2018年11月27日阅读 72

关于如何用100行如何实现docker

最近逛github无意发现了一个很好地项目bocker, 用上百行的代码就实现了一个简易的docker，然后我看了一下，觉得挺有趣的，简单的玩了一下，也做一些更改（项目很久不更新了，有不支持的地方)，简单分析了一下分享出来。

前言

我当时一看100行写docker, 肯定是不可能，以前看像最简化的python加上依赖也得几百行代码如moker，还有go实现的完善一点的也有上千行mydocker，可是这个项目看了一下，还真是只有100多行，不过看使用的是shell, 不过想起来100多行应该也只能用shell完成了吧，不熟悉shell的可以去看一些shell的基本知识就可以了。

目前这个项目主要实现里镜像拉取，镜像查看，容器启动，容器删除，容器查看，容器资源限制，镜像删除，功能都是一些最基本的，也有很多不完善的，我这里大致分析一下他们是的实现原理，分析各个流程，按照操作的顺序正常分析，首先这里讨论的情况是linux环境，推荐使用centos7和ubuntu14以上的系统，流程其实比较简单，底层实现依赖于linux的一些基础组件iptables,cgroup和linux namespace完成网络，资源限制，资源隔离，利用shell去管理这些资源。

开始操作!!

配置环境

最好是vagrant (如果是mac和windows建议使用该环境，如果linux，系统内核较高则可直接操作), vagrant可以帮我们实现轻量级的开发环境，个人非常喜欢，它操作和管理vm，处理更重环境会比较方便，这里需要提前配置好环境，我在链接中附上了官方地址，按照教程配置即可。

官方Vagrantfile的epel数据源有问题，而且网络依赖，整个过程是自动化的，不过不方便调试，这里为了方便个人调试，我将流程写为一步一步的了，操作起来也会比较方便。

加载虚拟环境(vagrant配置文件)

生成Vagrant配置文件

Vagrant配置启动

$script = <<SCRIPT
(
echo "echo start---config"
) 2>&1
SCRIPT
Vagrant.configure(2) do |config|
config.vm.box = 'puppetlabs/centos-7.0-64-nocm'
config.ssh.username = 'root'
config.ssh.password = 'puppet'
config.ssh.insert_key = 'true'
config.vm.provision 'shell', inline: $script
end

拷贝上边的文件Vim为保存到一个文件中Vagrantfile中
vagrant up (直接启动，这里会去源拉去centos的镜像，时长主要根据个人网络)

vagrant ssh (直接进入)
复制代码

安装依赖

安装rpm源:

wget https://dl.fedoraproject.org/pub/epel/epel-release-latest-7.noarch.rpm
rpm -ivh epel-release-latest-7.noarch.rpm（官方用的eprl源不存在了）
复制代码

然后对应依赖:

核心是cgourp, btrfs-progs

yum install -y -q autoconf automake btrfs-progs docker gettext-devel git libcgroup-tools libtool python-pip
jq
复制代码

创建挂载文件系统:（docker镜像支持的一种文件结构) 具体细节可以看链接btrfs wiki

fallocate -l 10G ~/btrfs.img
mkdir /var/bocker
mkfs.btrfs ~/btrfs.img
mount -o loop ~/btrfs.img /var/bocker
复制代码

安装base:

pip install git+https://github.com/larsks/undocker
systemctl start docker.service
docker pull centos
docker save centos | undocker -o base-image
复制代码

安装linux-utils 一个linux的工具

git clone https://github.com/karelzak/util-linux.git
cd util-linux
git checkout tags/v2.25.2
./autogen.sh
./configure --without-ncurses --without-python
make
mv unshare /usr/bin/unshare
复制代码

配置网卡和网络转发

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
iptables --flush
iptables -t nat -A POSTROUTING -o bridge0 -j MASQUERADE
iptables -t nat -A POSTROUTING -o enp0s3 -j MASQUERADE
ip link add bridge0 type bridge
ip addr add 10.0.0.1/24 dev bridge0
ip link set bridge0 up
复制代码

