OpenStack中容器技术应用场景

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

容器技术作为云计算中的新一代技术，正在吸引越来越多的开发者、企业以及用户关注。然而，在OpenStack社区，容器技术并没有得到广泛的应用，这就造成了很多OpenStack用户对于OpenStack是否支持容器技术持疑虑态度。本文将详细介绍OpenStack中容器技术的应用场景，包括什么时候适合使用容器技术？如何使用OpenStack中的容器技术？主要功能特性有哪些？容器技术还有哪些其他的优势？最后将结合一些实践案例，阐述OpenStack容器技术的实际运用。希望通过本文可以让读者了解到容器技术在OpenStack中的应用场景及特性，更加深入地理解容器技术背后的设计思想，并充分利用其可扩展性与弹性的优势，实现业务快速发展。

2.背景介绍

容器技术概览

容器技术是指一种用于打包、部署和运行应用程序的轻量级虚拟化技术。它是一个标准化的平台，能够在单个操作系统上同时运行多个隔离的应用进程。容器技术由Docker领军公司开源推出，它使用Linux内核提供虚拟化环境，并在此之上构建了一层抽象，用于管理容器之间资源共享和网络通信。目前，主流的Linux发行版本都提供了对容器技术的原生支持，例如Ubuntu、CentOS、CoreOS等。

传统的虚拟机技术具有以下几个缺点：

启动时间长：虚拟机创建需要下载镜像文件，并从头到尾启动完整操作系统，相比于进程或线程，它所需的时间往往较长；
资源占用高：每创建一个虚拟机，就会独享整个物理机的资源，虚拟机之间也不能互相访问，造成资源浪费；
启动慢：由于创建虚拟机需要几分钟甚至十几分钟，所以在创建大量虚拟机时，初始化过程会非常耗时；

容器技术解决了这些问题，它使用宿主机的操作系统，但并不在宿主机上独享完整的资源。容器只分配少量资源给应用进程，而且仅仅是在宿主机上运行一个轻量级的操作系统虚拟化环境，因此可以节省很多的硬件资源。容器还可以使用相同的基础设施，快速启动和停止，方便动态扩缩容，从而满足短暂的突发需求。总体来说，容器技术赋予了服务器高可靠性和弹性，使得它在云计算、微服务架构和大数据处理方面扮演着重要角色。

OpenStack容器技术

OpenStack中，容器技术属于基础设施层面的技术，因此它的实现依赖于基础设施虚拟化平台的支持。目前，有三种流行的容器技术方案：基于LXC（Linux Container）的OpenVZ、基于Libvirt的KVM/QEMU以及基于Docker的libcontainer。OpenStack社区推荐采用Docker作为容器技术方案，原因如下：

Docker是一款开源容器技术框架，具有轻量级、便捷的特点；
Docker自身具有完整的生命周期管理机制，可以使用Dockerfile定义镜像，能很好地控制镜像之间的依赖关系；
使用Docker能够很容易地集成OpenStack组件，例如Glance、Nova等；
Docker开源社区已经形成了一套完善的生态系统，提供了丰富的工具和服务支持；
在基于Docker的容器技术下，OpenStack的所有服务组件均可以通过Dockerfile定义镜像，而且Glance可以存储各种类型的容器镜像，从而达到降低部署复杂性的目的。

容器技术并不是完美无瑕的，也存在诸多的局限性。比如，容器技术并不能完全替代虚拟机，它们各有自己的优势和局限性，要根据实际情况选择最适合的方案。另外，容器技术尤其适合动态资源密集型的业务，对资源的消耗不会随着业务的增加而线性增长。因此，OpenStack容器技术应用的场景应当有一定局限性，因为它只能起到保障业务稳定性和弹性扩张的作用，不能取代现有的虚拟化技术。

2.基本概念术语说明

1.1 容器(Container)

容器，英文名为“container”，是一种轻量级、独立、安全的操作系统虚拟化环境。它是一个运行时环境，可以包含多个运行的应用进程，且每个容器之间彼此隔离，拥有独立的文件系统、资源限制、权限控制等属性。它类似于传统的虚拟机技术，但是它是建立在宿主机的内核之上的，并且它资源开销非常小。容器技术被设计用于支持基于微服务架构的分布式应用。

1.2 镜像(Image)

镜像，英文名为“image”，是指一个轻量级、独立、自描述的软件打包环境，用来创建Docker容器。一个镜像就是一个只读模板，其中包含执行某个任务所需的一切必要条件和设置。它是一个二进制可执行文件，里面包含的是操作系统、应用、库、配置等文件。

1.3 Dockerfile

Dockerfile，中文译为“Docker源码”，是一个用于创建镜像文件的文本文件。Dockerfile包含了一条条指令(Instruction)，用来告诉Docker如何构建镜像。Dockerfile使用了特定的语法规则，例如FROM、RUN、CMD、ENTRYPOINT、EXPOSE、ENV等命令。Dockerfile提供了一种自动化编译的机制，可以避免复杂的手动配置过程，可以更加便捷地部署应用。

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1.4 仓库(Repository)

仓库，英文名为“repository”，是Docker用来保存镜像的地方。Docker Hub是一个公共的Docker镜像仓库，默认情况下，所有的用户都可以在该站点上进行镜像检索、分享和发布。除了官方的Docker Hub外，还可以有第三方的镜像仓库供用户共享、上传镜像。

1.5 命令行接口CLI

命令行接口（Command Line Interface，简称CLI），是指计算机操作系统提供给用户的用户界面，主要用于跟机器进行交互，向机器输入命令、接收输出结果。用户通过CLI可以直接与计算机系统进行交互，完成各种操作。当前，绝大多数的Linux发行版本以及大部分类Unix操作系统都提供了CLI，Windows系统也有部分支持。

