Docker

Docker是一个开放源代码的容器构建、分发与运行的工具链与平台，用于开发、交付和运行应用。Docker允许用户将基础设施（Infrastructure）中的应用单独分割出来，形成更小的颗粒（容器），从而提高交付软件的速度。

Docker容器与虚拟机类似，但二者在原理上不同。容器是将操作系统层虚拟化，虚拟机则是虚拟化硬件，因此容器更具有便携性、更能高效地利用服务器。容器更多的用于表示软件的一个标准化单元。由于容器的标准化，因此它可以无视基础设施（Infrastructure）的差异，部署到任何一个地方。另外，Docker也为容器提供更强的企业级隔离与兼容性。

Docker 利用Linux核心中的资源分离机制，例如cgroups，以及Linux核心Linux命名空间（namespaces），来建立独立的容器（containers）。这可以在单一Linux实体下运作，避免启动一个虚拟机器造成的额外负担。Linux核心对命名空间的支援完全隔离了工作环境中应用程序的视野，包括进程树、网络、用户ID与挂载档案系统，而核心的cgroup提供资源隔离，包括CPU、内存、block I/O与网络。从 0.9 版本开始，Docker 逐步减少对 LXC 的依赖，转而引入 libcontainer 程序库，直接调用 Linux 核心提供的命名空间（namespaces）与控制组（cgroups）等机制来创建和管理容器，从而摆脱对传统容器管理工具的依赖，并实现对容器运行时的完全自主控制。

## 基础架构

专业名词Docker有两个意思：

- 代指整个Docker项目。
- 代指Docker引擎。

### Docker引擎

Docker引擎（Docker Engine）是一个服务端-客户端结构的应用，主要有这些部分：Docker守护进程、 Docker Engine API、Docker客户端。

- Docker守护进程（Docker daemons），也叫 `dockerd`，是一个持久化的进程，用户管理容器。守护进程会监听 Docker Engine API 的请求。
- Docker Engine API是用于与Docker守护进程交互用的的API。它是一个RESTful API，因此它不仅可以被Docker客户端调用，也可以被`wget` 和 `curl`等命令调用。
- Docker客户端，也叫`docker`，是大部分用户与Docker交互的主要方式。用户通过客户端将命令发送给守护进程。命令会遵循 Docker Engine API

### Docker注册中心

Docker注册中心（Docker registry）是用于存储Docker的镜像。Docker Hub 是一个公共的注册中心，任何人都可以使用，默认配置下，Docker将会在这里寻找镜像。

另外，用户可以自行构建私有注册中心。Docker Datacenter（DDC）的用户，可以直接使用 Docker Trusted Registry（DTR）。

2023年5月，在中国大陆地区被防火长城阻断屏蔽，同年9月恢复访问，此后多次断续屏蔽。

### 对象

Docker的对象是指Images、Containers、Networks、Volumes、Plugins等等。

- 容器（Containers）是镜像的可运行的实例。容器可通过API或CLI（命令行）进行操控。
- 镜像（Images）是一个只读模板，用于指示创建容器。镜像分层（layers）构建的，而定义这些层次的文件叫Dockerfile。
- 服务（Services）允许使用者跨越不同的Docker守护进程（Docker daemons）的情况下增加容器，并将这些容器分为管理者（managers）和工作者（workers），让他们为swarm共同工作。

## 扩展架构

### Docker Compose

Compose可译为组合物。Compose 是用于定义和运行 多个容器Docker应用程序 的工具。通过Compose，你可以使用YAML文件来配置应用程序需要的所有服务，然后通过使用一个命令，就可以创建并启动所有服务。Compose对应的命令为`docker compose`。

### Docker Desktop

Docker Desktop 是适用于Windows、Linux、MacOS操作系统的一键式安装程序，提供了图形用户界面，便于管理Docker的容器、镜像以及应用等对象。Docker Desktop包含了：Docker Engine、CLI、构建以及扩展等组件。

### Swarm Mode

当说到 Docker Swarm 时，一般是指单独项目 Docker Swarm。而在Docker 1.12时，将swarm mode集成到Docker 引擎中，可用Docker引擎API 和 CLI 命令直接使用。官方推荐用户使用集成的 swarm mode。

