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Docker

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Docker
原作者Solomon Hykes
開發者Docker, Inc.
首次釋出2013年3月13日 (2013-03-13)
目前版本
  • 27.3.1（2024年9月20日；穩定版本）[1]
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程式語言Go
作業系統Linux、Windows、macOS
平台x86-64、ARM、s390x、ppc64le
類型作業系統層虛擬化
特許條款可執行檔：免費增值軟件即服務
原始碼：Apache特許條款 2.0
網站www.docker.com

Docker是一個開放原始碼的開放平臺軟件，用於開發應用、交付（shipping）應用和執行應用。Docker允許用戶將基礎設施（Infrastructure）中的應用單獨分割出來，形成更小的顆粒（容器），從而提高交付軟件的速度。[2]

Docker容器與虛擬機器類似，但二者在原理上不同。容器是將作業系統層虛擬化，虛擬機器則是虛擬化硬件，因此容器更具有可攜式性、更能高效地利用伺服器。 容器更多的用於表示軟件的一個標準化單元。由於容器的標準化，因此它可以無視基礎設施（Infrastructure）的差異，部署到任何一個地方。另外，Docker也為容器提供更強的業界的隔離相容。[3]

Docker 利用Linux核心中的資源分離機制，例如cgroups，以及Linux核心命名空間（英語：Linux namespaces）（namespaces），來建立獨立的容器（containers）。這可以在單一Linux實體下運作，避免啟動一個虛擬機器造成的額外負擔[4]。Linux核心對命名空間的支援完全隔離了工作環境中應用程式的視野，包括行程樹、網絡、用戶ID與掛載檔案系統，而核心的cgroup提供資源隔離，包括CPU、記憶體、block I/O與網絡。從0.9版本起，Dockers在使用抽象虛擬是經由libvirt的LXC與systemd - nspawn提供介面的基礎上，開始包括libcontainer函式庫做為以自己的方式開始直接使用由Linux核心提供的虛擬化的設施。[4]

基礎架構

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專業名詞Docker有兩個意思：[5]

  • 代指整個Docker專案。
  • 代指Docker引擎。

Docker引擎

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Docker引擎(Docker Engine)是一個伺服器端-客戶端結構的應用，主要有這些部分：Docker守護行程、Docker Engine API（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）、Docker客戶端。[6]

Docker註冊中心

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Docker註冊中心(Docker registry)是用於儲存Docker的鏡像。Docker Hub 是一個公共的註冊中心，任何人都可以使用，預設組態下，Docker將會在這裏尋找鏡像。[6]

另外，用戶可以自行構建私有註冊中心。Docker Datacenter (DDC)的用戶，可以直接使用 Docker Trusted Registry (DTR)。[6]

2023年5月，在中國大陸地區被防火長城阻斷封鎖[9]，同年9月恢復訪問[10]。

對象

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Docker的對象是指Images、Containers、Networks、Volumes、Plugins等等。[6]

  • 容器（Containers）是鏡像的可執行的實例。容器可通過API或CLI（命令列）進行操控。[6]
  • 鏡像（Images）是一個唯讀模板，用於指示建立容器。[6] 鏡像分層(layers)構建的，而定義這些層次的檔案叫Dockerfile。[11]
  • 服務（Services）允許用戶跨越不同的Docker守護行程（Docker daemons）的情況下增加容器，並將這些容器分為管理者（managers）和工作者（workers），讓他們為swarm共同工作。[6]

擴充架構

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Docker Compose

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Compose可譯為組合物。[12]Compose 是用於定義和執行 多個容器Docker應用程式 的工具。通過Compose，你可以使用YAML檔案來組態應用程式需要的所有服務，然後通過使用一個命令，就可以建立並啟動所有服務。[13][14]Compose對應的命令為docker-compose。[15]

Swarm Mode

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當說到 Docker Swarm 時，一般是指單獨專案 Docker Swarm。而在Docker 1.12時，將swarm mode整合到Docker 引擎中，可用Docker引擎API 和 CLI 命令直接使用。官方推薦用戶使用整合的 swarm mode [16]。

