Docker全阶段详解

1. Docker发展与简介

1.1 云服务与虚拟化基础

1.1.1 云服务模型介绍

云计算通过网络为用户提供可伸缩的计算资源，主要分为以下几种类型：

• IaaS（基础设施即服务）：提供虚拟化计算资源（如虚拟机、存储、网络等）。用户可以灵活配置自己的计算环境，负责安装操作系统、管理资源等。优点是灵活度高、可扩展性强；缺点是管理复杂，需要较多技术支持。

• PaaS（平台即服务）：提供一个开发平台，用户可以在上面开发应用程序，而无需关注底层硬件或操作系统。优点是简化开发过程，适合开发者；缺点是灵活度较低，可能受到平台限制。

• SaaS（软件即服务）：提供已经构建好的应用程序，用户可以直接使用，无需安装和维护。优点是快速部署，省时省力；缺点是定制化差，依赖于服务提供商。

• DaaS（数据即服务）：提供数据处理和分析服务，用户可以访问、分析云端存储的大数据。优点是降低用户管理数据的难度；缺点是可能涉及数据隐私问题。

1.1.2 常见云服务提供商

市场上主要的云服务提供商包括阿里云、腾讯云、AWS、Google Cloud、华为云等。这些提供商通常提供各种服务，如存储、计算、网络、CDN等。

1.2 虚拟化技术概述

1.2.1 虚拟化基础

• 虚拟化类型：

  • 全虚拟化：虚拟化软件完全模拟硬件环境，允许多个操作系统共享硬件资源，彼此之间相互独立。适用场景是需要兼容多个操作系统（如Linux与Windows同时运行）的环境。

  • 半虚拟化：虚拟机与宿主操作系统协作，通过修改操作系统内核来提高性能。适用场景是高性能需求的环境，尤其是优化了开源操作系统（如Linux）的虚拟化。

• 虚拟化产品：

  • VMware：广泛使用的企业级虚拟化平台，支持全虚拟化和半虚拟化。

  • KVM：Linux内核中的虚拟化解决方案，支持硬件虚拟化。

  • Hyper-V：由微软推出的虚拟化平台，集成于Windows Server中。

  • VirtualBox：适用于个人和开发者的虚拟化产品，跨平台支持（Linux、macOS、Windows）。

1.3 Docker简介及其重要性

1.3.1 为什么使用Docker

Docker是一种容器化技术，它使得开发者可以将应用及其依赖打包到一个标准化的容器中，从而在任何环境下都能一致地运行。容器技术相比传统的虚拟化技术（如VMware）具有显著优势。传统虚拟化需要在每个虚拟机中运行完整的操作系统，资源消耗大，而Docker仅在宿主操作系统上运行多个隔离的容器，不需要完整的操作系统，大大减少了系统开销和资源浪费。

通过Docker，应用可以更轻松地实现跨平台部署和运行。例如，一个应用程序可以被打包成一个容器，在不同的操作系统上（如CentOS到Ubuntu）无缝迁移，确保应用始终以相同的方式运行。

1.3.2 Docker发展历史

Docker由Solomon Hykes和他的团队在2013年从DotCloud开始开发。其主要发展节点包括：

• 2013年：Docker项目发布；

• 2014年：Docker公司成立；

• 2015年：发布Docker 1.8，引入新的网络架构和卷管理；

• 2017年：发布Docker Enterprise Edition（企业版）和Docker Community Edition（社区版），并开始时间驱动的版本发布；

