉、化妝品，大到特斯拉跑車，都可以被裝箱到一個標準的集裝箱內。託運貨物的人只需要保證貨物在集裝箱內的密封和固定，而無需關心集裝箱如何被擺放和運輸。
負責運輸的人則無需關心一個個集裝箱內裝的不同貨物，只需把集裝箱當做一個封閉、無差別的獨立個體，進行裝載，卸貨，堆放，運輸，整個過程中集裝箱保持封閉狀態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（吊車）對集裝箱進行操作，實現流程的自動化，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。
圖 4 標準化集裝箱解決運輸問題
將Docker比喻為代碼方面的集裝箱綜合運輸系統，確實非常形象而恰當。Docker將任何類型的應用（貨物）和它的依賴打包成為一個標準的，輕量級的，便攜的，獨立的集裝箱，讓各類應用都支持一套標準的運作模式，只要安裝了Docker程序的伺服器都可以運行。
開發者在筆記本上開發和測試完成的Docker容器，可以無差別的運行在測試環境、生產環境，無論伺服器是物理機、虛擬機、公有雲伺服器上，或者是以上各種類型伺服器的組合。應用開發過程只需執行一次，即可保證應用在任何環境上運行的一致性。對於運維人員，則只需要配置一次不同環境的伺服器，即可運行任何Docker容器，不管容器是web服務還是api系統，規避了傳統部署方式中開發、測試、生產和其他環境的不一致性問題。
圖 5 標準化的Docker技術解決代碼「運輸」問題
Docker主要特性
Docker技術的有多重特點和優勢，我們基於實踐經驗進行簡單總結，其在實際應用中體現出的主要特性有以下三個方面：
1
環境標準化和持續部署
前面已經提到，傳統的開發和部署的生命周期中，常常因為不同環境的細微差異導致應用運行失敗，例如依賴的缺失或者版本不匹配。Docker的出現很好的解決了這一問題，保證了從開發、測試到部署的環境一致性。Docker將應用和所需的配置和依賴一起打包到鏡像中，在不同環境中只要使用同一個鏡像，即可保證應用的正常運行，無需其他人工干預，這也是Docker對開發和運維人員都有巨大吸引力的原因。
2
隔離性
Docker不同容器志堅是相互隔離的，每個容器使用自己的環境和資源。使用不同堆棧的應用程序基於Docker可以運行在同一個宿主機上，相互之間不會產生影響，也就不會產生使用源碼部署常常會遇到的依賴相互衝突的問題。使用源碼部署的另一個問題，是當從宿主機上刪除應用的時候，刪除依賴的時候就需要考慮是否有別的應用也在使用，經常導致誤刪依賴影響其他應用，或者忘記刪除無用的依賴。基於Docker則不會有此類問題，當我們不再需要某個應用的時候，可以簡單的通過刪除容器，則應用的代碼和依賴會作為一個整體一併刪除，同時也不影響其他應用。
3
版本控制
Docker另一個重要功能，是提供了類似git倉庫一樣的鏡像倉庫Docker hub，支持開發人員將鏡像的變更提交到Docker hub倉庫，並通過版本號進行管理。發布變更的時候也只需要修改鏡像版本號並重啟容器，假設發布的變更引入了一個bug，也可以非常快速的回滾到前一個版本。相比虛擬機，Docker的啟動和停止非常快速，如同運行一個進程一般，整個變更的過程往往只需幾分鐘時間。
容器和虛擬機的區別
傳統的虛擬機通過硬體虛擬化創造一個虛擬的系統，每個虛擬機都有自己的內存、硬碟和操作系統，預分配的資源會被虛擬機完全佔用。使用虛擬機來隔離應用會造成比較大的資源浪費，一個應用加上依賴只有幾十到幾百M的大小，而操作系統往往還需要消耗10G左右容量。
圖 6 容器技術和虛擬機的對比
