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 Docker源碼分析（一）：Docker架構標籤： 雲端運算Docker架構2014-09-10 11:09 7491人閱讀 評論(0) 收藏 舉報本文章已收錄於：  Docker知識庫 分類： Docker（14）  雲端運算（26）  系統結構（3） 

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1 背景

1.1 Docker簡介

Docker是Docker公司開源的一個基於輕量級虛擬化技術的容器引擎項目,整個項目基於Go語言開發，並遵從Apache 2.0協議。目前，Docker可以在容器內部快速自動化部署應用，並可以通過核心虛擬化技術（namespaces及cgroups等）來提供容器的資源隔離與安全保障等。由於Docker通過作業系統層的虛擬化實現隔離，所以Docker容器在運行時，不需要類似虛擬機器（VM）額外的作業系統開銷，提高資源使用率，並且提升諸如IO等方面的效能。

由於眾多新穎的特性以及項目本身的開放性，Docker在不到兩年的時間裡迅速獲得諸多廠商的青睞，其中更是包括Google、Microsoft、VMware等業界行業領導者。Google在今年六月份推出了Kubernetes，提供Docker容器的調度服務，而今年8月Microsoft宣布Azure上支援Kubernetes，隨後傳統虛擬化巨頭VMware宣布與Docker強強合作。今年9月中旬，Docker更是獲得4000萬美元的C輪融資，以推動分布式應用方面的發展。

從目前的形勢來看，Docker的前景一片大好。本系列文章從源碼的角度出發，詳細介紹Docker的架構、Docker的運行以及Docker的卓越特性。本文是Docker源碼分析系列的第一篇———Docker架構篇。

1.2 Docker版本資訊

本文關於Docker架構的分析都是基於Docker的源碼與Docker相應版本的運行結果，其中Docker為最新的1.2版本。

2 Docker架構分析內容安排

本文的目的是：在理解Docker原始碼的基礎上，分析Docker架構。分析過程中主要按照以下三個步驟進行：

* Docker的總架構圖展示
* Docker架構圖內部各模組功能與實現分析
* 以Docker命令的執行為例，進行Docker運行流程闡述

3 Docker總架構圖

學習Docker的源碼並不是一個枯燥的過程，反而可以從中理解Docker架構的設計原理。Docker對使用者來講是一個C/S模式的架構，而Docker的後端是一個非常松耦合的架構，模組各司其職，並有機組合，支撐Docker的運行。

在此，先附上Docker總架構，3.1。

圖3.1 Docker總架構圖

3.1，不難看出，使用者是使用Docker Client與Docker Daemon建立通訊，並發送請求給後者。

而Docker Daemon作為Docker架構中的主體部分，首先提供Server的功能使其可以接受Docker Client的請求；而後Engine執行Docker內部的一系列工作，每一項工作都是以一個Job的形式的存在。

Job的運行過程中，當需要容器鏡像時，則從Docker Registry中下載鏡像，並通過鏡像管理驅動graphdriver將下載鏡像以Graph的形式儲存；當需要為Docker建立網路環境時，通過網路管理驅動networkdriver建立並配置Docker容器網路環境；當需要限制Docker容器運行資源或執行使用者指令等操作時，則通過execdriver來完成。

而libcontainer是一項獨立的容器管理組件，networkdriver以及execdriver都是通過libcontainer來實現具體對容器進行的操作。

當執行完運行容器的命令後，一個實際的Docker容器就處於運行狀態，該容器擁有獨立的檔案系統，獨立並且安全的運行環境等。

4 Docker架構內各模組的功能與實現分析

接下來，我們將從Docker總架構圖入手，抽離出架構內各個模組，並對各個模組進行更為細化的架構分析與功能闡述。主要的模組有：Docker Client、Docker Daemon、Docker Registry、Graph、Driver、libcontainer以及Docker container。

4.1 Docker Client

Docker Client是Docker架構中使用者用來和Docker Daemon建立通訊的用戶端。使用者使用的可執行檔為docker，通過docker命令列工具可以發起眾多管理container的請求。

Docker Client可以通過以下三種方式和Docker Daemon建立通訊：tcp://host:port，unix://path_to_socket和fd://socketfd。為了簡單起見，本文一律使用第一種方式作為講述兩者通訊的原型。與此同時，與Docker Daemon建立串連並傳輸請求的時候，Docker Client可以通過設定命令列flag參數的形式設定安全傳輸層協議(TLS)的有關參數，保證傳輸的安全性。

