Docker стал неотъемлемой частью современной разработки и эксплуатации программного обеспечения. Он позволяет создавать, развёртывать и запускать приложения в изолированных контейнерах, что упрощает процесс переноса программ между различными средами. Но как Docker работает под капотом? Как он использует возможности ядра Linux для достижения такой гибкости и эффективности? Давайте разберёмся в этом подробно.
Контейнеры в Docker: концепция и отличие от виртуальных машин
Docker-контейнеры часто сравнивают с виртуальными машинами (VM), однако между ними есть фундаментальные различия. Виртуальная машина включает в себя полную операционную систему, тогда как контейнер использует ресурсы хостовой ОС, изолируя только приложения и их зависимости. Это достигается за счёт использования возможностей ядра Linux, таких как cgroups и namespaces, о которых мы поговорим подробнее ниже.
Namespaces: изоляция процессов и ресурсов
Namespaces — это механизм в ядре Linux, который изолирует процессы и ограничивает их видимость к системным ресурсам. Docker активно использует следующие виды namespaces:
-
PID (Process ID) Namespace
Изолирует идентификаторы процессов, создавая для контейнера собственное дерево процессов. Это позволяет контейнеру считать, что он работает в своей отдельной системе, где процессы хоста не видны. -
UTS (Unix Timesharing System) Namespace
Позволяет контейнеру иметь собственные имя хоста и доменное имя, не влияя на глобальные настройки хоста. -
IPC (Inter-Process Communication) Namespace
Изолирует механизмы межпроцессного взаимодействия, такие как разделяемая память и семафоры, чтобы контейнеры не могли получить доступ к IPC-объектам друг друга. -
Mount Namespace
Обеспечивает контейнеру отдельное файловое пространство, создавая собственное дерево монтирования. Это основа для создания изолированной файловой системы в контейнерах. -
Network Namespace
Изолирует сетевые интерфейсы, IP-адреса и маршруты. Docker создаёт виртуальные сетевые интерфейсы (veth) для каждого контейнера и подключает их к мосту (по умолчанию —docker0), обеспечивая контейнерам индивидуальные сетевые стеки. -
User Namespace
Позволяет запускать процессы в контейнере от имени обычного пользователя, который отображается как root внутри контейнера, обеспечивая дополнительный уровень безопасности.
Cgroups: управление ресурсами
Control Groups (cgroups) — это механизм в ядре Linux, который ограничивает и контролирует использование системных ресурсов. Docker применяет cgroups для:
- Ограничения использования процессорного времени (CPU)
- Управления объёмом оперативной памяти (RAM)
- Контроля использования дисковых операций (I/O)
- Ограничения сетевого трафика
Например, флаг --memory в команде docker run использует cgroups для ограничения объёма памяти, который может использовать контейнер. При превышении лимита контейнер может быть завершён с ошибкой Out of Memory (OOM).
UnionFS: многослойная файловая система
Docker использует UnionFS (Union File System) для создания лёгких и многослойных образов контейнеров. Она позволяет объединить несколько файловых систем в одну виртуальную, где изменения записываются в верхний слой, не изменяя базовые слои.
Основные драйверы хранения в Docker:
- OverlayFS — наиболее популярный и производительный, поддерживается в современных ядрах Linux.
- AUFS (Advanced Multi-layered Unification Filesystem) — использовался ранее, но сейчас менее популярен.
- Btrfs и ZFS — обеспечивают более продвинутые возможности, такие как мгновенные снимки и контроль целостности данных.
Сетевые возможности Docker
Docker использует network namespaces и virtual ethernet (veth) пары для создания изолированных сетей. Основные типы сетей:
- Bridge — используется по умолчанию. Контейнеры подключаются к виртуальному мосту
docker0. - Host — контейнер использует сетевой стек хоста напрямую, без изоляции.
- None — контейнер не имеет доступа к сети.
- Overlay — создаёт распределённые сети для общения контейнеров между разными хостами с использованием технологии VXLAN.
Маршрутизация и перевод адресов (NAT) осуществляются с использованием iptables, а DNS-запросы обрабатываются встроенным сервером на основе библиотеки libnetwork.
Управление контейнерами: runc и containerd
Docker изначально был монолитным, но со временем его архитектура стала более модульной. Сейчас контейнерами управляют два ключевых компонента:
-
runc — инструмент для запуска контейнеров, соответствующий спецификациям Open Container Initiative (OCI). Он напрямую использует namespaces и cgroups для создания изолированной среды.
-
containerd — это фоновый сервис, управляющий жизненным циклом контейнеров (запуск, остановка, пауза, уничтожение). Он общается с runc и взаимодействует с хранилищами образов, сетевыми плагинами и средствами управления ресурсами.
Безопасность контейнеров
Docker использует несколько механизмов для обеспечения безопасности:
- AppArmor и SELinux — ограничивают доступ контейнеров к ресурсам хоста.
- Seccomp — фильтрует системные вызовы, блокируя потенциально опасные операции.
- Capability Dropping — уменьшает привилегии контейнеров, исключая ненужные возможности ядра.
Эти инструменты позволяют ограничить возможности контейнеров, минимизируя риск компрометации хостовой системы.
Заключение
Docker использует мощные возможности ядра Linux, такие как namespaces, cgroups и UnionFS, чтобы создавать изолированные, лёгкие и гибкие контейнеры. Он не только оптимизирует использование системных ресурсов, но и обеспечивает высокий уровень безопасности. Понимание внутренних механизмов Docker позволяет более эффективно настраивать и масштабировать контейнеризированные приложения, а также лучше понимать их поведение в сложных производственных средах.