图解 Docker 架构

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编辑：业余草

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01 Docker 的总体架构

Docker 是一个 C/S 模式的架构，后端是一个松耦合架构，模块各司其职。下图是它的总体架构图：

1 用户是使用 Docker Client 与 Docker Daemon 建立通信，并发送请求给后者。

2 Docker Daemon 作为 Docker 架构中的主体部分，首先提供 Docker Server 的功能使其可以接受 Docker Client 的请求。

3 Docker Engine 执行 Docker 内部的一系列工作，每一项工作都是以一个 Job 的形式的存在。

4 Job 的运行过程中，当需要容器镜像时，则从 Docker Registry 中下载镜像，并通过镜像管理驱动 Graphdriver 将下载镜像以 Graph 的形式存储。

5 当需要为 Docker 创建网络环境时，通过网络管理驱动 Networkdriver 创建并配置 Docker容器网络环境。

6 当需要限制 Docker 容器运行资源或执行用户指令等操作时，则通过 Execdriver 来完成。

7 Libcontainer 是一项独立的容器管理包，Networkdriver 以及 Execdriver 都是通过 Libcontainer 来实现具体对容器进行的操作。

02 Docker 各模块组件分析

2.1 Docker Client「发起请求」

1 Docker Client 是 和 Docker Daemon 建立通信的客户端。用户使用的可执行文件为 docker（一个命令行可执行文件），docker 命令使用后接参数的形式来实现一个完整的请求命令（例如：docker images，docker 为命令不可变，images 为参数可变）。

2 Docker Client 可以通过以下三种方式和 Docker Daemon 建立通信：tcp://host:port、unix://pathtosocket 和 fd://socketfd

3 Docker Client 发送容器管理请求后，由 Docker Daemon 接受并处理请求，当 Docker Client 接收到返回的请求相应并简单处理后，Docker Client 一次完整的生命周期就结束了。(一次完整的请求：发送请求→处理请求→返回结果)，与传统的 C/S 架构请求流程并无不同。

2.2 Docker Daemon（后台守护进程）

Docker daemon 架构图

Docker Server 架构图

1 Docker Server 相当于 C/S 架构的服务端。功能为接受并调度分发 Docker Client 发送的请求。接受请求后，Docker Server 通过路由与分发调度，找到相应的 Handler 来执行请求。

2 在 Docker 的启动过程中，通过包 gorilla/mux 创建了一个 mux.Router 来提供请求的路由功能。在 Golang 中 gorilla/mux 是一个强大的 URL 路由器以及调度分发器。该 mux.Router 中添加了众多的路由项，每一个路由项由 HTTP 请求方法（PUT、POST、GET 或DELETE）、URL、Handler 三部分组成。

3 创建完 mux.Router 之后，Docker 将 Server 的监听地址以及 mux.Router 作为参数来创建一个 httpSrv=http.Server{}，最终执行 httpSrv.Serve() 为请求服务。

4 在 Docker Server 的服务过程中，Docker Server 在 listener 上接受 Docker Client 的访问请求，并创建一个全新的 goroutine 来服务该请求。在 goroutine 中，首先读取请求内容并做解析工作，接着找到相应的路由项并调用相应的 Handler 来处理该请求，最后 Handler 处理完请求之后回复该请求。

2.3 Docker Engine

5 Docker Engine 是 Docker 架构中的运行引擎，同时也 Docker 运行的核心模块。它扮演 Docker Container 存储仓库的角色，并且通过执行 Job 的方式来操纵管理这些容器。

6 在 Docker Engine 数据结构的设计与实现过程中，有一个 Handler 对象。该 Handler 对象存储的都是关于众多特定 Job 的 Handler 处理访问。举例说明: Docker Engine 的Handler 对象中有一项为：{“create”: daemon.ContainerCreate,}，则说明当名为”create” 的 Job 在运行时，执行的是 daemon.ContainerCreate 的 Handler。

Job

1 一个 Job 可以认为是 Docker 架构中 Docker Engine 内部最基本的工作执行单元。Docker 可以做的每一项工作，都可以抽象为一个 Job。例如：在容器内部运行一个进程，这是一个 Job；创建一个新的容器，这是一个 Job。Docker Server 的运行过程也是一个 Job，名为 ServeApi。