Docker Client發送容器管理請求後，由Docker Daemon接受並處理請求，當Docker Client接收到返回的請求相應並簡單處理後，Docker Client一次完整的生命週期就結束了。當需要繼續發送容器管理請求時，使用者必須再次通過docker可執行檔建立Docker Client。

4.2 Docker Daemon

Docker Daemon是Docker架構中一個常駐在背景系統進程，功能是：接受並處理Docker Client發送的請求。該守護進程在後台啟動了一個Server，Server負責接受Docker Client發送的請求；接受請求後，Server通過路由與分發調度，找到相應的Handler來執行請求。

Docker Daemon啟動所使用的可執行檔也為docker，與Docker Client啟動所使用的可執行檔docker相同。在docker命令執行時，通過傳入的參數來判別Docker Daemon與Docker Client。

Docker Daemon的架構，大致可以分為以下三部分：Docker Server、Engine和Job。Daemon架構4.1。

圖4.1 Docker Daemon架構

4.2.1 Docker Server

Docker Server在Docker架構中是專門服務於Docker Client的server。該server的功能是：接受並調度分發Docker Client發送的請求。Docker Server的架構4.2。

圖4.2 Docker Server架構

在Docker的啟動過程中，通過包gorilla/mux，建立了一個mux.Router，提供請求的路由功能。在Golang中，gorilla/mux是一個強大的URL路由器以及調度分發器。該mux.Router中添加了眾多的路由項，每一個路由項由HTTP要求方法（PUT、POST、GET或DELETE）、URL、Handler三部分組成。

若Docker Client通過HTTP的形式訪問Docker Daemon，建立完mux.Router之後，Docker將Server的監聽地址以及mux.Router作為參數，建立一個httpSrv=http.Server{}，最終執行httpSrv.Serve()為請求服務。

在Server的服務過程中，Server在listener上接受Docker Client的訪問請求，並建立一個全新的goroutine來服務該請求。在goroutine中，首先讀取請求內容，然後做解析工作，接著找到相應的路由項，隨後調用相應的Handler來處理該請求，最後Handler處理完請求之後回複該請求。

需要注意的是：Docker Server的運行在Docker的啟動過程中，是靠一個名為"serveapi"的job的運行來完成的。原則上，Docker Server的運行是眾多job中的一個，但是為了強調Docker Server的重要性以及為後續job服務的重要特性，將該"serveapi"的job單獨抽離出來分析，理解為Docker Server。

4.2.2 Engine

Engine是Docker架構中的運行引擎，同時也Docker啟動並執行核心模組。它扮演Docker container儲存倉庫的角色，並且通過執行job的方式來操縱管理這些容器。

在Engine資料結構的設計與實現過程中，有一個handler對象。該handlerObject Storage Service的都是關於眾多特定job的handler處理訪問。舉例說明，Engine的handler對象中有一項為：{"create": daemon.ContainerCreate,}，則說明當名為"create"的job在運行時，執行的是daemon.ContainerCreate的handler。

4.2.3 Job

一個Job可以認為是Docker架構中Engine內部最基本的工作執行單元。Docker可以做的每一項工作，都可以抽象為一個job。例如：在容器內部運行一個進程，這是一個job；建立一個新的容器，這是一個job，從Internet上下載一個文檔，這是一個job；包括之前在Docker Server部分說過的，建立Server服務於HTTP的API，這也是一個job，等等。

Job的設計者，把Job設計得與Unix進程相仿。比如說：Job有一個名稱，有參數，有環境變數，有標準的輸入輸出，有錯誤處理，有返回狀態等。

4.3 Docker Registry

Docker Registry是一個儲存容器鏡像的倉庫。而容器鏡像是在容器被建立時，被載入用來初始化容器的檔案架構與目錄。

在Docker的運行過程中，Docker Daemon會與Docker Registry通訊，並實現搜尋鏡像、下載鏡像、上傳鏡像三個功能，這三個功能對應的job名稱分別為"search"，"pull" 與 "push"。

其中，在Docker架構中，Docker可以使用公有的Docker Registry，即大家熟知的Docker Hub，如此一來，Docker擷取容器鏡像檔案時，必須通過互連網訪問Docker Hub；同時Docker也允許使用者構建本地私人的Docker Registry，這樣可以保證容器鏡像的擷取在內網完成。

4.4 Graph

Graph在Docker架構中扮演已下載容器鏡像的保管者，以及已下載容器鏡像之間關係的記錄者。一方面，Graph儲存著本地具有版本資訊的檔案系統鏡像，另一方面也通過GraphDB記錄著所有檔案系統鏡像彼此之間的關係。Graph的架構4.3。

