Docker為何未在生產環(huán)境中取得廣泛成功？

譯文
作者：布加迪編譯 2015-08-03 09:08:29

云計算 如今Docker需要的是更多的人將容器部署到生產環(huán)境，而且是大批人在部署。遺憾的是，許多公司一開始就對PaaS寄以厚望，利用當前的架構過度補償。如果你規(guī)模很小，或者規(guī)劃將Docker部署到全新的環(huán)境，這種方法才可行。想在生產環(huán)境下得到更廣泛的使用，我們就需要解決本提到的一些問題，以便讓Docker的優(yōu)點明顯壓倒缺點。

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Docker的發(fā)展勢頭一天比一天強勁，它顯然在試圖解決實際的問題。然而，對如今許多的生產環(huán)境用戶來說，沒有出現(xiàn)優(yōu)點壓倒缺點的局面。在開發(fā)、測試和持續(xù)性集成等環(huán)境下，Docker在讓容器吸引廣大開發(fā)人員方面確實有上佳的表現(xiàn)，不過它還沒有顛覆生產環(huán)境。按照DockerCon 2015的“生產環(huán)境下的Docker”這一主題，我想公開討論Docker想在生產環(huán)境使用場合下得到廣泛采用還沒有克服的種種挑戰(zhàn)。這里提到的問題沒有一個是新問題，它們都以某種形式出現(xiàn)在GitHub上。大多數(shù)問題我已經在大會演講中或與Docker團隊交流中討論過。本文倒不是要明確指出什么不再是問題：比如說，新注冊中心(registry)克服了舊注冊中心的許多不足。本文并沒有提到仍然問題重重的許多方面，不過我認為下面這些問題是近期內需要解決的最重的問題;只有解決了這些問題，更多的企業(yè)組織才能夠邁出一大步，在生產環(huán)境中運行容器。我在電子商務公司Shopify運行Docker的經歷對本文有很大的影響;一年多來，我們一直在容器上大規(guī)模運行核心平臺。由于像Docker這樣發(fā)展這么迅猛的技術，不可能一切都保持現(xiàn)狀。如果你發(fā)現(xiàn)不正確之處，務必聯(lián)系我。

映像構建

為大型應用程序構建容器映像依然是個挑戰(zhàn)。如果我們要依賴容器映像用于測試、持續(xù)性集成和緊急部署，就需要在不到1分鐘的時間內將映像準備就緒。Docker文件(Dockerfile)讓這對大型應用程序來說幾乎不可能。雖然Docker文件易于使用，但是位于過高的抽象層，無法支持復雜的使用場合：

• 帶外緩存，面向特別錯綜復雜的、針對特定應用程序的依賴項;
• 在構建時訪問密文(密碼、密鑰和相關內容)，又不將它們提交給映像
• 全面控制最終映像中的層
• 并行處理構建層

大多數(shù)人并不需要這些功能，但是對大型應用程序而言，其中許多功能是快速構建映像的先決條件。Chef和Puppet等配置管理軟件使用廣泛，但是讓人覺得用于構建映像過于笨拙。我打賭，在今后十年內，現(xiàn)有形式的這類系統(tǒng)會因容器而逐漸退出歷史舞臺。然而，許多應用程序依賴它們來配置、部署和編排。Docker文件無法真實地記錄下現(xiàn)在由配置管理系統(tǒng)管理的復雜性，但這種復雜性需要在某個地方加以管理。在Shopify，我們最后使用docker commit API，從頭開始構建了自己的系統(tǒng)。這個過程很麻煩，我希望這一幕不會出現(xiàn)在任何人身上，我很想擺脫這種局面，但是我們又不得不掃除障礙。很少有人會花這么大的力氣去管理用于生產環(huán)境的容器。

這個領域會出現(xiàn)什么情況不得而知;目前在這個領域，開展的研究工作并不多(一個例子是dockramp，這是另一種打包器)。Docker引擎會在將來有所改進，將構建基本步驟(添加文件和設置入口點等)與客戶端(Docker文件)分開來。為版本1.8所做的合并工作已經讓這變得更容易，為配置管理工具廠商、業(yè)余愛好者和公司進行試驗嘗試創(chuàng)造了條件?？紤]到配置系統(tǒng)的歷史還很短，認為一種標準有望搞定這個問題(就像運行時標準那樣)是不切實際的。什么時候可以實現(xiàn)可擴展的映像構建，相當不明朗。據(jù)我所知，沒人在積極迭代，很遺憾這種現(xiàn)狀已維持一年多了。