• 2018年：发布Docker 18.09，加入新的构建功能和改进的性能，重点是多阶段构建和新的容器日志功能；

• 2019年：发布Docker 19.03，新增对GPU加速的支持，以及Docker CLI的改进；

• 2020年：发布Docker 20.10，新增对Docker Compose v2的支持，并在性能、功能和稳定性方面进行了一系列增强；

• 2021年：进一步优化本地开发工具，增强与Kubernetes的集成；

• 2022年：加大对开发者体验的关注，推出对GitHub等工具的深度集成；

• 2023年：进一步增强对云原生应用的支持，特别是对Kubernetes生态系统的集成增强。

1.3.3 Docker版本：CE vs EE

Docker提供了两个主要版本：

• Docker Community Edition（CE）：适用于个人开发者或小型团队，提供基本的容器功能，免费使用。

• Docker Enterprise Edition（EE）：适用于大规模生产环境，强调企业级的安全性和支持，通常是付费版本。

每个版本的发布周期不同，CE通常每个月发布新版本，而EE版本则会有更长的维护周期。

1.3.4 Docker与传统虚拟化的区别

Docker通过操作系统级虚拟化（LXC）提供轻量级的虚拟化，容器之间共享宿主机的操作系统内核，因此相比传统虚拟机，Docker容器更加轻便、高效。

特性	Docker容器	虚拟机
启动速度	秒级	分钟级
计算能力损耗	几乎无	损耗50%左右
性能	接近原生	弱于
系统支持量（单机）	上千个	几十个
隔离性	资源隔离/限制	完全隔离

1.3.5 容器化技术的生态系统

容器技术是一种轻量级、提供隔离的虚拟化技术。一些知名的容器技术包括：

• Docker：市场上最为知名和流行的容器框架之一，拥有完善的生态系统和活跃的社区。

• Kubernetes：Google开发并开源的容器编排平台，可以管理、调度和扩展容器的应用。

• OpenShift：Red Hat提供的开源容器平台，基于Kubernetes，但提供了更丰富的功能。

• LXC：Linux容器技术，比Docker更接近传统的虚拟化技术，可以看作是轻量级的VM。

• Rkt：由CoreOS开发的一种容器技术，设计上有别于Docker，更注重于安全性和模块化。

• Apache Mesos：一种用于大规模数据中心的容器编排平台，可以与其他调度系统集成。

• Containerd：开源的容器运行时，是Docker的核心组件之一，用于管理完整的容器生命周期。

• Crio：轻量级的容器运行时，专门用于Kubernetes。

• Singularity：专注于面向性能敏感和计算密集型应用程序的容器技术。

• Podman：与Docker相似，但无需守护进程，支持运行和管理OCI容器和镜像。

1.3.6 Docker容器的优势

• 移植性：应用和其依赖打包在容器中，跨平台和跨环境运行无缝。

• 隔离性：容器内的应用互相隔离，不会影响宿主机或其他容器。

• 效率高：由于不需要完整的操作系统，容器消耗的资源少，启动速度快。

• 简化部署：通过Docker，可以轻松创建、复制、修改和删除容器，简化了应用部署和管理的复杂度。

1.3.7 容器技术的应用场景

• CI/CD（持续集成与持续交付）：利用Docker快速构建和部署应用，保证开发、测试、生产环境的一致性。

• 微服务架构：容器技术与微服务架构相得益彰，可以独立部署和扩展每个微服务。

• 多云与混合云环境：容器跨平台能力使得应用能在不同云环境和本地环境间无缝迁移。

1.4 Docker基础概念

1.4.1 Docker简介

• Docker的Logo设计：Docker的Logo设计为一条蓝色鲸鱼，拖着许多集装箱。鲸鱼代表宿主机，集装箱代表相互隔离的容器，每个集装箱中都包含自己的应用程序。

• Docker的设计宗旨：Build, Ship and Run Any App, Anywhere。通过对应用组件的封装、发布、部署、运行等生命周期的管理，达到应用组件级别的"一次封装，到处运行"的目的。

