鄒保平，黃文思，張文晉，韓澤華，程仲漢

（國(guó)網(wǎng)信通億力科技有限責(zé)任公司 福建 福州350003）

基于Docker的應(yīng)用部署管理平臺(tái)研究

鄒保平，黃文思，張文晉，韓澤華，程仲漢

（國(guó)網(wǎng)信通億力科技有限責(zé)任公司 福建 福州350003）

針對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用管理平臺(tái)在云儲(chǔ)存服務(wù)器托管過(guò)程中資源過(guò)度消耗的問(wèn)題，本研究利用Docker容器設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用部署管理平臺(tái)，由Spring MVC框架編寫(xiě)Web管理界面，并選擇虛擬機(jī)建立私有注冊(cè)表保存預(yù)先設(shè)計(jì)的應(yīng)用部署管理程序，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化巡視、自動(dòng)化部署和自動(dòng)化配置3個(gè)方面的應(yīng)用部署管理。為了驗(yàn)證Docker容器機(jī)制的即時(shí)有效性，同時(shí)選取CBSD機(jī)制對(duì)自動(dòng)化巡視子系統(tǒng)的應(yīng)用程序中不同Slave節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為200和400時(shí)，CBSD機(jī)制處理時(shí)間約為Docker容器機(jī)制的2倍和6倍，隨著應(yīng)用程序的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，Docker容器的處理方式優(yōu)勢(shì)顯著。

Docker容器；MVC模式；虛擬機(jī)；應(yīng)用管理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和云計(jì)算技術(shù)的普及，公司或企業(yè)都在試圖建立一個(gè)私有云平臺(tái)[1]。云平臺(tái)作為共享計(jì)算資源的一種形式，由特定形式的開(kāi)源程序充分利用計(jì)算資源集[2]?；谫Y源共享的云平臺(tái)可以分為 3個(gè)層次[3]：IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、SaaS（軟件即服務(wù)）和PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）。其中，PaaS為應(yīng)用軟件提供了一個(gè)更容易操作和部署環(huán)境，但是現(xiàn)有的PaaS平臺(tái)仍有一些不足之處：首先，應(yīng)用托管環(huán)境的PaaS平臺(tái)單一，其只能提供運(yùn)行環(huán)境特定的編程語(yǔ)言或腳本語(yǔ)言[4]；其次，PaaS平臺(tái)的組成部分是封閉的；最后，虛擬機(jī)消耗過(guò)多的資源[5]。因此，為了找到更輕量級(jí)的虛擬化解決方案以減少資源消耗，本研究通過(guò)Docker容器開(kāi)發(fā)一套應(yīng)用部署管理平臺(tái)，在該平臺(tái)中提供了各種應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境。不僅支持流行的編程語(yǔ)言和腳本語(yǔ)言，而且提供了更強(qiáng)的兼容性和更靈活的操作環(huán)境。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 應(yīng)用環(huán)境

將應(yīng)用部署平臺(tái)部署在開(kāi)棧并使用開(kāi)棧虛擬機(jī)部署。正是在這樣的群主-從結(jié)構(gòu)，該API服務(wù)器部署在主節(jié)點(diǎn)作為輸入系統(tǒng)[6]。它封裝了Docker容器添加，刪除，修改等操作，并提供給外部客戶和內(nèi)部組件來(lái)調(diào)用。