Swarm Mode 內建 kv 儲存功能，提供了眾多的新特性，比如：具有容錯能力的去中心化設計、內建服務發現、負載均衡、路由網格、動態伸縮、滾動更新、安全傳輸等。使得 Docker 原生的 Swarm 叢集具備與 Mesos、Kubernetes 競爭的實力。[17]

cluster(中文：叢集)，Docker將叢集定義為：一群共同作業並提供高可用性的機器[5] 。swarm(中文：群[18])，是指一個叢集的Docker引擎以swarm mode形式執行[5]。swarm mode是指Docker引擎內嵌的叢集管理和編排功能。當你初始化了一個swarm(cluster)或者將節點加入一個swarm時，其Docker引擎就會以swarm mode的形式執行。[5]

原理

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swarm中的Docker機器中分為 managers（管理者） 和 workers（員工），管理者用於處理叢集的關係和委派，員工則用於執行 swarm服務。[19] 當你建立swarm服務時，你可以為其增加各種額外的狀態（如：數量、網絡、埠、儲存資源等等）。Docker會去維持用戶想要的狀態。如：一個工作節點如果掛了，那麼Docker會去把這個節點的任務給另外一個節點。此處的任務（task）是指：被swarm管理者管理的一個執行中的容器。[19]

swarm服務比單獨容器好在，修改swarm服務的組態之後不用重新啟動。同時，Docker以swarm mode形式執行時，也可以選擇直接啟動單獨的容器。另外，swarm mode下，你也可以通過 docker stack deploy 使用 Compose file 部署應用棧。[20][19] swarm服務分為兩種，一種是replicated services ，可以指定節點任務的總數量；global services，則是每個節點都會執行一個指定任務。[21] swarm管理員使用 ingress 負載均衡使服務可被外部接觸。 swarm管理員會自動地給服務分配PublishedPort（或者手動組態）。外部組件，如雲負載均衡器能通過叢集中任何節點上的PublishedPort去接入服務（不管該服務是否啟動）。另外 swarm mode有內部DNS組件，它會為每個服務分配一個DNS條目。swarm管理員使用 internal load balancing 去分發請求時，就是依靠這個DNS組件。[22]

swarm mode的功能是由swarmkit(一個獨立專案)提供的，它實現了Docker的編排層。swarm可以直接被Docker使用。[19]

檔案格式

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Docker有兩種檔案格式，Dockerfile和Compose file。Dockerfile定義了單個容器的內容和啟動時候的行為。Compose file定義了一個多容器應用。[23]

Dockerfile

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Docker 可以依照 Dockerfile 的內容，自動化地構建鏡像。 Dockerfile 是包含着用戶想要如何構建鏡像的所有命令的文字。[24]

FROM ubuntu:18.04
COPY . /app
RUN make /app
CMD python /app/app.py

關鍵詞：

  • RUN。RUN會在當前鏡像的頂層上添加新的一層(layer)，並在該層上執行命令，執行結果將會被提交。提交後的結果將會用於Dockerfile的下一步。[25]
  • ENTRYPOINT，入口點。ENTRYPOINT允許你組態容器，使之成為可執行程式。[26]即，ENTRYPOINT允許你為容器增加一個入口點。ENTRYPOINT和CMD類似，均在容器啟動時執行，但是ENTRYPOINT為了提供穩定且不可被覆蓋的操作。[27]通過在命令列中指定--entrypoint 命令的方式，可在執行時將Dockerfile檔案中的ENTRYPOINT覆蓋。
  • CMD，是command的縮寫。CMD用於為已建立的鏡像提供預設的操作，當不想要用預設操作時候，可用docker run IMAGE[:TAG|@DIGEST] [COMMAND] 進行替換 。但當Dockerfile擁有入口點時，CMD用於賦予入口點參數。[28]

Compose檔案

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Compose檔案 是一個YAML檔案，定義了服務（service）、網絡、卷（volume）。

  • 服務（service）定義 各容器的組態，定義內容將以命令列參數的方式 傳給 docker run 命令。
  • 網絡（network），類似地，將定義內容傳給 docker network create 命令 。
  • 卷（volume），類似地，將定義內容傳給 docker volume create 命令。

docker run 命令中有一些選項，和 Dockerfile檔案中的指令效果一樣（如：CMD, EXPOSE, VOLUME, ENV），如果Dockerfile檔案中使用這些指令，那麼這些指令就會被視為預設參數，所以開發者無需特意在 Compose檔案中再指定一次。[29]

Compose檔案 可使用 Shell變數（Variable），如：[30]

