WHAT - 容器化系列（一）

一、什么是容器与虚拟机

1.1 什么是容器

在软件开发和运维中，容器是一种用于打包和运行应用程序及其依赖项的轻量级、可移植的环境。容器通过虚拟化操作系统的方式来实现资源的隔离和控制，从而允许多个容器在同一主机上运行而不会相互干扰。

1.2 容器的特点

1. 轻量级：容器共享主机操作系统的内核，启动速度快，占用资源少。
2. 可移植性和一致性：容器打包了应用程序及其依赖项，可以在任何支持容器的环境中运行，确保应用程序在不同环境下的一致性。
3. 隔离性：每个容器都有自己的文件系统、网络接口和进程空间，确保应用程序之间互不干扰。
4. 易于管理：容器技术（如Docker）提供了强大的工具链，用于创建、分发、管理和运行容器。

1.3 容器和虚拟机的区别

虚拟机（VM）：基于硬件的资源隔离技术

• 架构：虚拟机通过在硬件之上运行一个完整的操作系统（Guest OS），并在Guest OS上运行应用程序。每个虚拟机有独立的内核和硬件虚拟化层。
• 资源消耗：由于每个虚拟机需要运行一个完整的操作系统，因此启动时间长，占用的内存和存储资源更多。
• 隔离性：虚拟机提供了高度的隔离性，几乎完全隔离了不同虚拟机之间的环境。

容器：基于操作系统的资源隔离技术

• 架构：容器通过共享主机操作系统的内核，实现应用程序及其依赖项的隔离。容器直接运行在宿主操作系统之上。
• 资源消耗：容器不需要完整的操作系统，只需要包含应用程序及其运行时环境，启动速度快，占用资源少。
• 隔离性：容器的隔离性基于操作系统级别，虽然隔离程度不如虚拟机，但足够满足大多数应用场景的需求。

对比总结

特性	容器	虚拟机
启动速度	快（秒级）	慢（分钟级）
资源消耗	低	高
操作系统	共享主机OS内核	每个虚拟机有自己的完整OS
隔离性	基于操作系统级别的隔离	基于硬件虚拟化的强隔离
管理工具	Docker、Kubernetes等	VMware、Hyper-V、KVM等
适用场景	微服务架构、DevOps、CI/CD	需要严格隔离的多租户环境

应用场景

• 容器：适用于需要快速启动、快速扩展、资源利用率高的场景，如微服务架构、持续集成/持续部署（CI/CD）、开发和测试环境。
• 虚拟机：适用于需要严格隔离、多操作系统支持的场景，如多租户环境、需要完整操作系统功能的应用程序。

总的来说，容器和虚拟机各有优劣，选择使用哪种技术取决于具体的应用需求和场景。容器技术因其轻量级和高效性，正在越来越多的开发和运维中得到广泛应用。

二、容器的实现原理

容器的实现原理基于操作系统级别的虚拟化技术，通过一系列内核功能来实现应用程序及其依赖项的隔离、控制和管理。

容器是基于内核的 Control Groups 和 Namespace 技术实现的资源隔离技术。

以下是容器实现的关键技术和原理：

1. Namespace（命名空间）

命名空间是Linux内核中的一种特性，用于隔离全局系统资源。不同的命名空间类型包括：

• PID Namespace：隔离进程ID，使得容器内的进程ID从1开始，独立于主机上的其他进程。
• NET Namespace：隔离网络资源，包括网络接口、IP地址、路由表等。
• IPC Namespace：隔离进程间通信资源，如信号量、消息队列、共享内存等。
• MNT Namespace：隔离挂载点，使得每个容器可以拥有独立的文件系统视图。
• UTS Namespace：隔离主机名和域名，使得容器内可以拥有独立的主机名。
• USER Namespace：隔离用户和用户组ID，使得容器内的用户ID可以与主机上的用户ID不同。

