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何为容器化?它带来什么好处?

容器化已成为云计算领域的最新流行语,很多人认为,容器化可创建全新、可扩展的云原生应用程序,实现老旧系统的现代化改造。那么,为何当下要迫切实现容器化?

为理解它的需求和本质,我们要从虚拟化及云中虚拟机的使用增长开始说起。几乎所有的企业都在使用云环境(公有云或私有云),运行虚拟机且具有扩展能力和负载平衡能力的实例则代表计算层。

不过,虚拟化方法面临一些挑战,导致这些环境变得效率低下。其中包括:

  • 环境不一致性:应用程序和软件包部署到虚拟环境

  • 操作系统依赖性:部署的应用程序只能在兼容的操作系统上运行

  • 隔离级别:无法提供高于操作系统级别的即时沙盒

  • 计算消耗粒度:无法部署多个复制的应用程序,而应用程序层上的负载平衡只能在单台计算机中运行,不能在非操作系统层中运行

  • 在生产级别环境中修补映像:金丝雀部署和蓝绿部署在群集级别上不灵活,而且难以跨多个区域进行管理

因此,如何解决这些虚拟化问题?

答案就是容器化。

容器化比虚拟化的效率更高,是虚拟化的自然演进结果。虚拟化有助于在单个服务器上分发多个操作系统,而容器化则更为灵活,也更精细。

它重点在于将操作系统分解为几大块,提高使用效率。此外,应用程序容器实现了在可移动的、软件定义的环境中打包应用程序。

应用程序容器技术可帮助企业实现老旧应用程序的现代化,创建全新可扩展的云原生软件,这一领域市场价值体量很大,也在快速蓬勃发展。

何为容器化?

这是操作系统虚拟化的一种形式,您可在使用相同共享操作系统的隔离用户空间(称为容器)中运行应用程序。应用程序容器是一个完全打包、可移动的计算环境:

  • 它拥有应用程序运行所需的全部内容,包括二进制文件、依赖关系、库和配置文件,所有文件都封装并隔离在容器中

  • 容器化应用程序是指将容器从主机操作系统中提取出来,限制其对基础资源的访问权限,类似于轻量级虚拟机

  • 您可在各种类型基础架构上运行容器化应用程序,例如裸机、云中或虚拟机中,而无需针对每种环境重构

您可运用容器化减少启动时的开销,也无须为每个应用程序设置单独的访客操作系统,因为它们共享一个操作系统内核。在这种高效率支持下,软件开发人员常用应用程序容器化来打包多个单独的微服务,打造成现代应用程序。

容器化有何作用?

容器化有助于软件开发人员更快速、更安全地创建和部署应用程序。以传统方法开发代码离不开特定的计算环境,一旦传输到新位置,通常会发生错误和 bug。例如,将代码从台式机传输到虚拟机,或从 Windows 系统切换到 Linux 操作系统。

容器化支持您将应用程序代码与相关配置文件、依赖关系和库捆绑在一起,完美解决这个问题。然后,您从主机操作系统提取单个软件包(容器)以形成独立、可移动的应用程序,可在任何平台或云中正确无误地运行。

尽管进程隔离和容器化的概念已存在数十年之久,但是加快应用程序容器技术应用步伐的催化剂还是 2013 年问世的开源 Docker Engine。Docker Engine 配备通用的打包方法和易于上手的开发人员工具,迅速成为容器化进程的行业标准。

行业通常将容器称为轻量型,这意味着它们共享机器的操作系统内核,不必跟虚拟化一样,将操作系统与应用程序关联,从而实现零开销。所以,容器的容量原本就比虚拟机的容量小,启动时间更短,从而支持多个容器在作为一台虚拟机的单个计算容量中运行。它自然就提高了服务器的效率,同时降低了服务器和授权许可成本。