我简单解释一下上边的流程，由于docker底层网络会利用iptables和linux namespace实现，这里是为了让容器网络正常工作，主要分为2部分。

1 首先需要创建一块虚拟网卡bridge0，然后配置bridge0网卡的nat地址转换，这里bridge相当于docker中的docker0，bridge0相当于在网络中的交换机二层设备，他可以连接不同的网络设备，当请求到达Bridge设备时，可以通过报文的mac地址进行广播和转发，所以所有的容器虚拟网卡需要在bridge下，这也是连接namespace中的网络设备和宿主机网络的方式，这里下变会有讲解。(如果需要实现overlay等，需要换用更高级的转换工具，如用ovs来做类vxlan，gre 协议转换)

2 开启开启内核转发和配置iptables MASQUERADE，这是为了用MASQUERADE规则将容器的ip转换为宿主机出口网卡的ip，在linux namespace中，请求宿主机外部地址时，将namespace中的原地址换成宿主机作为原地址，这样就可以在namespace中进行地址正常转换了。

环境准备完成，可以分析下具体实现了

首先想一下，对docker来讲最重要的就是几部分，一个是镜像，第二个是独立的环境，ip，网络，第三个是资源限制。

这里我在代码中增加了一些中文注释方便理解,这个项目叫bocker,我也叫bocker吧

程序入库口

[[ -z "${1-}" ]] && bocker_help "$0"
    # @1 执行与help
case $1 in
    pull|init|rm|images|ps|run|exec|logs|commit|cleanup) bocker_"$1" "${@:2}" ;;
    *) bocker_help "$0" ;;
esac
复制代码

help比较简单，程序入口，逻辑相当于是我们程序里面的main函数，根据传入的参数执行不同的函数。

运行环境? 镜像拉去 bocker pull ()

function bocker_pull() { #HELP Pull an image from Docker Hub:\nBOCKER pull <name> <tag>


    # @1 获取对应镜像进行拉去, 源代码老版本是v1的docker registry是无效的, 我更新为了v2版本
    token=$(curl "https://auth.docker.io/token?service=registry.docker.io&scope=repository:library/$1:pull"  | jq '.token'| sed 's/\"//g')
    registry_base='https://registry-1.docker.io/v2'
    tmp_uuid="$(uuidgen)" && mkdir /tmp/"$tmp_uuid"

    # @2 获取docker镜像每一层的layter,保存到数组中
    manifest=$(curl -sL -H "Authorization: Bearer $token" "$registry_base/library/$1/manifests/$2" | jq -r '.fsLayers' | jq -r '.[].blobSum' )
    [[ "${#manifest[@]}" -lt 1 ]] && echo "No image named '$1:$2' exists" && exit 1

    # @3 依次获取镜像每一层, 然后init
    for id in ${manifest[@]}; do
        curl -#L -H "Authorization: Bearer $token" "$registry_base/library/$1/blobs/$id" -o /tmp/"$tmp_uuid"/layer.tar
        tar xf /tmp/"$tmp_uuid"/layer.tar -C /tmp/"$tmp_uuid"
    done
    echo "$1:$2" > /tmp/"$tmp_uuid"/img.source
    bocker_init /tmp/"$tmp_uuid" && rm -rf /tmp/"$tmp_uuid"
}
复制代码

