Docker 容器技術與虛擬化技術之間的關系

近幾年容器（Container）、Kubernetes等技術在數據中心、云計算、各互聯網公司的業務服務中得到廣泛應用，和20世紀60年代就興起的虛擬機（Virtual Machine，VM）技術一樣，容器也是一種服務虛擬化技術（Server Virtualization），但是它更加輕量，同時將焦點從Machine轉移到Application，極大提高了開發、測試、生產環境部署的效率，不過其安全性和隔離性比虛擬機稍遜一籌，在一些場景下也無法完全替代虛擬機。

1 虛擬化技術分類

在計算機技術中，虛擬化 (virtualization) 是一種資源管理技術，是將計算機的各種實體資源，如服務器 、 網絡 、 內存及存儲等，予以抽象 、 轉換后呈現出來，打破實體結構間的不可切割的障礙，使用戶可以用比原本的組態更好的方式來應用這些資源。因此，虛擬化的核心是對資源的抽象，我們可以在同一個主機上同時運行多個系統或應用，從而提高系統資源的利用率，實現降低成本 、 方便管理的目的。

虛擬化技術有以下這些層次分類：

這里重點說明平臺虛擬化技術。平臺虛擬化分為以下幾種類型：

（1） 完全虛擬化

虛擬機完全模擬完整的底層硬件環境和特權指令的執行過程，無須修改客戶操作系統。例如 Virtualbox、vmware、QEMU 等。

【1】Virtualbox：我們可以在VirtualBox上安裝并且執行Solaris、Windows、DOS、Linux、IBM OS/2 Warp、BSD等系統作為客戶端操作系統。

【2】vmware： vmware 是業界非常穩定且安全的桌面虛擬機軟件， VMware 虛擬機可讓我們在一臺機器上同時運行二個或更多 Windows 、 DOS 、 LINUX 系統。在虛擬網路，實時快照，拖曳共享文件夾，支持 PXE 等方面均有特別之處，使用 vmware ，我們可在單一的桌面上同時運行不同的操作系統，進行開發 、 測試 、 部署新的應用程序。

預啟動執行環境（Preboot eXecution Environment，PXE）也被稱為預執行環境，提供了一種使用網絡接口（Network Interface）啟動計算機的機制。這種機制讓計算機的啟動可以不依賴本地數據存儲設備（如硬盤）或本地已安裝的操作系統。

【3】QEMU：QEMU 本身是一個非常強大的虛擬機，它可以利用 Xen、KVM 等技術來加速。加速之后，就可以把客戶操作系統的 CPU 指令直接轉發到物理 CPU，以提升運行效率。

（2）硬件輔助虛擬化

硬件輔助虛擬化指的是，利用硬件 ( 主要是 CPU ) 來處理敏感指令來實現完全虛擬化的功能，無須修改客戶操作系統。例如 VmwareWorkstation ， Xen ， KVM。

【1】Xen ：Xen 是一個開放源代碼虛擬機監視器，由劍橋大學開發。它打算在單個計算機上運行多達100個滿特征的操作系統。操作系統必須進行顯式地修改以在Xen上運行。這使得Xen無需特殊硬件支持，就能達到高性能的虛擬化。

【2】KVM：KVM (全稱是 Kernel-based Virtual Machine) 是 Linux 下 x86 硬件平臺上的全功能虛擬化解決方案。 KVM 允許每個虛擬機有自己的私有硬件，包括網卡、磁盤以及圖形適配卡等。

（3）半虛擬化 (paravirtualization)

部分硬件接口以軟件的形式提供給客戶機操作系統，需要修改客戶操作系統，例如早期的 Xen。

（4）操作系統級虛擬化

內核通過創建多個虛擬的操作系統實例 來隔離不同的進程。Docker 容器技術即在此范疇內。

2 比較 Docker 容器技術與傳統虛擬化技術
Docker 是內核級的虛擬化，因此可以實現更高的接近原生性能，同時對資源的額外需求很低，內存與硬盤消耗，相對傳統虛擬機方式，少很多；
Docker 幾乎可以在任意的平臺上運行，包括物理機 、 虛擬機 、 公有云 、 私有云 、 個人電腦 、 服務器等，同時支持主流的操作系統發行版本，所以很容易遷移；
啟動和停止 Docker 容器可以在秒級實現，這相比傳統的虛擬機方式快了一個數量級 ;
因為Docker 容器占用很少的系統資源，所以一臺主機上可以同時運行上千個 Docker 容器 ;傳統虛擬機方式運行 N 個不同的應用就要啟用 N 個虛擬機，而每個虛擬機需要單獨分配獨占的內存 、 硬盤等資源，對資源的消耗很大，所以一臺主機最多只能運行幾十個容器，就會達到性能瓶頸。
傳統的虛擬機方式提供了相對封閉的隔離，可以說是完全隔離。而 Docker 則利用 Linux 系統上的多種安全防護技術來實現嚴格的隔離。除此之外，Docker 還改善并加強了容器的安全控制和鏡像的安全機制，極大地提高了 Docker 的安全性。
歸納如下：

特 性                     Docker 容器 傳統虛擬機
啟動速度 秒級 分鐘級
性能                        接近原生                     較差
消耗內存 很小                        較多
硬盤容量 MB 級 GB 級
單機運行密度           上千個容器 幾十個容器
隔離性 安全隔離 完全隔離
遷移性                          好 一般

傳統虛擬化方式需要有額外的虛擬機管理程序和虛擬機操作系統 。而Docker 容器是直接在宿主機操作系統層面上實現虛擬化，所以屬于輕量級虛擬化方案。