简而言之,凭借容器化技术,开发人员只要编写一次应用程序就能在任意位置运行。这种级别的可移动性对于开发进程和供应商兼容性而言意义重大。它还有其他优势,例如故障隔离、安全性和易于管理。

应用程序容器化

容器将应用程序封装为可执行软件包,将应用程序代码与运行所需的全部相关配置文件、依赖关系和库捆绑在一起。容器化应用程序是隔离的,因为它们不捆绑在操作系统副本中。相反,开发人员可在主机的操作系统中安装一个开源运行时引擎(例如 Docker 运行时引擎),成为容器与计算系统中其他应用程序容器共享操作系统的渠道。

您还可以在多个容器之间共享其他应用程序容器层,例如公用库和二进制文件。它不必花费开销在应用程序中安装和运行操作系统,因此容器的容量更小(轻量),启动速度更快,从而进一步提高服务器效率。隔离应用程序和容器有助于降低一个容器中的代码影响其他容器或入侵主机的几率。

主机操作系统的抽象化让容器化应用程序具有可移动性,允许它们在跨任何平台或云高度一致、统一地运行。开发人员可在平台之间轻松传输容器,例如从 Windows 操作系统到 Linux 操作系统。它们还可以在本地的传统“裸机”服务器或云端的虚拟化基础架构中运行。因此,开发人员可继续使用自己偏好的进程和工具。

容器化的优点和好处

您可随时将容器化应用程序以数字工作区的形式交付给用户。容器化为软件开发人员和开发团队带来卓越敏捷性、可移动性以及优化成本等众多优势。请参见下文的优势:

  1. 可移动性

    应用程序容器会创建一个从主机操作系统提取出来的可执行软件包。因此,它并不依赖于或绑定到主机操作系统,从而实现可移动性特征,能跨任何平台或云高度一致地运行。开发人员所用的操作系统合并方法(例如集成)也可以避免导致应用程序无法运行全部功能的不一致性。

  2. 速度

    开发人员之所以将容器称为“轻量型”,因为它们共享主机操作系统内核,无须额外开销。它们的轻量型功能可进一步提高服务器效率,减少服务器和授权许可成本。它不必引导操作系统,因此可显著加快启动的速度。

    您可通过 Docker 容器创建应用程序(映像)的主版本,并根据需要快速部署。容器环境可确保高灵活性,支持您随时按需创建应用程序的多个新容器化实例。

  3. 可扩展性

    应用程序容器技术带来高度可扩展性,从而轻松驾驭日益增长的工作负载,具体方法是:重新配置现有架构,通过面向服务的应用程序设计启用资源。或者,开发人员可在分布式机器群集内添加更多容器。

    在容器环境下,开发人员可即时增添新功能、更新和特征,丝毫不会影响原始应用程序。因此,容器可在几乎不占用资源的前提下扩展应用程序。

  4. 敏捷性

    运行容器用的 Docker Engine 配备简单的开发人员工具以及适用于 Windows 和 Linux 操作系统的通用方法,开创了应用程序容器的行业标准。这样的容器生态系统现已转变为开放式容器倡议 (OCI) 管理下的引擎。因此,开发人员可照常使用开发运维工具和流程,实现应用程序的快速开发和改善。

  5. 效率

    容器化环境中运行的软件会共享主机的操作系统内核,所以开发人员可在容器之间共享应用程序层。此外,容器的容量本来就比虚拟机小,启动时间很短,所以开发人员能在作为一台虚拟机的单个计算容量中运行多个容器。结果就是,容器显著提高了服务器的效率,同时降低了服务器和授权许可成本。

  6. 故障隔离

    容器化后,应用程序相对孤立,因此可独立于其他应用程序运行。所以,一个容器出现故障并不会影响其他容器的运行。同时,开发团队能快速找出和更正故障容器内的技术问题,不会造成其他容器停机。此外,容器引擎也可利用操作系统安全隔离技术(如 SELinux 访问控制)找出并隔离容器内的故障。