圖4.3 Graph架構

其中，GraphDB是一個構建在SQLite之上的小型圖資料庫，實現了節點的命名以及節點之間關聯關係的記錄。它僅僅實現了大多數圖資料庫所擁有的一個小的子集，但是提供了簡單的介面表示節點之間的關係。

同時在Graph的本地目錄中，關於每一個的容器鏡像，具體儲存的資訊有：該容器鏡像的中繼資料，容器鏡像的大小資訊，以及該容器鏡像所代表的具體rootfs。

4.5 Driver

Driver是Docker架構中的驅動模組。通過Driver驅動，Docker可以實現對Docker容器執行環境的定製。由於Docker啟動並執行生命週期中，並非使用者所有的操作都是針對Docker容器的管理，另外還有關於Docker運行資訊的擷取，Graph的儲存與記錄等。因此，為了將Docker容器的管理從Docker Daemon內部商務邏輯中區分開來，設計了Driver層驅動來接管所有這部分請求。

在Docker Driver的實現中，可以分為以下三類驅動：graphdriver、networkdriver和execdriver。

graphdriver主要用於完成容器鏡像的管理，包括儲存與擷取。即當使用者需要下載指定的容器鏡像時，graphdriver將容器鏡像儲存在本地的指定目錄；同時當使用者需要使用指定的容器鏡像來建立容器的rootfs時，graphdriver從本地鏡像儲存目錄中擷取指定的容器鏡像。

在graphdriver的初始化過程之前，有4種檔案系統或類檔案系統在其內部註冊，它們分別是aufs、btrfs、vfs和devmapper。而Docker在初始化之時，通過擷取系統內容變數”DOCKER_DRIVER”來提取所使用driver的指定類型。而之後所有的graph操作，都使用該driver來執行。

graphdriver的架構4.4：

圖4.4 graphdriver架構

networkdriver的用途是完成Docker容器網路環境的配置，其中包括Docker啟動時為Docker環境建立橋接器；Docker容器建立時為其建立專屬虛擬網卡裝置；以及為Docker容器分配IP、連接埠並與宿主機做連接埠映射，設定容器防火牆策略等。networkdriver的架構4.5：

圖4.5 networkdriver架構

execdriver作為Docker容器的執行驅動，負責建立容器運行命名空間，負責容器資源使用的統計與限制，負責容器內部進程的真正運行等。在execdriver的實現過程中，原先可以使用LXC驅動調用LXC的介面，來操縱容器的配置以及生命週期，而現在execdriver預設使用native驅動，不依賴於LXC。具體體現在Daemon啟動過程中載入的ExecDriverflag參數，該參數在設定檔已經被設為"native"。這可以認為是Docker在1.2版本上一個很大的改變，或者說Docker實現跨平台的一個先兆。execdriver架構4.6：

圖4.6 execdriver架構

4.6 libcontainer

libcontainer是Docker架構中一個使用Go語言設計實現的庫，設計初衷是希望該庫可以不依靠任何依賴，直接存取核心中與容器相關的API。

正是由於libcontainer的存在，Docker可以直接調用libcontainer，而最終操縱容器的namespace、cgroups、apparmor、網路裝置以及防火牆規則等。這一系列操作的完成都不需要依賴LXC或者其他包。libcontainer架構4.7：

圖4.7 libcontainer

另外，libcontainer提供了一整套標準的介面來滿足上層對容器管理的需求。或者說，libcontainer屏蔽了Docker上層對容器的直接管理。又由於libcontainer使用Go這種跨平台的語言開發實現，且本身又可以被上層多種不同的程式設計語言訪問，因此很難說，未來的Docker就一定會緊緊地和Linux捆綁在一起。而於此同時，Microsoft在其著名雲端運算平台Azure中，也添加了對Docker的支援，可見Docker的開放程度與業界的火熱度。

暫不談Docker，由於libcontainer的功能以及其本身與系統的松耦合特性，很有可能會在其他以容器為原型的平台出現，同時也很有可能催生出雲端運算領域全新的項目。

4.7 Docker container

Docker container（Docker容器）是Docker架構中服務交付的最終體現形式。

Docker按照使用者的需求與指令，訂製相應的Docker容器：

* 使用者通過指定容器鏡像，使得Docker容器可以自訂rootfs等檔案系統；
* 使用者通過指定計算資源的配額，使得Docker容器使用指定的計算資源；
* 使用者通過配置網路及其安全性原則，使得Docker容器擁有獨立且安全的網路環境；
* 使用者通過指定啟動並執行命令，使得Docker容器執行指定的工作。

