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玄貓（BlackCat）

Docker 容器技術入門與實踐

本文介紹 Docker 容器技術的核心概念、架構、優點以及與 Linux 容器的差異，並提供一個以 WordPress 為例的實際應用案例，說明如何使用 Docker 簡化佈署流程。文章也涵蓋 Docker 的基本指令操作、安裝以及未來展望，適合 DevOps 工程師與後端開發者學習。

容器技術 DevOps
Docker 容器 虛擬化 DevOps 映像檔 容器化

Docker 的出現簡化了容器技術的使用，使其更易於上手和管理。相較於 Linux 容器（LXC），Docker 在程式管理、持久化儲存和可移植性方面都有顯著的改進。Docker 容器通常只執行單一程式，提升了微服務架構的靈活性；透過 Docker 卷解決了持久化儲存的問題；而 Docker 映像檔的設計則大幅提升了應用程式在不同環境間的可移植性。Docker 採用客戶端-伺服器架構，客戶端與 Docker Daemon 互動，而 Daemon 負責管理容器的生命週期。Docker 的核心元件包含 Docker 映像檔、容器、伺服器、客戶端和 Registry。Docker 映像檔是唯讀範本，用於建立容器；Docker 容器則是映像檔的執行例項；Docker Registry 儲存和分享映像檔。Dockerfile 是一個文字檔案，定義了構建映像檔的步驟。Docker Machine 則用於管理 Docker 主機，Docker Swarm 負責容器的叢集管理，Docker Compose 則簡化了多容器應用程式的定義和執行。Docker 的輕量化設計、可移植性、可重用性、快速佈署和高資源利用率使其在現代 DevOps 流程中扮演著重要的角色。相較於傳統虛擬機器，Docker 容器不包含完整的作業系統，因此更輕量且啟動速度更快。此外，Docker 容器的環境一致性也簡化了應用程式在不同環境中的佈署。

容器技術簡介

在討論 Docker 之前，我們先了解一下容器技術的基本概念。容器技術並非新興事物，它已經存在多年，但在 Docker 出現之前，並未廣泛應用。容器技術可以追溯到 Linux 容器（LXC），這些容器最初設計為輕量級的虛擬化解決方案。Docker 的出現使得容器技術變得更加流行，因為它引入了一系列改進，讓容器更加便捷、可移植且靈活。

Docker 與 Linux 容器的差異

Docker 和 LXC 之間有一些關鍵的區別：

  • 程式管理： 在 LXC 中，你可以在同一個容器內執行多個程式。相比之下，Docker 容器通常只執行一個程式。如果你的應用程式由多個程式組成，你需要執行相同數量的 Docker 容器。這種設計雖然增加了容器管理的複雜度，但它提供了更高的靈活性和微服務架構所需的細粒度控制。

  • 持久化儲存： Docker 容器本質上是無狀態的，不支援持久化儲存。你需要透過掛載 Docker 捲動磁碟（Docker Volumes）來實作外部儲存。

  • 可移植性： Docker 提供了比 LXC 更好的可移植性。LXC 的可移植性受限於不同主機上的組態差異。Docker 透過抽象化作業系統、網路和儲存細節，確保了應用程式在不同環境中的一致性。這使得開發者可以輕鬆地從開發環境將容器映像（images）移動到生產環境中。

基本容器架構

下圖展示了基本的容器架構：

此圖示解說：

  1. 應用程式：包含所需的所有依賴項。
  2. 依賴項：例如目錄結構、函式庫、程式空間等。
  3. 容器引擎：管理和執行應用程式的軟體。
  4. 宿主作業系統：執行容器引擎的底層作業系統。
  5. 伺服器基礎設施：提供計算資源的物理或虛擬機器。

Docker 架構與元件

Docker 採用客戶端-伺服器架構，客戶端與 Docker Daemon（守護程式）進行通訊，Daemon 提供所有必要的服務來管理和執行容器。以下是 Docker 生態系統中的主要元件：

Docker 元件介紹

  • Docker Server 或 Daemon： 這是執行在宿主機上的守護程式，負責管理所有在該機器上執行的容器。

  • Docker 容器： 每個 Docker 容器都是一個獨立的虛擬系統，包含執行應用程式所需的所有檔案、依賴項、程式空間和埠號。由於每個容器都有所有可用埠號，因此需要在 Docker 層次上進行對映。