1.4.2 Docker核心概念重点

• 镜像（Image）：包含应用程序及其所有依赖环境的可执行包。它是一个只读模板，基于该模板可以创建容器实例。

• 容器（Container）：镜像的运行实例。容器提供了与外部环境隔离的运行时环境，可以在不同的系统上运行。

• 仓库（Repository）：存放Docker镜像的地方。Docker Hub是最常用的公共仓库，用户也可以创建私有仓库。

1.4.3 Docker安装与配置

Docker目前仅支持64位系统。安装步骤包括关闭防火墙和SELinux，安装依赖包，设置阿里云镜像源，安装Docker-CE并设置为开机自动启动。

1.4.4 Docker与传统虚拟化的区别

Docker容器通过操作系统级虚拟化（LXC）提供轻量级的虚拟化，容器之间共享宿主机的操作系统内核，因此相比传统虚拟机，Docker容器更加轻便、高效。

2. Docker容器管理

2.1 Docker镜像操作

• 搜索镜像 ：使用docker search命令在Docker Hub上搜索相关的镜像。

• 获取镜像 ：使用docker pull命令从Docker Hub拉取镜像。

• 镜像加速下载：配置阿里云、华为云等镜像加速器来提高镜像下载速度。

• 查看镜像信息 ：使用docker images命令查看本地所有镜像。

• 获取镜像详细信息 ：使用docker inspect命令获取指定镜像的详细信息。

• 为本地镜像添加标签 ：使用docker tag命令为本地镜像添加新的标签。

• 删除镜像 ：使用docker rmi命令删除指定标签的镜像。

• 存储镜像（导出） ：使用docker save命令将本地镜像保存为tar包。

• 载入镜像（导入） ：使用docker load命令从本地tar文件中加载镜像。

• 上传镜像到Docker Hub ：使用docker tag和docker push命令将本地镜像上传到Docker Hub。

2.2 Docker容器操作

• 创建容器 ：使用docker create命令创建一个新容器，但不启动它。

• 启动容器 ：使用docker start命令启动已创建的容器。

• 停止容器 ：使用docker stop命令停止正在运行的容器。

• 查看容器状态 ：使用docker ps命令查看正在运行的容器，使用docker ps -a查看所有容器。

• 创建并启动容器 ：使用docker run命令等同于先执行docker create命令，再执行docker start命令。

• 在后台持续运行容器 ：使用docker run -d命令让Docker容器以守护形式在后台运行。

• 容器交互 ：使用docker exec命令进入运行着的容器。

• 复制到容器中 ：使用docker cp命令将宿主机的文件复制到容器内部，或将容器内部的文件复制到宿主机。

• 容器的导出与导入 ：使用docker export和docker import命令将容器导出为文件，或从文件导入容器。

• 删除容器 ：使用docker rm命令删除容器。

3. Docker网络管理

3.1 Docker网络实现原理

Docker使用Linux桥接，在宿主机虚拟一个Docker容器网桥（docker0），Docker启动一个容器时会根据Docker网桥的网段分配给容器一个IP地址，称为Container-IP，同时Docker网桥是每个容器的默认网关。

3.2 Docker的网络模式

• Host模式：容器与宿主机共享网络环境，不具备独立的IP和网卡，而是使用宿主机的IP和端口。

• Container模式：新创建的容器和已经存在的一个容器共享一个Network Namespace，而不是和宿主机共享。

• 无网络模式（None）：容器没有网络配置，只有回环接口（lo）。

• 桥接模式（Bridge）：默认的网络模式，容器使用独立Network Namespace，并连接到docker0虚拟网卡。

• 自定义模式：用户可以自定义容器的网络范围、子网和路由，从而提供更高的网络控制和隔离性。

4. 资源限制

4.1 CPU资源控制

• 设置CPU使用率上限 ：使用--cpu-period和--cpu-quota参数控制CPU使用率。

• 设置CPU占用比（权重） ：使用--cpu-shares参数指定相对权重。

• 绑定指定CPU ：使用--cpuset-cpus参数将容器进程绑定到宿主机的指定CPU核上。

4.2 内存使用限制

• 限制容器可用的物理内存 ：使用-m或--memory参数。

• 限制容器可用的物理内存+swap总量 ：使用--memory-swap参数。

4.3 磁盘IO（blkio/io）控制

• 限制设备读写带宽与IOPS ：使用--device-read-bps、--device-write-bps、--device-read-iops、--device-write-iops等参数。