1.2 Web管理界面

由Spring MVC框架編寫(xiě)Web管理界面[7]。它主要是通過(guò)獨(dú)立的模型，視圖和控制器角色從接口分離應(yīng)用的業(yè)務(wù)邏輯。通常情況下，模型負(fù)責(zé)封裝應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的視圖層顯示。圖只顯示這些數(shù)據(jù)，它不包含任何業(yè)務(wù)邏輯。該控制器負(fù)責(zé)接收來(lái)自用戶的請(qǐng)求，并回叫服務(wù)來(lái)處理業(yè)務(wù)邏輯。處理后，后臺(tái)業(yè)務(wù)層可能會(huì)返回一些數(shù)據(jù)并顯示在視圖層?？刂破魇占瘮?shù)據(jù)，并在該視圖層制備的模型和顯示。MVC模式的核心思想是將業(yè)務(wù)邏輯從界面分開(kāi)，并允許數(shù)據(jù)在不影響彼此獨(dú)立時(shí)進(jìn)行改變。在Spring MVC應(yīng)用中，模型通常由POJO對(duì)象組成，主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)層和持久層的處理[8]。通常由JSP編寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記庫(kù)模板[9]，而控制器部分是負(fù)責(zé)調(diào)度servlet[10]。在數(shù)據(jù)密集小群和節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)的集群中，也實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)建、刪除和Web界面等操作。用戶可以更方便的通過(guò)圖形界面進(jìn)行操作。

1.3 Docker集群管理

Docker集群通信采用flannel網(wǎng)絡(luò)配置模式。flannel網(wǎng)絡(luò)允許集群中的不同節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建具有集群唯一虛擬IP地址的Docker容器[11]。因此，可以直接通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)在不同的容器與Docker容器進(jìn)行通信。VNC服務(wù)器可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)到Docker容器Web訪問(wèn)，VNC服務(wù)器滿足分布式用戶共享服務(wù)器資源[12]。而NoVNC是一個(gè)基于HTML5的VNC客戶端。安裝VNC服務(wù)器到Docker容器中，并通過(guò)IP訪問(wèn)Docker窗容器，即端口。使用的Docker注冊(cè)表是私有注冊(cè)表，根據(jù)用戶的需求，可以使用Docker文件實(shí)現(xiàn)Docker圖像，方便了用戶建立應(yīng)用或環(huán)境。

1.4 應(yīng)用功能劃分

IT運(yùn)維的自動(dòng)化應(yīng)用部署管理平臺(tái)主要包括3個(gè)方面：自動(dòng)化巡視、自動(dòng)化部署和自動(dòng)化配置。其中，自動(dòng)化巡視是通過(guò)構(gòu)建API接口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)模型功能模塊與監(jiān)控?zé)o縫對(duì)接，將可視化的應(yīng)用程序連接到控制器，最終在主機(jī)中通過(guò)VNC客戶端運(yùn)行Docker注冊(cè)表，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶操作規(guī)范的約束、操作審計(jì)、合規(guī)性檢查和對(duì)IT資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。自動(dòng)化部署是通過(guò)自動(dòng)監(jiān)控和管理模型實(shí)現(xiàn)故障或問(wèn)題綜合處理和集中管理。例如，在自定義周期內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)觸發(fā)完成對(duì)IT運(yùn)維的例行巡檢，形成檢查報(bào)告，包括自動(dòng)運(yùn)行維護(hù)，以完成對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)丁的同步分發(fā)與升級(jí)、數(shù)據(jù)備份、病毒查殺等工作。而自動(dòng)化配置則是將事件與流程相關(guān)聯(lián)，被監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生性能超標(biāo)或宕機(jī)，觸發(fā)相關(guān)事件以及事先定義好的流程，可自動(dòng)啟動(dòng)故障響應(yīng)和恢復(fù)機(jī)制。自動(dòng)化工作平臺(tái)還可幫助IT運(yùn)維人員完成日常的重復(fù)性工作 （如升級(jí)、備份、巡檢等）。

2 平臺(tái)實(shí)施

本研究基于Docker容器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用部署管理平臺(tái)，是建立在Docker技術(shù)上提供應(yīng)用程序、該部署操作，服務(wù)發(fā)現(xiàn)，體積減少和其他功能的膨脹容器資源調(diào)度。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 應(yīng)用部署管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

