第二节：容器基础知识

    本文将深入剖析容器核心技术原理，涵盖命名空间、控制组（Cgroups）等关键点，并详细解读主流容器引擎Docker的运行机制。同时，我们也将探讨Kubernetes（简称K8s）如何作为容器编排系统，有效管理和调度大规模容器集群。

    此外，文章还将涉及容器安全策略设定、网络配置优化、存储方案选择等实践层面内容，旨在指导在实际环境中合理且安全地运用容器技术。最后，我们将揭示容器化对于DevOps流程改进、微服务架构落地以及CI/CD实践的重要推动价值。

A.容器技术概述

Container(容器)是一种便携式、轻量级的操作系统级虚拟化技术，它使用NameSpace隔离不同的软件运行环境，并通过镜像自包含软件的运行环境，从而使得容器可以很方便的在任何地方运行，由于容器体积小且启动快，因此可以在每个容器镜像中打包一个应用程序，这种一对一的应用镜像关系拥有很多好处，使用容器不需要与外部的基础架构环境绑定，因为每一个应用程序都不需要外部依赖，更不需要与外部的基础架构环境依赖，完美解决了从开发到生产环境的一致性问题。

容器技术需要解决的核心问题之一是运行时的环境隔离。容器的运行时环境隔离，目标是给容器构造一个无差别的运行时环境，用以在任意时间、任意位置运行容器镜像，这也是技术萌芽期的核心问题。

容器技术近 20 年的发展历史，大致可以将其分为四个历史阶段:

容器技术的整体表现为如下架构：

B.Docker起源与优势

Docker 最初是 dotCloud 公司创始人 Solomon Hykes 在法国期间发起的一个公司内部项目，它是基于 dotCloud 公司多年云服务技术的一次革新，并于 2013 年 3 月以 Apache 2.0 授权协议开源，主要项目代码在 GitHub 上进行维护。Docker 项目后来还加入了 Linux 基金会，并成立推动 开放容器联盟（OCI）。

进入技术迸发期后，Docker 核心创新——容器镜像（docker image），一种新型的应用打包、分发和运行机制。

容器镜像将应用运行环境，包括代码、依赖库、工具、资源文件和元信息等，打包成一种操作系统发行版无关的不可变更软件包。容器镜像打包了整个容器运行依赖的环境，以避免依赖运行容器的服务器的操作系统，从而实现 “build once，run anywhere”。

容器镜像一旦构建完成，就变成 read only，成为不可变基础设施的一份子。操作系统发行版无关，核心解决的是容器进程对操作系统包含的库、工具、配置的依赖，但是容器镜像无法解决容器进程对内核特性的特殊依赖。这个在实际使用容器的过程中也经常跳进这个大坑。

从 2017 年开始，各大云厂商开始试水容器服务及进步的云原生服务。从目前的商业形态看，容器相关的公共云服务大致可以划分为三种形态：

• 通用容器编排服务。在容器编排系统三国杀结果出来以前，基于多方下注策略构建的容器编排服务系统。其中 AWS 是自研的编排系统，Azure 的 ACS 同时支持 Docker Swarm、DC/OS 和 Kubernetes，阿里云 ACS 则是支持 Docker swarm 和 Kubernetes。Google 和华为则是坚定支持 Kubernetes 而未推出支持其它容器编排系统的容器服务。随着 Kubernetes 容器编排出现江湖，这条路线的容器服务日渐式微，Azure 更是在今年初直接终止了 ACS 服务。

• Kubernetes 容器编排服务。Google 是理所当然最早试水 Kubernetes 容器编排服务的大厂，也较早开展了 K8s 容器编排服务。随着 2017 年各大厂在 CNCF 这张谈判桌上达成了 Kubernetes 兼容性认证流程，Kubernetes 编排服务市场迎来一轮大爆发，到 2018 年各大云厂商的 K8s 容器编排服务就完整就位了。

