容器发展简史

在过去四年中（2015-2019），云以及分布式计算成为最受欢迎的技术之一，它们从小众技能逐渐变成更被雇主看重的突出技能。容器化技术是云经济和IT生态系统中最新潮的技术之一。这篇文章可能会帮助您理解有关 Docker 和容器的一些令人困惑的概念。我们还将看到容器化生态系统在2019年的现状以及演变方向。

“不是我们造就了历史，而是历史造就了我们。” 

——马丁·路德·金

Docker是当今最知名的容器平台之一，它于2013年发布。但是在此之前，隔离和容器化已经被使用。让我们回到1979年，当时我们刚开始使用Chroot Jail，之后便出现了最著名的容器化技术。了解这段历史不但有助于我们理解相关的新概念，也有利于我们理解这项技术。

时间退回到1979年，Unix版本7在开发过程中引入Chroot Jail以及Chroot系统调用。Chroot jail被用于“Change Root”，它被认为是最早的容器化技术之一。它允许您将进程及其子进程与操作系统的其余部分隔离开来。这种隔离的唯一问题是根进程（root process）可以轻松地退出chroot。它从未考虑实现安全机制。FreeBSD Jail于2000年在FreeBSD OS中引入，旨在为简单的Chroot文件隔离带来更多安全性。与Chroot不同，FreeBSD还实现了将进程及其活动隔离到文件系统的特定视图中。 

A Chroot Jail. 来源：https://linuxhill.wordpress.com/2014/08/09/014-setting-up-a-chroot-jail-in-crunchbang-11debian-wheezy

当 Linux 内核具有操作系统级的虚拟化的功能以后，Linux VServer于2001年被推出，它使用了类似chroot的机制与“安全上下文”（“security context”）以及操作系统虚拟化（容器化）相结合来提供虚拟化解决方案。它比简单的chroot更先进，允许您在单个Linux发行版（VPS）上运行多个Linux发行版。 

2004年2月，Oracle发布了Oracle Solaris Containers，这是一个用于X86和SPARC处理器的Linux-Vserver版本。

SPARC是由Sun Microsystems开发的RISC（精简指令集计算）架构。

Solaris Container是由系统资源控制和“区域”（zone）提供的边界隔离组合而成。 

Oracle Solaris 11.3 与Solaris Containers类似，OpenVZ的第一个版本于2005年推出。OpenVZ与Linux-VServer一样，使用操作系统级虚拟化，许多托管公司采用它来隔离和销售VPS。操作系统级虚拟化有一些限制，因为容器共享相同的体系结构和内核版本，当客户需要不同于主机的内核版本的情况下这种缺点就会显现出来。

Linux-VServer和OpenVZ需要为内核打补丁以添加一些用于创建隔离容器的控制机制。 OpenVZ的补丁未集成到内核中。 

2007年，谷歌发布了CGroups，这是一种机制，这种机制能限制和隔离一系列进程的资源使用（CPU，内存，磁盘I / O，网络等）。与OpenVZ 内核相反，CGroups在2007年集成进了Linux内核。

2008年，LXC（Linux containers，Linux容器）的第一个版本发布。LXC与OpenVZ，Solaris Containers和Linux-VServer类似，但是它使用的是已经在Linux内核中实现的CGroup。然后，Cloud Foundry于2013年创建了Warden，这是一个管理隔离，短暂存在和被资源控制的环境的API。在其第一个版本中，Warden使用了LXC。 

2013年，Docker推出了的第一个版本。它像OpenVZ和Solaris Containers一样，实现操作系统级虚拟化。

2014年，谷歌推出了LMCTFY（Let me contain that for you），谷歌容器栈的开源版本，提供Linux应用程序容器。谷歌工程师一直在与Docker合作libcontainer，并将核心概念和抽象移植到libcontainer。因此没有积极开发LMCTFY项目，未来LMCTFY项目的核心可能会被libcontainer取代。