基于OpenStack的平臺(tái)選擇3臺(tái)虛擬機(jī)部署應(yīng)用部署管理平臺(tái)，kubernetes系統(tǒng)框架為Docker容器集群管理系統(tǒng)的容器化應(yīng)用提供應(yīng)用程序的資源調(diào)度與部署運(yùn)行[13]。因此，運(yùn)用kubernetes系統(tǒng)框架和Ubuntu 12.04操作系統(tǒng)上的源編譯構(gòu)造主-從結(jié)構(gòu)，即有兩個(gè)仆從的節(jié)點(diǎn)和一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，并且主節(jié)點(diǎn)也是仆從節(jié)點(diǎn)[14]。Flannel網(wǎng)絡(luò)中，不同的節(jié)點(diǎn)的通信方式是不同的。Flannel網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的一個(gè)代理在每個(gè)主機(jī)上負(fù)責(zé)分配子網(wǎng)的一個(gè)預(yù)配置地址空間，同時(shí)，使用ETCD來(lái)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)配置中分配子網(wǎng)和輔助數(shù)據(jù)（如主機(jī)的IP）報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)，使用的是終端服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。最簡(jiǎn)單的終端服務(wù)器是UDP和使用TUN器件封裝每個(gè)IP片段的UDP包，形成一個(gè)覆蓋網(wǎng)絡(luò)。ETCD作為使用的所有空閑API對(duì)象的持久存儲(chǔ)和鍵值存儲(chǔ)。系統(tǒng)源代碼通過(guò)提供集群協(xié)調(diào)、狀態(tài)管理和規(guī)范存儲(chǔ)作為分布式系統(tǒng)的核心。

使用Docker作為基本組成部分，并在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用部署。傳統(tǒng)的虛擬化技術(shù)是在硬件層面上的虛擬化，并且需要有附加的虛擬機(jī)管理應(yīng)用和虛擬機(jī)操作系統(tǒng)層。Docker容器通過(guò)使用本地主機(jī)操作系統(tǒng)上的虛擬化，可以直接實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)級(jí)別的虛擬化過(guò)程[15]。比較Docker技術(shù)虛擬化架構(gòu)與傳統(tǒng)的虛擬化，如圖2所示。

圖2 Docker虛擬化與傳統(tǒng)虛擬化對(duì)比

在管理平臺(tái)的應(yīng)用部署處理流程中，使用Spring MVC框架作為儀表板，其中，API的總體程序可為用戶創(chuàng)建、更新、刪除或者通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的HTTP傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)檢索對(duì)象的描述，而這些API優(yōu)先接受并返回JSON，然后分析網(wǎng)絡(luò)信息中心的JSON字符串并對(duì)應(yīng)用部署管理平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)化巡檢、自動(dòng)化部署和自動(dòng)化配置等功能。如圖3所示。

圖3 Spring MVC模式流程

VNC服務(wù)器滿足分布式用戶在服務(wù)器上直接共享服務(wù)器資源，而noVNC是基于HTML 5的VNC客戶端。它被廣泛應(yīng)用于各大云計(jì)算和虛擬機(jī)的控制面板，如OpenStack云計(jì)算管理平臺(tái)和OpenNebula功能集[16]。noVNC是通過(guò)WebSockets進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，但是目前許多VNC服務(wù)器不支持WebSockets，則noVNC不直接連接到VNC服務(wù)器。因此，需要利用代理的WebSockets和TCP控制協(xié)議之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

Docker使用Docker中轉(zhuǎn)站存儲(chǔ)應(yīng)用程序，用戶可通過(guò)從Docker中轉(zhuǎn)站選擇應(yīng)用程序包創(chuàng)建容器，但由于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸捪拗?，延遲時(shí)間較長(zhǎng)。因此，通過(guò)建立私有注冊(cè)表保存預(yù)先設(shè)計(jì)的自動(dòng)化巡檢、自動(dòng)化部署和自動(dòng)化配置的子系統(tǒng)模塊。通過(guò)Dockerfile建立注冊(cè)表并保存在節(jié)點(diǎn)的容器內(nèi)，以滿足用戶的需求。

