解析Docker、Kubernetes、Openshift的发展历史及架构

MEILIFENGQ 2020-09-08 4299

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今年以来，远程办公、远程会议走进了大多数人的日常工作中，各类云产品相继被人们所熟悉，例如石墨云”OFFice”办公软件、腾讯云平台、云课堂，为实现多人协同办公、远程操控等需求，提供多类渠道。这些应用可能在实现技术上，不是严格意义的上云，但“云”逐渐浸透各个领域，晕染出不一样的风采。

“上云”一词早已流行，各小中大企业为摆脱地域限制、减轻研发成本、实现安全可靠管理保障，纷纷研究“如何上云”。作为一个奔跑在新型IT时代的逐梦人，我踏上了寻找杰克魔豆的旅程，下面是我在探索道路上的所见所闻。

开始

云计算从2006年提出至今，经历了翻天覆地的发展变化，由IaaS到PaaS、SaaS，应用越来越广泛。在其发展初期，IT建设多围绕IaaS进行，包括计算虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化等，使用对象主要是虚拟机。但由于虚拟机承载的是操作系统，我们依然需要在操作系统中安装基础软件，并未减轻开发人员部署环境的压力。然而自Docker为代表的容器技术出现后，实现应用可以在容器中直接运行，切实减轻了程序员部署精力，促进了容器PaaS的迅速发展，并已逐渐形成云生态体系——以Docker、Kubernetes为核心，由Docker提供应用级的主机抽象，Kubernetes提供应用级的集群抽象。在此基础上涌现了红帽OpenShift等优秀企业级PaaS产品。

本文将着重对Docker、Kubernetes、Openshift的发展历史及架构进行分析，并分享“部署自研运维系统到云平台”的实践经验。

标准化的软件构建与分发技术Docker

1.容器技术优势

前文说，容器技术的诞生，为减轻开发人员部署环境压力，提供了可能。容器技术也打造了一套标准化的软件构建和分发流程，为降低运维成本、提高软件安全和运行稳定等方面提供便利。容器技术不仅仅打造一个运输用的“集装箱”，还保证软件在容器内能够运行，在操作系统上构成“独立的箱子”。这需要解决文件系统、网络、硬件等多方面的问题。经过长时间的发展，容器技术现已逐步成熟。使用容器技术后，开发者可以使用熟悉的编程语言开发软件，之后用容器技术打包构建，便可一键运行在所有支持该容器技术的平台上。

2.容器技术的典型代表——Docker架构

Docker是一个构建、发布、运行分布式应用的平台，Docker平台整体可以看成由Docker引擎（运行环境+打包工具）、Docker Registry（API+生态系统）两部分组成。包括Docker Client、Docker daemon、Docker Image、Docker Container等部分。

其中Docker引擎可以分为守护进程和客户端两大部分。Docker引擎的底层是各种操作系统以及云计算基础设施，而上层则是各种应用程序和管理工具，每层之间都是通过API来通信的。详细介绍如下。

Docker Client是Docker提供命令行界面（CLI）工具，是用户与Docker进行交互的主要方式。客户端可以构建，运行和停止应用程序，还可以远程与Docker_Host进行交互。

Docker daemon是服务器组件，以Linux后台服务的方式运行，是Docker最核心的后台进程。它负责响应来自Docker Client的请求，然后将这些请求翻译成系统调用完成容器管理操作。

Docker镜像可以看作是一个特殊的文件系统，除了提供容器运行时所需的程序、库、资源、配置等文件外，还包含了一些为运行时准备的一些配置参数（如匿名卷、环境变量、用户等）。

Docker容器就是Docker镜像的运行实例，是真正运行项目程序、消耗系统资源、提供服务的地方。

Docker提供了应用级的主机抽象，可以更容易地实现应用的快速申请和部署。

容器时代的舵手Kubernetes

如果说Docker是容器时代的大船，Kubernetes就是指引船只的舵手。作为容器集群管理工具，Kubernetes有一套健壮的集群自恢复机制，包括容器的自动重启、自动重调度以及自动备份甚至负载等。

1.Kubernetes的发展历程

Kubernetes前身是谷歌大规模集群管理系统Brog，它基于容器技术，实现资源管理的自动化，以及跨数据中心资源利用的最大化。Kubernetes于2015年正式对外发布，经过4年多的发展，为容器编排提供强大的解决方案，成为云原生系统的重要支撑。

当前，国内外的很多企业都建立了基于Kubernetes的云平台，如OpenShift、阿里云等。下面分别简述阿里巴巴和美团点评的云平台发展实践历程。

阿里巴巴于2013年开始探索由容器替换虚拟机，2018年开始自研容器调度系统向Kubernetes转型，2019年阿里业务全面上云，2019年双十一中，基于Kubernetes的生态体系支撑了阿里史上规模最大的集群。

美团点评于2013年开始搭建云计算平台，2016年基于Docker搭建自研容器管理平台，2018年引入Kubernetes到云平台中，提升了平台的稳定性和资源使用效率。

2.Kubernetes的架构

在Kubernetes中，Service是分布式集群架构的核心。它是一种抽象概念，每一个Service后端有多个Pod，所有的容器均在Pod中运行。下图是一个典型的Kubernetes架构图。