  • Docker Client： 使用者介面或命令列介面，用於與 Docker Daemon 進行通訊。

  • Docker Images： 離線範本檔案是唯讀檔案，可以移動和分發。與虛擬機器不同的是，這些檔案可以進行版本控制。你可以使用 docker diff 檢視兩個映像之間的變更。每個映像由多個層次組成，這些層次可能會在不同映像之間分享。如果你需要升級現有應用程式，更新將建立一個新層次在現有映像之上。這意味著你只需要傳輸和佈署新層次，從而使整個過程更輕量級和更快速。

舉例說明：

假設我們有一個簡單的 Python 應用程式並希望將其封裝成 Docker 態象：

# 基礎映像使用官方 Python 態象
FROM python:3.9-slim

# 設定工作目錄
WORKDIR /app

# 複製應用程式檔案到容器內
COPY . /app

# 安裝所需的依賴項
RUN pip install --no-cache-dir -r requirements.txt

# 暴露應用程式執行的埠號
EXPOSE 5000

# 啟動應用程式
CMD ["python", "app.py"]

內容解密：

  1. FROM python:3.9-slim：指定基礎映像為官方 Python 態象（slim 版本），這是一個輕量級版本。
  2. WORKDIR /app：設定工作目錄為 /app。
  3. COPY . /app：將當前目錄中的所有檔案複製到 /app。
  4. RUN pip install –no-cache-dir -r requirements.txt：安裝應用程式所需的依賴項。
  5. EXPOSE 5000：暴露應用程式執行所需的埠號（5000）。
  6. CMD [“python”, “app.py”]：設定預設命令為啟動 app.py。

這樣就建立了一個完整且可移植的 Python 應用程式映像。

  • Docker Registry： 儲存及分享 Docker 態象之倉函式庫。著名的 Registry 有 Docker Hub（類別似 GitHub），允許你提取或推播公共或私有存取許可權之態象。

  • Dockerfile： 一個簡單文字檔案，指定如何建立自訂軟體之指令。可設定安裝軟體、環境變數、工作目錄等設定。

  • Docker Machine： 用於在本地或雲端建立及管理 Docker 主機。可以直接連線各大雲端服務提供者如 Amazon 或 Microsoft Azure。

  • Docker Swarm： 提供原生叢集能力，將多個 Docker 節點組成一個大型 Docker 主機。Swarm 模式支援負載平衡及服務發現功能。

  • Docker Compose： 用於定義及執行多個容器組成之應用程式環境。允許使用一份 docker-compose.yml 檔案來管理多個服務及其相關依賴項。

Docker 容器技術

Docker 容器技術提供了一個輕量且高效的虛擬化環境，能夠彌補傳統虛擬機器（VM）技術的不足，並且為現代軟體開發與維運（DevOps）帶來了顯著的優勢。以下將探討 Docker 的架構、優點及其實際應用。

Docker 的架構

Docker 容器的核心是其輕量級的虛擬化環境，這些環境由 Docker 客戶端、容器、映像（Images）、Docker 伺服器和 Docker 登入函式庫等元件組成。以下是 Docker 的基本架構圖：

此圖示解釋：

  • Docker Client：使用者與 Docker 互動的介面，可以發出命令來管理容器。
  • Docker Registry：儲存 Docker 映像的中央倉函式庫，可以是公共的（如 Docker Hub）或私有的。
  • Docker Server：負責執行和管理容器的伺服器。
  • Containers：從映像中執行的例項，包含應用程式及其所有依賴項。
  • Images：只讀範本，包含應用程式及其依賴項。

Docker 的優點

Docker 提供了多種優勢，使其成為現代 DevOps 流程中不可或缺的一部分：

輕量化

Docker 容器不包含自己的作業系統（OS），因此其尺寸相對較小。此外，容器可以儲存為映像檔案，這些檔案可以進行版本控制並輕鬆分發。

可攜帶性

Docker 容器是應用程式及其所有依賴項的組合體，獨立於佈署模型和作業系統版本。這使得容器可以輕鬆地轉移到其他主機上執行，無需進行任何修改。你只需構建一次即可在任何地方執行。

