大规模集群下基于P2P技术的容器镜像分发设计与实现文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：
2. 容器

容器技术^[1][2]是一种基于操作系统能力的隔离技术，是当下大规模集群中资源共享和隔离的重要解决方案。容器的本质，就是一组受到资源限制、彼此间相互隔离的进程，进程中可以运行一个或多个应用程序。虽然虚拟机也实现了应用程序之间的隔离，但是容器不包含自己的操作系统，也没有hypervisor层，同一台宿主机上的容器共享内核，所以比起传统的虚拟机，容器更加轻量化^[3]、启动的速度更快。在同样数量的硬件设备中，可以部署更多的容器实例，因此容器技术也被广大云提供商热衷。

Linux内核已经支持容器技术十几年，而近年来一些容器管理框架的出现大大简化了容器的构建、运行和共享，比如Docker、CoreOS、Kubernetes等，使得容器技术获得了前所未有的高度关注。传统的容器技术虽然体现了良好的隔离性和轻量性，但是部署或迁移容器需要考虑操作系统或其它依赖环境是否适配，而Docker提供了一种新方案，通过将应用程序和全部依赖（包括操作系统的一部分）打包成镜像，镜像相当于静态的、可共享的模板，用户可在支持Docker的主机上根据镜像直接构建、运行容器实例，不用针对运行环境做任何适配，真正做到“一次开发，随处运行”，显著提高了在生产环境中测试、部署应用程序的速度^[4]。Docker将应用程序从物理硬件中抽出来，使开发者可以降低对应用部署的关注，将注意力更加集中在应用程序的功能上^[5]。此外，PaaS（Platform as a Service）作为云计算模式中的一种，致力于为用户提供应用程序打包、部署、管理的云平台，而Docker容器的特性帮助PaaS更好地提供其服务^[6]。

1. Docker

Docker^[7]是一个开源的应用容器引擎，具备出色的隔离性和轻量性，是当下最流行的容器解决方案。

Docker架构主要包括3个部分：Docker Daemon, Docker Client和Docker Registry。Docker Daemon是一种服务器组件，是Docker最核心的后台进程，负责启动容器、终止容器、创建镜像、存储镜像以及从Registry中获取镜像等，运行在支持Docker的主机上，接收从Docker Client发送的请求。Docker Client是Docker提供的命令行工具，也是用户与Docker交互的主要方式，负责与Docker Daemon通信并将结果返回给用户。Docker Client可以与本地运行的Docker Daemon交互，也可以通过网络与部署在远程服务器的Docker Daemon相连^[8]。Docker Registry是Docker的镜像仓库，负责存储、管理、分发镜像，用户可以在本地创建镜像，然后上传到镜像仓库，比如Docker Hub（世界上最大的容器镜像仓库），用户也可以从仓库拉取镜像到本地来启动对应的容器。

Docker镜像是用来构建Docker容器的静态文件，是Docker容器的基础。Docker镜像包含了运行容器所有必要的文件，按层组织，每一层是一系列文件，前一层是后一层的基础，且一旦形成不可修改，通过在已有的基础镜像上添加新的镜像层，可以构建新的镜像，用户还可以将镜像的内容和创建步骤描述在一个文本文件（Dockerfile）中，实现自动化部署。

Docker Registry以镜像层为存储和分发镜像的基本单位。上传镜像的时候，每个镜像层以压缩文件（Blob）的形式存储到Registry，镜像层内容对应的哈希值作为唯一资源标志符，Registry还会创建一个静态文件（Manifest）来记录该镜像所有镜像层的索引信息，确保以后能够找到该镜像的所有镜像层。拉取镜像的时候，Docker Daemon先从Registry获取镜像的Manifest来确定对应所有镜像层的索引信息，再向Registry获取本地没有的镜像层（Blob），并将其解压到本地存储。构建容器的时候，Docker Daemon会先确认本地是否已存在所需镜像，若没有则按照上述步骤拉取镜像，根据镜像构建容器。

1. BitTorrent

BitTorrent^[9]是一种内容分发协议，用于在网络上快速、高效、分布式地分发文件。BitTorrent协议将文件分片，每个节点通过交换文件的片段来实现完整文件的下载，这降低了网络流量、硬件成本和下载完整文件所需的总时间。

BitTorrent协议中的节点可以分为种子节点（Seeder）和下载节点（Leecher），种子节点是指具备完整文件的主机，而下载节点是指不具备或只具备一部分文件资源的主机。跟踪服务器（Tracker）是BitTorrent协议中维护分发网络的服务器，负责跟踪网络中所有参与节点，收集和统计节点状态，协助节点之间互相发现。在BitTorrent协议中，种子文件（Torrent文件）用于记录目标文件所在分发网络的Tracker的地址和目标文件的信息，由文件发布者上传，下载者可以根据torrent中的URL到对应Tracker发送请求报文、向Tracker返回的节点获取相应资源。

此外，为了防止节点只下载不共享的行为，BitTorrent协议采取“tit-for-tat”机制作为节点选择机制，在节点在共享资源时，只将资源分发给过去20秒内共享数据最多的4个节点。在片选择方面，BitTorrent协议采取“最少片段优先”的机制，降低由于拥有稀缺片段的节点离开网络造成这些片段缺失的风险，但在最开始就采取“最少片段优先”的机制可能造成多数节点访问一个节点的情况，所以BitTorrent协议中节点随机选择第一个要下载的片段。

1. 容器镜像分发方式的发展历程

在云中分发虚拟机镜像的一种传统方式是通过网络文件系统协议——NFS^[10]。NFS是由SUN公司研制的表示层协议，自1984问世之后不断演变，逐步成为分布式文件系统的基础。NFS采用C/S架构，服务器负责存储虚拟机镜像，客户端按需获取镜像资源。为管理者和用户提供了一种简便的镜像分发方法。