Kubernetes由两种节点组成：Master节点，为管理节点；Node节点，为容器运行结点。

Service是架构的核心，提供远程服务，它的后端有多个Pod，每个容器均在Pod中运行。一个Service可以横跨多个Node，也可能一个Node里包含多个Service，一个Pod里也可以包含多个Container（容器）。

Pod是Kubernetes的最小调度单位，所以在我行实际应用中，一般一个Pod中只部署一个容器，以提高稳定性，降低风险。一个Label是一对键/值对，用来传递用户定义的属性。例如，可以用“Taihangboot”来标记一个太行应用。

Replication Controller，用来确保任意时间都有指定数量的Pod“副本”在运行。如果为某个Pod创建了Replication Controller并且指定2个副本，它会创建2个Pod，并且持续监控它们。

Kubernetes是强大的云原生体系工具，对容器进行编排，实现了集群化的管理。

企业级PaaS平台中的翘楚OpenShift

红帽OpenShift平台在Kubernetes的基础上，提高了平台运行稳定性，集成了Jeckins等工具，更易于实现Devops，可以为企业提供全面的应用上云服务。

1.OpenShift的发展历程

OpenShift是由红帽公司推出的PaaS云计算平台，它诞生于2011年，核心架构采用自研容器编排平台Gear。Kubernetes推出后，红帽决定对OpenShift进行重构。2015年6月，红帽推出了基于Kubernetes1.0的OpenShift3.0。2018年6月，OpenShift4.1发布，它与OpenShift3.0相比，较大的变化是引入了CoreOS作为默认操作系统。当前最新版本的OpenShift平台是2019年12月17日发布的4.2.11，新版系统进一步实现了混合云环境企业级服务的简化和自动化，同时可以让开发者通过云原生应用实现创新并提高业务价值。

OpenShift在Kubernetes的基础上扩展提供了软件定义网络、软件定义存储、权限管理、企业级镜像仓库、统一入口路由、持续集成流程（S2/Jenkins统一管理控制台、监控日志等功能，形成覆盖整个软件生命周期的解决方案，提供了企业级的服务支持。当前其提供三种产品：OpenShift Online、OpenShift Enterprise和OpenShift Origin。其中，OpenShift Online是面向普通开发者和小微企业的线上公有云平台；OpenShift Enterprise是面向企业的私有云平台；OpenShift Origin是一个开源项目，是构成前两个的基础。

2.OpenShift的技术架构

OpenShift平台可以安装于几乎所有的基础平台上，例如裸机、虚拟机、私有云、公有云等。整个OpenShift平台可以分为Container Storage、CoreOS、Kubernetets、Automated operations、Services等几个层级。下面分别进行介绍。

Container Storage是持久化的存储结构，它为整个基于容器的环境提供存储支持。CoreOS是Linux的一个发行版，提供容器执行的基础操作系统。Kubernetes即容器编排的调度平台。Automated operations指的是对于集群上运行的容器宿主机、Kubernetes集群和应用等服务，进行自动化的更新、管理等功能。Services包含平台所提供的具体服务，如集群服务（监控、扩缩容、镜像仓库、日志系统），应用服务（融合中间件、基础软件服务），Service Mesh（管理微服务应用），开发服务（开发工具、自动构建、持续集成、持续交付）等。

可以看出，OpenShift在Kubernetes的基础上，提供了底层支持，扩展了应用功能，以提供更全面、更便捷的服务。

智能运维系统上云实践

智能运维系统是一个全面的运维平台，可以实现监控相关系统的主要运行指标、发现异常后匹配应急方案、发起应急操作及验证、系统配置、用户管理等功能。

将该系统部署于OpenShift平台简要来说可分为3个步骤：创建容器、将生成的容器打好标签推送至镜像仓库、在OpenShift平台拉取镜像开始配置运行。介绍如下。

1.创建容器

通过Dockerfile来组合基础镜像和软件，Dockerfile中包含的内容包括基本镜像、要安装的软件包，要复制到容器中的软件，网络端口和挂载的存储卷等信息。编写好Dockerfile后，可通过运行docker build命令来创建一个存储在本地的容器镜像。

2.将生成的容器打好标签推送至镜像仓库

使用docker tag命令向新容器镜像添加标签，以标识其在镜像仓库的位置。然后，通过运行docker push命令将该镜像推送到镜像仓库。

3.在OpenShift平台配置运行容器

在OpenShift平台配置Deployment、Service、Router等运行策略，即可从镜像仓库拉取相关镜像，自动分配Pod，相关应用即可对外提供服务。

到此，有关云平台技术的介绍已经分享完毕。从基础容器技术Docker，到集群容器编排Kubernetes，最后到企业级PaaS平台OpenShift，云技术越来越成熟，并逐步形成生态体系。云原生应用体系对于Devops、微服务等的实现也具有天然的优势，在持续集成、持续部署上更加高效、安全，极大的提高了生产效率，将在企业数字化转型中发挥巨大的作用。

最后

作为一个奋战在一线的运维人员，经常遇到集群扩容、环境迁移、频繁的变更等等一系列繁杂的任务与问题，处理起来费时且容易出错。在接触到云原生应用后，被其标准化、轻量、高效的运行、部署模式所吸引，感受到应用上云对运维方式带来的巨大改变，故障自愈、一键迁移、一键部署等都轻易实现，随后对各个技术的官网文档、相关书籍、网络博客进行了研究，形成了本文，希望能对未来的系统建设添砖加瓦。
责任编辑：tzh

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