Docker源码分析(一):Docker架构

1 背景

1.1 Docker简介

Docker是Docker公司开源的一个基于轻量级虚拟化技术的容器引擎项目,整个项目基于Go语言开发,并遵从Apache 2.0协议。目前,Docker可以在容器内部快速自动化部署应用,并可以通过内核虚拟化技术(namespaces及cgroups等)来提供容器的资源隔离与安全保障等。由于Docker通过操作系统层的虚拟化实现隔离,所以Docker容器在运行时,不需要类似虚拟机(VM)额外的操作系统开销,提高资源利用率,并且提升诸如IO等方面的性能。

由于众多新颖的特性以及项目本身的开放性,Docker在不到两年的时间里迅速获得诸多厂商的青睐,其中更是包括Google、Microsoft、VMware等业界行业领导者。Google在今年六月份推出了Kubernetes,提供Docker容器的调度服务,而今年8月Microsoft宣布Azure上支持Kubernetes,随后传统虚拟化巨头VMware宣布与Docker强强合作。今年9月中旬,Docker更是获得4000万美元的C轮融资,以推动分布式应用方面的发展。

从目前的形势来看,Docker的前景一片大好。本系列文章从源码的角度出发,详细介绍Docker的架构、Docker的运行以及Docker的卓越特性。本文是Docker源码分析系列的第一篇———Docker架构篇。

1.2 Docker版本信息

本文关于Docker架构的分析都是基于Docker的源码与Docker相应版本的运行结果,其中Docker为最新的1.2版本。

2 Docker架构分析内容安排

本文的目的是:在理解Docker源代码的基础上,分析Docker架构。分析过程中主要按照以下三个步骤进行:

  • Docker的总架构图展示
    • Docker架构图内部各模块功能与实现分析
    • 以Docker命令的执行为例,进行Docker运行流程阐述

3 Docker总架构图

学习Docker的源码并不是一个枯燥的过程,反而可以从中理解Docker架构的设计原理。Docker对使用者来讲是一个C/S模式的架构,而Docker的后端是一个非常松耦合的架构,模块各司其职,并有机组合,支撑Docker的运行。

在此,先附上Docker总架构,如图3.1。

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图3.1 Docker总架构图
如图3.1,不难看出,用户是使用Docker Client与Docker Daemon建立通信,并发送请求给后者。而Docker Daemon作为Docker架构中的主体部分,首先提供Server的功能使其可以接受Docker Client的请求;而后Engine执行Docker内部的一系列工作,每一项工作都是以一个Job的形式的存在。

Job的运行过程中,当需要容器镜像时,则从Docker Registry中下载镜像,并通过镜像管理驱动graphdriver将下载镜像以Graph的形式存储;当需要为Docker创建网络环境时,通过网络管理驱动networkdriver创建并配置Docker容器网络环境;当需要限制Docker容器运行资源或执行用户指令等操作时,则通过execdriver来完成。

而libcontainer是一项独立的容器管理包,networkdriver以及execdriver都是通过libcontainer来实现具体对容器进行的操作。

当执行完运行容器的命令后,一个实际的Docker容器就处于运行状态,该容器拥有独立的文件系统,独立并且安全的运行环境等。

4 Docker架构内各模块的功能与实现分析

接下来,我们将从Docker总架构图入手,抽离出架构内各个模块,并对各个模块进行更为细化的架构分析与功能阐述。主要的模块有:Docker Client、Docker Daemon、Docker Registry、Graph、Driver、libcontainer以及Docker container。

4.1 Docker Client

Docker Client是Docker架构中用户用来和Docker Daemon建立通信的客户端。用户使用的可执行文件为docker,通过docker命令行工具可以发起众多管理container的请求。

Docker Client可以通过以下三种方式和Docker Daemon建立通信:tcp://host:port,unix://pathtosocket和fd://socketfd。为了简单起见,本文一律使用第一种方式作为讲述两者通信的原型。与此同时,与Docker Daemon建立连接并传输请求的时候,Docker Client可以通过设置命令行flag参数的形式设置安全传输层协议(TLS)的有关参数,保证传输的安全性。

Docker Client发送容器管理请求后,由Docker Daemon接受并处理请求,当Docker Client接收到返回的请求相应并简单处理后,Docker Client一次完整的生命周期就结束了。当需要继续发送容器管理请求时,用户必须再次通过docker可执行文件创建Docker Client。

4.2 Docker Daemon

Docker Daemon是Docker架构中一个常驻在后台的系统进程,功能是:接受并处理Docker Client发送的请求。该守护进程在后台启动了一个Server,Server负责接受Docker Client发送的请求;接受请求后,Server通过路由与分发调度,找到相应的Handler来执行请求。

