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Containerd深度剖析-runtime篇

zouyee

发布于 2022-11-07 09:48:44

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代码可运行

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代码可运行

虽然容器领域的创业随着CoreOS、Docker的卖身，而逐渐归于平寂，但随着Rust语言的兴起，Firecracker、youki项目在容器领域泛起涟漪，对于云原生从业者来说，面试等场景中或多或少都会谈论到容器一些的历史与技术背景。

文｜ianlewis

编辑｜zouyee

技术深度｜简单

需求简介

注: Container runtime统称为容器运行时

在Docker时代，关于容器运行时术语的定义是非常明确的，其为运行和管理容器的软件。但随着Docker涵盖的内容日益增多，以及多种容器编排工具的引入，该定义变得日益模糊了。

当你运行一个Docker容器时，一般的步骤是：

下载镜像
将镜像解压成一个bundle，即将各层文件平铺到一个单一的文件系统中。
运行容器

最初的规范规定，只有运行容器的部分定义为容器运行时，但一般用户，将上述三个步骤都默认为容器运行时所必须的能力，从而让容器运行时的定义成为一个令人困惑的话题。

当人们想到容器运行时，可能会想到一连串的相关概念；runc、runv、lxc、lmctfy、Docker（containerd）、rkt、cri-o。每一个都是基于不同的场景而实现的，均实现了不同的功能。如containerd和cri-o，实际均可使用runc来运行容器，但其实现了如镜像管理、容器API等功能，可以将这些看作是比runc具备的更高级的功能。

可以发现，容器运行时是相当复杂的。每个运行时都涵盖了从低级到高级的不同部分，如下图所示。

根据功能范围划分，将其分为低级容器运行时 (Low level Container Runtime)和高级容器运行时 (High level Container Runtime)，其中只关注容器的本身运行通常称为低级容器运行时(Low level Container Runtime)。支持更多高级功能的运行时，如镜像管理及一些gRPC/Web APIs，通常被称为 高级容器运行时 (High level Container Runtime)。需要注意的是，低级运行时和高级运行时有本质区别，各自解决的问题也不同。

低级容器运行时

低级运行时的功能有限，通常执行运行容器的低级任务。大多数开发者日常工作中不会使用到。其一般指按照 OCI 规范、能够接收可运行roofs文件系统和配置文件并运行隔离进程的实现。这种运行时只负责将进程运行在相对隔离的资源空间里，不提供存储实现和网络实现。但是其他实现可以在系统中预设好相关资源，低级容器运行时可通过 config.json 声明加载对应资源。低级运行时的特点是底层、轻量，限制也很一目了然：

只认识 rootfs 和 config.json，没有其他镜像能力
不提供网络实现
不提供持久实现
无法跨平台等

低级运行时demo

通过以root方式使用Linux cgcreate、cgset、cgexec、chroot和unshare命令来实现简单容器。

首先，以busybox容器镜像作为基础，设置一个根文件系统。然后，创建一个临时目录，并将busybox解压到该目录中。

$ CID=$(docker create busybox)
$ ROOTFS=$(mktemp -d)
$ docker export $CID | tar -xf - -C $ROOTFS

紧接着创建uuid，并对内存和CPU设置限制。内存限制是以字节为单位设置的。在这里，将内存限制设置为100MB。

$ UUID=$(uuidgen)
$ cgcreate -g cpu,memory:$UUID
$ cgset -r memory.limit_in_bytes=100000000 $UUID
$ cgset -r cpu.shares=512 $UUID

例如，如果我们想把我们的容器限制在两个cpu core上，可以设定一秒钟的周期和两秒钟的配额（1s=1,000,000us），这将允许进程在一秒钟的时间内使用两个cpu core。

$ cgset -r cpu.cfs_period_us=1000000 $UUID
$ cgset -r cpu.cfs_quota_us=2000000 $UUID

接下来在容器中执行命令。

$ cgexec -g cpu,memory:$UUID \
>     unshare -uinpUrf --mount-proc \
>     sh -c "/bin/hostname $UUID && chroot $ROOTFS /bin/sh"
/ # echo "Hello from in a container"
Hello from in a container
/ # exit