LMCTFY在同一内核上的隔离环境中运行应用程序，并且无需补丁，因为它使用CGroup，命名空间和其他Linux内核功能。 谷歌是容器化行业的领导者。谷歌的一切都在容器上运行。每周有超过20亿个容器在Google基础架构上运行。 2014年12月，CoreOS发布并开始支持rkt（最初作为Rocket发布）作为Docker的替代品。 

使用Jails，Zones，VPS，VM和容器都是为了隔离和资源控制，但每种技术是通过不同的方式实现它，每种方式都有其局限性和优势。

到目前为止，我们已经简要介绍了Jail如何工作，并介绍了Linux-VServer如何允许运行隔离的用户空间，其中计算机程序直接在主机操作系统的内核上运行，但程序只能访问其资源的受限子集。

Linux-VServer允许运行“虚拟专用服务器”（“Virtual Private Servers”），但必须为主机内核打补丁才能使用它。（将VPS视为商业名称。）

Solaris容器被称为区域（Zone）。

“虚拟机”是在“真实硬件机器”之上模拟虚拟机的通用术语。该术语最初由Popek和Goldberg定义为真实计算机的有效，孤立副本。

虚拟机可以是“系统虚拟机”或“过程虚拟机”。在我们日常使用VM这个词时，我们通常指的是“系统虚拟机”，它是模拟的是主机硬件来模拟整个操作系统。但是，“进程虚拟机”（“Process Virtual Machine”，有时称为应用虚拟机）是用于模拟执行单个进程的编程环境：Java Virtual Machine（JVM，Java虚拟机）就是一个例子。

操作系统级虚拟化也称为容器化。Linux-VServer和OpenVZ等技术可以运行多个操作系统，同时共享相同的体系架构和内核版本。

在guest需要的虚拟机于主机的内核版本的情况时，共享相同的体系结构和内核会有一些限制和缺点。 

来源：https://fntlnz.wtf/post/why-containers

系统容器（例如LXC）提供的环境非常接近您从虚拟机获得的环境，与此同时又省去了运行单独内核和模拟所有硬件所带来的开销。 

VM与容器。来源：Docker博客

操作系统容器与应用容器

操作系统级虚拟化有助于我们创建容器。LXC和Docker等技术使用这种隔离方式。我们这里有两种类型的容器：

• OS容器会打包整个应用程序栈的操作系统【示例LEMP技术栈，LEMP是指一组一起使用来运行动态网站或者服务器的开源软件，软件名称的首字母缩写：L代表Linux，E代表Nginx（Engine X），M代表MariaDB或MySQL，P代表PHP】。

• 应用容器通常每个容器会运行一个进程

而对于App容器来说，它会创建3个容器来构成LEMP技术栈：

• PHP服务器（或者是PHP FPM）

• Web服务器（Nginx）

• MySQL

系统（OS）容器与应用（App）容器

可以看到执行失败了，于是我们知道内存限制正常工作。如果我们在主机上做同样的事情（不要在16G RAM上模仿），测试永远不会失败，除非你真的没有足够的可用内存： 

遵循这些步骤有利于你理解Linux工具（如CGroup和其他资源管理功能）是如何在Linux系统中创建和管理隔离的环境。libcontainer与这些工具交互以管理和运行Docker容器。

runC：在不使用Docker的情况下使用libcontainer

2015年，Docker发布runC：一个轻量级，可移植的容器运行时。 

runC实际上是一个直接利用libcontainer的命令行工具，无需通过Docker引擎。runC的目标是使标准容器随处可用。这个项目被捐赠给了Open Container Initiative，OCI。libcontainer存储库现已被存档。 

实际上，libcontainer并没有被抛弃，而是被转移到了runC仓库。 

让我们回到实践部分并使用runC创建一个容器。首先安装runC运行时：

让我们创建一个目录（/mycontainer），我们将导出镜像Busybox的内容。

BusyBox[2]的大小介于1到5 Mb之间（取决于变体），在制作高效利用空间发行版的时候，是一个非常好的组成部分。

BusyBox将许多常见UNIX实用程序的微小版本组合到一个小的可执行文件中。它提供了你通常在GNU fileutils，shellutils等中找到的大多数实用程序的替代工具。BusyBox中的工具程序通常比它们包含所有功能的GNU版本有更少的选项；但包含的选项提供了大部分你所需要的功能，与GNU的对应版本非常相似。BusyBox为任何小型或嵌入式系统提供了相当完善的环境。 

