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《容器技术全解析：概念、架构、原理、工具与使用方法》
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容器技术的概念
容器技术是一种轻量级的操作系统级虚拟化技术，它将应用程序及其依赖项打包成一个独立的、可移植的容器单元，使得应用程序可以在不同的计算环境中快速、一致地运行，与传统的虚拟机相比，容器共享宿主机的操作系统内核，不需要为每个容器单独安装操作系统，从而大大减少了资源开销。
一个基于Python开发的Web应用，它依赖于特定版本的Python库、Web服务器软件等，通过容器技术，可以将这个Web应用及其所有依赖项打包成一个容器，这个容器就像是一个独立的小盒子，里面包含了运行该应用所需的一切，并且可以在任何支持容器运行时的环境（如开发人员的本地机器、测试服务器、生产服务器等）中运行，而不用担心环境差异导致的兼容性问题。
容器技术的架构
1、镜像层（Image Layer）
- 容器镜像是容器技术的核心组成部分，它是一个只读的模板，包含了运行容器所需的文件系统、应用程序代码、运行时环境、系统工具等，镜像由多个层组成，每个层代表了一次对镜像的修改或添加操作，基础操作系统层、安装应用依赖库的层、部署应用代码的层等，这种分层结构的好处是可以有效地复用镜像层，当多个容器基于相同的基础镜像构建时，它们可以共享这些基础层，减少磁盘空间占用和镜像下载时间。
2、容器层（Container Layer）
- 容器是基于镜像创建的可运行实例，当创建一个容器时，会在镜像的基础上添加一个可写的容器层，这个容器层用于存储容器运行过程中产生的数据，如日志文件、应用程序运行时产生的临时文件等，容器层与镜像层是分离的，这样可以保证容器的可移植性，当容器被删除时，容器层的数据也会被删除，而镜像层仍然保留，方便下次创建相同或类似的容器。
3、容器运行时（Container Runtime）
- 容器运行时负责管理容器的生命周期，包括创建、启动、停止、删除容器等操作，常见的容器运行时有Docker Engine、rkt等，容器运行时与操作系统内核进行交互，为容器提供隔离的运行环境，它利用内核的命名空间（Namespace）和控制组（cgroup）等特性来实现容器之间的资源隔离和限制，通过命名空间技术，可以将容器的进程、网络、文件系统等资源与宿主机和其他容器隔离开来，使得每个容器都感觉自己是在一个独立的系统中运行；而控制组则可以对容器使用的CPU、内存、磁盘I/O等资源进行限制和分配，防止某个容器过度占用资源而影响其他容器或宿主机的性能。
容器技术的原理
1、命名空间（Namespace）
- 命名空间是Linux内核提供的一种资源隔离机制，在容器技术中，主要使用了以下几种命名空间：
PID命名空间：用于隔离进程ID，在一个PID命名空间内，进程ID是独立的，容器内的进程ID与宿主机和其他容器内的进程ID不会冲突，容器内的第一个进程（通常是init进程）在容器的PID命名空间内的ID为1，而在宿主机的PID命名空间内可能是一个较大的数字。
网络命名空间：隔离网络资源，每个容器可以有自己独立的网络配置，如IP地址、网络接口、路由表等，这使得容器可以像独立的主机一样进行网络通信，并且不会干扰宿主机和其他容器的网络，可以为一个容器分配一个私有IP地址，使其只能与特定的容器或网络进行通信。
文件系统命名空间：提供文件系统的隔离，容器有自己独立的根文件系统（rootfs），它是基于镜像构建的，容器内的文件系统操作只影响容器内部的文件系统，不会影响宿主机的文件系统，容器内可以创建、删除文件，而这些操作不会对宿主机的文件系统造成直接影响。
UTS命名空间：用于隔离主机名和域名，每个容器可以有自己独立的主机名和域名，这有助于在多容器环境中区分不同的容器。
2、控制组（cgroup）
- cgroup主要用于对容器使用的资源进行限制和统计，它可以限制容器使用的CPU、内存、磁盘I/O等资源，可以设置一个容器最多只能使用宿主机10%的CPU资源或者512MB的内存，通过cgroup，还可以对容器使用资源的情况进行监控和统计，如查看一个容器在一段时间内使用了多少CPU时间、多少内存等，这有助于在多容器共享资源的环境中，合理分配资源，确保系统的稳定性和性能。
容器技术的必要工具及使用方法
（一）Docker
1、安装
- 在不同的操作系统上安装Docker的方法有所不同。
在Ubuntu系统上：
- 首先更新系统的包索引：sudo apt - get update。
- 然后安装Docker的依赖包：sudo apt - get install apt - transport - https ca - certificates curl software - properties - common。
- 添加Docker的官方GPG密钥：curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo apt - key add。
- 将Docker的仓库添加到系统的源列表中：sudo add - apt - repository "deb [arch=amd64] https://download.docker.com/linux/ubuntu $(lsb_release - cs) stable"。
- 最后安装Docker CE（社区版）：sudo apt - get install docker - ce。
在CentOS系统上：