  7. 安全性

    以容器形式隔离应用程序可防止恶意代码影响其他容器化应用程序或主机系统。您还可以规定安全权限,自动拦截对试图入侵其他容器或限制通信的恶意组件的访问。

    应用程序隔离可帮助开发人员共享其他功能,而不会产生风险。例如,如果您与网络之外的开发团队工作,您可共享必要的资源,但不能共享网络内的重要信息。

  8. 易于管理

    借助容器编排平台,容器化工作负载和服务的安装、管理和扩展流程均可实现自动化。容器编排可显著简化管理任务,例如推出新的应用程序版本、扩展容器化应用程序或提供监控、日志记录和调试功能。

  9. 连续性

    不同的容器可独立运行,因此一个容器出现故障并不会影响其他容器的运行连续性。同时,开发团队可灵活更正容器内的错误,不会造成其他容器的停机。因此,容器化有助于确保运行的连续性。

  10. 开发人员友好的环境

    开发人员可使用一个环境进行开发和生产,而这通常是 Web 应用程序开发的绊脚石,所以容器对于开发人员来说十分友好。您的开发团队在 Windows 笔记本电脑上编写的应用程序无法在 Mac 工作站上运行。

    凭借容器化技术,您的团队在本地构建的映像也可在生产中运行。结合适当工作流运行时,容器应用程序还能最大限度减少问题案例,例如应用程序在一个位置正常运行,但无法在其他位置运行等。更重要的是,容器构建工作流在 CI/CD 管道集成中表现卓越。这些优势可帮助您的开发团队提高生产力和效率。

容器化的缺点

容器并不是完美的,也有其缺点和局限性。首先,制定和启动容器战略之前就要完成大量的准备工作,更别提高效管理。应用程序支持和依赖关系不充分,尽管这个领域兴起了不少的技术,但到目前为止仍没有完整的解决方案。此外,这个领域还缺乏有职业资格、技能熟练和经验丰富的专业人员。

容器虽然可提高应用程序的灵活性,但它们也带来了其他方面的复杂性。这些复杂性可能出现在安全、编排、监控和数据存储等方面。

  • 安全:相比较传统虚拟机,容器潜在的安全风险更高。它们需要多种级别的安全措施,因为它们有多个层。因此,除了要保护注册表、Docker 后台驻留程序以及主机操作系统,您还要保护容器化应用程序。

  • 编排:您可使用虚拟化解决方案随附的单一编排程序应对虚拟机(例如,适用于 VMware 的 VMware 编排程序)。不过,如果是容器,您要从 Kubernetes、Mesos 或 Swarm 等编排工具中进行选择。

  • 面向虚拟机的数据存储非常简单,但一涉及到容器,却异常复杂。对于持久型容器数据,您必须将其从应用程序容器移到主机系统或持久化文件系统中的某个位置。容器的设计是数据丢失背后的原因。容器一旦关机,其中的数据可能会永久消失,除非您将其保存在别处。

  • 监控:监控容器的性能和安全问题也不容忽视。您可以选择使用各种主要的监控工具、外部监控服务以及分析技术来应对这个挑战。云环境异常复杂,因此您需要深度监控安全问题。

不过,就算是这样,容器化也还是利大于弊。因此,决定是否要容器化只取决于具体云需求。

在企业环境中,容器化有何好处?

容器化应用程序的优势众多,因此我们不难理解企业为何纷纷放弃虚拟化,转而采用容器化。相对来说,容器化是应用程序开发、部署和管理的更上乘方法。凭借容器化技术,软件开发人员能更安全、更快速地创建和部署应用程序,无论是传统的庞然大物(单层应用程序)还是模块化的微服务(意味着各种耦合服务的集合)。

您可从头开始构建全新云端应用程序(容器化微服务),在此过程中,将复杂的应用程序分解为一系列可管理的专业服务。您可将现有应用程序重新打包到高效利用计算资源的容器中。

