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企业应用快速跨向容器时代的正确姿势(上)

社区编辑2018-05-18 13:35


云计算的发展脉络

云计算整个发展过程,用一句话来形容,就是“分久必合,合久必分”。
 

 

容器的诞生

云计算解决了基础资源层的弹性伸缩,却没有解决 PaaS层应用随基础资源层弹性伸缩而带来的批量、快速部署问题。于是容器应运而生。
 
容器是 Container,Container另一个意思是集装箱,其实容器的思想就是要变成软件交付的集装箱。集装箱的特点,一是打包,二是标准。
 

 
在没有集装箱的时代,假设将货物从 A运到 B,中间要经过三个码头、换三次船。每次都要将货物卸下船来,摆的七零八落,然后搬上船重新整齐摆好。因此在没有集装箱的时候,每次换船,船员们都要在岸上待几天才能走。
 

 
有了集装箱以后,所有的货物都打包在一起了,并且集装箱的尺寸全部一致,所以每次换船的时候,一个箱子整体搬过去就行了,小时级别就能完成,船员再也不用上岸长时间耽搁了。
 
这是集装箱“打包”、“标准”两大特点在生活中的应用。下面用一个简单的案例来看看容器在开发部署中的实际应用。
 
假设有一个简单的 Java网站需要上线,代码的运行环境如下:
 

 
看,一个简单的 Java网站,就有这么多零零散散的东西!这就像很多零碎的货物,如果不打包,就需要在开发、测试、生产的每个环境上重新查看以保证环境的一致,有时甚至要将这些环境重新搭建一遍,就像每次将货物卸载、重装一样麻烦。中间稍有差池,比如开发环境用了 JDK 1.8,而线上是 JDK 1.7;比如开发环境用了 root用户,线上需要使用 hadoop用户,都可能导致程序的运行失败。
 

 
那么容器如何对应用打包呢?还是要学习集装箱,首先要有个封闭的环境,将货物封装起来,让货物之间互不干扰,互相隔离,这样装货卸货才方便。好在 ubuntu中的 lxc技术早就能做到这一点。
 

 
封闭的环境主要使用了两种技术,一种是看起来是隔离的技术,称为 namespace,也即每个 namespace中的应用看到的是不同的 IP地址、用户空间、程号等。另一种是用起来是隔离的技术,称为 cgroup,也即明明整台机器有很多的 CPU、内存,而一个应用只能用其中的一部分。
 
有了这两项技术,集装箱的铁盒子我们是焊好了,接下来就是决定往里面放什么。
 

 
最简单粗暴的方法,就是将上面列表中所有的都放到集装箱里面。但是这样太大了!因为即使你安装一个干干静静的 ubuntu操作系统,什么都不装,就很大了。把操作系统装进容器相当于把船也放到了集装箱里面!传统的虚拟机镜像就是这样的,动辄几十G。答案当然是 NO!所以第一项操作系统不能装进容器。
 
撇下第一项操作系统,剩下的所有的加起来,也就几百 M,就轻便多了。因此一台服务器上的容器是共享操作系统内核的,容器在不同机器之间的迁移不带内核,这也是很多人声称容器是轻量级的虚拟机的原因。轻不白轻,自然隔离性就差了,一个容器让操作系统崩溃了,其他容器也就跟着崩溃了,这相当于一个集装箱把船压漏水了,所有的集装箱一起沉。
 
另一个需要撇下的就是随着应用的运行而产生并保存在本地的数据。这些数据多以文件的形式存在,例如数据库文件、文本文件。这些文件会随着应用的运行,越来越大,如果这些数据也放在容器里面,会让容器变得很大,影响容器在不同环境的迁移。而且这些数据在开发、测试、线上环境之间的迁移是没有意义的,生产环境不可能用测试环境的文件,所以往往这些数据也是保存在容器外面的存储设备上。这也是为什么人们称容器是无状态的。
 
至此集装箱焊好了,货物也装进去了,接下来的问题就是如何将这个集装箱标准化,从而在哪艘船上都能运输。这里的标准一个是镜像,一个是容器的运行环境。
 
所谓的镜像,就是将你焊好集装箱的那一刻,将集装箱的状态保存下来,就像孙悟空说:“定”,集装箱里面就定在了那一刻,然后将这一刻的状态保存成一系列文件。这些文件的格式是标准的,谁看到这些文件都能还原当时定住的那个时刻。将镜像还原成运行时的过程(就是读取镜像文件,还原那个时刻的过程)就是容器运行的过程。除了大名鼎鼎的 Docker,还有其他的容器,例如 AppC、Mesos Container,都能运行容器镜像。所以说容器不等于 Docker。
 