垃圾收集

每個部署的重大Docker系統(tǒng)到頭來要編寫垃圾收集器，以便清除主機上的舊映像。使用了各種啟發(fā)式方法，比如清除超過X天的舊映像，在主機上最多執(zhí)行Y個映像。Spotify最近開放了其系統(tǒng)的源代碼。我們還在很久以前就編寫自己的垃圾收集器。我能明白為此設計一種易預測的用戶界面(UI)有多難，但是這又是核心中絕對需要的。當生產環(huán)境的機器嚷著要存儲空間時，大多數(shù)人無意中發(fā)現(xiàn)要求收集垃圾。最后，你會遇到同一映像，Docker注冊中心因龐大映像而溢出，不過這個問題已列在了發(fā)行版路線圖上(詳見https://github.com/docker/distribution/blob/master/ROADMAP.md#deletes)。

迭代速度和核心狀態(tài)

Docker引擎致力于1.x版本的穩(wěn)定性。在版本1.5之前，降低準入門檻以便在生產環(huán)境得到采用方面所做的工作不多。開發(fā)容器的公眾心理模式對Docker的成功而言必不可少，Docker害怕破壞這種模式是有其道理的。如果用戶體驗(UX)方面的每個變化經歷的過程時間過長，迭代速度難免受到影響。自版本1.7起，Docker開始發(fā)布試驗性版本，以網絡和存儲插件帶頭。這些功能特性被明確標為“未準備用于生產環(huán)境”，可能會從核心中取出或者隨時經歷重大變化。對于早已看好Docker的公司來說，下面這個是好消息：它讓核心開發(fā)團隊可以更快速地迭代開發(fā)新功能，不用擔心本著最佳設計的精神而破壞次要版本之間的向后兼容性。公司仍然很難改動Docker核心，因為它需要分支――這是導致最終失敗的行為和維護負擔，或者需要得到上流接受;對于值得關注的補丁來說，這常常很耗費人力。自版本1.7起，宣布插件后，解決這個問題的策略就很明確：讓每一個固執(zhí)己見的的組件都可以插入，最后顯示了“帶電池而且可以更換”這種理念的成果，這種理念最早是在2014年的DockerCon歐洲大會上提出來的(不過相當模糊)。在6月份的DockerCon大會上，很高興聽到這歸入到“管道”(Plumbing)這個大主題來探討，作為核心開發(fā)團隊的重中之重。雖然未來終于大有希望，但是這在今天仍然是個痛點，就跟過去兩年一樣。

日志

日志是表明有望得益于之前變化的一個方面的例子。這并不是引起強烈關注的問題，卻是普遍性的問題。目前沒有理想的、普通的解決方案。日志到處都是：尾部日志文件、容器里面的日志、通過掛載發(fā)送到主機的日志、發(fā)送到主機syslog的日志，通過fluentd(開源數(shù)據(jù)采集器)等工具來暴露日志，從應用程序直接發(fā)送到網絡的日志，或者發(fā)送到文件的日志，讓另一個進程將日志發(fā)送到Kafka。在版本1.6中，支持日志驅動程序的功能已并入到核心中(https://blog.docker.com/2015/04/docker-release-1-6/);然而，驅動程序在核心中必須得到接受(這并非易事)。在版本1.7中，已并入了試驗性支持進程外插件的功能，但是讓我失望的是，它并不隨帶日志驅動程序。我認為，版本1.8會計劃添加這項功能，但是在官方記錄中找不到這項。到那時，廠商們就能夠編寫自己的日志驅動程序。社區(qū)內部的共享將輕而易舉，大型應用程序再也不必求助于設計定制的解決方案。

密文

遷移到容器的人大多數(shù)依賴配置管理，在機器上安全地配置密文;然而，繼續(xù)沿著配置管理這種老路子配置容器中的密文很笨拙。另一個辦法就是將密文與映像一同分發(fā)，但是這帶來了安全風險，而且很難在開發(fā)、持續(xù)性集成和生產環(huán)境之間安全地回收映像。最純粹的解決辦法就是通過網絡訪問密文，讓容器的文件系統(tǒng)保持無狀態(tài)。就在不久前，這方面還沒有任何面向容器的機制;不過最近，兩家頗令人關注的密文代理系統(tǒng)Valut(https://vaultproject.io)和Keywhiz(https://github.com/square/keywhiz)開放了源代碼。在Shopify，我們一年半前開發(fā)了ejson(ejson是一種簡單的庫，用嵌入在JSON文件中的公鑰加密該文件中的所有值，詳見https://www.shopify.com/technology/26892292-secrets-at-shopify-introducing-ejson)，以解決這個問題，從而管理JSON文件中非對稱加密的密文文件;然而，它就所運行的環(huán)境有一些假設，因而讓它與密文代理系統(tǒng)相比，不是很理想的一般性解決方案(如果你很好奇，可以參閱這篇文章https://www.shopify.com/technology/26892292-secrets-at-shopify-introducing-ejson)。