企业应仔细评估所有选项,然后再决定采用哪种容器化技术。乍一看,所有选项都能带来收益,且感觉相当不错,的确是这样,不过您应仔细评估它们是否是自己的最佳选择。全盘考虑所有的利与弊。

事实是,数字化转型是企业和机构的必然之路,是他们在这个竞争日益激烈、技术日新月异的时代站稳市场脚跟并迈向成功的关键要素。容器化、云、大数据、区块链、人工智能以及移动性是当下大势所趋的一些核心技术,是企业搭上数字化转型这趟快车的必备武器。

此外,容器化可为小企业来带来新层次的敏捷性。数字经济时代,运作成功的企业都将经营数字原生企业,根据市场需求和要求重新搭建运营架构。小规模的企业可使用容器化技术实现灵活机动性,并迅速扩展服务以匹配大企业需求。

何为 Docker 容器化?

Docker Engine 或许是全球最著名、应用最广泛的容器引擎技术。作为容器架构的主件,Docker 指的是基于 Linux 内核的开源组件,负责在操作系统中创建容器。

Docker 访问单个操作系统内核时,它可管理各自容器中运行的多个分布式应用程序。容器化的基础是开发人员在单一虚拟组件中实施的软件包。

开发人员从 Docker 映像创建容器。尽管映像处于只读状态,Docker 也会通过添加读写文件系统来创建容器。首先,它会启动网络接口以实现容器和本地主机之间的通信,然后添加 IP 地址并执行指示的进程。每个容器都包含运行程序所需的必要组件(文件、冗余和库)。

容器化 vs 虚拟化

容器化和虚拟化技术允许开发人员在单个环境中运行多个软件类型(Windows 或 Linux),从而显著提高计算效率。不过,经证明,应用程序容器技术的优势比虚拟化更出众,因此受到 IT 专业人士的青睐。

虚拟化可同时运行多个操作系统和软件应用程序,以及共享一个物理计算机的资源。例如,您可在同一个服务器上同时运行 Linux 和 Windows 版本的操作系统以及多款应用程序。开发人员会将每个应用程序及其关联的文件、依赖关系和库(包括操作系统副本)封装为虚拟机。在物理机上运行多个虚拟机时,您可在初始资本支出、运营和能源成本方面实现显著的节省。

另一方面,容器化可高效使用计算资源。容器会创建一个可执行软件包,将应用程序代码与运行所需的相关配置文件、依赖关系和库捆绑在一起。不过,与虚拟机不同的是,容器并不捆绑操作系统副本。相反,开发人员会在主机系统的操作系统上安装运行时引擎,所有容器可通过这个渠道共享类似的操作系统。

如上文所述,开发人员通常将容器称为轻量型,因为它们共享主机的操作系统内核,并且不需要每个应用程序中操作系统的开销。此外,您可在多个容器之间共享其他容器层(公用库和二进制文件),这意味着容器的容量需要比虚拟机小,启动速度要更快。

因此,多个容器可在与虚拟机类似的计算容量上运行,从而提高服务器效率,减少授权许可和维护等相关成本。

结论

容器化是最新的软件开发趋势,其采用的速度和规模都会大幅提高。它的支持者认为,相比其他传统方式,它能够让开发人员更快速、更安全地创建和部署软件和应用程序。尽管成本高昂,但业内人士预计随着环境的发展和日臻成熟,容器相关的成本将逐步下降。

应用程序容器技术在企业和行业中得到广泛应用。未来几年也会迅速增长。大部分企业已开始实行应用程序的云原生容器化,或将现有的庞然大物分解成容器,以坐享容器化架构的优势。

至此,想必您已大致了解容器化技术、在企业环境中的优势以及它的优缺点,也明白了 Docker 容器技术,以及容器化和虚拟化之间的差别。

如果您高度依赖虚拟化技术以实现安全性和 Web 应用程序隔离,则容器化是个不错的选择。