• Serverless 容器实例服务。从 2017 年开始，行业开始试水 Serverless 容器实例服务，把用户从维护容器基础设施的繁重任务中解放出来从而聚焦业务本身。Google Cloud Run 核心目标是支持 Knative，所以其使用形态上附加了不少约束条件。

从Docke（容器）与虚拟机的对比辩证地看容器优势

容器和虚拟机都是常用的隔离系统，但它们的设计目标和实现方式有所不同。

容器是轻量级虚拟化技术，可以在同一主机上同时运行多个隔离的进程，而不需要为每个进程创建独立的虚拟机实例。容器通常由操作系统内核、进程和文件系统等基础组件构成，这些组件被抽象出来并在共享的内核上运行，因此容器比虚拟机更加轻量、高效和灵活。容器可以通过运行时环境、网络和存储等抽象层进行隔离，这些抽象层可以根据应用程序的需求进行配置，从而提供更好的灵活性和可扩展性。容器的优点包括：

1. 高效性：容器是轻量级虚拟化技术，可以在同一主机上同时运行多个隔离的进程，从而提高系统的利用率和资源利用效率。

2. 灵活性：容器可以通过运行时环境、网络和存储等抽象层进行隔离，从而提供更好的灵活性和可扩展性。

3. 可移植性：容器可以在不同的操作系统和平台上运行，从而提高应用程序的可移植性和跨平台性。

虚拟机是一种更加传统的虚拟化技术，可以在独立的虚拟机实例上运行多个操作系统和应用程序。虚拟机通常包括操作系统内核、虚拟硬件和运行时环境等组件，这些组件在虚拟机实例上独立运行，因此虚拟机比容器更加安全、稳定和可靠。虚拟机的优点包括：

1. 安全性：虚拟机提供了更加严格的隔离和安全机制，可以避免不同应用程序之间的数据冲突和交叉污染。

2. 稳定性：虚拟机提供了独立的操作系统和硬件环境，可以避免不同应用程序之间的资源冲突和错误，从而提高系统的稳定性和可靠性。

3. 可定制性：虚拟机可以通过安装和配置不同的操作系统和应用程序来满足不同的需求，从而提供更好的可定制性和可配置性。

总的来说，容器和虚拟机各有优缺点，应根据实际需求选择适合的隔离技术。容器适合轻量级、高效和可移植的应用程序，而虚拟机适合安全、稳定和可定制的应用程序。

C.Docker基本概念与架构

Docker提供了一个简单的方式来部署和管理应用程序，因为它将应用程序及其依赖项打包在一个独立的、可移植的容器中。以下是Docker的基本概念和架构：

1. Docker镜像：Docker镜像是一个包含应用程序及其依赖项的静态或动态二进制文件，它是Docker容器的基础。一个Docker镜像可以包含一个或多个应用程序及其依赖项，例如文件系统、库和系统工具。

2. Docker容器：Docker容器是一个可执行的运行时环境，它是从一个或多个Docker镜像中创建的。一个Docker容器可以运行一个应用程序及其依赖项，并提供一些附加的功能，例如网络和存储。

3. Docker仓库：Docker仓库是一个公共或私有的数据库，用于存储和管理Docker镜像。一个Docker仓库可以存储大量的镜像，这些镜像可以通过Docker Hub或其他私有仓库来获取。其中Docker Hub就是一个公共的Docker仓库，它是由Docker官方维护的。它是一个中心化的镜像存储库，可以让开发人员从中获取和发布镜像。Docker Hub也提供了一些基本的工具，例如Docker Build、Docker Run和Docker Commit等。

4. Docker命令行工具：Docker命令行工具是用于管理Docker容器的一组命令行工具。它提供了一些常用的操作，例如创建容器、启动容器、停止容器、删除容器等。详情请见第2章节。

5. Docker Compose：Docker Compose是一个用于定义和运行多个Docker容器的工具。它可以帮助开发人员一次性定义多个容器，并且可以管理这些容器的通信和依赖关系。

6. Docker Swarm：Docker Swarm是一个Docker容器的分布式工作负载管理系统。它可以帮助管理多个Docker容器，并提供一些高级功能，例如自动伸缩和负载均衡。

A.Docker的安装与配置

Docker 目前分为 Community Edition (CE) 和 Enterprise Edition (EE) 两个版本。日常学习开发考虑使用CE版本。而 Docker Community Edition (CE) 又分为 Stable / Test / Nightly 三个版本，如果不需要最新的特性，那么 Stable 是比较合适的选择。