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

Compose檔案 可通過自身的ARGS變數，將參數傳給Dockerfile的 ARGS 指令。[31]

網絡

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參考文件：Docker文件-網絡概要（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）

bridge

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在Docker裏，網橋網絡 使用的是 軟件形式的網橋。使用相同的網橋的容器連接進入該網絡，而非該網絡的容器刷故無法接入。Docker網橋驅動會自動地在Docker主機上安裝規則，這些規則讓不同橋接網絡之間不能直接通訊。[32] 橋接經常用於：在單獨容器上執行應用時，可通過 網橋 進行通訊。[33] 網橋網絡 適用於容器執行在相同地Docker守護行程的主機上。不同Docker守護行程主機上的容器，它們之間的通訊需要依靠作業系統層次的路由，或者你應該使用 overlay網絡 進行代替。[32]

bridge 是網橋驅動，是Docker預設的網絡驅動（介面名為 docker0[34]），當你不為容器指定一個網絡時候，Docker將會使用該驅動。[33] 可通過 daemon.json 檔案修改相關組態。[35]

自訂網橋可通過 brctl 命令進行組態。[36][37]

host

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主機模式

host 用於單獨容器，該網絡下容器只能和Docker主機進行直接連接。host 只適用於 Docker 17.06或以上版本的swarm服務。

host網絡和VirtualBox的 僅主機網絡（Host-only Networking） 類似。[38]

overlay

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overlay （中文：覆蓋網絡）網絡驅動將會建立分散式網絡，該網絡可以覆蓋若干個 Docker守護行程主機。該網絡是基於 主機特定網絡（host-specific networks），允許 swarm服務 和 容器 進行安全通訊（當加密功能開啟時）。在該網絡下，Docker能夠清晰地掌握 封包的路由 以及 傳送接收容器。[39]

overlay 有兩種網絡類型網絡：[39]

  • ingress 網絡，可掌控 swarm服務 的網絡流量 。該網絡是 overlay 的預設網絡。
  • docker_gwbridge 網絡是 網橋網絡。該網絡會將 單獨的Docker守護行程 連接至 swarm里的另外一個守護行程。

在 overlay 網絡下，單獨的容器 和 swarm服務 的行為和組態概念 是不一樣的。[39]

該策略不需要 容器們 具有作業系統級別的路由，因為Docker負責路由。[33]

macvlan

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Macvlan網絡組態提供了一種機制，允許單獨的容器具有獨立的MAC地址，使得這些容器在網絡上表現得如同物理裝置。

none

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該策略下，容器不使用任何網絡。none 常常用於連接自訂網絡驅動的情況下。

其他

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截止2023年5月18日，Docker官方倉庫域名 https://hub.docker.com/ （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 在中國大陸被封鎖，方式為DNS污染。隨後短暫解封，2024年6月6日再次被封。

數據管理

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Docker預設下，所有檔案將會儲存在容器里的可寫的容器層（container layer）。[40]

  • 數據與容器為一體。隨着容器消失，數據將消失；難以與其他程式（容器）共用。可以採用掛載檔案的方式解決。
  • 由於容器的寫入層是與宿主機器緊緊耦合。所以你難以流動數據到其他機器。
  • 容器的寫入層的是通過 儲存驅動（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）（storage driver） 管理檔案系統。儲存驅動（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 會使用Linux內核的 鏈合檔案系統（union filesystem）進行掛載。相比起直接操作於宿主機器檔案系統的 數據卷，這額外的抽象層將會降低效能。

容器有兩種永久化儲存方式：卷（volumes）和 繫結掛載（bind mounts）。另外，Linux用戶還可使用 tmpfs 進行掛載；Window用戶還可以使用 命名管道（named pipe）。在容器中，不管是哪種永久化儲存，表現形式都是一樣的。[40]

卷

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卷（volumes）是宿主機器的檔案系統的一部分，由Docker進行管理（ 在Linux，儲存於/var/lib/docker/volumes/）。非Docker程式不應該去修改這些檔案。Docker推薦使用 卷 進行持久化數據。 卷 可支援 卷驅動（volume drivers），該驅動允許用戶將數據儲存到 遠端主機 或 雲服務商（cloud provider）或 其他。[40]

沒有名字的卷叫匿名卷（anonymous volume），有名字的卷叫命名卷（named volume）。匿名卷沒有明確的名字，當被初始化時，會被賦予一個隨機名字。[40]