- 首先安装yum - utils包：sudo yum install -y yum - utils。
- 设置Docker的仓库：sudo yum - config - manager --add - repo https://download.docker.com/linux/centos/docker - ce.repo。
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- 安装Docker CE：sudo yum install docker - ce。
- 安装完成后，可以通过docker version命令来检查Docker是否安装成功，并查看Docker的版本信息。
2、镜像操作
拉取镜像（Pull Image）：
- 可以使用docker pull命令从Docker Hub（官方镜像仓库）或其他私有镜像仓库拉取镜像，要拉取官方的Ubuntu 18.04镜像，可以执行docker pull ubuntu:18.04，这里的ubuntu是镜像的名称，18.04是镜像的标签，表示特定版本的Ubuntu镜像。
查看本地镜像（List Images）：
- 使用docker images命令可以查看本地已经下载的镜像，它会显示镜像的名称、标签、镜像ID、创建时间和大小等信息。
REPOSITORY TAG IMAGE ID CREATED SIZE ubuntu 18.04 275d79972a86 2 weeks ago 64.2MB
删除镜像（Remove Image）：
- 如果要删除本地的镜像，可以使用docker rmi命令，要删除之前拉取的Ubuntu 18.04镜像（假设没有容器基于该镜像运行），可以执行docker rmi ubuntu:18.04。
3、容器操作
创建容器（Create Container）：
- 可以使用docker create命令创建一个容器，要创建一个基于Ubuntu 18.04镜像的容器，可以执行docker create -it ubuntu:18.04，这里的-it参数表示以交互模式（interactive）和伪终端（tty）的方式创建容器，创建容器后，可以使用docker ps -a命令查看所有的容器（包括已经停止的容器），会看到新创建的容器处于“Created”状态。
启动容器（Start Container）：
- 使用docker start命令启动已经创建的容器，如果之前创建的容器ID是abc123，可以执行docker start abc123，启动容器后，可以使用docker ps命令查看正在运行的容器。
进入容器（Attach to Container）：
- 当容器以交互模式启动后，可以使用docker attach命令进入容器的交互终端，对于正在运行的容器abc123，执行docker attach abc123后，就可以在容器内部执行命令，就像在一个普通的Ubuntu系统中一样，也可以使用docker exec -it命令在容器运行时进入容器并执行命令，这种方式更加灵活，不需要先使用docker attach。docker exec -it abc123 bash可以进入容器并启动一个bash shell。
停止容器（Stop Container）：
- 使用docker stop命令停止正在运行的容器。docker stop abc123会向容器发送一个SIGTERM信号，容器在接收到信号后会正常关闭，如果容器在一段时间内没有停止，可以使用docker kill命令强制停止容器，docker kill命令会发送一个SIGKILL信号给容器。
删除容器（Remove Container）：
- 可以使用docker rm命令删除已经停止的容器。docker rm abc123会删除容器及其相关的资源（容器层的数据等），如果要删除正在运行的容器，需要先停止容器再删除，也可以使用docker rm -f命令强制删除容器，即使容器正在运行。
（二）Kubernetes
1、概念与架构
- Kubernetes（简称K8s）是一个开源的容器编排平台，用于管理容器化应用的部署、扩展和运维。
Master节点组件：
API Server：它是Kubernetes集群的前端接口，所有的资源操作（如创建、读取、更新、删除Pod、Service等资源）都要通过API Server进行，它负责验证和处理API请求，并将请求转发到相应的组件进行处理。
etcd：这是一个分布式键值存储系统，用于存储Kubernetes集群的所有配置数据和状态信息，Pod的定义、Service的信息、节点的状态等都存储在etcd中。
Controller Manager：包含多个控制器，如ReplicaSet控制器、Deployment控制器等，这些控制器负责监控集群的状态，并根据预定义的规则进行资源的管理和调整，ReplicaSet控制器会确保指定数量的Pod副本在集群中运行，如果某个Pod副本意外终止，它会自动创建一个新的Pod来维持副本数量。
Scheduler：负责将Pod调度到合适的节点上运行，它会根据节点的资源状况（如CPU、内存空闲情况）、节点的标签（如节点的角色、地理位置等标签）等因素来选择最合适的节点。
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Node节点组件：
kubelet：运行在每个Node节点上，它负责与Master节点通信，接收Master节点发送的Pod创建、更新、删除等指令，并在本地节点上执行这些操作，它还负责监控容器的运行状态，并向Master节点报告。