Windows安装

Docker Desktop是适用于Windows的Docker桌面，是Docker设计用于在Windows 10上运行。它是一个本地 Windows 应用程序，为构建、交付和运行dockerized应用程序提供易于使用的开发环境。Docker Desktop for Windows 使用 Windows 原生 Hyper-V 虚拟化和网络，是在 Windows 上开发 Docker 应用程序的最快、最可靠的方式。Windows 版 Docker 桌面支持运行 Linux 和 Windows Docker 容器。

官方下载地址：Docker Desktop Installer.exe 下载地址

国内镜像：Windows安装包下载地址

启用Hyper-V以在 Windows 10上创建虚拟机：

详情参考微软官方教程

注意：可以通过多种方式启用 Hyper-V，包括使用 Windows 10 控制面板、PowerShell（Hyper-V 作为可选功能内置于 Windows -- 无需下载 Hyper-V）。

1、使用 PowerShell 启用 Hyper-V

以管理员身份打开 PowerShell 控制台，运行以下命令：

Enable-WindowsOptionalFeature -Online -FeatureName Microsoft-Hyper-V -All

2、通过控制面板“设置”启用 Hyper-V 角色

1. 右键单击 Windows 按钮并选择“应用和功能”。

2. 选择相关设置下右侧的“程序和功能”。

3. 选择“打开或关闭 Windows 功能”。

4. 选择“Hyper-V”，然后单击“确定”。

注意：安装完成后，系统会提示你重新启动计算机。

接着安装docker

Centos安装

1. yum安装docker服务:yum install -y docker

2. 启动docker服务                :

systemctl start docker  systemctl enable dockersystemctl status docker

3. 安装docker-compose

curl -L https://github.com/docker/compose/releases/download/v2.14.1/docker-compose-$(uname -s)-$(uname -m) -o /usr/local/bin/docker-compose或者: curl -L http://mirror.azure.cn/docker-toolbox/linux/compose/v2.14.1/docker-compose-$(uname -s)-$(uname -m) -o /usr/local/bin/docker-composechmod +x /usr/local/bin/docker-compose

4. 开启你的docker之旅吧！

docker run ...

Docker配置

安装后，还需要进行配置，此处的配置远程访问权限如果存在漏洞则是后文讲解docker未授权访问的来源

docker配置镜像源地址：可参考Dockcer上传hub和配置国内镜像源 - raokun - 博客园 (cnblogs.com)

临时使用指定镜像源地址，可以使用如下命令：

docker pull 镜像名称 -–registry-mirror=国内镜像源地址

以linux环境为例，如果永久配置 Docker 国内镜像源，可以按照以下步骤进行：

1. 打开 Docker 配置文件 /etc/docker/daemon.json，如果该文件不存在，则可以创建该文件。

2. 在该配置文件中添加以下内容：

{  "registry-mirrors": ["https://hub-mirror.c.163.com"]}

如果要使用多个镜像源，可以在 "registry-mirrors" 数组中添加多个镜像源地址，以英文逗号分隔。

3. 保存配置文件，并重启 Docker 服务，以使配置生效。可以使用以下命令重启 Docker 服务：

sudo systemctl restart docker

如果使用的是 Ubuntu 14.04 等旧版系统，可以使用以下命令重启 Docker 服务：

sudo service docker restart

4. 配置完成后，可以使用 docker pull 命令测试是否成功使用了国内镜像源。例如，可以使用以下命令拉取官方的 Ubuntu 镜像：

docker pull ubuntu

如果使用了正确的国内镜像源地址，镜像的下载速度应该比官方源快很多。

docker配置远程访问权限：

1、编辑docker.server文件

vi /usr/lib/systemd/system/docker.service

找到 [Service] 节点，修改 ExecStart 属性，增加 

-H tcp://0.0.0.0:2375ExecStart=/usr/bin/dockerd -H fd:// --containerd=/run/containerd/containerd.sock -H tcp://0.0.0.0:2375