可重用性

Docker 命令會逐層建立新的映像層來構建最終映像。一旦映像被構建，Docker 就會重用它來進行新的構建，這使得構建速度更快且映像更小。例如，如果我們有一個根據 Ubuntu 和 Apache 網頁伺服器執行的映像，並需要另一個包含檔案 2 的映像。由於我們已經擁有第一個映像，Docker 將重用第一個映像中的所有層，除了檔案層。

快速佈署

Docker 容器是完全自給自足且輕量級的封裝包，易於分發且在測試週期中已經完全測試過。相同的容器可以在生產環境中佈署而無需進行任何或最小化的更改，從而加快佈署速度並減少因環境依賴而導致的回復。

資源利用率高

與虛擬機器相比，Docker 利用資源更加高效。因為其輕量級特性，可以在同一主機上安裝更多的容器而不是虛擬機器。

Docker 與虛擬機器技術

雖然 Docker 技術在許多情況下優於虛擬機器技術，但它並不會完全取代虛擬機器。實際上，許多佈署方式都是結合這兩種技術來最大化資源利用效率。例如，可以在虛擬機器內執行 Docker 容器。

Docker 的實際應用：WordPress 應用案例

假設我們需要設定一個基本的 WordPress 網站，該網站包含三個部分：網頁伺服器、關聯式資料函式庫（如 MySQL）和資料儲存空間。傳統虛擬機器方式需要建立多個虛擬機器並分別安裝所需軟體。

然而，使用 Docker 輕鬆實作同樣功能：

第一步：資料容器

我們可以從 Docker Hub 提取現成的 Ubuntu 基礎 Linux 應用並執行它來建立本地儲存空間：

docker create --name mysql_data_container -v /var/lib/mysql ubuntu

第二步：MySQL 容器

從 Docker Hub 提取最新版本的 MySQL 應用並執行它：

docker run --volumes-from mysql_data_container -v /var/lib/mysql:/var/lib/mysql -e MYSQL_USER=mysql -e MYSQL_PASSWORD=mysql -e MYSQL_DATABASE=test -e MYSQL_ROOT_PASSWORD=test -it -p 3306:3306 -d mysql

第三步：WordPress 容器

從 Docker Hub 提取最新版本的 WordPress 應用並執行它：

docker run -d --name wordpress --link mysql:mysql wordpress

這樣我們就完成了 WordPress 網站的設定，整個過程僅需十分鐘左右。

此圖示解釋：

  • Data Container：使用 Ubuntu 基礎 Linux 應用來建立本地儲存空間。
  • MySQL Container：使用 MySQL 應用來執行資料函式庫服務。
  • WordPress Container：使用 WordPress 應用來執行網頁伺服器。

#### 內容解密：

  • Data Container 建立：我們首先建立了一個名為 mysql_data_container 的資料容器，並將 /var/lib/mysql 掛載到 Ubuntu 基礎 Linux 應用中。這樣做是為了確保資料持久化儲存。
  • MySQL Container 建立：接著我們從 Docker Hub 提取 MySQL 應用並執行它。我們使用 --volumes-from 選項將之前建立的資料卷掛載到 MySQL 容器中。
  • WordPress Container 建立：最後我們提取 WordPress 應用並執行它。我們使用 --link 選項將 WordPress 與 MySQL 資料函式庫連線起來。

這種設計方法不僅簡化了佈署流程，還提高了系統的可移植性和可靠性。每個容器都獨立執行一個程式，透過標準間程式通訊（IPC）與其他服務或程式進行互動。這樣可以實作微服務架構中的獨立和可擴充套件性。

容器技術的優勢與實踐

在現代軟體開發與佈署中，容器技術已成為不可或缺的一部分。容器技術的輕量化設計使其能夠在不需獨立作業系統的情況下執行，這大大簡化了維護和擴充套件的難度。以下將探討容器技術的優勢，並以Docker為例，詳細說明其實際應用。

輕量化設計與簡單維護

容器的輕量化設計使其能夠快速啟動和停止，這對於需要頻繁佈署和更新的應用程式來說非常有利。以下是一些具體的優勢：

簡單升級流程

假設我們需要升級MySQL的映像檔，只需停止目前執行中的MySQL容器，提取最新版本的MySQL映像檔，並將其執行在相同的卷對映上即可完成升級。這種操作簡單且高效，大大減少了升級過程中的風險和時間成本。