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文件系統(tǒng)

Docker依賴來自文件系統(tǒng)的寫時拷貝機制(CoW)。這是為了確保如果有100個容器是從一個映像運行的，你就不需要100倍的磁盤空間。相反，每個容器在映像上面創(chuàng)建一個CoW層，只有利用原始映像創(chuàng)建文件時，才使用磁盤空間。容器的“規(guī)范市民”對容器里面的文件系統(tǒng)帶來的影響極小，因為這類變化意味著容器具有了狀態(tài)，這是絕對禁止的。這類狀態(tài)應該存儲在映射到主機或的卷上或通過網絡來存儲。此外，層次技術節(jié)省了部署之間的存儲空間，因為映像常常相似，有共同的層。在Linux上支持CoW的文件系統(tǒng)存在的問題是，它們都有點新。我們Shopify在幾百個負載相當大的主機上遇到過幾種文件系統(tǒng)：

AUFS。看到整個分區(qū)在我們要重新掛載的地方鎖起來。速度緩慢，耗用大量內存。代碼庫很龐大，難以讀取，這可能就是為什么它沒有被接受、進入到上游，因而需要自定義內核。

BTRFS。面臨學習曲線，需要學用一套新的工具，因為du和ls不管用。與AUFS一樣，我們看到分區(qū)凍結，內核鎖隹，盡管玩貓捉老鼠的游戲，希望內核版本保持是最新版本。臨近磁盤空間極限時，BTRFS的行為捉摸不定，如果你有1000個這樣的CoW層(用BTRFS的術語來說是子卷)，也是如此。BTRFS耗用大量內存。

OverlayFS。這在3.18版本中已并入到Linux內核，對我們來說已相當穩(wěn)定、快速。它耗用的內存要少得多，因為它設法在索引節(jié)點(inode)之間共享頁面緩存。遺憾的是，它需要你運行未被大多數(shù)發(fā)行版采用的較新內核，這常常意味著構建自己的內核。

幸好對Docker來說，Overlay文件系統(tǒng)很快就會無所不在，不過在我們看來，運行大量節(jié)點時，AUFS這一默認文件系統(tǒng)對生產環(huán)境來說仍然很不安全。不過很難說在這里該如何是好，因為大多數(shù)發(fā)行版也并不隨帶已準備支持Overlay的內核(有人提議Overlay作為默認文件系統(tǒng)，但由于這個原因遭到駁斥)，不過這絕對是這個領域的發(fā)展方向。看來我們除了等待別無他法。

依賴處于前沿的內核功能

正如Docker依賴最前沿的文件系統(tǒng)那樣，它還充分利用最近為內核添加的大量功能特性，也就是命名空間以及不是太新，又不常使用的控制組(cgroup)。這些特性(尤其是命名空間)還沒有在業(yè)界得到廣泛采用，因而還沒有經過考驗。我們偶爾會遇到這些特性存在的不明顯錯誤。我們碰到網絡命名空間在生產環(huán)境下被禁用的情況，那是由于我們遇到過相當多的軟死鎖，事后查明這些軟死鎖與實施有關，卻又沒有資源從上流解決問題。內存控制組耗用相當多的內存，我聽到過外頭反映不可靠的情況。隨著容器得到越來越廣泛的使用，大公司可能會率先做好這項穩(wěn)定工作。

我們在生產環(huán)境中碰到的需要加固的一個例子就是僵尸進程(https://blog.phusion.nl/2015/01/20/docker-and-the-pid-1-zombie-reaping-problem/)。容器在PID命名空間里面運行，這就意味著容器里面的第一個進程有pid 1。容器里面的init需要執(zhí)行確認已死的子進程這一特殊任務。某個進程死后，并不立即從內核進程數(shù)據(jù)結構中消失，而是成為一個僵尸進程。這確保了父進程可以通過wait(2)檢測到子進程已死。然而，如果子進程成為孤兒，其父進程就被設成init。該進程隨后死后，init的任務就是通過wait(2)確認子進程已死――不然，僵尸進程就會永遠存在。這樣一來，內核進程數(shù)據(jù)結構會被僵尸進程耗盡，之后你就得自己想辦法。對基于進程的master/worker模式來說，這種場景相當常見。如果worker進程逃出外殼，并花了很長時間，master進程就會使用SIGKILL終結等待外殼命令的worker進程(除非你使用進程組，一下子終結整個進程組)。逃出外殼的派生進程然后被init繼承。等該進程終于完成后，init需要對它執(zhí)行wait(2)操作。Docker引擎可以解決這個問題，通過Docker引擎使用設置PR_SET_CHILD_SUBREAPER確認容器里面的僵尸進程，https://github.com/docker/docker/issues/11529有所描述。