最后，删除前面创建的cgroup和临时目录。

$ cgdelete -r -g cpu,memory:$UUID
$ rm -r $ROOTFS

低级运行时demo

为了更好地理解低级容器运行时，以下列举了几个低级运行时代表，各自实现了不同的功能。

runC

runC是目前使用最广泛的容器运行时。它最初是集成在Docker的内部，后来作为一个单独的工具，并以公共库的方式提取出来。

在2015 年，在 Linux 基金会的支持下有了 Open Container Initiative (OCI)（就是负责制定容器标准的组织），Docker 将自己容器格式和运行时 runC 捐给了 OCI。OCI 在此基础上制定了 2 个标准：运行时标准 Runtime Specification (runtime-spec) 和镜像标准 Image Specification (image-spec) ，下面通过示例，简要介绍一下 runC。

首先创建根文件系统。这里我们将再次使用busybox。

$ mkdir rootfs
$ docker export $(docker create busybox) | tar -xf - -C rootfs

接下来创建一个config.json文件

$ runc spec

这个命令为容器创建一个模板config.json。

$ cat config.json
{
        "ociVersion": "1.0.2",
        "process": {
                "terminal": true,
                "user": {
                        "uid": 0,
                        "gid": 0
                },
                "args": [
                        "sh"
                ],
                "env": [
                        "PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin",
                        "TERM=xterm"
                ],
                "cwd": "/",
                "capabilities": {
...

默认情况下，它在根文件系统位于./rootfs的目录下运行命令。

$ sudo runc run mycontainerid
/ # echo "Hello from in a container"
Hello from in a container

rkt(已废弃)

rkt是一个同时具有低级和高级功能的运行时。例如，很像Docker，rkt允许你构建容器镜像，获取和管理本地存储库中的容器镜像，并通过一个命令运行它们。

runV

runv 是 OCF 基于管理程序的（Hypervisor-based ）运行时 Runtime.runV 兼容 OCF。作为虚拟容器运行时引擎的runV已被淘汰。 runV团队与英特尔一起在OpenInfra Foundation中创建了Kata Containers项目

youki

Rust是时下最流行的编程语言，而容器开发也是一个时兴的应用领域。将两者结合使用Rust来做容器开发是一个值得尝鲜的体验。youki是使用Rust的实现OCI运行时规范，类似于runc。

高级容器运行时

高级运行时负责容器镜像的传输和管理，解压镜像，并传递给低级运行时来运行容器。通常情况下，高级运行时提供一个守护程序和一个API，远程应用程序可以使用它来运行容器并监控它们，它们位于低层运行时或其他高级运行时之上。

高层运行时也会提供一些看似很低级的功能。例如，管理网络命名空间，并允许容器加入另一个容器的网络命名空间。

这里有一个类似逻辑分层图，可以帮助理解这些组件是如何结合在一起工作的。

高级运行时代表

Docker

Docker是最早的开源容器运行时之一。它是由平台即服务的公司dotCloud开发的，用于在容器中运行用户的应用。

Docker是一个容器运行时，包含了构建、打包、共享和运行容器。Docker基于C/S架构实现，最初是由一个守护程序dockerd和docker客户端应用程序组成。守护程序提供了构建容器、管理镜像和运行容器的大部分逻辑，以及一些API。命令行客户端可以用来发送命令和从守护进程中获取信息。

它是第一个流行开来的运行时间，毫不过分的说，Docker对容器的推广做出了巨大的贡献。

Docker最初实现了高级和低级的运行时功能，但这些功能后来被分解成单独的项目，如runc和containerd，以前Docker的架构如下图所示，现有架构中，docker-containerd变成了containerd，docker-runc变成了runc。

dockerd提供了诸如构建镜像的功能，而dockerd使用containerd来提供诸如镜像管理和运行容器的功能。例如，Docker的构建步骤实际上只是一些逻辑，它解释Docker文件，使用containerd在容器中运行必要的命令，并将产生的容器文件系统保存为一个镜像。