繫結掛載

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繫結掛載（bind mounts）通過將宿主機器的路徑掛載到容器里的這種方式，從而數據持續化，因此繫結掛載可將數據儲存在宿主機器的檔案系統的任何地方。非Docker程式可修改這些檔案。 繫結掛載是Docker早期就存在的，相比起卷，繫結掛載十分簡單明了。[40] 在開發Docker應用時，應使用命名卷（named volume）代替繫結掛載，因為用戶不能對繫結掛載進行 Docker CLI 命令操作。[40]

繫結掛載常用於：[41]

  • 同步設定檔，如： 將 宿主主機的DNS設定檔（/etc/resolv.conf）同步至容器中
  • 在開發程式時，將 原始碼 或 Artifact 同步至容器中。[41] 這種用法與 Vagrant 類似。

tmpfs

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tmpfs 掛載（tmpfs mounts），僅僅儲存於主記憶體中，並不操作 宿主機器的檔案系統（不持久化於磁碟）。它可用於儲存一些 非持久化狀態、敏感數據。 舉例，swarm服務 通過tmpfs 將 secrets（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）（密碼、金鑰、證書等）儲存到swarm服務。 [40]

命名管道

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命名管道（named pipes），通過 npipe 掛載的形式，使 Docker主機 和 容器 之間能互相通訊。常見用例是在容器內執行第三方工具，並使用命名管道連接到Docker Engine API。[40][42]

覆蓋問題

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當掛載 空的卷 至一個目錄中，目錄中的內容會被複製於卷中（不會覆蓋）。如果掛載 非空的卷 或 繫結掛載 至一個目錄中，那麼該目錄的內容將會被隱藏（obscured ），當解除安裝後內容將會恢復顯示。[43]

紀錄檔

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在UNIX和類Unix系統中，常見的 I/O流（英語：I/O streams） 分為三種：STDIN（輸入 ）、 STDOUT（正常輸出）、STDERR（錯誤輸出）。[44]

預設組態下，Docker的紀錄檔（如：docker logs、docker service log）所記載的是命令列的輸出結果（STDOUT和STDERR）。而STDOUT 和 STDERR 對應的檔案路徑分別是 /dev/stderr和/dev/stdout。[44] 另外，也可以在宿主主機上檢視容器的紀錄檔，使用以下命令可以檢視到容器的紀錄檔位置。[45]

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

Kubernetes in docker

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kind（全稱：Kubernetes IN Docker）是部署本地Kubernetes叢集的工具，而叢集的節點是由Docker生成的。[46]

操作細節

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在安裝完kind之後，通過kind create cluster命令生成叢集。[46] 生成Kubernetes叢集後，可以通過Docker命令進行檢視節點概覽：

$ 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

歷史

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Docker命令在過去的發展中誕生了40種以上的命令，過多的命令導致混亂以及難以使用tab自動補充，因此在docker 1.13版本（2017.1.19）中，命令列被重構，根據邏輯對象進行劃分。官方建議用戶使用新的語法進行操作。[47]

已過時

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Docker Swarm

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參考Swarm Mode章節。

Docker Machine

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Docker Machine 是一個工具，它允許你在虛擬宿主機上安裝 Docker引擎，並使用 docker-machine 命令管理這些宿主機。你可以使用 Machine 在你本地的 Mac 或 Windows box、公司網絡、數據中心、或像 AWS 或 Digital Ocean 這樣的雲提供商上建立 Docker 宿主機。[48][49]

Docker Machine 最後更新時間是在0.16.0 (2018-11-08)版本[50]。官方建議在1.12以及之後版本使用Docker Desktop for Mac和Docker Desktop for Windows進行代替。[48]

Docker Toolbox

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Docker Toolbox是用於幫 Windows系統和Mac系統 安裝Docker環境。新版本建議使用Docker Desktop for Mac和Docker Desktop for Windows進行安裝。[51]最後更新版本是 19.03.1(2019-08-01)。[52]

安全性爭議

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2021年，安全公司Palo Alto Networks研究人員Aviv Sasson，在Docker Hub上發現的惡意容器映像存檔，分別來自10個不同帳號，總下載次數超過2000萬次，其中內含的挖礦軟件。[53]

參考文獻

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外部連結

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參見

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