資源重用

容器技術允許我們在不同的環境中重用相同的映像檔。例如，如果我們需要為特定團隊定製一個WordPress版本，可以提取另一個WordPress映像檔並執行新的Docker容器，同時連線到相同的資料函式庫。這種重用機制大大提高了開發效率。

簡單且直觀的叢集管理

Docker提供了原生叢集功能稱為Swarm模式。透過幾個簡單的指令，我們可以建立叢集、負載平衡和服務發現。這種叢集管理方式簡單直觀，適合於需要高用性和擴充套件性的應用場景。

Docker安裝

隨著Docker技術的普及，其安裝過程也變得越來越簡單。以下將介紹在不同作業系統上安裝Docker的步驟。

在Mac OS X上的安裝

假設你的Mac電腦是2010年或之後生產的，並且安裝了OS X 10.11或更高版本。以下是安裝Docker的步驟：

  1. 開啟瀏覽器，輸入以下網址：https://docs.docker.com/docker-for-mac/install/#download-docker-for-mac。點選「Get Docker for Mac (Stable)」開始下載Docker工具箱。
  2. 雙擊下載好的安裝包進行解壓縮。
  3. 將解壓縮後的Docker鯨魚圖示拖動到應用程式資料夾中。
  4. 雙擊應用程式圖示並點選「Open」，然後點選「OK」。
  5. 系統會彈出要求輸入Mac OS X密碼，請輸入你的密碼進行授權。
  6. 如果你之前安裝過Docker工具箱，系統會彈出一個選項讓你選擇是否要複製現有的Docker映像和容器。選擇「Copy」即可完成複製；如果是新安裝則不會看到此畫面。
  7. 安裝完成後，Docker引擎會自動啟動。

註冊Docker Hub

安裝完成後，系統會提示你註冊Docker Hub。Docker Hub是一個雲端註冊服務，用於儲存和分配Docker映像檔。你可以在公共空間分享你的Docker映像檔，或者購買私有選項來限制存取許可權。

如果你已經註冊了Docker Hub，可以輸入你的使用者名稱和密碼登入；如果還沒有註冊，可以選擇稍後註冊。

基本指令操作

以下是一些基本的Docker指令操作示例：

  1. 驗證Docker版本：

    docker --version

    這條指令會顯示你所安裝的Docker版本號。

  2. 檢視所有可用指令：

    docker --help

    這條指令會列出所有可用的Docker指令及其用法。

內容解密：

  • docker --version：這條指令用於確認當前系統上所安裝的Docker版本號。這在進行除錯或確認系統環境時非常有幫助。
  • docker --help：這條指令列出所有可用的Docker指令及其簡要說明，方便我們快速查詢和使用。

容器技術正以迅猛之勢發展著。隨著越來越多公司和開發者採用這項技術，社群也在不斷推出新功能和改進現有功能。玄貓建議大家持續關注最新動態並參與社群交流以保持技術競爭力。

此圖示展示了Docker容器之間如何透過網路互聯：

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Docker 容器技術入門與實踐

package "Docker 架構" {
    actor "開發者" as dev

    package "Docker Engine" {
        component [Docker Daemon] as daemon
        component [Docker CLI] as cli
        component [REST API] as api
    }

    package "容器運行時" {
        component [containerd] as containerd
        component [runc] as runc
    }

    package "儲存" {
        database [Images] as images
        database [Volumes] as volumes
        database [Networks] as networks
    }

    cloud "Registry" as registry
}

dev --> cli : 命令操作
cli --> api : API 呼叫
api --> daemon : 處理請求
daemon --> containerd : 容器管理
containerd --> runc : 執行容器
daemon --> images : 映像檔管理
daemon --> registry : 拉取/推送
daemon --> volumes : 資料持久化
daemon --> networks : 網路配置

@enduml

內容解密：

  • Container 1：代表第一個執行中的Docker容器。
  • Container 2：代表第二個執行中的Docker容器。
  • Container 3：代表第三個執行中的Docker容器。
  • Database：代表一個外部資料函式庫。
  • Network：表示各個容器之間透過網路進行通訊。

玄貓希望透過這些內容幫助大家更好地理解並掌握容器技術。隨著技術不斷進步及應用場景日益豐富，玄貓期待看到更多創新應用和實踐案例。