Docker Daemon启动所使用的可执行文件也为docker,与Docker Client启动所使用的可执行文件docker相同。在docker命令执行时,通过传入的参数来判别Docker Daemon与Docker Client。

Docker Daemon的架构,大致可以分为以下三部分:Docker Server、Engine和Job。Daemon架构如图4.1。

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图4.1 Docker Daemon架构示意图
4.2.1 Docker ServerDocker Server在Docker架构中是专门服务于Docker Client的server。该server的功能是:接受并调度分发Docker Client发送的请求。Docker Server的架构如图4.2。

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图4.2 Docker Server架构示意图
在Docker的启动过程中,通过包gorilla/mux,创建了一个mux.Router,提供请求的路由功能。在Golang中,gorilla/mux是一个强大的URL路由器以及调度分发器。该mux.Router中添加了众多的路由项,每一个路由项由HTTP请求方法(PUT、POST、GET或DELETE)、URL、Handler三部分组成。若Docker Client通过HTTP的形式访问Docker Daemon,创建完mux.Router之后,Docker将Server的监听地址以及mux.Router作为参数,创建一个httpSrv=http.Server{},最终执行httpSrv.Serve()为请求服务。

在Server的服务过程中,Server在listener上接受Docker Client的访问请求,并创建一个全新的goroutine来服务该请求。在goroutine中,首先读取请求内容,然后做解析工作,接着找到相应的路由项,随后调用相应的Handler来处理该请求,最后Handler处理完请求之后回复该请求。

需要注意的是:Docker Server的运行在Docker的启动过程中,是靠一个名为”serveapi”的job的运行来完成的。原则上,Docker Server的运行是众多job中的一个,但是为了强调Docker Server的重要性以及为后续job服务的重要特性,将该”serveapi”的job单独抽离出来分析,理解为Docker Server。

4.2.2 Engine

Engine是Docker架构中的运行引擎,同时也Docker运行的核心模块。它扮演Docker container存储仓库的角色,并且通过执行job的方式来操纵管理这些容器。

在Engine数据结构的设计与实现过程中,有一个handler对象。该handler对象存储的都是关于众多特定job的handler处理访问。举例说明,Engine的handler对象中有一项为:{“create”: daemon.ContainerCreate,},则说明当名为”create”的job在运行时,执行的是daemon.ContainerCreate的handler。

4.2.3 Job

一个Job可以认为是Docker架构中Engine内部最基本的工作执行单元。Docker可以做的每一项工作,都可以抽象为一个job。例如:在容器内部运行一个进程,这是一个job;创建一个新的容器,这是一个job,从Internet上下载一个文档,这是一个job;包括之前在Docker Server部分说过的,创建Server服务于HTTP的API,这也是一个job,等等。

Job的设计者,把Job设计得与Unix进程相仿。比如说:Job有一个名称,有参数,有环境变量,有标准的输入输出,有错误处理,有返回状态等。

4.3 Docker Registry

Docker Registry是一个存储容器镜像的仓库。而容器镜像是在容器被创建时,被加载用来初始化容器的文件架构与目录。

在Docker的运行过程中,Docker Daemon会与Docker Registry通信,并实现搜索镜像、下载镜像、上传镜像三个功能,这三个功能对应的job名称分别为”search”,”pull” 与 “push”。

其中,在Docker架构中,Docker可以使用公有的Docker Registry,即大家熟知的Docker Hub,如此一来,Docker获取容器镜像文件时,必须通过互联网访问Docker Hub;同时Docker也允许用户构建本地私有的Docker Registry,这样可以保证容器镜像的获取在内网完成。

4.4 Graph

Graph在Docker架构中扮演已下载容器镜像的保管者,以及已下载容器镜像之间关系的记录者。一方面,Graph存储着本地具有版本信息的文件系统镜像,另一方面也通过GraphDB记录着所有文件系统镜像彼此之间的关系。Graph的架构如图4.3。

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图4.3 Graph架构示意图
其中,GraphDB是一个构建在SQLite之上的小型图数据库,实现了节点的命名以及节点之间关联关系的记录。它仅仅实现了大多数图数据库所拥有的一个小的子集,但是提供了简单的接口表示节点之间的关系。同时在Graph的本地目录中,关于每一个的容器镜像,具体存储的信息有:该容器镜像的元数据,容器镜像的大小信息,以及该容器镜像所代表的具体rootfs。

4.5 Driver

Driver是Docker架构中的驱动模块。通过Driver驱动,Docker可以实现对Docker容器执行环境的定制。由于Docker运行的生命周期中,并非用户所有的操作都是针对Docker容器的管理,另外还有关于Docker运行信息的获取,Graph的存储与记录等。因此,为了将Docker容器的管理从Docker Daemon内部业务逻辑中区分开来,设计了Driver层驱动来接管所有这部分请求。