Docker容器4.8：

圖4.8 Docker容器

5 Docker運行案例分析

上一章節著重於Docker架構中各個部分的介紹。本章的內容，將以串聯Docker各模組來簡要分析，分析原型為Docker中的docker pull與docker run兩個命令。

5.1 docker pull

docker pull命令的作用為：從Docker Registry中下載指定的容器鏡像，並儲存在本地的Graph中，以備後續建立Docker容器時的使用。docker pull命令執行流程5.1。

圖5.1 docker pull命令執行流程

，圖中標記的紅色箭頭表示docker pull命令在發起後，Docker所做的一系列運行。以下逐一分析這些步驟。

(1) Docker Client接受docker pull命令，解析完請求以及收集完請求參數之後，發送一個HTTP請求給Docker Server，HTTP要求方法為POST，請求URL為"/images/create? "+"xxx"；

(2) Docker Server接受以上HTTP請求，並交給mux.Router，mux.Router通過URL以及要求方法來確定執行該請求的具體handler；

(3) mux.Router將請求路由分發至相應的handler，具體為PostImagesCreate；

(4) 在PostImageCreate這個handler之中，一個名為"pull"的job被建立，並開始執行；

(5) 名為"pull"的job在執行過程中，執行pullRepository操作，即從Docker Registry中下載相應的一個或者多個image；

(6) 名為"pull"的job將下載的image交給graphdriver；

(7) graphdriver負責將image進行儲存，一方建立graph對象，另一方面在GraphDB中記錄image之間的關係。

5.2 docker run

docker run命令的作用是在一個全新的Docker容器內部運行一條指令。Docker在執行這條命令的時候，所做工作可以分為兩部分：第一，建立Docker容器所需的rootfs；第二，建立容器的網路等運行環境，並真正運行使用者指令。因此，在整個執行流程中，Docker Client給Docker Server發送了兩次HTTP請求，第二次請求的發起取決於第一次請求的返回狀態。Docker run命令執行流程5.2。

圖5.2 docker run命令執行流程

，圖中標記的紅色箭頭表示docker run命令在發起後，Docker所做的一系列運行。以下逐一分析這些步驟。

(1) Docker Client接受docker run命令，解析完請求以及收集完請求參數之後，發送一個HTTP請求給Docker Server，HTTP要求方法為POST，請求URL為"/containers/create? "+"xxx"；

(2) Docker Server接受以上HTTP請求，並交給mux.Router，mux.Router通過URL以及要求方法來確定執行該請求的具體handler；

(3) mux.Router將請求路由分發至相應的handler，具體為PostContainersCreate；

(4) 在PostImageCreate這個handler之中，一個名為"create"的job被建立，並開始讓該job運行；

(5) 名為"create"的job在運行過程中，執行Container.Create操作，該操作需要擷取容器鏡像來為Docker容器建立rootfs，即調用graphdriver；

(6) graphdriver從Graph中擷取建立Docker容器rootfs所需要的所有的鏡像；

(7) graphdriver將rootfs所有鏡像，載入安裝至Docker容器指定的檔案目錄下；

(8) 若以上操作全部正常執行，沒有返回錯誤或異常，則Docker Client收到Docker Server返回狀態之後，發起第二次HTTP請求。要求方法為"POST"，請求URL為"/containers/"+container_ID+"/start"；

(9) Docker Server接受以上HTTP請求，並交給mux.Router，mux.Router通過URL以及要求方法來確定執行該請求的具體handler；

(10) mux.Router將請求路由分發至相應的handler，具體為PostContainersStart；

(11) 在PostContainersStart這個handler之中，名為"start"的job被建立，並開始執行；

(12) 名為"start"的job執行完初步的配置工作後，開始配置與建立網路環境，調用networkdriver；

(13) networkdriver需要為指定的Docker容器建立網路介面裝置，並為其分配IP，port，以及設定防火牆規則，相應的操作轉交至libcontainer中的netlink包來完成；

(14) netlink完成Docker容器的網路環境配置與建立；

(15) 返回至名為"start"的job，執行完一些輔助性操作後，job開始執行使用者指令，調用execdriver；

(16) execdriver被調用，初始化Docker容器內部的運行環境，如命名空間，資源控制與隔離，以及使用者命令的執行，相應的操作轉交至libcontainer來完成；

(17) libcontainer被調用，完成Docker容器內部的運行環境初始化，並最終執行使用者要求啟動的命令。

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