这个项目简易的实现了docker，所以docker镜像仓库肯定是没有实现的，镜像仓库还是使用官方源，这里如果需要使用自己私有源，需要对镜像源和代码都做变更，这里其实逻辑是下载对应镜像每个分层，然后转存到自己的文件镜像存储中，这里我更改了他的逻辑，使用了docker registry api v2版本，（因为作者源v1版本代码已经失效，从官方不能获取正确数据，作者其实已经三年未提交了，docker发展速度太快，也可以理解)，流程是首先是auth，获取对应镜像对应权限的进行一个token，然后利用token获取到镜像的每一个layer，这里我用了jq json解析插件，会比较方便的操作Jason，转为shell相关变量，然后下载所有的layer转存到自己的唯一镜像目录中，同时保存一个镜像名为一个文件。

bocker保存镜像

function bocker_init() { #HELP Create an image from a directory:\nBOCKER init 
# @1 生成随机数镜像，就像生成docker images 唯一id
uuid="img_$(shuf -i 42002-42254 -n 1)"
if [[ -d "$1" ]]; then
    [[ "$(bocker_check "$uuid")" == 0 ]] && bocker_run "$@"

# @2 创建对应image文件 btrfs volume
    btrfs subvolume create "$btrfs_path/$uuid" > /dev/null
    cp -rf --reflink=auto "$1"/* "$btrfs_path/$uuid" > /dev/null
    [[ ! -f "$btrfs_path/$uuid"/img.source ]] && echo "$1" > "$btrfs_path/$uuid"/img.source
    echo "Created: $uuid"
else
    echo "No directory named '$1' exists"
fi
}
复制代码

这里其实就是保存从镜像仓库拉取下来的layer，然后创建目录，这里需要强调的是docker使用的镜像目录在这里必须是btrfs的文件结构，然后保存对应的镜像名到img.source文件中，这里环境准备的时候通过btrfs命令创建了10g的文件系统，docker是支持多种存储系统的,具体详情可以到这里看

Docker storage drivers

docs.docker.com

。

有了镜像就可以进行重要的bocker run 了(第一部分)

function bocker_run() { #HELP Create a container:\nBOCKER run <image_id> <command>

    # @1 环境准备,生成唯一id,检查相关镜像,ip, mac地址
    uuid="ps_$(shuf -i 42002-42254 -n 1)"
    [[ "$(bocker_check "$1")" == 1 ]] && echo "No image named '$1' exists" && exit 1
    [[ "$(bocker_check "$uuid")" == 0 ]] && echo "UUID conflict, retrying..." && bocker_run "$@" && return
    cmd="${@:2}" && ip="$(echo "${uuid: -3}" | sed 's/0//g')" && mac="${uuid: -3:1}:${uuid: -2}"

    # @2 通过ip link && ip netns 实现隔离的网络namespace与网络通信
    ip link add dev veth0_"$uuid" type veth peer name veth1_"


    
$uuid"
    ip link set dev veth0_"$uuid" up
    ip link set veth0_"$uuid" master bridge0
    ip netns add netns_"$uuid"
    ip link set veth1_"$uuid" netns netns_"$uuid"
    ip netns exec netns_"$uuid" ip link set dev lo up
    ip netns exec netns_"$uuid" ip link set veth1_"$uuid" address 02:42:ac:11:00"$mac"
    ip netns exec netns_"$uuid" ip addr add 10.0.0."$ip"/24 dev veth1_"$uuid"
    ip netns exec netns_"$uuid" ip link set dev veth1_"$uuid" up
    ip netns exec netns_"$uuid" ip route add default via 10.0.0.1
    btrfs subvolume snapshot "$btrfs_path/$1" "$btrfs_path/$uuid" > /dev/null
复制代码

解析:

在运行bocker run时会进行一些列配置，我在也加了也进行了注释，第一部先生成相关配置，首先会通过shuf函数生成每个bocker唯一的Id，进行相关合法性检验，然后根据生成的截取生成的随机数id，截取部分字段组成ip地址和mac地址（注意这里可能会有概率ip冲突，后期应该需要优化)。

第二部分，生成Linux veth对(Veth是成对的出现在虚拟网络设备，发送动Veth虚拟设备的请求会从另一端的虚拟设备发出，在容器的虚拟化场景中，经常会使用Veth连接不同的namespace) ，利用ip命令创建veth对 veth0_xx, veth1_xx，创建唯一uuid namespace, 绑定veth1到namespace中, 对其绑定ip，mac地址，然后绑定路由，启动网卡，网络接口，这里用到的veth对，你可以再简单的理解为一跟网线连接，图解一下。