安全

運行時安全對容器來說仍要打個問號;想針對生產環(huán)境進行加固是經典的先有雞還是先有蛋的安全問題。以我們Shopify為例，我們并不依賴容器提供任何額外的安全保障。然而，許多使用場合卻依賴容器提供額外保障。由于這個原因，大多數(shù)廠商仍在虛擬機中運行容器，而虛擬機的安全久經考驗。由于操作系統(tǒng)虛擬機勝出，我希望看到虛擬機在今后十年內消失，因為有人曾在Linux郵件列表上說過：“我曾經聽到虛擬機管理程序是活生生的證據(jù)，證明了操作系統(tǒng)的無能?！比萜髟谔摂M機(硬件層虛擬化)和PaaS之間(應用程序層)提供了完美的中間體。我知道，運行時安全方面在做更多的工作，比如說能夠將系統(tǒng)調用列入黑名單。映像方面的安全一向是問題的根源，但是Docker正在借助libtrust和notary――它們將是新的發(fā)行層(https://github.com/docker/distribution)的一部分的，積極改進這方面。

映像層和傳輸

• 第一個版本的Docker為映像的構建、傳輸和運行時環(huán)境采取了一條巧妙的捷徑。它選擇了適用于所有情況的工具：文件系統(tǒng)層，而不是為每個問題選擇一種合適的工具。這種抽象機制一直作用于在生產環(huán)境中運行容器。這是完全可以接受的最小可行產品實用主義，但是每個問題都能極其高效地得到解決。
• 映像構建可以表示為有向工作圖。這樣可以弄清楚緩存和并行處理，以便迅速地構建可預測的映像。
• 映像傳輸而不是使用映像層，它就可以執(zhí)行二進制差異化(binary diffing)。這個話題已研究了幾十年。分發(fā)層和運行層越來越分離開來，為這種優(yōu)化創(chuàng)造了條件。
• 運行時環(huán)境應該就實施單單一個CoW層，而不是再次使用隨意的映像層抽象。如果你在第一次讀取時使用AUFS之類的統(tǒng)一文件系統(tǒng)，就遍歷鏈接文件列表來匯編最終文件。這很緩慢，而且完全沒有必要。

層模式對映像傳輸以及對構建來說是個問題。這意味著，你必須極其小心對待映像每個層中的東西，因為不然你很可能到頭來為大型應用程序傳輸100MB的數(shù)據(jù)。如果你在自己的數(shù)據(jù)中心里面有大型鏈接，這個問題不大，但是如果你想使用Docker Hub之類的注冊中心服務，這就會通過公開的互聯(lián)網來傳輸。映像分發(fā)目前正在積極開發(fā)之中。Docker公司有足夠的動機將這方面做得可靠、安全而快速。至于構建，我希望這為插件創(chuàng)造條件，以便一種優(yōu)秀的解決方案浮出水面。

結束語

另外許多話題有意沒有探討，比如存儲、網絡、多租戶、編排和服務發(fā)現(xiàn)。如今Docker需要的是更多的人將容器部署到生產環(huán)境，而且是大批人在部署。遺憾的是，許多公司一開始就對PaaS寄以厚望，利用當前的架構過度補償。如果你規(guī)模很小，或者規(guī)劃將Docker部署到全新的環(huán)境，這種方法才可行。想在生產環(huán)境下得到更廣泛的使用，我們就需要解決上述一些問題，以便讓Docker的優(yōu)點明顯壓倒缺點。

Docker將自己置于令人興奮的位置，充當PaaS的接口，無論是發(fā)現(xiàn)、網絡還是服務發(fā)現(xiàn)，應用程序沒必要關心底層基礎設施。這是好消息，因為正如Solomon所說，Docker的最大優(yōu)點就是，它讓人們達成了共識。我們終于開始就映像和運行時環(huán)境之外的其他方面達成共識。

我與Docker公司的人員深入探討過所有上述問題。在一定程度上存在所有這些問題的GitHub Issues。我在這里的目的是，僅僅是提供個人之見，闡明哪幾個方面對降低Docker的準入門檻最為重要。我對未來滿懷激情，但是我們仍有大量工作要做，才能讓Docker應用到更多的生產環(huán)境。

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