基于Docker的计算机应用快速部署系统的设计

蒋少华，陈德健，蔡裕源，唐丽蓉，夏 楠，张灿源

（韶关学院信息科学与工程学院，广东韶关512005）

随着大数据、云计算的兴起，人们对网络的依赖越来越强，巨大的网络业务随之卷土而来，这既是机遇也是挑战，快速拓展互联网业务成为很多公司的核心战略.若业务容量超过预期，需要在一个新的操作系统再重新部署一次软件环境，传统业务部署的流程总是需要经过开发人员部署软件环境→测试运行→排错→再测试运行→再排错→业务上线，整个过程消耗至少3天，耗时耗力，不利于公司的良好发展.

Docker是一个近几年兴起的，开源的应用容器引擎，它重新定义了程序的开发、测试、交付以及程序的部署过程，开发人员可以打包自己的应用以及依赖包到一个可移植的容器中，然后发布到任何流行的Linux机器上，也可以实现虚拟化［1］.每个运行的容器与容器之间，是相互隔离的，没有任何接口，完全使用沙箱机制，类似i-Phone的各个应用之间的关系［2］.性能开销接近于零，可以很容易地在机器和数据中心中运行.Docker还有不依赖任何语言、框架或包装系统的优点［3］.

Docker引擎创建的容器进程伸缩性强，用户可以方便、快捷增删容器，数秒内就可以完成操作.用户通过对Docker容器的优化配置，大大地减少了资源的浪费，降低资源成本，提高数据中心的利用率，使服务器资源得到最有效的利用［4］.现今市场上己有各种比较成熟的PaaS（Platform-as-a-Service）平台，例如：国外谷歌的Google App Engine，微软的Windows Azure Platform，国内百度的百度应用引擎Baidu App Enginee（BAE），阿里的阿里云Aliyun Cloud Enginee（ACE）等.

针对传统业务部署出现的软件交付困难，产品上线困难等问题，设计了基于Docker的计算机应用PaaS服务模式平台，可以有效实现工程快速构建、环境迅速部署、平台便捷管理等功能.

1 系统设计功能要求

Docker技术快速部署系统需要完成的模块与主要功能为：

（1）服务器虚拟化：利用kvm对服务器进行虚拟化，可以极大地提高服务器的利用效率，虚拟机之间隔离性比较好，就好像每台独立的物理机，相互之间不会有影响.

（2）Docker容器集群：通过部署一个Docker容器集群，达到业务上的负载均衡，有效避免单点失效的灾难，提高了系统的可靠性和安全性.

（3）Docker储存驱动更换：DockerEngine的存储驱动有loop-lvm和direct-lvm两种配置模式，其中loop-lvm是默认的模式，由于官方明确不推荐使用该模式用于生产环境，在生产环境下应该使用direct-lvm驱动配置模式.

（4）Ceph集群：Ceph是一个强大稳定的分布式文件存储系统，可以通过部署分布式文件系统，给Docker提供储存块RBD，实现Docker的rootfs也跑在网络存储之上，打造一个无本地磁盘的容器服务系统.

（5）本地私有镜像库：常用的镜像可以自己写Dockerfile自动生成，并且储存在本地的镜像库，当需要的时候就可以直接拿来用，无需占用外网资源，而且Docker hup官网服务器在国外，进行镜像拉取速度很慢，本地镜像库可以实现镜像资源自给自足，节省大量的时间和网络资源.

（6）gitlab版本控制器：基于Docker的计算机应用快速部署平台作为一个PaaS服务模式的平台，需要给开发者提供一个本地的代码托管平台，提高开发团队的协同开发效率，用户在开发好项目的同时可以立即利用快速部署平台测试，同时开发者也可以在gitlab上进行自动化构建.

（7）shipyard容器集中管理平台：在shipyard平台上，用户可以比较直观地看到容器的情况，而且可以直接在浏览器页面上对容器进行增删查改的工作，通过web页面了解和管理业务，对于技术人员或者非技术人员都方便操作.

2 系统方案的设计

系统方案设计包括集群设计、集群管理、业务管理3部分［5］.系统利用Docker技术将应用标准化，实现资源的最大利用，节省应用部署时间.

Docker集群主要采用层次结构模型，整套结构设计见图1.首先，需搭建部署开发环境：为了节省资源，提高开发效率，采用最小化Linux系统安装（即没有图形界面的纯命令行系统）；其次，在这些环境下利用kvm虚拟化技术，对系统、网络进行虚拟化；然后进行Docker集群的设计，利用ansible自动化运维工具，对各个虚拟子系统进行自动化管理，再通过安装Docker服务，在Docker上构建registry、gitlab等服务的镜像和容器，并且打通Docker hub，方便用户对Docker服务的使用；最后利用shipyard技术对各个节点以及其容器和镜像进行web界面管理，采用强大的rethinkdb数据库对数据进行相关管理［6］.

采用层次结构有两个特点：①业务隔离：业务互相隔离，层次清晰；②故障定位快速：当发生故障时，可以根据故障原因快速定位故障点.

集群管理采用树形拓扑结构（见图2），集群管理结构有两个优点：①业务易于伸缩.这种结构可以延伸出很多分支和子分支，这些新节点和新分支都能容易地加入拓扑内；②故障隔离较容易.如果某一分支的节点或线路发生故障，很容易将故障分支与整个系统隔离开来.