Swarm Mode 内置 kv 存储功能，提供了众多的新特性，比如：具有容错能力的去中心化设计、内置服务发现、负载均衡、路由网格、动态伸缩、滚动更新、安全传输等。Swarm 在设计上曾试图与 Kubernetes 竞争，但目前已逐渐边缘化，Kubernetes 成为事实上的容器编排标准。

cluster（中文：集群），Docker将集群定义为：一群共同作业并提供高可用性的机器。swarm（中文：群），是指一个集群的Docker引擎以swarm mode形式运行。swarm mode是指Docker引擎内嵌的集群管理和编排功能。当你初始化了一个swarm(cluster)或者将节点加入一个swarm时，其Docker引擎就会以swarm mode的形式运行。

#### 原理

swarm中的Docker机器中分为 managers（管理节点）和 workers（工作节点），管理者用于处理集群的关系和委派，工作节点则用于执行 swarm服务。当你创建swarm服务时，你可以为其增加各种额外的状态（如：数量、网络、端口、存储资源等等）。Docker会去维持用户想要的状态。如：一个工作节点如果挂了，那么Docker会去把这个节点的任务给另外一个节点。此处的任务（task）是指：被swarm管理者管理的一个运行中的容器。

swarm服务比单独容器好在，修改swarm服务的配置之后不用重启。同时，Docker以swarm mode形式运行时，也可以选择直接启动单独的容器。另外，swarm mode下，你也可以通过 `docker stack deploy` 使用 Compose file 部署应用栈。swarm服务分为两种，一种是replicated services，可以指定节点任务的总数量；global services，则是每个节点都会运行一个指定任务。swarm内置 ingress 负载均衡机制使服务。swarm管理节点会自动地给服务分配PublishedPort（或者手动配置）。外部组件，如云负载均衡器能通过集群中任何节点上的PublishedPort去接入服务（不管该服务是否启动）。另外 swarm mode有内部DNS组件，它会为每个服务分配一个DNS条目。swarm管理节点使用 internal load balancing 去分发请求时，就是依靠这个DNS组件。

swarm mode的功能是由swarmkit（一个独立项目）提供的，它实现了Docker的编排层。swarm可以直接被Docker使用。

## 文件格式

Docker有两种文件格式，Dockerfile和Compose file。Dockerfile定义了单个容器的内容和启动时候的行为。Compose file定义了一个多容器应用。

### Dockerfile

Docker 可以依照 Dockerfile 的内容，自动化地构建镜像。Dockerfile 是包含着用户想要如何构建镜像的所有命令的文本。

```dockerfile
FROM ubuntu:24.04
COPY . /app
RUN make /app
CMD python /app/app.py
```

关键词：

- `RUN`。`RUN`会在当前镜像的顶层上添加新的一层(layer)，并在该层上执行命令，执行结果将会被提交。提交后的结果将会用于`Dockerfile`的下一步。
- `ENTRYPOINT`，入口点。`ENTRYPOINT`允许你配置容器，使之成为可执行程序。即，`ENTRYPOINT`允许你为容器增加一个入口点。`ENTRYPOINT`和`CMD`类似，均在容器启动时执行，但是`ENTRYPOINT`为了提供稳定且不可被覆盖的操作。通过在命令行中指定`--entrypoint 命令`的方式，可在运行时将Dockerfile文件中的`ENTRYPOINT`覆盖。
- `CMD`，是command的缩写。`CMD`用于为已创建的镜像提供默认的操作，当不想要用默认操作时候，可用`docker run IMAGE[:TAG|@DIGEST] [COMMAND]` 进行替换。但当Dockerfile拥有入口点时，`CMD`用于赋予入口点参数。

### Compose文件

Compose文件是一个YAML文件，定义了服务（service）、网络、卷（volume）。

- 服务（service）定义各容器的配置，定义内容将以命令行参数的方式 传给 `docker run` 命令。
- 网络（network），类似地，将定义内容传给 `docker network create` 命令。
- 卷（volume），类似地，将定义内容传给 `docker volume create` 命令。

`docker run` 命令中有一些选项，和 Dockerfile文件中的指令效果一样（如：`CMD`, `EXPOSE`, `VOLUME`, `ENV`），如果Dockerfile文件中使用这些指令，那么这些指令就会被视为默认参数，所以开发者无需特意在 Compose文件中再指定一次。

Compose文件 可使用 Shell变量（Variable），如：

```yaml
db:
  image: "postgres:${POSTGRES_VERSION}"
```