那么这根网线的两端这里一端是namespace中的设备，另外一端则是宿主机，这里结构图解析一下，可以看到docker有个eth0,主机有个veth，他们就是一个veth对。

这样就能让容器里边的bocker正常上网了。

bocker run 资源限制(第二部分)

# @3 更改nameserver, 保存cmd
    echo 'nameserver 8.8.8.8' > "$btrfs_path/$uuid"/etc/resolv.conf
    echo "$cmd" > "$btrfs_path/$uuid/$uuid.cmd"

    # @4 通过cgroup-tools工具配置cgroup资源组与调整资源限制
    cgcreate -g "$cgroups:/$uuid"
    : "${BOCKER_CPU_SHARE:=512}" && cgset -r cpu.shares="$BOCKER_CPU_SHARE" "$uuid"
    : "${BOCKER_MEM_LIMIT:=512}" && cgset -r memory.limit_in_bytes="$((BOCKER_MEM_LIMIT * 1000000))" "$uuid"

    # @5 执行
    cgexec -g "$cgroups:$uuid" \
        ip netns exec netns_"$uuid" \
        unshare -fmuip --mount-proc \
        chroot "$btrfs_path/$uuid" \
        /bin/sh -c "/bin/mount -t proc proc /proc && $cmd" \
        2>&1 | tee "$btrfs_path/$uuid/$uuid.log" || true
    ip link del dev veth0_"$uuid"
    ip netns del netns_"$uuid"
复制代码

这里为了简便操作，使用了cgroup工具进行资源限制，cgroup是linux 自带的进程资源限制工具，链接中有对应详情。这里利用了cgroup-tools工具操作cgroup会比较简便，在这里利用cgcreate增加了CPU,set, mem进行限制，通过随机创建的id创建cgroup组，cgset默认增加了CPU, mem的参数限制（如果是程序开发的话会对应的依赖封装库）

下图可以看到其实cgroup对应的数据都是存文件，保存在目录中的。

最后使用 cgroup exec执行启动执行程序，将输出通过tee输出到日志目录。

当程序执行结束，删除对应的网络接口和命名空间，清楚网络接口是为了方便将绑定在主机上的虚拟网卡删除

这里一个bocker run就可以实现了，下边的是一些细节了

清除网络接口

function bocker_cleanup() { #HELP Delete leftovers of improperly shutdown containers:\nBOCKER cleanup
    # @1 清楚所有的相关网络接口
    for ns in $(ip netns show | grep netns_ps_); do [[ ! -d "$btrfs_path/${ns#netns_}" ]] && ip netns del "$ns"; done
    for iface in $(ifconfig | grep veth0_ps_ | awk '{ print $1 }'); do [[ ! -d "$btrfs_path/${iface#veth0_}" ]] && ip link del dev "$iface"; done
}
复制代码

ps出相应网卡删除对应的网络接口即可

查看容器日志 bocker logs

function bocker_logs() { #HELP View logs from a container:\nBOCKER logs <container_id>

    # @1 查看日志
    [[ "$(bocker_check "$1")" == 1 ]] && echo "No container named '$1' exists" && exit 1
    cat "$btrfs_path/$1/$1.log"
}
复制代码

所有的日志在都是保存在btrfs文件系统对应的子目录中$btrfs_path/$uuid中，这里对应到btrfs_path,所以只需要获取到正确的目录，cat出文件即可

还有几个简单命令我就不分析了，比较简单，可以自己去看开头给的链接，下载源码对应我文中的代码更改。

总结:

整体来说，这个项目利用了shell的优势，实现了一小部分docker的主要功能，框架是有了，还有99%的功能没有实现，比如跨主机通信，端口转发，端口映射，异常处理等等，不过作为学习的项目来说，可以让人眼前一亮，大家也可以根据这个项目的思路去实现一个简单的docker，相信也不会很难。

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