2. Control Groups（Cgroups）

控制组（cgroups）是Linux内核提供的一种功能，用于限制、记录和隔离进程组（容器）的资源使用。

cgroups可以控制的资源包括：

• CPU：限制进程使用的CPU时间。
• 内存：限制进程使用的内存量。
• I/O：限制进程的I/O操作。
• 网络带宽：限制进程使用的网络带宽。

通过cgroups，管理员可以确保容器之间的资源互不干扰，并可以对资源使用进行精细化控制。

3. 文件系统隔离

容器通过使用Union File Systems联合文件系统（如OverlayFS）来实现文件系统的隔离和共享。

OverlayFS：一种联合文件系统，允许多个文件系统层次叠加，形成一个单一的文件系统视图。容器可以在只读层之上创建写层，实现高效的文件系统操作。

4. 容器镜像

容器镜像是一个只读模板，包含应用程序及其依赖项。镜像由多个层次组成，每一层都代表了镜像的某个历史状态。镜像层可以共享，避免了冗余存储，提高了存储利用率。

5. 容器运行时

容器运行时是负责管理容器生命周期的组件，如创建、启动、停止和删除容器。

常见的容器运行时包括：

• Docker Engine：最流行的容器运行时，实现了Docker容器的管理和运行。
• containerd：一个高效的容器运行时，由Docker孵化，现已成为CNCF（Cloud Native Computing Foundation）项目。
• CRI-O：针对Kubernetes设计的轻量级容器运行时，实现了Kubernetes CRI（Container Runtime Interface）。

6. 安全性

容器的安全性通过多种机制实现：

• AppArmor/SELinux：安全增强Linux模块，通过强制访问控制（MAC）策略来限制容器内进程的权限。
• Seccomp：安全计算模式，限制容器内进程可以调用的系统调用。
• Capabilities：细粒度的权限管理，限制容器内进程可以执行的特权操作。

通过这些技术，容器能够提供高效、轻量级的虚拟化环境，使得应用程序可以在不同的环境中一致地运行。

三、容器实现流程概述

1. 创建命名空间：为新容器创建一组独立的命名空间，隔离进程ID、网络、文件系统等。
2. 分配资源：通过cgroups分配CPU、内存、I/O等资源限制。
3. 挂载文件系统：使用OverlayFS等技术挂载容器文件系统。
4. 应用安全策略：配置AppArmor、SELinux、Seccomp等安全策略。
5. 启动进程：在隔离的环境中启动应用程序进程。

四、容器发展历史

容器技术的发展历史可以追溯到几十年前，从早期的操作系统级虚拟化概念到现代的容器技术，经历了多个重要阶段。

以下是容器发展历史的关键里程碑：

1. Chroot（1979）

• 概念：Chroot命令最早在Unix操作系统中引入，通过改变根目录，使得应用程序在隔离的文件系统视图中运行。
• 意义：这是操作系统级虚拟化的初步尝试，虽然功能简单，但为后来的容器技术奠定了基础。

2. FreeBSD Jail（2000）

• 概念：FreeBSD引入了Jail机制，提供了更高级的进程和文件系统隔离，以及网络堆栈的隔离。
• 意义：Jail在Chroot的基础上增强了隔离性和安全性，是容器技术的重要里程碑。

3. Solaris Containers（2004）

• 概念：Sun Microsystems在Solaris 10中引入了Containers（又称Zones），实现了进程、网络和文件系统的全面隔离。
• 意义：Solaris Containers提供了完善的资源管理和隔离机制，对现代容器技术的发展具有重要影响。

4. cgroups和Namespaces（2006-2008）

• 概念：Google工程师开发了cgroups（Control Groups）并合并到Linux内核中，用于限制、记录和隔离进程资源。与此同时，Linux内核也引入了Namespaces，实现了不同系统资源的隔离。
• 意义：cgroups和Namespaces是现代容器技术的核心组件，为容器提供了基础设施支持。

5. LXC（Linux Containers，2008）

• 概念：LXC是第一个基于cgroups和Namespaces实现的容器管理工具，提供了轻量级的操作系统级虚拟化。
• 意义：LXC标志着现代容器技术的初步成型，但其用户体验和管理工具较为复杂。

6. Docker（2013）

随着 2013 年 PaaS 平台的兴起，利用 cgroups 和 Namespaces 技术实现了容器隔离，但仍然需要维护和管理本地环境和 PaaS 环境的差异。Docker 的出现从根本上解决本地环境和 PaaS 环境不一致的问题。

2013 年，Docker 项目诞生。2013-2014 年，Docker 团队发布容器集群管理项目 Swarm。2014-2015 年，Docker 团队收购了 Fig，之后命名为 docker-compose。

• 概念：Docker由Solomon Hykes和他的团队开发，基于LXC但提供了更易用的界面和工具链，包括Docker Engine、Docker Hub和Docker Compose等。
• 意义：Docker大大简化了容器的创建、管理和分发，使得容器技术迅速普及，并引发了DevOps和微服务架构的革命。

7. rkt（2014）

• 概念：由CoreOS开发，rkt（读作“rocket”）是一种安全性更高的容器运行时，注重容器的可移植性和标准化。
• 意义：rkt为容器生态系统提供了更多选择，促进了容器标准化的进程。