5. 数据卷容器（Data Volumes Containers）

5.1 数据卷

数据卷是Docker中一种专门为容器提供持久化存储的机制。通过使用数据卷，容器可以在其生命周期内访问和修改数据，而不会影响镜像本身。

5.2 数据卷容器

数据卷容器是一种专门用于共享数据的容器，它不是用于运行应用程序的容器，而是仅仅提供一个数据卷，供其他容器挂载并使用。

6. 端口映射

端口映射将宿主机的端口映射到容器内的端口，从而使得外部网络能够通过访问宿主机的端口，进而访问容器内的服务。

7. 容器互联

容器互联是一种让容器之间能够通过网络相互通信的机制。通过在容器间建立网络通信隧道，源容器和接收容器可以互相看到对方的指定信息。

8. Docker镜像的创建

Docker提供了多种方式来创建镜像，常见的有三种方法：基于已有镜像创建、基于本地模板创建和基于Dockerfile创建。

8.3.1 Dockerfile操作常用指令

• FROM：指定新镜像基于的基础镜像。

• MAINTAINER：指定镜像的维护者信息。

• RUN：执行命令并将结果提交到镜像中。

• ENTRYPOINT：设置容器启动时默认执行的命令。

• CMD：容器启动时执行的默认命令。

• EXPOSE：声明容器内的端口。

• ENV：设置环境变量。

• ADD：将文件或目录从宿主机复制到镜像中。

• COPY：将本地文件或目录复制到镜像中。

• VOLUME：在容器中创建挂载点。

• USER：设置容器内运行命令时的用户。

• WORKDIR：设置后续指令的工作目录。

• ONBUILD：设置当该镜像作为基础镜像时，后续Dockerfile执行的命令。

• HEALTHCHECK：设置容器的健康检查。

9. Docker Compose编排

9.1 简介

Docker Compose是一个用于定义和运行多容器Docker应用的工具。通过Docker Compose，可以在一个YAML配置文件中定义多个服务，并实现容器之间的联动，简化了应用的部署和管理。

9.3 YAML文件格式及编写注意事项

• 基本语法：YAML是大小写敏感的，使用空格进行缩进，列表项使用短横线表示，字典使用冒号连接键值对。

• 常用字段 ：包括build、image、command、container_name、environment、networks、ports、volumes等。

9.4 准备Nginx配置

在nginx/nginx.conf中，配置Nginx作为反向代理，转发请求到Tomcat服务。

9.5 编写docker-compose.yml

编写docker-compose.yml配置文件，定义Nginx和Tomcat两个服务。

9.6 启动服务

通过docker-compose up -d命令启动项目。

10. Docker-Harbor私有仓库部署与管理

10.1 搭建本地私有仓库

• 下载registry镜像 ：使用docker pull registry命令下载官方的registry镜像。

• 配置Docker守护进程 ：编辑/etc/docker/daemon.json文件，添加私有仓库地址。

• 运行Registry容器 ：使用docker run命令运行一个registry容器，指定本地存储路径和端口映射。

10.2 Harbor简介

Harbor是一个企业级的Docker镜像仓库管理平台，提供了图形化管理界面、角色访问控制、镜像复制、LDAP集成等功能。

10.3 部署Harbor服务

• 安装Docker Compose ：使用curl命令下载并安装Docker Compose。

• 下载Harbor安装包：从Harbor官网下载离线安装包。

• 修改Harbor配置文件 ：在/usr/local/harbor/目录中修改harbor.yml配置文件，设置Harbor服务器的地址、管理员密码等。

• 启动Harbor ：运行./prepare和./install.sh命令启动Harbor服务。

10.4 客户端上传镜像

• 配置Docker客户端 ：在Docker客户端配置文件中添加--insecure-registry参数，确保Docker客户端能够访问私有仓库。

• 上传镜像 ：使用docker login、docker tag和docker push命令上传镜像到Harbor。

10.5 维护管理Harbor

• 通过Harbor Web创建项目：在Harbor仓库中创建新项目。

• 创建Harbor用户：在Web管理界面中创建新用户并分配权限。

• 查看日志：通过Harbor的Web界面查看操作日志。

• 修改Harbor.cfg配置文件 ：修改harbor.yml配置文件中的可选参数，更新Harbor的配置。

• 移除Harbor服务容器 ：使用docker-compose down -v命令移除Harbor服务容器，同时保留镜像数据和数据库。

Docker全阶段精炼总结

1. Docker基础

• 云服务与虚拟化：理解IaaS、PaaS、SaaS、DaaS的区别。

• Docker简介：轻量级容器技术，简化应用部署和管理。

• 安装与配置：掌握Docker的安装步骤和基本配置。

2. 容器管理

• 镜像操作：搜索、获取、加速下载、查看、添加标签、删除、存储和导入导出镜像。

• 容器操作：创建、启动、停止、查看状态、后台运行、交互、复制文件、导出导入和删除容器。

3. 网络与资源管理

• 网络模式：Host、Container、无网络、桥接和自定义模式。

• 资源限制：CPU、内存和磁盘IO的控制。

4. 数据与编排

• 数据卷和容器互联：提供持久化存储和容器间通信。

• Docker Compose：通过YAML文件管理多容器应用。

5. Harbor私有仓库

• Harbor部署：企业级镜像仓库，支持图形化管理、角色访问控制、镜像复制等功能。