总而言之,容器是轻量级的、隔离差的、适用于无状态的,可以基于镜像标准实现跨主机、跨环境的随意迁移。
 

 
有了容器,使得 PaaS层对于用户自身应用的自动部署变得快速而优雅。容器快就快在两方面:第一,虚拟机启动的时候要先启动操作系统,容器不用启动操作系统,因为是共享内核的;第二,虚拟机启动后使用脚本安装应用,容器不用安装应用,因为已经打包在镜像里面了。所以最终虚拟机的启动是分钟级别,而容器的启动是秒级。容器咋这么神奇?其实一点都不神奇,第一是偷懒少干活了,第二是提前把活干好了。
 
因为容器启动快,人们往往不会创建一个个小的虚拟机来部署应用,因为这样太浪费时间了,而是创建一个大的虚拟机,然后在大的虚拟机里面再划分容器,而不同的用户不共享大的虚拟机,可以实现操作系统内核的隔离。这又是一次合久必分的过程。由 IaaS层的虚拟机池,划分为更细粒度的容器池。

容器管理平台

有了容器的管理平台,又是一次分久必合的过程。
 
容器的粒度更加细,管理起来更难管,甚至是手动操作难以应对的。假设你有 100台物理机,其实规模不是太大,用 Excel人工管理是没问题的,但是一台上面开 10台虚拟机,虚拟机的个数就是 1000台,人工管理已经很困难了,但是一台虚拟机里面开 10个容器,就是 10000个容器,你是不是已经彻底放弃人工运维的想法了。
 
所以容器层面的管理平台是一个新的挑战,关键字就是自动化:
 

 
○ 自发现:容器与容器之间的相互配置还能像虚拟机一样,记住 IP地址然后互相配置吗?这么多容器,一旦一台虚拟机挂了重启,IP改变,你怎么记得住应该改哪些配置,列表长度至少万行级别的啊。所以容器之间的配置通过名称来的,无论容器跑到哪台机器上,名称不变,就能访问到。
 
○ 自修复:容器挂了,或是进程宕机了,能像虚拟机那样登陆上去查看一下进程状态,如果不正常可以重启一下么?那你要登陆万台 docker了。所以容器的进程挂了,容器就自动挂掉了,然后自动重启。
 
○ 弹性自伸缩 Auto Scaling:当容器的性能不足的时候,需要手动伸缩、手动部署么?当然也要自动来。
 
当前火热的容器管理平台有三大流派:
 

 

一个是 Kubernetes,我们称为段誉型。
 
段誉 (Kubernetes)的父亲 (Borg)武功高强,出身皇族 (Google),管理过偌大的一个大理国 (Borg是 Google数据中心的容器管理平台)。作为大理段式后裔,段誉的武功基因良好 (Kubernetes的理念设计比较完善),周围的高手云集,习武环境也好 (Kubernetes生态活跃,热度高),虽然刚刚出道的段誉武功不及其父亲,但是只要跟着周围的高手不断切磋,武功即可飞速提升。
 

一个是 Mesos,我们称为乔峰型。
 
乔峰 (Mesos)的主要功夫降龙十八掌 (Mesos的调度功能)独步武林,为其他帮派所无。而且乔峰也管理过人数众多的丐帮 (Mesos管理过 Tweeter的容器集群)。后来乔峰从丐帮出来,在江湖中特例独行 (Mesos的创始人成立了公司 Mesosphere)。乔峰的优势在于,乔峰的降龙十八掌 (Mesos)就是在丐帮中使用的降龙十八掌,相比于段誉初学其父的武功来说,要成熟很多。但是缺点是,降龙十八掌只掌握在少数的几个丐帮帮主手中 (Mesos社区还是以 Mesosphere为主导),其他丐帮兄弟只能远远崇拜乔峰,而无法相互切磋(社区热度不足)。
 

一个是 Swarm,我们称为慕容型。
 
慕容家族 (Swarm是 Docker家族的集群管理软件)的个人功夫是非常棒的 (Docker可以说称为容器的事实标准),但是看到段誉和乔峰能够管理的组织规模越来越大,有一统江湖的趋势,着实眼红了,于是开始想创建自己的慕容鲜卑帝国(推出 Swarm容器集群管理软件)。但是个人功夫好,并不代表着组织能力强 (Swarm的集群管理能力),好在慕容家族可以借鉴段誉和乔峰的组织管理经验,学习各家公司,以彼之道,还施彼身,使得慕容公子的组织能力 (Swarm借鉴了很多前面的集群管理思想)也在逐渐的成熟中。
 