2 Job 的设计者，把 Job 设计得与 Unix 进程相仿。比如说：Job 有一个名称、有参数、有环境变量、有标准的输入输出、有错误处理，有返回状态等。

2.4 Docker Registry(镜像注册中心)

1 Docker Registry 是一个存储容器镜像的仓库（注册中心），可理解为云端镜像仓库。按 Repository 来分类，docker pull 按照 [repository]:[tag] 来精确定义一个具体的 Image。

2 在 Docker 的运行过程中，Docker Daemon 会与 Docker Registry 通信，并实现搜索镜像、下载镜像、上传镜像三个功能，这三个功能对应的 Job 名称分别为：“search”、”pull” 与 “push”。

3 Docker Registry 可分为公有仓库（ Docker Hub）和私有仓库。

2.5 Graph 「Docker 内部数据库」

Graph 架构图

Repository

1 已下载镜像的保管者（包括下载的镜像和通过 Dockerfile 构建的镜像）。

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2 一个 Repository 表示某类镜像的仓库（例如：Ubuntu），同一个 Repository 内的镜像用 Tag 来区分（表示同一类镜像的不同标签或版本）。一个 Registry 包含多个Repository，一个 Repository 包含同类型的多个 Image。

3 镜像的存储类型有 Aufs、Devicemapper、Btrfs、Vfs等。其中 CentOS 系统 7.x 以下版本使用 Devicemapper 的存储类型。

4 同时在 Graph 的本地目录中存储有关于每一个的容器镜像具体信息，包含有：该容器镜像的元数据、容器镜像的大小信息、以及该容器镜像所代表的具体 rootfs。

GraphDB

1 已下载容器镜像之间关系的记录者。

2 GraphDB 是一个构建在 SQLite 之上的小型数据库，实现了节点的命名以及节点之间关联关系的记录。

2.6 Driver 「执行部分」

Driver 是 Docker 架构中的驱动模块。通过 Driver 驱动，Docker 可以实现对 Docker 容器执行环境的定制。即 Graph 负责镜像的存储，Driver 负责容器的执行。

Graphdriver

Graphdriver 架构图

1 Graphdriver 主要用于完成容器镜像的管理，包括存储与获取。

2 存储：docker pull 下载的镜像由 Graphdriver 存储到本地的指定目录( Graph 中 )。

3 获取：docker run（create）用镜像来创建容器的时候由 Graphdriver 到本地 Graph中获取镜像。

Networkdriver

Networkdriver 架构图

Networkdriver 的用途是完成 Docker 容器网络环境的配置，其中包括:

• Docker 启动时为 Docker 环境创建网桥。

• Docker 容器创建时为其创建专属虚拟网卡设备。

• Docker 容器分配IP、端口并与宿主机做端口映射，设置容器防火墙策略等。

Execdriver

Execdriver 架构图

1 Execdriver 作为 Docker 容器的执行驱动，负责创建容器运行命名空间、容器资源使用的统计与限制、容器内部进程的真正运行等。

2 现在 Execdriver 默认使用 Native 驱动，不依赖于 LXC。

2.7 Libcontainer 「函数库」

Libcontainer 架构图

1 Libcontainer 是 Docker 架构中一个使用 Go 语言设计实现的库，设计初衷是希望该库可以不依靠任何依赖，直接访问内核中与容器相关的 API。

2 Docker 可以直接调用 Libcontainer 来操纵容器的 Namespace、Cgroups、Apparmor、网络设备以及防火墙规则等。

3 Libcontainer 提供了一整套标准的接口来满足上层对容器管理的需求。或者说 Libcontainer 屏蔽了 Docker 上层对容器的直接管理。

2.8 Docker Container 「服务交付的最终形式」

Docker Container 架构

1 Docker Container（ Docker 容器 ）是 Docker 架构中服务交付的最终体现形式。

2 Docker 按照用户的需求与指令，订制相应的 Docker 容器：

• 用户通过指定容器镜像，使得 Docker 容器可以自定义 rootfs 等文件系统。

• 用户通过指定计算资源的配额，使得 Docker 容器使用指定的计算资源。

• 用户通过配置网络及其安全策略，使得 Docker 容器拥有独立且安全的网络环境。

• 用户通过指定运行的命令，使得 Docker 容器执行指定的工作。

附：本文在《docker源码分析》基础上进行整理。