Docker 容器的短暫特性決定了容器內資料的非永續性，理解此特性對於正確使用 Docker 至關重要。容器啟動時，根據基礎映像建立，所有變更儲存在與容器 ID 關聯的暫存層中，容器刪除時，變更也隨之消失。Docker 提供了卷等機制實作資料持久化，將資料儲存在容器外部，確保資料的永續性。Docker 映像採用分層結構，利用複製即寫機制管理變更，提升效率。文章也提供 Docker 安裝和常用 CLI 指令，方便讀者快速上手。
Docker幾乎可以安裝在所有硬體平台上，不同平台的Docker版本操作方式一致，簡化了跨平台應用程式的開發流程。由於不同架構的映像檔無法跨平台執行，需注意映像檔的架構相容性。Docker 提供多種安裝方式，推薦使用軟體倉函式庫安裝，方便更新和維護。安裝過程中需注意儲存驅動程式的選擇，一般使用預設即可。安裝完成後，需將使用者新增到 docker 群組，以避免每次執行 Docker 命令都需要 root 許可權。最後，透過執行 hello-world 映像檔驗證安裝成功。
第一節：Docker和容器基礎
在本文中，我們將回顧重要的Docker和容器概念，以及Docker為開發人員帶來的益處。在快速回顧Docker之後，我們將繼續討論如何為容器新增持久資料，以及如何使用Docker網路將容器暴露給外部世界。這些基本概念對於完全理解Kubernetes以及瞭解容器如何在叢集中執行至關重要。
本部分包括以下章節：
- 第1章：瞭解Docker和容器基礎知識
- 第2章：使用持久資料
- 第3章：瞭解Docker網路
第1章：Docker和容器基礎知識
容器是近年來最具變革性的技術之一。科技公司、企業和終端使用者都採用了它來處理日常工作負載。越來越多的現成應用程式（COTS）正在從傳統安裝轉變為完全容器化的佈署。隨著如此重大的技術變革，IT領域的任何人都必須學習有關容器的知識。
在本章中，我們將介紹容器所解決的問題。在介紹了容器的重要性之後，我們將介紹啟動現代容器熱潮的執行時——Docker。在本章結束時，您將瞭解如何安裝Docker以及如何使用最常見的Docker CLI命令。
在本章中，我們將涵蓋以下主題：
- 瞭解容器化的需求
- 瞭解Docker
- 安裝Docker
- 使用Docker CLI
讓我們開始吧！
內容解密：
本章主要介紹了容器的基本概念及其重要性，並引出了Docker這一現代容器執行時。透過本章的學習，讀者將能夠瞭解容器的基本原理，並掌握Docker的基本使用方法。
容器化技術的需求與 Docker 簡介
在軟體開發與佈署的過程中，「它在我的機器上可以運作」是個令人沮喪的問題。開發者需要確保應用程式在不同環境中的相容性，而容器化技術正是為瞭解決這一難題而誕生。
為何需要容器化？
開發者交付應用程式時常會遇到依賴性問題。開發者的機器上可能安裝了某些函式庫，而這些函式庫並未包含在應用程式的釋出包中。將所有依賴的函式庫與應用程式一起封裝似乎是個解決方案，但這可能會導致版本衝突，進而影響其他應用程式的運作。
過去，業界嘗試過各種解決方案，如應用程式虛擬化技術（例如 VMware 的 Thinapp）。這種技術將應用程式及其依賴項封裝成單一的可執行檔，避免了依賴性衝突的問題，同時也提升了安全性，並簡化了作業系統遷移的流程。
Docker 的登場
Docker 將容器化技術帶給了廣大的開發者。它提供了一個抽象層，讓開發者能夠輕鬆地封裝應用程式及其依賴項，而不需要為每個應用程式準備一個乾淨的系統環境。Docker 的出現降低了使用門檻，並且是免費的，因此迅速成為許多開源專案的首選。
Docker 容器基礎概念
Docker 容器具有短暫性（ephemeral）的特性，這意味著容器可以在任何時候被銷毀並重新啟動，而不會影響到使用者的體驗。然而，這也意味著在容器中對檔案系統所做的任何修改，都不會被儲存下來。
舉例來說：
- 啟動一個執行 NGINX 網頁伺服器的容器，但不包含任何網頁內容。
- 使用 Docker 命令將網頁檔案複製到容器的檔案系統中。
- 瀏覽網頁，確認網頁內容正確顯示。
- 停止並刪除容器。稍後重新啟動容器，再次瀏覽網頁時，卻發現出現了 404 錯誤。
# 建立並執行 NGINX 容器
docker run --name my-nginx -d nginx
# 將網頁檔案複製到容器中
docker cp ./webfiles my-nginx:/usr/share/nginx/html/
# 瀏覽網頁，確認內容正確
# 停止並刪除容器
docker stop my-nginx
docker rm my-nginx
# 重新建立並執行容器
docker run --name my-nginx -d nginx