kube - proxy：主要负责实现Kubernetes集群内的服务发现和负载均衡，它会在每个Node节点上监听Service的变化，并根据Service的定义来设置网络规则，使得集群内的Pod可以通过Service的虚拟IP（VIP）访问到对应的后端Pod。
容器运行时（如Docker）：在Node节点上运行容器，Kubernetes支持多种容器运行时，其中Docker是最常用的一种，容器运行时负责实际创建、启动、停止和删除容器。
2、使用方法
安装Kubernetes：
- 可以使用多种方式安装Kubernetes，如使用kubeadm工具进行快速安装。
- 在所有节点（Master节点和Node节点）上安装必要的软件包，如apt - get install -y apt - transport - https ca - certificates curl（在Ubuntu系统上）。
- 添加Kubernetes的官方GPG密钥和仓库，如curl -s https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt - key.gpg | apt - key add和echo "deb https://apt.kubernetes.io/ kubernetes - x86_64 main" | tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list（在Ubuntu系统上）。
- 安装kubeadm、kubelet和kubectl等核心组件，如apt - get install -y kubeadm kubelet kubectl。
- 在Master节点上初始化Kubernetes集群，执行kubeadm init --pod - network - cidr = 10.244.0.0/16（这里指定了Pod网络的CIDR范围）。
- 在Node节点上加入集群，通过在Node节点上执行kubeadm join命令，并传入Master节点生成的加入令牌（token）和相关参数。
创建和管理Pod：
定义Pod：可以使用YAML文件来定义Pod的配置，下面是一个简单的Pod定义文件pod - example.yaml：
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: my - pod
spec:
containers:
- name: my - container
image: ubuntu:18.04
command: ["sleep", "3600"] - 在这个定义中，apiVersion表示Kubernetes API的版本，kind表示资源的类型（这里是Pod），metadata包含了Pod的元数据（如名称），spec定义了Pod的具体规格，包括容器的信息（名称、镜像、启动命令等）。
创建Pod：可以使用kubectl create -f pod - example.yaml命令根据上述YAML文件创建一个Pod。
查看Pod状态：使用kubectl get pods命令可以查看集群中所有Pod的状态。
NAME READY STATUS RESTARTS AGE my - pod 1/1 Running 0 10s
删除Pod：使用kubectl delete -f pod - example.yaml命令可以删除之前创建的Pod。
创建和管理Service：
定义Service：同样使用YAML文件来定义Service，下面是一个创建ClusterIP类型Service的YAML文件service - example.yaml：
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: my - service
spec:
type: ClusterIP
selector:
app: my - app
ports:
- protocol: TCP
port: 80
targetPort: 8080 - 在这个定义中，type指定了Service的类型（这里是ClusterIP，表示在集群内部可访问的虚拟IP服务），selector用于选择哪些Pod属于这个Service（这里选择带有app: my - app标签的Pod），ports定义了Service的端口映射（将Service的80端口映射到后端Pod的8080端口）。
创建Service：使用kubectl create -f service - example.yaml命令创建Service。
查看Service：使用kubectl get services命令查看集群中的Service。
NAME TYPE CLUSTER - IP EXTERNAL - IP PORT(S) AGE my - service ClusterIP 10.96.179.132 <none> 80/TCP 5s
访问Service：在集群内部的Pod可以通过Service的ClusterIP和端口来访问对应的后端Pod，在另一个Pod中，可以使用curl 10.96.179.132:80来访问my - service对应的后端Pod。
容器技术以其高效、灵活和可移植的特性，在现代软件开发和运维中发挥着越来越重要的作用，通过掌握容器技术的概念、架构、原理以及相关工具的使用方法，开发人员和运维人员能够更好地构建、部署和管理应用程序，提高应用的交付速度和质量，同时降低系统的运维成本。
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