微軟設計了兩種Windows Container(簡稱Windows容器),一種共用系統核心資源的Windows Server Container(簡稱Windows Server容器),另一種則是有自己獨立系統核心資源的Hyper-V Container(簡稱Hyper-V容器)。(圖片來源/微軟)

支援Docker容器技術是新版Windows Server 2016關鍵的新特色之一,也是打破Windows和Linux世界壁壘的其中一項關鍵。在微軟負責Docker技術研發團隊的微軟首席資開發首席John Starks就透露,最大困難是,Docker源自Linux核心的系統層功能,如控制資源的控制群組機制cgroups、命名空間Namespaces,還有實現層級化功能的共通檔案系統AUFS等,這些都是在Windows所沒有的功能。

早在2014年6月,微軟有意將Docker專案複製到Windows環境上時發現,「需要推出新版作業系統才能解決這個問題,這也就成了Windows Server 2016要實現的功能。」John Starks說。

微軟如何實作Windows容器

為了將Docker技術搬到Windows世界,微軟首先在新版Windows 中實現了容器需要的三種系統層機制,控制群組機制(微軟稱為Job objects),命名空間機制(包括了Object Namespace、Process Table和Networking)以及層級能力,來提供作業系統層級的運算服務層(Compute Service),才在Windows上打造出了能與Docker 相容的Container技術。

不只是重現Linux機制,微軟還得兼顧與Windows的相容性,理,例如在命名空間的設計上,微軟除了增加了Silo\來管理Windows系統資源的起點,如\Silos\foo,也將Windows環境下常用的目錄如C:\或C:\Windwos,在Windows容器中,也改由Object namespace來管理,變成了\DosDevices\C:和\DosDevices\C:\Windwos等存取路徑。

或像是在檔案系統的設計上,John Starks解釋,NTFS檔案系統太複雜,很難用NTFS打造一套UnionFS檔案系統,因此,微軟採取混合架構,每一個容器有各自有一份NTFS分區表,搭配虛擬的區塊儲存裝置來建立容器的多層式檔案系統,再利用Symlink機制,將不同層內的檔案對應到Host環境檔案系統的實際檔案上,來減少虛擬區塊儲存裝置所占用的容量。

Windows容器有兩種

微軟設計了兩種Windows Container(簡稱Windows容器),一種共用系統核心資源的Windows Server Container(簡稱Windows Server容器),另一種則是有自己獨立系統核心資源的Hyper-V Container(簡稱Hyper-V容器)。Windows Server容器更像是Linux上的Docker容器,和其他容器共用同一套Host作業系統的核心,而Hyper-V Container則會有一份專用的作業系統核心,而不會共用Host核心。在同一個作業系統環境中,可以同時執行這兩類的Windows容器。

簡單來說,Hyper-V容器就像是一個包在Hyper-V特殊款虛擬機器內的Windows Server容器。Hyper-V容器內有一份獨立的系統Kernel、一個Windows Server容器、Guest運算服務、基礎系統Process。

不過,Hyper-V容器所建立的特殊虛擬機器,並非是真正的Hyper-V虛擬機器,而是一個用精簡版Hyper-V虛擬化技術隔離的環境,像是在Hyper-V分區上執行的一個Windows Server容器。微軟表示,第一個Hyper-V容器啟動約40秒,為了加快Hyper-V容器的啟動速度,微軟還設計了一個複製機制,可以快速複製(Fork)記憶體內第一個Hyper-V容器的特殊VM環境,來加快其他Hyper-V容器的建立速度。

在Windows作業系統內的Docker引擎,可以呼叫這些Windows系統層級的運算服務來執行和管理Windows容器,就如同在Docker引擎在Linux環境中透過containerd和runc服務來管理Linux容器一樣。從載入Docker映象檔來布建應用的流程來看,Docker引擎成了開發者唯一要面對的作業系統環境抽象層,而不用擔心底層容器技術如何運作,幾乎所有的Docker指令都同樣可以在Windows環境下執行,只有少數指令的運作和Linux環境不同,例如不支援FROM scratch指令。

類型1:Windows Server容器

微軟設計了兩種容器,第一種稱為Windows Server容器,這很像是Linux上的Docker容器,和其他容器共用同一套Host作業系統的核心。也可以使用Dockerfile來建立描述性的映象檔。(圖片來源/微軟)

 

類型2:Hyper-V容器

另一種Windows容器稱為Hyper-V容器,像是一個包在Hyper-V特殊型VM內的Windows Server容器,會有一份專屬OS核心,而不與其他容器共用Host核心。和Windwos Server容器一樣支援相同的Dockerfile映象檔。(圖片來源/微軟)

Windows容器的Dockerfile有點不同

Windows容器同樣也可以使用Dockerfile來建立描述性的映象檔,來將Windows基礎架構配置程式化,微軟還推出了支援Docker的PowerShell指令,可用於命令列模式下,搭配Docker指令來管理Windows容器。

幾乎大多數Docker指令可用於Windows環境中,例如要注意反斜線逸出如WORKDIR c:\\Apache24\\bin才有效。另外,可以在Dockerfile檔中用RUN powershell.exe來執行PowerShell指令設定環境配置。這也意味著Linux環境的Dockerfile得費一番功夫調整才能用於Windows環境。

目前,Windows容器的Dockerfile只能使用兩種基礎映象檔(Base image)來建立容器,一個是windowservercore基礎映象檔(檔案超大約6 GB,但相容性高)和nanoserver基礎映象檔(檔案小約5百MB,啟動速度快,簡單API介面),而無法使用Linux類基礎映象檔,如Docker開發者慣用的Ubuntu,來建立Windows容器。使用這兩種基礎映象檔建立的Dockerfile都可用來建立Windows Server容器或Hyper-V容器。

微軟目前正式推出的是Docker on Windows,可以做到在Windows上能跑Docker,包括Window Server 2016和Windows 10都已支援,但微軟下一步想要實現的是Docker for Windows,能夠將Docker技術高度整合到Windows內,做到可以同時在Windows環境內執行任何類型的Docker容器,也就是能同時執行Windows類容器和Linux類容器,如此一來就「可以在Windows上平行執行Windows應用和Linux應用了」。目前,Docker for Windows還處於Beta測試版本,「兩者完成整合的那一天很快就會到來。」John Starks說。


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