# 再次瀏覽網頁，出現 404 錯誤
內容解密：
docker run --name my-nginx -d nginx：建立並在背景執行一個名為my-nginx的 NGINX 容器。docker cp ./webfiles my-nginx:/usr/share/nginx/html/：將本地端的webfiles目錄複製到容器內的/usr/share/nginx/html/目錄。- 當容器被刪除後，所有在容器檔案系統中的修改都會丟失，因此重新啟動的容器無法找到之前複製的網頁檔案。
Docker 容器本質與資料持久化解析
Docker 容器的本質是短暫且非持久的，這意味著當容器停止或被刪除時，所有在容器內部所做的變更預設都會丟失。瞭解這一特性對於有效使用 Docker 技術至關重要。
為什麼容器內的檔案會消失？
當你啟動一個 Docker 容器時，它是根據一個基礎映像（base image）執行個體化的。任何對容器檔案系統的修改都會被寫入一個稱為容器層（container layer）的暫存層中。這個容器層與容器的 ID 相關聯，並且會在容器被刪除時一併移除。因此，當你停止並刪除一個容器後，所有在該容器內上傳的檔案都會丟失。
容器的短暫性與資料持久化需求
雖然容器是短暫的，但這並不意味著你不能在執行中的容器內進行修改。任何變更都會被寫入容器層，並儲存在主機的檔案系統中，直到容器被刪除。然而，為了實作資料的持久化，Docker 提供了多種方法，例如使用 Docker 卷（Docker volumes）將資料儲存在容器外部，從而確保即使在容器被刪除後，資料仍然得以保留。
Docker 映像層與複製即寫（Copy-on-Write）機制
Docker 映像是由多個映像層（image layers）堆積疊而成，每一層都包含著檔案系統的變更記錄。當你執行一個容器時，Docker 會在這些唯讀的映像層之上新增一個可寫的容器層。Docker 採用複製即寫（copy-on-write）機制來有效管理這些層之間的互動。當你需要修改一個檔案時，Docker 會將該檔案複製到容器層，並在那裡進行修改，而原始的映像層保持不變。
如何實作資料持久化？
為了克服容器短暫性的限制，Docker 提供了資料持久化的解決方案，例如 Docker 卷。透過將 Docker 卷掛載到容器內，你可以將資料儲存在容器的外部，從而實作資料的持久化。這樣，即使容器被刪除或重新啟動，儲存在 Docker 卷中的資料仍然得以保留。
Docker 安裝
本文的實作練習需要一台可用的 Docker 主機。你可以按照本文中的步驟進行安裝，或者執行本文 GitHub 儲存函式庫中 chapter1 目錄下的 install-docker.sh 指令碼。
Docker 映像層結構
@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle
title Docker容器基礎與資料持久化
package "Kubernetes Cluster" {
package "Control Plane" {
component [API Server] as api
component [Controller Manager] as cm
component [Scheduler] as sched
database [etcd] as etcd
}
package "Worker Nodes" {
component [Kubelet] as kubelet
component [Kube-proxy] as proxy
package "Pods" {
component [Container 1] as c1
component [Container 2] as c2
}
}
}
api --> etcd : 儲存狀態
api --> cm : 控制迴圈
api --> sched : 調度決策
api --> kubelet : 指令下達
kubelet --> c1
kubelet --> c2
proxy --> c1 : 網路代理
proxy --> c2
note right of api
核心 API 入口
所有操作經由此處
end note
@enduml
圖表翻譯： 此圖示展示了 Docker 映像層的結構，從基礎映像層開始，逐層疊加，最上層為可寫的容器層。
內容解密：
- 圖中展示了 Docker 的分層結構，從底層的基礎映像層到頂層的可寫容器層。
- 每個映像層都是唯讀的，而容器層是可寫的，用於儲存執行中的容器的變更。
程式碼範例：Dockerfile 編寫
# 使用官方 Nginx 映像作為基礎映像
FROM nginx:latest