Compose文件 可通过自身的`ARGS`变量，将参数传给Dockerfile的 `ARGS` 指令。

## 网络

参考文档： Docker文档-网络概要

### bridge

在Docker里，网桥网络 使用的是 软件形式的网桥。使用相同的网桥的容器连接进入该网络，而非该网络的容器则无法接入。Docker网桥驱动会自动地在Docker主机上安装规则，这些规则让不同桥接网络之间不能直接通信。桥接经常用于：在单独容器上运行应用时，可通过 网桥 进行通信。网桥网络 适用于容器运行在相同的Docker守护进程的主机上。不同Docker守护进程主机上的容器，它们之间的通信需要依靠操作系统层次的路由，或者你应该使用 overlay网络 进行代替。

`bridge` 是网桥驱动，是Docker默认的网络驱动（接口名为 `docker0`），当你不为容器指定一个网络时候，Docker将会使用该驱动。可通过 `[https://docs.docker.com/config/daemon/#configure-the-docker-daemon daemon.json]` 文件修改相关配置。

自定义网桥可通过 `brctl` 命令进行配置。

### host

主机模式

`host` 用于单独容器，该网络下容器只能和Docker主机进行直接连接。`host` 只适用于 Docker 17.06或以上版本的swarm服务。

host网络和VirtualBox的 仅主机网络（Host-only Networking）类似。

### overlay

`overlay` （中文：覆盖网络）网络驱动将会创建分布式网络，该网络可以覆盖若干个 Docker守护进程主机。该网络是基于 主机特定网络（host-specific networks），允许 swarm服务 和 容器 进行安全通信（当加密功能开启时）。在该网络下，Docker 通过 VXLAN 等机制实现跨主机容器网络通信

`overlay` 有两种网络类型网络：

- `ingress` 网络，可掌控 swarm服务 的网络流量。该网络是 `overlay` 的默认网络。
- `docker_gwbridge` 网络是 网桥网络。该网络会将 单独的Docker守护进程 连接至 swarm里的另外一个守护进程。

在 `overlay` 网络下，单独的容器 和 swarm服务 的行为和配置概念 是不一样的。

该策略不需要 容器们 具有操作系统级别的路由，因为Docker负责路由。

### macvlan

`Macvlan`网络配置提供了一种机制，允许单独的容器具有独立的MAC地址，使得这些容器在网络上表现得如同物理设备。

### none

该策略下，容器不使用任何网络。`none` 常常用于连接自定义网络驱动的情况下。

### 其他

截止2023年5月18日，Docker官方仓库域名 https://hub.docker.com/ 在中国大陆被屏蔽，方式为DNS污染。随后短暂解封，2024年6月6日再次被封。此后多次断续屏蔽。

## 数据管理

Docker默认下，所有文件将会存储在容器里的可写的容器层（container layer）。

- 数据与容器为一体。随着容器消失，数据将消失；难以与其他程序（容器）共享。可以采用挂载文件的方式解决。
- 由于容器的写入层是与宿主机器紧紧耦合。所以你难以移动数据到其他机器。
- 容器的写入层的是通过 存储驱动（storage driver）管理文件系统。存储驱动 会使用Linux内核的 链合文件系统（union filesystem）进行挂载。相比起直接操作于宿主机器文件系统的 数据卷，这额外的抽象层将会降低性能。

容器有两种永久化存储方式：卷（volumes）和 绑定挂载（bind mounts）。另外，Linux用户还可使用 tmpfs 进行挂载；Windows 用户还可以使用 命名管道（named pipe）。在容器中，不管是哪种永久化存储，表现形式都是一样的。

### 卷

卷（volumes）是宿主机器的文件系统的一部分，由Docker进行管理（在Linux，存储于`/var/lib/docker/volumes/`）。非Docker程序不应该去修改这些文件。Docker推荐使用 卷 进行持久化数据。卷 可支持 卷驱动（volume drivers），该驱动允许用户将数据存储到 远程主机 或 云服务商（cloud provider）或 其他。

没有名字的卷叫匿名卷（anonymous volume），有名字的卷叫命名卷（named volume）。匿名卷没有明确的名字，当被初始化时，会被赋予一个随机名字。

### 绑定挂载

绑定挂载（bind mounts）通过将宿主机器的路径挂载到容器里的这种方式，从而数据持续化，因此绑定挂载可将数据存储在宿主机器的文件系统的任何地方。非Docker程序可修改这些文件。绑定挂载是Docker早期就存在的，相比起卷，绑定挂载十分简单明了。在开发Docker应用时，应使用命名卷（named volume）代替绑定挂载，因为用户不能对绑定挂载进行 Docker CLI 命令操作。