在這個(gè)Docker集群中建立一個(gè)DNS集群插件，運(yùn)行 DNS集群中的 3個(gè)子容器：skydns、ETCD和kube2sky。該ETCD是skydn和kube2sky流程時(shí)間在服務(wù)器上的變化，然后將信息寫(xiě)入ETCD并讀取skydns。

3 平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)與性能測(cè)試

3.1 應(yīng)用部署管理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

1）自動(dòng)化巡視子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)監(jiān)控工具實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶操作規(guī)范的約束和對(duì)IT資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件、存儲(chǔ)備份、網(wǎng)絡(luò)、安全、機(jī)房、業(yè)務(wù)應(yīng)用和客戶端等內(nèi)容，通過(guò)自動(dòng)監(jiān)控管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)故障或問(wèn)題綜合處理和集中管理。子系統(tǒng)同樣也是處理來(lái)自Server端的HTTP請(qǐng)求，這樣做的目的是為了在程序進(jìn)程中對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算上，通過(guò)定時(shí)周期性的向Resource Scheduler上報(bào)CPU占用率、硬盤(pán)剩余空間和內(nèi)存使用率等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用部署管理系統(tǒng)的自動(dòng)巡檢。而通過(guò)適配底層的Docker容器，又可獲取其上每個(gè)容器的負(fù)載臨界數(shù)據(jù)，包括CPU占用率、硬盤(pán)讀寫(xiě)狀況和內(nèi)存使用率等。

2）自動(dòng)化部署子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

作為是整個(gè)系統(tǒng)的核心，當(dāng)一個(gè)申請(qǐng)應(yīng)用程序的請(qǐng)求通過(guò)API服務(wù)器到達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)候，是由其決定數(shù)據(jù)流的方向。對(duì)于部署子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自定義周期內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)觸發(fā)完成對(duì)IT運(yùn)維的例行巡檢，形成檢查報(bào)告。包括自動(dòng)運(yùn)行維護(hù)，以完成對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)丁的同步分發(fā)與升級(jí)、數(shù)據(jù)備份、病毒查殺等工作?？蛻舳私邮軄?lái)自Server端的請(qǐng)求，并且在Client端口對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行解析，如果是部署應(yīng)用請(qǐng)求，則直接進(jìn)入系統(tǒng)的部署模塊，即發(fā)送給處理器，通過(guò)控制器將部署應(yīng)用請(qǐng)求發(fā)回主機(jī)。在動(dòng)態(tài)的資源調(diào)度器中，對(duì)應(yīng)用程序終端Docker容器中的配置程序進(jìn)行二次調(diào)度，并按照Dockerfile預(yù)先建立的私有注冊(cè)表對(duì)部署策略進(jìn)行選擇

3）自動(dòng)化配置子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)化配置主要提供了對(duì)應(yīng)用程序的刪除和修改，采用CGI構(gòu)架與Server端進(jìn)行交互使用，并發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求激活對(duì)應(yīng)的CGI應(yīng)用程序，接著接收到Server端返回的HTTP配置請(qǐng)求?？刂破髟趯?duì)請(qǐng)求參數(shù)信息進(jìn)行提取分析，若該請(qǐng)求為配置請(qǐng)求，則由配置應(yīng)用程序執(zhí)行，即表明系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，若該請(qǐng)求為刪除請(qǐng)求，則由刪除應(yīng)用程序執(zhí)行，即表明業(yè)務(wù)系統(tǒng)的健康程度、硬件系統(tǒng)的生命周期、負(fù)載臨界、事件關(guān)聯(lián)性等多個(gè)維度都可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題產(chǎn)生的潛在因素。