# 複製自定義網頁到容器內的預設 Nginx 網頁目錄
COPY index.html /usr/share/nginx/html/index.html
# 暴露容器的 80 連線埠
EXPOSE 80
內容解密：
FROM nginx:latest：使用最新的官方 Nginx 映像作為基礎映像。COPY index.html /usr/share/nginx/html/index.html：將當前目錄下的index.html複製到容器內的 Nginx 網頁目錄，取代預設的首頁。EXPOSE 80：宣告容器監聽的連線埠號碼為 80，以便外部可以透過此連線埠存取 Nginx 服務。
總之，透過瞭解 Docker 的基本原理和操作，你可以更有效地使用 Docker 來開發、佈署和管理應用程式。接下來的章節將進一步探討 Docker 的進階功能，包括如何使用 Docker 卷和網路設定來增強容器的功能性和靈活性。
Docker 與容器基礎知識
現今，Docker 可安裝於幾乎所有硬體平台上。每個版本的 Docker 在各平台上的運作方式和外觀都相同，使得需要開發跨平台應用程式的人員能夠輕鬆使用 Docker。透過使不同平台之間的功能和命令保持一致，開發人員無需學習不同的容器執行環境即可執行映像檔。
下表列出了 Docker 可用的平台。如您所見，有多個作業系統以及多個 CPU 架構的安裝選項：
Docker 的可用平台
由於不同架構的映像檔無法在不同的架構上執行，因此無法在 x86 硬體上建立映像檔並期望該映像檔能在搭載 ARM 處理器的 Raspberry Pi 上執行。同樣需要注意的是，雖然可以在 Windows 機器上執行 Linux 容器，但無法在 Linux 機器上執行 Windows 容器。
用於安裝 Docker 的安裝步驟會因平台而異。幸運的是，Docker 已在其網站上記錄了許多安裝步驟：https://docs.docker.com/install/。
在本章中，我們將在 Ubuntu 18.04 系統上安裝 Docker。如果您沒有可供安裝的 Ubuntu 機器，您仍然可以閱讀有關安裝步驟的內容，因為每個步驟都將被詳細解釋，您無需實際執行的系統即可理解該過程。如果您有不同的 Linux 安裝，您可以使用 Docker 網站上提供的安裝步驟：https://docs.docker.com/。該網站提供了 CentOS、Debian、Fedora、Ubuntu 的安裝步驟，以及其他 Linux 發行版的通用安裝步驟。
準備安裝 Docker
在開始安裝之前，我們需要考慮要使用的儲存驅動程式。儲存驅動程式提供了聯合檔案系統，用於管理容器的層以及如何存取容器的可寫入層。
在大多數安裝中，您不需要更改預設的儲存驅動程式，因為會自動選擇預設選項。如果您執行的 Linux 核心版本至少為 4.0 或更高版本，您的 Docker 安裝將使用 overlay2 儲存驅動程式；較早的核心版本將安裝 AUFS 儲存驅動程式。
除了 overlay2 和 AUFS 驅動程式之外，Docker 還支援 devicemapper、btrfs、zfs 和 vfs 儲存驅動程式。但是，這些驅動程式很少在新系統中使用，此處僅作為參考。
如果您想了解每個儲存驅動程式，請參閱以下 Docker 網頁，該網頁詳細介紹了每個驅動程式及其使用案例：https://docs.docker.com/storage/storagedriver/select-storage-driver/。
現在您瞭解了儲存驅動程式的需求，下一步是選擇安裝方法。您可以透過以下三種方法之一來安裝 Docker：
- 將 Docker 軟體倉函式庫新增到您的主機系統。
- 手動安裝套件。
- 使用 Docker 提供的安裝指令碼。
第一種方法被認為是最佳選擇，因為它允許輕鬆安裝和更新 Docker 引擎。第二種方法對於沒有網際網路存取權的企業伺服器（即「隔離」伺服器）非常有用。第三種方法用於安裝 edge 和測試版本的 Docker，不建議用於生產環境。
由於首選方法是將 Docker 的軟體倉函式庫新增到我們的宿主機，因此我們將使用該選項並解釋新增軟體倉函式庫和安裝 Docker 的過程。
在 Ubuntu 上安裝 Docker
既然我們已經完成了所有準備工作，讓我們開始安裝 Docker：
- 第一步是透過執行
apt-get update更新套件索引：
sudo apt-get update
內容解密：
此命令用於更新本地套件索引，以確保我們擁有最新的套件資訊。sudo 用於以管理員許可權執行命令。
- 接下來，我們需要新增可能在宿主機系統上遺失的套件，以允許 HTTPS apt 存取：
