整体概述

总体规划

以Docker为首的容器技术的优势在于：

• 轻量级资源使用、资源隔离。容器在进程级别隔离并使用宿主机的内核，而不需要虚拟化整个操作系统。容器可以使用自己的cpu、memory等。
• 可移植性。跨主机部署，Docker镜像屏蔽了不同OS差异，它可以将环境配置进行抽象和应用打包，保证在不同的硬件机器上都可以部署。
• 以应用为中心、自动构建、版本管理、组件重用、镜像共享。

本项目要解决的核心问题是尽量以较低的复杂度、较少的代码量来模拟出尽可能完整的容器特性，如资源隔离、资源控制、镜像、网络与可用的CLI，一些其他非核心特性，如容器安全、跨平台等基本没有涉及。

系统前景

CNCF将云原生定义为“使用开源软件堆栈进行容器化，其中应用程序的每个部分都打包在自己的容器中，动态编排，以便每个部分都被主动调度和管理，以优化资源利用率和面向微服务的应用程序，以提高应用程序的整体灵活性和可维护性”。
云原生将容器化视为微服务的最佳载体，以Docker为主的容器化技术将逐渐成为云原生时代的Infrastructure。越来越多的科技公司将云计算视为一大战略，未来有更多的开发者将会参与到容器化的二次开发中，而容器技术正是其基石。而本项目可以让开发者在了解Linux基础API之后便可熟悉容器技术的实现细节，更可以一步步地用自己的代码实现它。

需求分析

本项目需求分为两部分，一部分是尽量实现OCI规范，另一部分是实现Docker脱颖而出的核心技术亮点，即镜像技术。前者以runC为参考，后者以Docker为参考，尽量模拟其使用的方式，在实现原理方面在保证实现核心功能的前提下，尽可能降低复杂度，去掉复杂设计，保留最纯粹的功能。
最终开发的目标是可以以容器方式运行起Web应用，以Spring Boot+MySQL+Redis三个应用为例。

第一部分是实现部分OCI标准，即Open Container Initiative。Open Container Initiative制定了操作系统流程和应用程序容器标准的规范，包括运行时规范Runtime Specification和镜像规范Image Specification。
OCI标准中定义了标准容器的5个原则：操作标准化；内容无关；基础设施无关；为自动化量身定制；工业级交付。
下面详细介绍这两种规范。

一个容器的配置信息被放在指定平台的config.json配置文件中，该配置文件详细说明了各个字段，可以指定执行环境，以确保在容器内运行的应用程序在运行时具有一致的环境；OCI标准也定义了对容器的生命周期的公共操作。

一个简化后的config.json如下所示：

{
    "ociVersion": "1.0.1-dev",
    "process": {
        "user": {
            "uid": 0,
            "gid": 0
        },
        "args": [
            "sh"
        ],
        "env": [
            "PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin",
            "TERM=xterm"
        ],
        "cwd": "/"
    },
    "root": {
        "path": "rootfs",
        "readonly": true
    },
    "hostname": "capsule",
    "mounts": [
        {
            "destination": "/proc",
            "type": "proc",
            "source": "proc"
        },
    ],
    "linux": {
        "namespaces": [
            {
                "type": "pid"
            },
            {
                "type": "uts"
            },
            {
                "type": "ipc"
            },
            {
                "type": "network"
            },
            {
                "type": "mount"
            }
        ]
    },
}

OCI标准还规定了容器的状态与生命周期：

此外，OCI规范还规定了对容器的操作，如Create(创建容器)、Start(启动容器)、State(查询容器状态)、Kill(杀掉容器进程)、Delete(删除容器)等。
用例图：

容器操作表：

另一部分是模仿Docker的镜像管理和容器网络，比如说镜像的构建、创建、删除、查询以及镜像仓库等。为了简化功能，将镜像构建、镜像仓库等功能去掉，支持使用Docker导出的打包好的镜像，支持镜像的管理，以及基于镜像的容器管理。
Docker中支持四种容器网络，这里仅实现了最为流行的Bridge类型的容器网络，支持容器间、容器与宿主机间、容器与外部网络间的网络通信。
网络操作表：
这里的网络一般指的是固定在某个网段的一个网桥Bridge。

镜像操作表：

概要设计

总体结构

Capsule项目主要由两部分组成，一部分是内框中的模块，是符合OCI标准的容器实现，另一部分是外框中的镜像模块，它以内框中的OCI标准容器为内核，在外部包裹了一层镜像管理，使之实现类似于Docker的镜像容器功能。
内框中的模块并非是并列关系，主要分为三个部分：config模块，负责解析config.json配置文件；parent process模块，负责作为父进程向容器子进程传递数据，并对其进行监控；而parent process中较为独立的两个子模块，分别是cgroups模块，负责容器资源限制，和network模块，负责容器网络；init process模块，即容器子进程模块，负责容器内初始化工作，与父进程进行信号与数据交互；而init process模块中包含nsenter模块，它以C语言编写而成，负责将进程创建并加入到新的Namespace中。

体系结构设计

各个模块间的关系如下，以启动容器为例：

• 先由config模块对用户传入的config.json进行解析，获得spec与config对象
• parent process，即Capsule进程，负责启动子进程，即init process。
• 父进程向子进程传递容器参数，子进程通过nsenter模块创建并进入Namespace
• 父进程通过cgroups模块初始化容器的资源限制，通过network模块初始化容器网络
• 同时子进程初始化rootfs、mount、hostname与sysctl，之后等待父进程启动信号
• 父进程向子进程发送启动信号，子进程开始执行用户命令
• 子进程的用户命令执行完毕，父进程检测到，将容器销毁，执行清理工作