3.2 性能測(cè)試

基于Docker的應(yīng)用部署管理平臺(tái)中的應(yīng)用自動(dòng)化巡視、自動(dòng)化部署和自動(dòng)化配置3種子系統(tǒng)均是通過(guò)預(yù)先根據(jù)模型設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序所執(zhí)行，則Docker容器在對(duì)應(yīng)用程序中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，由于各應(yīng)用程序的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同，其運(yùn)行時(shí)間隨配置的Slave節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加而增加。因此，通過(guò)構(gòu)造虛擬機(jī)的方式建立偽分布實(shí)現(xiàn)仿真對(duì)平臺(tái)的性能進(jìn)行測(cè)試。其中，硬件的CPU采用Core i7 6700K，最大達(dá)到4.2 GHz。系統(tǒng)采用Windows 8操作系統(tǒng)和boot2Docher。通過(guò)Docker集群管理，登錄到主節(jié)點(diǎn)并執(zhí)行如下kubectl命令。其中，節(jié)點(diǎn)IP信息、集群名稱、狀態(tài)和位置信息的節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)信息

為了說(shuō)明Docker容器在處理應(yīng)用程序的即時(shí)有效性，本研究對(duì)自動(dòng)化巡視子系統(tǒng)的應(yīng)用程序分別選取100，200，300和400個(gè)Slave節(jié)點(diǎn)。采取5次運(yùn)行時(shí)間的平均值作為Docker容器執(zhí)行自動(dòng)化巡視子系統(tǒng)的應(yīng)用程序的結(jié)果，并與傳統(tǒng)的CBSD機(jī)制運(yùn)行結(jié)果對(duì)比，如圖5所示。

圖5 運(yùn)行不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的時(shí)間對(duì)比

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)Docker容器執(zhí)行的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，與傳統(tǒng)的CBSD機(jī)制在時(shí)間上差距不大。而隨著應(yīng)用程序的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷增加，Docker容器的處理方式優(yōu)點(diǎn)則表現(xiàn)顯著。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為200時(shí)，CBSD機(jī)制處理時(shí)間是Docker容器機(jī)制處理時(shí)間的2倍左右；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為400時(shí)，兩種處理方式的時(shí)間相差6倍左右。因此，自動(dòng)化巡視子系統(tǒng)包含的眾多應(yīng)用子程序伴隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，Docker容器的執(zhí)行將更為便捷。

4 結(jié) 論

本研究基于Docker容器設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用部署管理平臺(tái)，滿足了開(kāi)發(fā)者的開(kāi)發(fā)環(huán)境的需求，使得虛擬機(jī)的資源消耗和托管環(huán)境更簡(jiǎn)化。利用Docker容器可以提供給開(kāi)發(fā)者輕量級(jí)開(kāi)發(fā)環(huán)境和各種應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境，該Docker容器機(jī)制也可以在許多其他平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于用戶而言，這個(gè)平臺(tái)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的Web界面來(lái)使用。用戶可以更靈活地構(gòu)建基于Docker容器的私有云和虛擬化，且便于維護(hù)使用。在對(duì)應(yīng)用程序中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算運(yùn)行的過(guò)程中，Docker容器的處理方式優(yōu)勢(shì)顯著。

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Application deployment management platform based on Docker

ZOU Bao-ping，HUANG Wen-si，ZHANG Wen-jin，HANG Ze-hua，CHENG Zhong-han
（State Grid Info-Telecom Greate Power Science and Technology Co.，Ltd， Fuzhou 350003，China）

Problems of the prior application management platform in the cloud storage server hosting the process of excessive consumption of resources，this study designed a mechanism Docker container application deployment management platform，by the Spring MVC framework for writing Web management interface and select the virtual machine to establish private registration table holds predesigned application deployment management program， automated inspection， automated deployment and automated configuration management application deployment in three areas.In order to verify the effectiveness of the Docker immediate container mechanism，but the mechanism for selecting CBSD different Slave node running the application automated tour subsystems time to compare results showed that:when the number of nodes 200 and 400，the processing time is about Docker CBSD mechanism container mechanism 2 and 6 times， with the number of applications of nodes increases， the advantage Docker container handling significantly.

Docker container； MVC pattern； virtual machine；application management；system design

TN915.85

A

1674－6236（2017）12-0041-04

2016-05-16稿件編號(hào)：201605154

鄒保平（1971—），男，福建龍巖人，高級(jí)工程師。研究方向：數(shù)據(jù)中心，大數(shù)據(jù)。