 这样相当于对外开放的是 2375 端口，当然也可以根据自己情况修改成其他的。

2、重新加载Docker配置生效

systemctl daemon-reload systemctl restart docker

通过浏览器访问 2375 测试一下，格式为：http://ip:2375/version

B.Docker镜像管理

拉取命令：docker pull xxx：

查看镜像：docker images

运行镜像：docker run -p 8080:80 nginx:1.19 -d

查看容器：docker ps

接下来使用dockefile来进行启动容器，新建文件：

FROM centos:8MAINTAINER [email protected]#安装相关工具#RUN apt-get update && apt-get install vim -yRUN yum update -yRUN yum -y install vim && yum -y install net-tools && yum -y install wget#安装arthasRUN mkdir /home/arthas && wget https://alibaba.github.io/arthas/arthas-boot.jar# 设置系统编码，不然web接口或日志中文会出现乱码ENV LANG C.UTF-8#工作目录WORKDIR /root#在/usr/local下创建jdk目录,用来存放jdk文件RUN mkdir /usr/local/jdk#在/usr/local/下创建tomcat目录，用来存放tomcatRUN mkdir /usr/local/tomcat#在/usr/local下创建maven目录,用来存放maven文件RUN mkdir /usr/local/mavenADD jdk-8u251-linux-x64.tar.gz /usr/local/jdkADD apache-tomcat-9.0.36.tar.gz /usr/local/tomcatADD apache-maven-3.6.3-bin.tar.gz /usr/local/maven#设置环境变量ENV JAVA_HOME /usr/local/jdk/jdk1.8.0_251ENV JRE_HOME $JAVA_HOME/jreENV CATALINA_HOME /usr/local/tomcat/apache-tomcat-9.0.36ENV MAVEN_HOME /usr/local/maven/apache-maven-3.6.3ENV PATH $PATH:$JAVA_HOME/bin:$CATALINA_HOME/bin:$MAVEN_HOME/bin#创建项目目录RUN mkdir /home/www && mkdir /home/www/file#maven的settings.xmlCOPY settings.xml /usr/local/maven/apache-maven-3.6.3/conf/#tomcat的server.xmlCOPY server.xml /usr/local/tomcat/apache-tomcat-9.0.36/conf/#拷贝项目到Tomcat的运行目录下#COPY /dockerproject/BJ-SBF-TZGL-0.0.1-SNAPSHOT.war /usr/local/tomcat/apache-tomcat-9.0.36/webapps#开启内部服务端口EXPOSE 8080#启动tomcat服务器#CMD ["./usr/local/tomcat/apache-tomcat-9.0.36/bin/catalina.sh","run"] #执行start.sh并打印日志ENTRYPOINT /usr/local/tomcat/apache-tomcat-9.0.36/bin/startup.sh && tail -f /usr/local/tomcat/apache-tomcat-9.0.36/logs/catalina.out

（在Dockerfile所在的目录执行，webtomcat9 代表执行完的容器名称，这个 . 就代表当前目录）

执行：

docker build -t webtomcat9 .

启动容器:准备一个shell启动脚本（为了方便，不准备也可以）

webstart.sh#!/bin/shecho "启动WEB环境容器-开始"docker run -d -p 8080:8080 --name webtomcat -v /home/docker/server/dockerproject:/usr/local/tomcat/apache-tomcat-9.0.36/webapps -v /home/docker/server/dockerprojectfile:/home/www/file --restart=always webtomcat9docker logs webtomcatecho "启动WEB环境容器-成功"