在Docker Driver的实现中,可以分为以下三类驱动:graphdriver、networkdriver和execdriver。

graphdriver主要用于完成容器镜像的管理,包括存储与获取。即当用户需要下载指定的容器镜像时,graphdriver将容器镜像存储在本地的指定目录;同时当用户需要使用指定的容器镜像来创建容器的rootfs时,graphdriver从本地镜像存储目录中获取指定的容器镜像。

在graphdriver的初始化过程之前,有4种文件系统或类文件系统在其内部注册,它们分别是aufs、btrfs、vfs和devmapper。而Docker在初始化之时,通过获取系统环境变量”DOCKER_DRIVER”来提取所使用driver的指定类型。而之后所有的graph操作,都使用该driver来执行。

graphdriver的架构如图4.4:

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图4.4 graphdriver架构示意图
networkdriver的用途是完成Docker容器网络环境的配置,其中包括Docker启动时为Docker环境创建网桥;Docker容器创建时为其创建专属虚拟网卡设备;以及为Docker容器分配IP、端口并与宿主机做端口映射,设置容器防火墙策略等。networkdriver的架构如图4.5:
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图4.5 networkdriver架构示意图
execdriver作为Docker容器的执行驱动,负责创建容器运行命名空间,负责容器资源使用的统计与限制,负责容器内部进程的真正运行等。在execdriver的实现过程中,原先可以使用LXC驱动调用LXC的接口,来操纵容器的配置以及生命周期,而现在execdriver默认使用native驱动,不依赖于LXC。具体体现在Daemon启动过程中加载的ExecDriverflag参数,该参数在配置文件已经被设为”native”。这可以认为是Docker在1.2版本上一个很大的改变,或者说Docker实现跨平台的一个先兆。execdriver架构如图4.6:
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图4.6 execdriver架构示意图
4.6 libcontainerlibcontainer是Docker架构中一个使用Go语言设计实现的库,设计初衷是希望该库可以不依靠任何依赖,直接访问内核中与容器相关的API。

正是由于libcontainer的存在,Docker可以直接调用libcontainer,而最终操纵容器的namespace、cgroups、apparmor、网络设备以及防火墙规则等。这一系列操作的完成都不需要依赖LXC或者其他包。libcontainer架构如图4.7:

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图4.7 libcontainer示意图
另外,libcontainer提供了一整套标准的接口来满足上层对容器管理的需求。或者说,libcontainer屏蔽了Docker上层对容器的直接管理。又由于libcontainer使用Go这种跨平台的语言开发实现,且本身又可以被上层多种不同的编程语言访问,因此很难说,未来的Docker就一定会紧紧地和Linux捆绑在一起。而于此同时,Microsoft在其著名云计算平台Azure中,也添加了对Docker的支持,可见Docker的开放程度与业界的火热度。暂不谈Docker,由于libcontainer的功能以及其本身与系统的松耦合特性,很有可能会在其他以容器为原型的平台出现,同时也很有可能催生出云计算领域全新的项目。

4.7 Docker container

Docker container(Docker容器)是Docker架构中服务交付的最终体现形式。

Docker按照用户的需求与指令,订制相应的Docker容器:

  • 用户通过指定容器镜像,使得Docker容器可以自定义rootfs等文件系统;
    • 用户通过指定计算资源的配额,使得Docker容器使用指定的计算资源;
    • 用户通过配置网络及其安全策略,使得Docker容器拥有独立且安全的网络环境;
    • 用户通过指定运行的命令,使得Docker容器执行指定的工作。

Docker容器示意图如图4.8:

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图4.8 Docker容器示意图
5 Docker运行案例分析上一章节着重于Docker架构中各个部分的介绍。本章的内容,将以串联Docker各模块来简要分析,分析原型为Docker中的docker pull与docker run两个命令。

5.1 docker pull

docker pull命令的作用为:从Docker Registry中下载指定的容器镜像,并存储在本地的Graph中,以备后续创建Docker容器时的使用。docker pull命令执行流程如图5.1。

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图5.1 docker pull命令执行流程示意图
如图,图中标记的红色箭头表示docker pull命令在发起后,Docker所做的一系列运行。以下逐一分析这些步骤。(1) Docker Client接受docker pull命令,解析完请求以及收集完请求参数之后,发送一个HTTP请求给Docker Server,HTTP请求方法为POST,请求URL为”/images/create? “+”xxx”;

(2) Docker Server接受以上HTTP请求,并交给mux.Router,mux.Router通过URL以及请求方法来确定执行该请求的具体handler;

(3) mux.Router将请求路由分发至相应的handler,具体为PostImagesCreate;

(4) 在PostImageCreate这个handler之中,一个名为”pull”的job被创建,并开始执行;

(5) 名为”pull”的job在执行过程中,执行pullRepository操作,即从Docker Registry中下载相应的一个或者多个image;