上圖展示了容器技術和虛擬機的區別。容器包含了應用和所需的依賴，但不需要獨佔資源，沒有一個虛擬系統，而是和宿主機共享硬體資源和操作系統，和其他容器共享內核，從而實現資源的動態分配。多個容器在同一個宿主機操作系統中的用戶空間以獨立的進程運行。因此，容器相比虛擬機要輕量許多，在一個主機上可以同時啟動近百個容器，一個應用要在數量上橫向擴展非常便捷，而虛擬機則幾乎不可能啟動同樣多的數量。對於重啟操作，容器近似於重啟一個進程，而虛擬機則相當於重啟操作系統。
微服務和容器集群管理
隨著容器技術的日益成熟，微服務架構也有了越來越多的實踐落地。傳統集中式架構開發的大型應用，比如CRM、ERP等系統，在今天看來已經顯得過於龐大複雜，缺乏靈活性，隨著新需求的不斷出現，對集中式架構的升級和調整變得日益困難，比如修改原有系統以適配移動設備。技術層面上，現在已經有大量的輕量級開源技術，包括容器技術，在互聯網、雲計算、人工智慧領域被大量運用，催生了微服務架構的出現。下圖展示了服務架構的演變。
圖 7 軟體系統架構演變
微服務架構是指一個較為複雜的應用由多個相對「微小」的服務組成，每個微服務只負責完成一個特定的任務，可以被獨立部署，支持快速的橫向擴展。各個微服務之間以松耦合的方式相互配合，不同的服務可以部署在不同的伺服器上。每個微服務將相關的業務邏輯和數據放在一起，可以看作是整個應用的組件，可以被獨立升級甚至替換。這樣做的好處是保證各個微服務相互獨立，從而實現快速交付和迭代升級。
Docker容器技術的特性使其天然地適用於微服務的落地實現，一個容器實現一個微服務，在伺服器集群上運行各個微服務容器，來構建一套完整的應用。為了支持多租戶，甚至可以部署多套完全相同的應用，每套應用服務一個或一部分租戶，應用之間相互隔離，應用的資源也按照租戶的使用量來分配。
容器編排技術
當容器和伺服器的數量達到一定規模的時候，就會碰到管理的問題，即如何有效管理大量的伺服器和容器，保證應用的穩定運行、方便升級和故障的快速解決。容器編排工具提供圖形化界面或者命令行來管理容器和伺服器集群，提供容器配置、任務發布、服務發現、負載均衡、系統監控和故障恢復、聲明式系統配置以及有關容器部署和性能的規則和約束定義機制等。
從最新趨勢來看，Google開發的Kubernetes從眾多編排工具中脫穎而出，贏下了容器編排工具大戰。基於達觀自身的容器實踐經驗，Kubernetes是所有編排工具中穩定性最高的，尤其是在管理較大規模的容器集群時，這和業界同行的實踐經驗基本吻合。Kubernetes針對pods進行調度，pod是最小的基本單位。一個pod封裝一個或多個容器、存儲資源、一個獨立的網路IP以及管理控制容器運行的策略。Pod封裝的多個容器一定是緊耦合的，它們之間能共享資源。
相比Kubernetes，Docker原生編排工具Swarm在集群搭建和使用上要相對簡單一些，學習和部署成本相對低一些。較新版本的Docker已經集成了Swarm。Swarm支持跨多個主機進行編排，管理較小規模的容器集群也綽綽有餘，對於初學者也可以很快的部署和運行。
結語
容器技術為軟體開發和系統運維帶來了顛覆性的突破，在達觀的客戶中，不管是新晉的互聯網企業，還是久居行業重心的傳統企業，都紛紛擁抱容器技術，開啟了系統架構的容器化升級和微服務轉型。如此大規模的不分行業的普及，足以預示容器技術無可限量的發展前景，而隨著容器技術的普及，系統開發和管理的效率必將上升到一個新的台階，為企業帶來效益的提升。
參考文獻
https://github.com/DeanXu/Docker-introduce/blob/master/README.md
https://www.weave.works/blog/comparing-container-orchestration
http://docs.kubernetes.org.cn
https://docs.docker-cn.com/
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