容器技术是一种操作系统层的虚拟化技术。它通过命名空间和 Cgroup 进行资源的隔离和控制，共享操作系统内核，分享系统资源。相比虚拟机，容器提供了一种更轻量级的虚拟化技术，它具有更高的资源利用率和更快的执行性能。Docker 作为一种容器技术，引入了应用镜像管理机制，适应快速的软件开发，部署和维护，推动了容器技术的普及和发展。
Shifter 容器的介绍 用于高性能计算的容器在高性能计算领域，应用软件通常有大量的系统依赖和复杂的环境配置：各种的软件包，不同版本的库和操作系统的发布版本等。这让系统的部署和维护都面临巨大的挑战。传统的虚拟化技术可以解决部署和维护的问题，但是由于在计算上增加了额外的虚拟化负载，无法最大化利用机器的物理资源用于有效计算。而容器技术可以解决这些问题。
Docker 的镜像管理机制可以帮助用户将复杂的软件环境打包，便于管理和维护。容器的轻量级隔离性增强了系统的安全，而不会降低系统的计算性能。尽管如此，Docker 容器在高性能计算领域的采用也存在一些问题。Docker 的资源管理功能与集群管理软件的功能有重叠，Docker 独立的后台管理进程和集群系统的进程管理功能也有冲突。这使得高性能集群系统中采用 Docker 有诸多不便。例如采集容器消耗的资源和对容器状态的控制，都需要进一步的集成到资源管理系统。而 Docker 的用户权限提升问题又给生产环境引入了不安全的因素。
Shifter 是为了利用容器技术的优势，同时解决 Docker 在高性能计算环境下的问题而产生。它是美国国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 开发的开源容器技术。通过复用现有容器技术(Docker) 的系统镜像，给高性能计算应用提供更有效的容器解决方案。
Shifter 的体系结构Shifter 由两部分组成：命令行工具 (shifter, shifterimg) 和镜像管理器 (image gateway) 后台进程。命令行工具负责管理镜像和容器操作。镜像管理器根据镜像管理操作的请求，负责容器镜像的查找，下载和维护。
当 shifterimg 发出下载镜像请求，镜像管理器将从 Docker Registry 下载镜像到本地网络文件系统。在任何一个挂载网络文件系统的机器上，shifter 加载对应镜像，启动容器，运行应用程序。如图 1 所示。
图 1. Shifter 体系结构
镜像管理进程的模块是 Shifter 提供服务的后台进程。它提供了镜像管理的基本功能，并对外提供服务。如图 2 所示，它的实现包括以下模块：
Restful API：提供管理服务的接口。
Image Manager：负责维护镜像数据。
Celery：管理和执行镜像下载任务。
相关数据库：用于存储管理和系统数据。
图 2. 镜像管理器体系结构
如图 2 所示，当接收到下载请求时，镜像管理模块查询本地数据库(MongoDB)，如果请求镜像已经下载到本地存储，直接返回成功。如果尚未下载，镜像管理模块创建下载任务，交给 Celery 执行。Celery 创建任务，下载镜像后，将镜像文件解压。解压后的文件集合用于创建 squash 文件系统。Squash 文件系统是一种压缩格式的文件系统，可以有效减少文件存储占用大小。它作为一个单独文件存在，文件内部是一个包含了原始 Docker 镜像内部所有文件的根文件系统。
体系结构本身的设计为镜像管理进程提供了灵活的部署方式。例如图 2，系统 A 中的 Celery Worker 运行在可以直接访问网络文件系统的服务器节点。系统 B 中的 Celery Workers 运行在管理节点上，通过 SCP 将镜像文件拷贝到文件服务器上。这是一种更灵活的部署选择，但是因为数据重复拷贝，效率上会差一点。
镜像管理器是一种简单灵活的实现，它充分利用现有的第三方软件和库，例如 Celery，MongoDB，Redis，Squash 文件系统等。使用少量的功能逻辑代码，有效地实现了镜像的集中管理功能。松耦合带来部署的灵活性、简单性，确保了系统的有效稳定。
图 3. Shifter 容器体系结构
Shifter 容器主要依赖于 Linux 提供的系统接口。如图 3 所示, Shifter 容器构建在 kernel 上，应用程序运行于容器里的根文件系统环境。当 Shifter 构建一个容器时：
建立自己的文件系统命名空间(Linux namespace)。