业务管理主要采用web页面对容器进行管理，所有在系统上的业务都可以通过web页面来进行管理，响应用户操作，并且收集日志方便问题排查.页面采用JS进行编写，框架采用AngularJS.

采用AngularJS有两个优点：①自定义Directive，比jQuery插件还灵活，封装容易；②模块化设计可以很容易的写出可复用的代码，对于敏捷开发的项目非常有帮助，业务流程见图3.

图1 集群设计结构

图2 集群管理结构

图3 业务管理流程图

3 Docker技术快速部署系统应用测试

3.1 Docker技术快速部署系统响应测试

用shell编写一个自动化测试脚本进行比对测试，具体脚本如下：

#!/bin/bash

function handle（）

{start=$（date+%s%N）

start_ms=${start：0：16}

#输入要执行的代码或脚本

dockerstart f999dc296f34＞/dev/null end=$（date+%s%N）

end_ms=${end：0：16}

echo"open the containercost time："

echo"scale=6；（$end_ms-$start_ms）/1000000"|bc}

handle.

物理机、虚拟机测试脚本：

#!/bin/sh

#ip为对应的物理机或虚拟机的ip

#把脚本放在容器测试脚本里面运行即可

ping-i 0.1-c 1 192.168.1.116＞/dev/null

while（（1==$?））；

do

ping-i 0.1-c 1 192.168.1.116＞/dev/null

done.

当测试开启同样版本的一个centos纯命令行系统的响应时间，结果如下：Docker容器只用了1.56 s，物理机上耗时21.31s，在虚拟机上耗时33.74s，从测试数据来看，Docker的响应时间远远少于其他虚拟机，测试结果见图4.

当测试开启同样版本的一个centos纯命令行系统的镜像大小，结果如下：Docker容器只有198 MB，而物理机和虚拟机的系统镜像都要4 096 MB，资源占用较大.Docker容器、物理机和虚拟机测试比对结果见图5.

从测试结果看，Docker容器有响应速度快，占有资源小的优点；物理机或虚拟机系统坏死需要重装时也比较麻烦，耗时较多，而Docker引擎删除和重建一个容器仅需一条命令，非常快捷，用在商业上，可以快速应对业务的伸缩，可以省时省资源.

3.2 基于Docker的web集群测试

测试通过利用负载均衡技术，将客户的请求负载均衡地分配到各个不同的web节点中，从而大大提高了web服务器的可靠性和安全性，使其在高并发的访问下可以持续地提供服务，避免宕机.在本地web服务器和Internet之间架设反向代理服务器，可以阻止用户请求对web服务器的直接访问，而且它会自动承担对原始web服务器的静态页面请求，将服务请求按照预先配置的负载均衡策略分配给不同的Docker容器，以防止服务器过载，保护业务的安全性和稳定性.web集群服务器通过容器的快速响应部署，可以给业务的弹性伸缩带来了极大的便利.web集群框架图见图6.

图4 Docker容器、物理机、虚拟机的响应速度测试结果

图5 Docker容器、物理机、虚拟机对比

图6 web集群框架

测试方案模拟中小型公司的网站业务进行，在Docker集群中部署相同业务的网站（为了验证负载均衡的效果，设计中每个网站的内容会不一样），进行均衡负载.首先利用Dockerfile把需要的网站镜像快速构建好，镜像基于Ubuntu14.04，网站中部署好Nginx反向代理服务器，并且做好负载均配置.在不同的Docker节点中部署相同配置的网站，在宿主机上部署Nginx反向代理服务器，设置ip域名映射，采用平均策略的负载均衡，把Internet对宿主机web请求的访问量以轮询的方式分配给web集群中所有服务器，使得所有服务节点同时承担外界对服务器的访问，分解访问压力.访问用户在自己的客户端设置web主机的域名解析，即可在浏览器上输入域名访问了.

实验测试结果见图7.当访问主服务器的时候，web请求会将访问压力以轮询的方式平均分配给每个服务节点，保证了公司业务的可靠性和稳定性.通过使用Docker容器技术，在设计的快速应用部署系统下，该web集群应用可以进行快速的部署和拓展，符合当下很多公司应对互联网业务快速变化的需要，具有良好的应用前景.

图7 web集群测试效果

4 结语

系统利用Docker技术可以实现快速部署所需的应用系统，以最小的时间代价和成本代价快速完成繁琐的环境部署工作，大大缩短了开发周期和部署时间，可以实现用最低的成本创造最大的效益，解决了传统互联网业务拓展时间普遍较长的问题.系统简单、快速，满足IT开发公司、企业、学校实验室快速构建开放、测试和产品环境等各种需求.

［1］张忠琳，黄炳良.基于 openstack 云平台的 docker应用[J].软件，2014，35（11）:73-76.

［2］张建，谢天钧.基于Docker的平台即服务架构研究[J].信息技术与信息化，2014（10）:131-134.

［3］刘思尧，李强，李斌.基于 Docker技术的容器隔离性研究[J].软件，2015，36（4）:110-113.

［4］吴义鹏.基于容器虚拟化技术研究[J].软件，2010，31（11）:28-30.

［5］刘琳羽，南凯.一种基于Docker的开发者服务平台设计[J].科研信息化技术与应用，2015，6（5）:65-72.

［6］郑玲，江萌.基于Docker弹性调度架构的研究[J].电脑编程技巧与维护，2016（23）:15-17.