Containerd

containerd是从Docker中分离出来的高级运行时。containerd实现了下载镜像、管理镜像和运行镜像中的容器。当需要运行一个容器时，它会将镜像解压到一个OCI运行时bundle中，并向runc发送init以运行它。

Containerd还提供了API，可以用来与它交互。containerd的命令行客户端是ctr和nerdctl。

可以通过ctr拉取一个容器镜像。

$ sudo ctr images pull docker.io/library/redis:latest

列出所有的镜像：

$ sudo ctr images list

运行容器：

$ sudo ctr container create docker.io/library/redis:latest redis

列出运行容器：

$ sudo ctr container list

停止容器：

$ sudo ctr container delete redis

这些命令类似于用户与Docker的互动方式。

rkt(已废弃)

Kubernetes CRI

CRI在Kubernetes 1.5中引入，作为kubelet和容器运行时之间的桥梁。社区希望Kubernetes集成的高级容器运行时实现CRI。该运行时处理镜像的管理，支持Kubernetes pods，并管理容器，因此根据高级运行时的定义，支持CRI的运行时必须是一个高级运行时。低级别的运行时并不具备上述功能。

为了进一步了解CRI，可以看看整个Kubernetes架构。kubelet代表工作节点，位于Kubernetes集群的每个节点上，kubelet负责管理其节点的工作负载。当需要运行工作负载时，kubelet通过CRI与运行时进行通信。由此可以看出，CRI只是一个抽象层，允许切换不同的容器运行时。

CRI规范

CRI定义了gRPC API，该规范定义在Kubernetes仓库中cri-api目录中。CRI定义了几个远程程序调用（RPC）和消息类型。这些RPC用于管理工作负载等内容，如 "拉取镜像"（ImageService.PullImage）、"创建pod"（RuntimeService.RunPodSandbox）、"创建容器"（RuntimeService.CreateContainer）、"启动容器"（RuntimeService.StartContainer）、"停止容器"（RuntimeService.StopContainer）等操作。

例如，通过CRI启动一个新的Pod（篇幅有限，进行了一些简化工作）。RunPodSandbox和CreateContainer RPCs在其响应中返回ID，在后续请求中使用。

ImageService.PullImage({image: "image1"})
ImageService.PullImage({image: "image2"})
podID = RuntimeService.RunPodSandbox({name: "mypod"})
id1 = RuntimeService.CreateContainer({
    pod: podID,
    name: "container1",
    image: "image1",
})
id2 = RuntimeService.CreateContainer({
    pod: podID,
    name: "container2",
    image: "image2",
})
RuntimeService.StartContainer({id: id1})
RuntimeService.StartContainer({id: id2})

可以直接使用crictl工具与CRI运行时交互，可以用它来调试和测试CRI的相关实现。

cat <<EOF | sudo tee /etc/crictl.yaml
runtime-endpoint: unix:///run/containerd/containerd.sock
EOF

或者通过命令行指定：

crictl --runtime-endpoint unix:///run/containerd/containerd.sock …

关于crictl的使用参见官网。

支持CRI的运行时

Containerd

containerd应该是目前最流行的CRI运行时。它以插件的方式实现CRI，默认是启用的。它默认在unix套接字上监听消息。

从1.2版本开始，它通过 runtime handler来支持多种低级运行时。运行时处理程序是通过CRI中的字段传递，根据该运行时处理程序，containerd运行shim的应用程序来启动容器。这可以用来运行 runc及其他的低级运行时的容器，如 gVisor、Kata Containers等。在Kubernetes API中通过RuntimeClass进行运行时配置。

下图是Containerd的发展史。

Docker

docker-shim是K8s社区第一个被开发的，作为kubelet和Docker之间的shim。随着Docker将其许多功能分解到containerd中，现在通过containerd支持CRI。当现代版本的Docker被安装时，containerd也一起被安装，CRI直接与containerd对话，随着docker-shim正式废弃，是时候考虑相关迁移的工作了，K8s在这方面做了大量的工作，具体可参看官方文档。

CRI-O

cri-o是一个轻量级的CRI运行时，它支持OCI，并提供镜像的管理、容器进程管理、监控日志及资源隔离等工作。

cri-o的通信地址默认是在/var/run/crio/crio.sock。