三大容器门派,到底鹿死谁手,谁又能一统江湖,尚未可知。
 
网易之所以选型 Kubernetes作为自己的容器管理平台,是因为基于 Borg 成熟的经验打造的 Kubernetes为容器编排管理提供了完整的开源方案,并且社区活跃,生态完善,积累了大量分布式、服务化系统架构的最佳实践。

容器初体验

想不想尝试一下最先进的容器管理平台呢?我们先了解一下 Docker的生命周期。如图所示。
 

 
图中中间的就是最核心的两个部分,一个是镜像 Images,一个是容器 Containers。镜像运行起来就是容器。容器运行的过程中,基于原始镜像做了改变,比如安装了程序,添加了文件,也可以提交回去 (commit)成为镜像。
 
如果大家安装过系统,镜像有点像 GHOST镜像,从 GHOST镜像安装一个系统,运行起来,就相当于容器;容器里面自带应用,就像 GHOST镜像安装的系统里面不是裸的操作系统,里面可能安装了微信,QQ,视频播放软件等。安装好的系统使用过程中又安装了其他软件,或者下载了文件,还可以将这个系统重新 GHOST成一个镜像,当其他人通过这个镜像再安装系统的时候,则其他的软件也就自带了。
 
普通的 GHOST镜像就是一个文件,但是管理不方便。比如如果有十个 GHOST镜像的话,你可能已经记不清楚哪个镜像里面安装了哪个版本的软件了。所以容器镜像有 tag的概念,就是一个标签,比如 dev-1.0,dev-1.1,production-1.1等,凡是能够帮助你区分不同镜像的都可以。
 
为了镜像的统一管理,有一个镜像库的东西,可以通过 push将本地的镜像放到统一的镜像库中保存,可以通过 pull将镜像库中的镜像拉到本地来。
 
从镜像运行一个容器可使用下面的命令,如果初步使用 Docker,记下下面这一个命令就可以了。
 

 
这行命令会启动一个里面安装了 mysql的容器。其中 docker run就是运行一个容器;–name就是给这个容器起个名字;-v 就是挂数据盘,将外面的一个目录 /my/own/datadir挂载到容器里面的一个目录 /var/lib/mysql作为数据盘,外面的目录是在容器所运行的主机上的,也可以是远程的一个云盘;-e 是设置容器运行环境的环境变量,环境变量是最常使用的设置参数的方式,例如这里设置 mysql的密码。mysql:tag就是镜像的名字和标签。
 
docker stop可以停止这个容器,start可以再启动这个容器,restart可以重启这个容器。在容器内部做了改变,例如安装了新的软件,产生了新的文件,则调用 docker commit变成新的镜像。
 
镜像生产过程,除了可以通过启动一个 docker,手动修改,然后调用 docker commit形成新镜像之外,还可以通过书写 Dockerfile,通过 docker build来编译这个 Dockerfile形成新的镜像。为什么要这样做呢?前面的方式太不自动化了,需要手工干预,而且还经常会忘了手工都做了什么。用 Dockerfile可以很好地解决这个问题。
 
Dockerfile 的一个简单的例子如下:
 

 
这其实是一个镜像的生产说明书,Docker build 的过程就是根据这个生产说明书来生产镜像:
 
○ FROM基础镜像,先下载这个基础镜像,然后从这个镜像启动一个容器,并且登陆到容器里面;
○ RUN 运行一个命令,在容器里面运行这个命令;
○ COPY/ADD 将一些文件添加到容器里面;
○ 最终给容器设置启动命令 ENTRYPOINT,这个命令不在镜像生成过程中执行,而是在容器运行的时候作为主程序执行;
○ 将所有的修改 commit成镜像。
 
这里需要说明一下的就是主程序是 Docker里面的一个重要的概念,虽然镜像里面可以安装很多的程序,但是必须有一个主程序,主程序和容器的生命周期完全一致,主程序在则容器在,主程序wang则容器wang。
 

 
就像图中展示的一样,容器是一个资源限制的框,但是这个框没有底,全靠主进程撑着,主进程挂了,衣服架子倒了,衣服也就垮了。
 
了解了如何运行一个独立的容器,接下来介绍如何使用容器管理平台。


本文未结束,敬请期待下篇。