sudo apt-get install apt-transport-https ca-certificates curl gnupg-agent software-properties-common
內容解密：
此命令安裝必要的套件，以允許系統透過 HTTPS 存取軟體倉函式庫，並安裝其他必要的工具，如 curl 和 gnupg-agent。
- 要從 Docker 的軟體倉函式庫中提取套件，我們需要新增其金鑰。您可以使用以下命令新增金鑰，該命令將下載 gpg 金鑰並將其新增到您的系統中：
curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo apt-key add -
內容解密：
此命令下載 Docker 的 GPG 金鑰並將其新增到系統的金鑰圈中，以驗證 Docker 套件的真實性。
- 現在，將 Docker 的軟體倉函式庫新增到您的宿主機系統：
sudo add-apt-repository "deb [arch=amd64] https://download.docker.com/linux/ubuntu $(lsb_release -cs) stable"
內容解密：
此命令新增 Docker 的 APT 軟體倉函式庫到系統中，使我們能夠從該倉函式庫安裝 Docker。
- 完成所有先決條件後，您可以在伺服器上安裝 Docker：
sudo apt-get update
sudo apt-get install docker-ce docker-ce-cli containerd.io
內容解密：
第一個命令更新套件索引，以反映新新增的 Docker 軟體倉函式庫。第二個命令安裝 Docker 社群版（docker-ce）、Docker CLI（docker-ce-cli）和容器執行環境（containerd.io）。
- 現在，Docker 已安裝在您的宿主機上，但與大多數新服務一樣，Docker 目前未執行，也未組態為隨系統啟動。要啟動 Docker 並使其在啟動時啟用，請使用以下命令：
sudo systemctl enable docker && systemctl start docker
內容解密：
此命令啟用 Docker 服務，使其在系統啟動時自動啟動，並立即啟動 Docker 服務。
給予 Docker 許可權
在預設安裝中，Docker 需要 root 存取許可權，因此您需要以 root 身份執行所有 Docker 命令。與其在每個 Docker 命令前使用 sudo，您可以將您的使用者帳戶新增到伺服器上的一個新群組，該群組提供無需 sudo 的 Docker 存取許可權。
如果您以標準使用者身份登入並嘗試執行 Docker 命令，您將收到錯誤訊息：
Got permission denied while trying to connect to the Docker daemon socket at unix:///var/run/docker.sock: Get http://%2Fvar%2Frun%2Fdocker.sock/v1.40/images/json: dial unix /var/run/docker.sock: connect: permission denied
要允許您的使用者或其他您可能想要新增的使用者執行 Docker 命令，您需要建立一個新群組並將使用者新增到該群組。以下是您可以使用的範例命令，用於新增目前登入的使用者：
sudo groupadd docker
sudo usermod -aG docker $USER
內容解密：
第一個命令建立一個名為 docker 的新群組。第二個命令將目前登入的使用者帳戶新增到 docker 群組。
要使新的成員資格對您的帳戶生效，您需要登出系統並重新登入，這將更新您的群組。
最後，您可以透過執行標準的 hello-world 映像檔來測試它是否有效（注意，我們不需要使用 sudo 來執行 Docker 命令）：
docker run hello-world
內容解密：
此命令下載並執行 hello-world 映像檔，用於測試 Docker 安裝是否成功以及目前使用者是否有許可權執行 Docker 命令。
使用 Docker CLI
當您執行 hello-world 容器來測試您的安裝時，您使用了 Docker CLI。Docker 命令是用於與 Docker daemon 互動的工具。使用這個單一的可執行檔，您可以執行以下操作，以及更多：
- 啟動和停止容器
- 提取和推播映像檔
- 在活動容器中執行 shell
- 檢視容器日誌
- 建立 Docker 磁碟區
- 建立 Docker 網路
- 清理舊映像檔和磁碟區