执行启动脚本:

sh webstart.sh

查看容器是都正常启动

docker psdocker logs webtomcat

至此，项目启动成功

C.Docker容器管理

启动容器：使用docker run命令启动一个容器，同时指定镜像名称。

docker run hello-world

上述命令将下载并运行hello-world镜像。如果本地不存在该镜像，Docker将自动从Docker Hub下载。

列出运行中的容器：使用docker ps命令列出当前正在运行的容器。

docker ps

如果需要显示所有容器（包括停止的），可以使用-a选项。

docker ps -a

停止容器：使用docker stop命令停止运行中的容器。

docker stop <container_id>

启动已停止的容器：使用docker start命令启动一个已停止的容器。

docker start <container_id>

重启容器：使用docker restart命令重启容器。

docker restart <container_id>

查看容器详细信息：使用docker inspect命令查看容器的详细信息。

docker inspect <container_id>

查看容器日志：使用docker logs命令查看容器的日志信息。

docker logs <container_id>

上述命令将显示容器的标准输出日志。如果需要实时查看日志，可以使用-f选项：docker logs -f <container_id>

进入运行中的容器：使用docker exec命令进入正在运行的容器。

docker exec -it <container_id> /bin/bash

上述命令中，-it选项允许交互式访问，/bin/bash是要执行的命令，你也可以替换成其他Shell。

复制文件到容器：使用docker cp命令将本地文件复制到容器中。

docker cp /local/path/file.txt <container_id>:/container/path/file.tx

t

从容器复制文件到本地

反之，可以使用docker cp命令将容器中的文件复制到本地。

docker cp <container_id>:/container/path/file.txt /local/path/file.txt

tD.Docker网络管理

Docker本身有4种网络工作模式，和一些自定义网络模式，在安装 Docker 时，默认会自动创建 bridge 、 none 、 host

• Bridge：此模式会为每一个容器分配、设置IP等，并将容器连接到一个docker0虚拟网桥，通过docker0网桥以及Iptables nat表配置与宿主机通信。

• None：该模式关闭了容器的网络功能。

• host：容器将不会虚拟出自己的网卡，配置自己的IP等，而是使用宿主机的IP和端口。

• Container模式：使用 --net=container:NAME_or_ID 指定。

E.Docker存储卷管理

不做赘述，参考：

https://www.cnblogs.com/along21/p/10237219.htm

Docker容器的安全风险主要来源于以下几个方面：

1. 容器隔离问题：

• 内核共享：Docker容器共享主机操作系统的内核，这意味着一个容器内的漏洞或攻击可能导致其他容器或宿主机受到影响。例如，如果存在内核级别的安全漏洞，攻击者可能利用这些漏洞逃逸出容器，访问到宿主机或其他容器的数据。

2. 权限管理与配置错误：

• 默认权限设置不当可能会导致容器获得不必要的访问权限，包括对敏感文件和网络资源的访问。

• 由于容器间没有完全物理隔离，恶意容器可能会通过资源共享等方式进行干扰或攻击其他容器。

3. 镜像漏洞：

• Docker镜像是层层构建的，若基础镜像或应用层包含已知安全漏洞，将直接影响基于此镜像的所有容器。因此需要定期扫描和更新镜像以修复漏洞。

4. 不安全的API和服务暴露：

• 如果容器中运行的服务未正确配置安全措施（如防火墙规则、最小化端口暴露等），则可能导致未经授权的外部访问。

5. 数据持久性与保密性：

• 数据在容器间的持久存储和传输时，如果没有正确的加密和隔离手段，可能存在数据泄露的风险。

6. 供应链攻击：

• 下载并使用非官方或不受信任来源的Docker镜像，可能导致恶意代码注入，影响容器安全性。

7. 版本漏洞：

• Docker引擎本身以及相关的工具和依赖组件可能存在安全漏洞，需要及时更新以确保安全。

为了缓解上述安全风险，应采取一系列防范措施，包括但不限于：

• 使用最小权限原则配置容器

• 定期更新容器及所有依赖项

• 只从可信源下载镜像

• 对容器进行细粒度的网络隔离和限制

• 使用安全工具审查镜像

• 应用安全最佳实践，如不可变基础设施策略、强制执行安全策略等。