8. Kubernetes（2014）：k8s

Google 和 Red Hat 牵头发起 CNCF 基金会，并以 Kubernetes 项目为基础，对抗以 Docker 公司为核心的容器商业生态。

• 概念：由Google开源的容器编排系统，Kubernetes自动化了容器的部署、扩展和管理，成为容器编排的事实标准。
• 意义：Kubernetes解决了大规模容器集群管理的难题，推动了容器技术在生产环境中的应用。

9. OCI（Open Container Initiative，2015）

• 概念：由Docker和其他行业领袖共同发起，OCI致力于制定容器格式和运行时的开放标准。
• 意义：OCI促进了容器技术的标准化，确保了不同容器运行时的兼容性和互操作性。

2015-2016 年可以说是 docker Swarm、Apache Mesos、Google Kubernetes 容器编排“三国争霸”的时代。

10. containerd和CRI-O（2016）

• 概念：containerd由Docker孵化，成为一个高效的容器运行时；CRI-O则是针对Kubernetes设计的轻量级容器运行时。
• 意义：containerd和CRI-O增强了容器运行时的灵活性和性能，进一步优化了容器生态系统。

11. Podman和Buildah（2018）

介绍

• 概念：由Red Hat开发，Podman是一种无守护进程的容器引擎，Buildah用于构建OCI兼容的容器镜像。
• 意义：Podman和Buildah提供了无Docker守护进程的容器管理工具，增强了容器技术的安全性和灵活性。

无守护进程：不依赖于 daemon

“无守护进程”（rootless 或 daemonless）指的是一种不依赖于守护进程（daemon）来管理和运行的容器技术。为了更好地理解这个概念，我们先来了解一下守护进程和容器引擎的传统运作方式。

守护进程和传统容器引擎

在传统的容器引擎（例如Docker）中，有一个名为“守护进程”的后台进程（通常称为dockerd），负责管理和运行容器。这个守护进程拥有系统的高级权限（通常是root权限），它可以：

• 创建和销毁容器
• 管理容器网络和存储
• 监控和报告容器状态

守护进程的工作流程如下：

1. 用户通过命令行界面（CLI）与Docker守护进程通信，发送指令来创建、启动或停止容器。
2. Docker守护进程接收到指令后执行相应操作，并返回结果给用户。

无守护进程的容器管理

“无守护进程”模式（如Podman）则不依赖于一个中央的守护进程来管理容器，而是直接由用户进程管理和运行容器。这种模式有几个关键特点：

1. 去中心化管理：每个容器由用户直接管理，而不是通过一个全局的守护进程。这使得容器管理更加灵活。
2. 安全性提升：在无守护进程模式下，容器不需要以root权限运行，降低了安全风险。普通用户可以直接运行和管理容器，不需要sudo权限。
3. 兼容性：无守护进程模式的工具（如Podman）通常兼容OCI（Open Container Initiative）标准的镜像和运行时规范，与传统容器引擎具有良好的互操作性。

无守护进程模式的优势

1. 安全性：无守护进程模式可以避免守护进程权限过高带来的安全风险，尤其是在多用户环境下，每个用户运行的容器互相隔离，不会影响系统其他部分。
2. 简化管理：不需要维护一个中央守护进程，简化了容器管理的复杂性。
3. 资源效率：没有中央守护进程占用系统资源，减少了不必要的开销。

示例：Podman

Podman是一个无守护进程的容器引擎，与Docker CLI兼容，可以用来创建、管理和运行OCI兼容的容器。使用Podman时，每个容器运行在单独的进程空间中，直接由用户进程管理，而不是通过一个中央守护进程。

Podman命令示例：

# 创建并运行一个容器
podman run -d --name mycontainer nginx# 列出正在运行的容器
podman ps# 停止并删除容器
podman stop mycontainer
podman rm mycontainer

通过上述命令，用户可以在无守护进程的模式下方便地管理容器，而不需要一个中央的守护进程。

12. eBPF和Cilium（2019）

• 概念：eBPF（Extended Berkeley Packet Filter）提供了内核级别的可编程性，Cilium利用eBPF实现了高性能的容器网络和安全管理。
• 意义：eBPF和Cilium提升了容器网络和安全的可控性和性能，为云原生环境下的容器管理提供了新的工具。

总结

从Chroot到现代容器技术，容器的发展经历了长时间的演进。每个阶段的技术进步都为后来的容器技术奠定了基础。如今，容器已经成为现代软件开发和运维的重要组成部分，在提高资源利用率、加速应用部署、支持微服务架构等方面发挥着重要作用。

五、学习资料参考

• docker官方文档

• kubernetest官方文档

• ingress-nginx文档

• kernel Cgroup

• AWS EKS用户向导

• 腾讯云TKE文档