為什麼要虛擬化，為什麼要容器，為什麼要Docker，為什麼要K8S？

Apluemxa發表於2023-01-16
DockerK8S

前言

如標題中的問題所提到的虛擬化，容器，Docker和K8s那樣，我們不妨這樣問：這些技術到底適用於哪些場景，有沒有別的技術可以替代？這些技術的優劣在哪裡？

下面我將針對性地從以上幾個問題的出發點，去和大家分享自己的答案。

一、虛擬化—歷史的選擇

我們現在提到虛擬化技術，一般會知道有5種：軟體虛擬化，硬體虛擬化，完全虛擬化，半虛擬化和容器虛擬化。

在這裡，主要探討的是硬體虛擬化和容器虛擬化的出現，對雲端計算的發展帶來了哪些影響甚至是推動。

對於雲原生來說，尤其是應用上雲，我們會直接想到使用物理機節點去部署我們的應用。這樣做首先是沒有問題的，物理機在早期確實也承擔了這樣的任務，如圖1所示。

但這樣也會有直接的問題：對於物理機資源的利用暫且不說，眾多的應用環境隔離怎麼解決？前端是node.js+Vue，後端是Golang，對於版本的維護成本是比較大的，買三臺伺服器來實現硬體級別隔離顯然並不合理。

此外，還有物理機內應用的資源分配問題、動態負載等等問題。

圖1

那麼，得想個辦法（或者工具）來解決環境隔離的問題。舉個簡單的例子，平時在PC上使用比較多的虛擬化是Vmwear（一個桌面軟體），這類軟體可以在windows上安裝下linux虛擬機器（可以學習linux系統），且安裝完成的虛擬機器就是一個資料夾，可以複製到任意其他PC電腦上使用，只要那臺電腦上也裝了Vmwear，等同於一個移動作業系統，如圖2所示：

圖2

但是這僅僅是我們個人在PC端使用的虛擬化軟體，在企業級別伺服器上相應的工具最具代表性的是KVM。

我們可以把原始裝的那個linux系統稱為Host OS（主機），在這之上我們安裝各種應用，JVM，Docker，Python等。其執行原理如圖3所示：

圖3

到這裡，我們已經大致知曉了虛擬化技術存在的原因和所適用的場景。接下來就是對於容器這一部分進行解答，同時將Docker和容器一起進行比較。

二、容器化—演進的結果

為何要容器化？

結論先行：虛擬機器≠容器，容器≠Docker。

虛擬化技術解決的核心問題是資源調配，而容器解決的核心問題是應用開發、測試和部署。

基於上面的介紹，容器的特點可以更好地理解：

  • 容器可以將程式碼與配置檔案和相關依賴庫進行打包，從而確保在任何環境下的執行都是一致的。
  • 高資源利用率：容器提供程式級的隔離，因此可以更加精細地設定 CPU 和記憶體的使用率，進而更好地利用伺服器的計算資源。
  • 快速擴充套件：每個容器都可作為單獨的程式予以執行，並且可以共享底層作業系統的系統資源，這樣一來可以加快容器的啟動和停止效率。

區別與聯絡：

  • 虛擬機器雖然可以隔離出很多「子電腦」，但佔用空間更大，啟動更慢。虛擬機器軟體可能還要花錢，例如 VMWare。
  • 容器技術不需要虛擬出整個作業系統，只需要虛擬一個小規模的環境，類似「沙箱」。
  • 執行空間，虛擬機器一般要幾 GB 到 幾十 GB 的空間，而容器只需要 MB 級甚至 KB 級。

將容器這一理念發揮到淋漓盡致的，就是著名的Docker容器技術。即是建立容器的工具，也是應用容器引擎。Docker的中文意思，就是碼頭工人。而它的LOGO，就是一隻鯨魚揹著很多貨櫃箱，如圖4所示：

圖4

為什麼一提到容器就會聯想到Docker？

Docker是業內容器概念的最好踐行者之一。

Docker容器使應用程式不僅彼此隔離，而且與底層系統隔離。這不僅可以實現更清晰的軟體堆疊，還可以更輕鬆地指定給定的容器化應用程式如何使用系統資源- CPU，GPU，記憶體，I / O，網路等，它還可以更輕鬆地確保資料和程式碼保持獨立。

映象是一種輕量級、可執行的獨立軟體包，用來打包軟體執行環境和基於執行環境開發的軟體，它包含執行某個軟體所需的所有內容，包括程式碼、執行時、庫、環境變數和配置檔案。

我想，上述對於容器和Docker區別大家或多或少有所瞭解。下面，對於為什麼要K8s的問題，分享我的看法。

K8s—業界的標準

眾所周知，Docker是應用最為廣泛的容器技術，透過打包映象、啟動容器來建立一個服務。但是隨著應用越來越複雜，容器的數量也越來越多，由此衍生了管理運維容器的重大問題。

而K8s是一個編排容器的工具，其實也是管理應用的全生命週期的一個工具，從建立應用、應用的部署、應用提供服務、擴容縮容應用、應用更新等，都非常的方便，而且可以做到故障自愈。例如一個伺服器掛了，可以自動將這個伺服器上的服務排程到另外一個主機上進行執行，無需進行人工干涉。

K8s叢集由Master節點和Node（Worker）節點組成，具體如表1所示：

Master節點 Node節點
etcd Control plane
kube-apiserver kube-proxy
kube-controller-manager kubelet
kebu-scheduler docker
kube-dns other apps
kube-proxy
Control plane
表1

各關鍵元件的簡單介紹如下：

- etcd：一個高可用的Key/Value鍵值對儲存和服務發現系統
- flannel：實現跨主機的容器網路的通訊
- kube-apiserver：提供kubernetes叢集的API呼叫
- kube-controller-manager：確保叢集服務
- kube-scheduler：排程容器，分配到Node
- kubelet：在Node節點上按照配置檔案中定義的容器規格啟動容器
- kube-proxy：提供網路代理服務

多節點之間關係和所需的元件如圖5所示：

圖5

最後，可以來總結一下虛擬化，容器，Docker和K8s之間的關係了：虛擬化技術將應用從物理機搬進了虛擬機器，虛擬機器裡的容器隔離了應用之間的環境，而Docker是容器技術的知名踐行者，K8s則是目前業內公認的容器編排工具（標準）。

我的分享到此結束了，期待大家的交流與指

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