1.6 RESTful API

RESTful API，即表现层状态转化（Representational State Transfer）的API，是一种设计风格，它结构清晰、符合标准、易于理解、易于使用，是目前多数Web服务端编程语言的主流方式。RESTful API使用统一的接口协议，允许不同客户端（如浏览器、移动APP、小程序等）以同样的方式访问服务器资源，可以大幅简化客户端与服务器间的通信。

1.7 Kubernetes

Kubernetes，全称为“Kuberentes Local，Global and Scalable Cluster Management System”，是Google、IBM、微软、Amazon、Twitter等大型互联网公司开源的容器集群管理系统。它是一个开源系统，它可以管理、编排容器化的应用，它是一种可伸缩性良好的分布式系统，可以管理任意规模的容器集群，并提供跨主机和内部集群应用程序的自动部署、扩展和管理。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解

容器技术有多个功能特性，其中最重要的功能特性就是部署应用可移植性。由于容器技术运行在宿主机的操作系统上，因此它可以运行在任何兼容的操作系统上，无论是Linux、Mac OS X、Windows还是其他系统。

为了实现部署应用可移植性，容器技术使用了一层抽象，即容器镜像。镜像就是一个只读模板，包含了操作系统、应用、库、配置等所有必要条件和设置，当创建容器时，只需要指定一个镜像就可以了。这样，不同主机上相同的镜像就可以运行不同的应用了。除此之外，容器技术还有其他一些特性，包括容器的互联互通性、容器的可迁移性、容器的动态扩展性和生命周期管理等。

下面将介绍OpenStack中容器技术的应用场景。

3.1 何时适合使用容器技术

一般来说，容器技术适用于以下几种场景：

微服务架构：基于容器技术的微服务架构能够帮助企业降低技术栈的学习成本、提升软件交付效率、降低IT资源投入，有效提升公司竞争力。微服务架构下的容器技术可以有效实现应用的高度模块化，并降低服务耦合度，从而提升软件的可维护性、可扩展性和可复用性。
敏捷开发与部署：容器技术能够帮助研发团队实现敏捷开发和部署。开发人员只需编写代码即可打包生成镜像，然后使用编排工具（如Kubernetes、Mesos）快速部署到测试、预生产、正式环境，极大的提高了工作效率。
大数据分析与实时计算：容器技术能够为企业提供高度可扩展的数据分析能力，大数据分析可以利用容器集群快速启动并调配容器节点，实现数据分析的实时响应。
可信计算：容器技术能够为企业提供高度可信的计算能力。企业可以把敏感数据和计算任务放置在容器中，利用容器的隔离特性实现数据的安全性，并可以在容器集群上利用不同节点的资源，实现任务的高度并行化。

3.2 如何使用OpenStack中的容器技术

虽然OpenStack提供了基于Docker的容器技术方案，但并没有提供OpenStack应用容器的详细文档。本节将介绍OpenStack中容器技术的具体用法。

创建容器实例

首先，需要登录OpenStack控制台，进入Compute页面，点击Containers选项卡，进入容器列表页面，点击Create Server按钮，弹出创建容器的页面，如图所示：

在Create Server页面中，主要填写如下字段：

Name：容器名称，用户自定义，不能为空。
Image Source：镜像来源，可以选择本地镜像或者远端镜像，默认使用Glance上的标准镜像。如果是远程拉取，请输入镜像地址，如docker.io/library/centos:latest。
Flavor：机器配置类型，可以选择性能型、通用型、计算型等。
Network：网络配置，可以选择外部网络或者内部网络，如果是外部网络，则需要选择对应的安全组策略。
Key Pair：SSH密钥对，用来连接容器。

确认信息无误后，点击Launch创建容器。创建成功后，页面会显示容器相关信息，如IP地址、可用端口、启动命令等。

配置容器

在创建容器后，还需要对容器进行一些配置，才能运行起来。点击该容器的ID链接，打开容器详情页，点击Config标签页，如下图所示：

在Config标签页中，主要填写如下字段：

Command：启动命令，可以自定义，也可以为空，表示使用默认启动命令。
Environment Variables：环境变量，可以在容器中定义键值对，比如设置环境变量MYVAR=myvalue，那么可以在容器内通过echo $MYVAR获取该值。
Volumes：数据卷，可以将宿主机的数据卷映射到容器中，可以实现应用数据的持久化存储和数据共享。
Ports：端口映射，可以将容器内的端口映射到宿主机上，实现应用的外部访问。
Limitations：限制项，可以对容器的内存、CPU、磁盘、网络带宽等资源进行限制。
Restart Policy：重启策略，当容器退出或异常退出后，容器根据重启策略自动重启。
Labels：标签，可以对容器进行分类、标记和搜索。

点击Update Configuration按钮保存配置。配置修改后，点击Restart按钮，重启容器使配置生效。

使用kubectl管理容器

OpenStack提供了OpenStack命令行接口（CLI）的restful API接口，可以通过命令行调用容器服务的RESTful API接口实现管理容器。OpenStack中，kubectl命令行工具是管理Kubernetes集群的命令行工具。kubectl可以用来获取集群信息、创建和删除资源对象，以及对资源对象做查询和编辑操作。

安装kubectl命令行工具可以参考官方文档：https://kubernetes.io/docs/tasks/tools/install-kubectl/。然后，登录OpenStack控制台，进入Dashboard页面，找到页面右上角的username，点击Dropdown菜单，选择Access & Security -> API Access，然后复制Endpoint URL，打开终端，输入命令：

export KUBECONFIG=<endpoint url>

等待命令执行完成，再输入命令：

kubectl get nodes

就可以查看集群中所有的节点信息。

有关kubectl命令的详细用法，请参考官方文档：https://kubernetes.io/docs/reference/kubectl/overview/。