绑定挂载常用于：

- 同步配置文件，如：将 宿主主机的DNS配置文件（`/etc/resolv.conf`）同步至容器中
- 在开发程序时，将 源代码 或 Artifact 同步至容器中。这种用法与 Vagrant 类似。

### tmpfs

`tmpfs` 挂载（tmpfs mounts），仅仅存储于内存中，并不操作 宿主机器的文件系统（不持久化于磁盘）。它可用于存储一些 非持久化状态、敏感数据。举例，swarm服务 通过`tmpfs` 将 secrets（密码、密钥、证书等）存储到swarm服务。

### 命名管道

命名管道（named pipes），通过 `npipe` 挂载的形式，使 Docker主机 和 容器 之间能互相通讯。常见用例是在容器内运行第三方工具，并使用命名管道连接到Docker Engine API。

### 覆盖问题

当挂载 空的卷 至一个目录中，目录中的内容会被复制于卷中（不会覆盖）。如果挂载 非空的卷 或 绑定挂载 至一个目录中，那么该目录的内容将会被隐藏（obscured），当卸载后内容将会恢复显示。

## 日志

在UNIX和类Unix系统中，常见的 I/O流（I/O streams）分为三种：`STDIN`（输入）、 `STDOUT`（正常输出）、`STDERR`（错误输出）。

默认配置下，Docker的日志（如：`docker logs`、`docker service log`）所记载的是命令行的输出结果（`STDOUT`和`STDERR`）。而`STDOUT` 和 `STDERR` 对应的文件路径分别是 `/dev/stderr`和`/dev/stdout`。另外，也可以在宿主主机上查看容器的日志，使用以下命令可以查看到容器的日志位置。

```console
$ docker inspect --format='{{.LogPath}}' $INSTANCE_ID
```

## Kubernetes in docker

kind（全称：Kubernetes IN Docker）是部署本地Kubernetes集群的工具，而集群的节点是由Docker生成的。

## 操作细节

在安装完kind之后，通过`kind create cluster`命令生成集群。生成Kubernetes集群后，可以通过Docker命令进行查看节点概览：

```console
$ docker container ls

CONTAINER ID        IMAGE                  COMMAND                  CREATED             STATUS              PORTS                       NAMES

99c96c1f21ab        kindest/node:v1.17.0   "/usr/local/bin/entr…"   4 minutes ago       Up 4 minutes        127.0.0.1:32769->6443/tcp   kind-control-plane
```

## 历史

Docker命令在过去的发展中诞生了40种以上的命令，过多的命令导致混乱以及难以使用tab自动补充，因此在docker 1.13版本（2017.1.19）中，命令行被重构，根据逻辑对象进行划分。官方建议用户使用新的语法进行操作。

## 已过时

### Docker Swarm

参考Swarm Mode章节。

### Docker Machine

Docker Machine 是一个工具，它允许你在虚拟宿主机上安装 Docker引擎，并使用 docker-machine 命令管理这些宿主机。你可以使用 Machine 在你本地的 Mac 或 Windows box、公司网络、数据中心、或像 AWS 或 Digital Ocean 这样的云提供商上创建 Docker 宿主机。

Docker Machine 最后更新时间是在0.16.0 (2018-11-08)版本。官方建议在1.12以及之后版本使用Docker Desktop for Mac和Docker Desktop for Windows进行代替。

### Docker Toolbox

Docker Toolbox是用于帮 Windows系统和Mac系统 安装Docker环境。新版本建议使用Docker Desktop for Mac和Docker Desktop for Windows进行安装。最后更新版本是 19.03.1(2019-08-01)。

## 安全性争议

2021年，安全公司Palo Alto Networks研究人员Aviv Sasson在Docker Hub上发现了内含挖矿软件的恶意容器映像存档，分别来自10个不同账号，总下载次数超过2000万次。

## 外部链接

- https://www.docker.com
- Source code repository
- Multi-tenancy using Docker
- Docker 101 Tutorial
- libcontainer git repo
- 如何在Linux下安装Docker
- Windows 容器 - 在 Windows 10 部署 Docker

## 基本资料

- 作者：Solomon Hykes
- 开发者：Docker, Inc.
- 发行日期：2013年3月13日
- 编程语言：Go
- 操作系统：Linux、Windows、macOS
- 平台：x86-64、ARM、s390x、ppc64le
- 类型：操作系统层虚拟化
- 许可协议：可执行档：免费增值软件即服务、源代码：Apache许可证 2.0