(6) 名为”pull”的job将下载的image交给graphdriver;

(7) graphdriver负责将image进行存储,一方创建graph对象,另一方面在GraphDB中记录image之间的关系。

5.2 docker run

docker run命令的作用是在一个全新的Docker容器内部运行一条指令。Docker在执行这条命令的时候,所做工作可以分为两部分:第一,创建Docker容器所需的rootfs;第二,创建容器的网络等运行环境,并真正运行用户指令。因此,在整个执行流程中,Docker Client给Docker Server发送了两次HTTP请求,第二次请求的发起取决于第一次请求的返回状态。Docker run命令执行流程如图5.2。

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图5.2 docker run命令执行流程示意图
如图,图中标记的红色箭头表示docker run命令在发起后,Docker所做的一系列运行。以下逐一分析这些步骤。(1) Docker Client接受docker run命令,解析完请求以及收集完请求参数之后,发送一个HTTP请求给Docker Server,HTTP请求方法为POST,请求URL为”/containers/create? “+”xxx”;

(2) Docker Server接受以上HTTP请求,并交给mux.Router,mux.Router通过URL以及请求方法来确定执行该请求的具体handler;

(3) mux.Router将请求路由分发至相应的handler,具体为PostContainersCreate;

(4) 在PostImageCreate这个handler之中,一个名为”create”的job被创建,并开始让该job运行;

(5) 名为”create”的job在运行过程中,执行Container.Create操作,该操作需要获取容器镜像来为Docker容器创建rootfs,即调用graphdriver;

(6) graphdriver从Graph中获取创建Docker容器rootfs所需要的所有的镜像;

(7) graphdriver将rootfs所有镜像,加载安装至Docker容器指定的文件目录下;

(8) 若以上操作全部正常执行,没有返回错误或异常,则Docker Client收到Docker Server返回状态之后,发起第二次HTTP请求。请求方法为”POST”,请求URL为”/containers/”+container_ID+”/start”;

(9) Docker Server接受以上HTTP请求,并交给mux.Router,mux.Router通过URL以及请求方法来确定执行该请求的具体handler;

(10) mux.Router将请求路由分发至相应的handler,具体为PostContainersStart;

(11) 在PostContainersStart这个handler之中,名为”start”的job被创建,并开始执行;

(12) 名为”start”的job执行完初步的配置工作后,开始配置与创建网络环境,调用networkdriver;

(13) networkdriver需要为指定的Docker容器创建网络接口设备,并为其分配IP,port,以及设置防火墙规则,相应的操作转交至libcontainer中的netlink包来完成;

(14) netlink完成Docker容器的网络环境配置与创建;

(15) 返回至名为”start”的job,执行完一些辅助性操作后,job开始执行用户指令,调用execdriver;

(16) execdriver被调用,初始化Docker容器内部的运行环境,如命名空间,资源控制与隔离,以及用户命令的执行,相应的操作转交至libcontainer来完成;

(17) libcontainer被调用,完成Docker容器内部的运行环境初始化,并最终执行用户要求启动的命令。

6 总结

本文从Docker 1.2的源码入手,分析抽象出Docker的架构图,并对该架构图中的各个模块进行功能与实现的分析,最后通过两个docker命令展示了Docker内部的运行。

通过对Docker架构的学习,可以全面深化对Docker设计、功能与价值的理解。同时在借助Docker实现用户定制的分布式系统时,也能更好地找到已有平台与Docker较为理想的契合点。另外,熟悉Docker现有架构以及设计思想,也能对云计算PaaS领域带来更多的启发,催生出更多实践与创新。

7 作者简介

孙宏亮,DaoCloud初创团队成员,软件工程师,浙江大学计算机科学专业应届毕业研究生。

读研期间活跃在PaaS和Docker开源社区,对Cloud Foundry有深入研究和丰富实践,擅长底层平台代码分析,对分布式平台的架构有一定经验,撰写了大量有深度的技术博客。

2014年末以合伙人身份加入DaoCloud团队,致力于传播以Docker为主的容器的技术,推动互联网应用的容器化步伐。

欢迎交流,邮箱:allen.sun@daocloud.io

8 参考文献

[Docker (software)-From Wikipedia] [Docker Architecture ]
[Docker libcontainer ]
[深入浅出Docker(一):Docker核心技术预览 ]
[Docker 0.9: introducing execution drivers and libcontainer]
[The lost packages of docker]

Allen 孙宏亮

硕士,浙江大学毕业,现为 DaoCloud 软件工程师,出版有《Docker 源码分析》,目前主要负责企业级容器云平台的研发工作。数年来一直从事云计算、PaaS 领域的研究与实践,是国内较早一批接触 Docker 的先行者,同时也是 Docker 技术的推广者。