来源：Docker Hub。

使用runC命令，我们可以用提取的镜像和spec文件（config.json）来运行BusyBox容器。runc spec命令一开始会创建以下JSON文件：

runC建立在libcontainer之上，libcontainer是以前为Docker引擎提供动力的容器库。在1.11版之前，Docker引擎被用于管理卷，网络，容器，图像等。 现在，Docker架构被拆分成四个部分：

• Docker引擎

• containerd运行时

• containerd-shim

• 和runC运行时。

二进制文件分别称为docker，docker-containerd，docker-containerd-shim和docker-runc。让我们用Docker的新架构来列举运行容器的步骤：

1. Docker引擎创建容器（来自镜像）并将其传递给containerd

2. Containerd调用containerd-shim

3. Containerd-shim使用runC来运行容器

4. Containerd-shim可以让运行时（此处为runC）在启动容器后退出

使用新架构，我们可以运行“无守护容器”（“daemon-less containers” ），它有两个优点：

1. runC可以在启动容器后退出，我们不必运行整个运行时进程。

2. 即使Docker和/或容器死亡，containerd-shim也会保证stdin，stdout和stderr这些文件描述符为打开状态。

“既然runC和Containerd都是运行时，为什么运行单个容器时需要两个运行时？”

这可能是被问的最多的问题之一。在之前讲解为什么Docker将其架构拆分为runC和Containerd时，您会发现这两个都是运行时。

如果您是从头开始阅读的，那么您一定注意到有高层级和低层级的运行时。这就是runC和Containerd两者之间的实际差异。

两者都可以称为运行时，但每个运行时都有不同的用途和功能。为了使容器生态系统保持标准化，低层级的容器运行时只允许运行容器。

低级运行时（如runC）应该轻巧，快速，并且不会与其他更高层级的容器管理发生冲突。

当你创建一个容器时，这个容器实际上同时被containerd和runC两个运行时同时管理。

您会发现有很多容器运行时，其中一些是遵循OCI标准的而另一些不是，一些是低层级的运行时，而另一些不仅仅是运行时，它们同时实现了工具层来管理容器的生命周期等等：

• 镜像传输和存储

• 容器运行和监控，

• 底层存储

• 网络附件

• 等等

来源：https://www.ianlewis.org/en/container-runtimes-part-1-introduction-container-r

我们可以为Docker添加新的运行时，只需运行：

建立一个单体的Docker平台的项目在某种程度上已被抛弃，并催生了Moby项目，在这个项目中，Docker被拆分成多个组件，例如RunC。 

来源：Solomon Hykes Twitter

Moby是一个将Docker开发进行组织和模块化的项目。它是一个开发和生产的生态系统。 Docker的常规用户很难意识到变化。 

资料来源：Solomon Hykes Twitter

Moby帮助开发和运行Docker CE和EE（Moby是Docker上游）以及为其他运行时和平台创建开发和生产环境。

开放容器计划（The Open Containers Initiative）

正如我们所看到的，Docker将RunC捐赠给Open Container Initiative（OCI），但这项计划是什么？

OCI是一个轻量级，开放型治理架构的组织，由Docker，CoreOS和容器行业的其他领导者于2015年发起。

开放容器计划（OCI）旨在建立软件容器的通用标准，以避免容器生态系统内部可能出现的分裂和分化。 

它包含两个规范：

• runtime-spec：运行时规范

• image-spec：镜像规范

使用不同运行时的容器可以与Docker API一起使用。使用Docker创建的容器可以能在任何其他引擎上运行。

相关链接：

1. https://github.com/moby/moby/commit/0db56e6c519b19ec16c6fbd12e3cee7dfa6018c5

2. http://www.busybox.net/

3. https://github.com/opencontainers/runtime-tools

原文链接：https://medium.com/faun/the-missing-introduction-to-containerization-de1fbb73efc5