容器发展简史


【编者的话】这篇文章图文并茂的讲述了容器化发展的历史。

在过去四年中(2015-2019),云以及分布式计算成为最受欢迎的技术之一,它们从小众技能逐渐变成更被雇主看重的突出技能。容器化技术是云经济和IT生态系统中最新潮的技术之一。这篇文章可能会帮助您理解有关Docker和容器的一些令人困惑的概念。我们还将看到容器化生态系统在2019年的现状以及演变方向。


“不是我们造就了历史,而是历史造就了我们。” -- 马丁·路德·金
Docker是当今最知名的容器平台之一,它于2013年发布。但是在此之前,隔离和容器化已经被使用。让我们回到1979年,当时我们刚开始使用Chroot Jail,之后便出现了最著名的容器化技术。了解这段历史不但有助于我们理解相关的新概念,也有利于我们理解这项技术。
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时间退回到1979年,Unix版本7在开发过程中引入Chroot Jail以及Chroot系统调用。Chroot jail被用于“Change Root”,它被认为是最早的容器化技术之一。它允许您将进程及其子进程与操作系统的其余部分隔离开来。这种隔离的唯一问题是根进程(root process)可以轻松地退出chroot。它从未考虑实现安全机制。FreeBSD Jail于2000年在FreeBSD OS中引入,旨在为简单的Chroot文件隔离带来更多安全性。与Chroot不同,FreeBSD还实现了将进程及其活动隔离到文件系统的特定视图中。
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A Chroot Jail. 来源:https://linuxhill.wordpress.co ... heezy

当Linux内核具有操作系统级的虚拟化的功能以后,Linux VServer于2001年被推出,它使用了类似chroot的机制与“安全上下文”(“security context”)以及操作系统虚拟化(容器化)相结合来提供虚拟化解决方案。它比简单的chroot更先进,允许您在单个Linux发行版(VPS)上运行多个Linux发行版。
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2004年2月,Oracle发布了Oracle Solaris Containers,这是一个用于X86和SPARC处理器的Linux-Vserver版本。


SPARC是由Sun Microsystems开发的RISC(精简指令集计算)架构。
Solaris Container是由系统资源控制和“区域”(zone)提供的边界隔离组合而成。
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Oracle Solaris 11.3

与Solaris Containers类似,OpenVZ的第一个版本于2005年推出。OpenVZ与Linux-VServer一样,使用操作系统级虚拟化,许多托管公司采用它来隔离和销售VPS。操作系统级虚拟化有一些限制,因为容器共享相同的体系结构和内核版本,当客户需要不同于主机的内核版本的情况下这种缺点就会显现出来。

Linux-VServer和OpenVZ需要为内核打补丁以添加一些用于创建隔离容器的控制机制。 OpenVZ的补丁未集成到内核中。
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2007年,谷歌发布了CGroups,这是一种机制,这种机制能限制和隔离一系列进程的资源使用(CPU,内存,磁盘I / O,网络等)。与OpenVZ 内核相反,CGroups在2007年集成进了Linux内核。

2008年,LXC(Linux containers,Linux容器)的第一个版本发布。LXC与OpenVZ,Solaris Containers和Linux-VServer类似,但是它使用的是已经在Linux内核中实现的CGroup。然后,Cloud Foundry于2013年创建了Warden,这是一个管理隔离,短暂存在和被资源控制的环境的API。在其第一个版本中,Warden使用了LXC。
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2013年,Docker推出了的第一个版本。它像OpenVZ和Solaris Containers一样,实现操作系统级虚拟化。

2014年,谷歌推出了LMCTFY(Let me contain that for you),谷歌容器栈的开源版本,提供Linux应用程序容器。谷歌工程师一直在与Docker合作libcontainer,并将核心概念和抽象移植到libcontainer。因此没有积极开发LMCTFY项目,未来LMCTFY项目的核心可能会被libcontainer取代。

LMCTFY在同一内核上的隔离环境中运行应用程序,并且无需补丁,因为它使用CGroup,命名空间和其他Linux内核功能。

谷歌是容器化行业的领导者。谷歌的一切都在容器上运行。每周有超过20亿个容器在Google基础架构上运行。

2014年12月,CoreOS发布并开始支持rkt(最初作为Rocket发布)作为Docker的替代品。
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Jails,虚拟专用服务器(VPS),区域(Zones),容器和VM

使用Jails,Zones,VPS,VM容器都是为了隔离和资源控制,但每种技术是通过不同的方式实现它,每种方式都有其局限性和优势。

到目前为止,我们已经简要介绍了Jail如何工作,并介绍了Linux-VServer如何允许运行隔离的用户空间,其中计算机程序直接在主机操作系统的内核上运行,但程序只能访问其资源的受限子集。

Linux-VServer允许运行“虚拟专用服务器”(“Virtual Private Servers”),但必须为主机内核打补丁才能使用它。 (将VPS视为商业名称。)

Solaris容器被称为区域(Zone)。

“虚拟机”是在“真实硬件机器”之上模拟虚拟机的通用术语。该术语最初由Popek和Goldberg定义为真实计算机的有效,孤立副本。

虚拟机可以是“系统虚拟机”或“过程虚拟机”。在我们日常使用VM这个词时,我们通常指的是“系统虚拟机”,它是模拟的是主机硬件来模拟整个操作系统。但是,“进程虚拟机”(“Process Virtual Machine”,有时称为应用虚拟机)是用于模拟执行单个进程的编程环境:Java Virtual Machine(JVM,Java虚拟机)就是一个例子。

操作系统级虚拟化也称为容器化。 Linux-VServer和OpenVZ等技术可以运行多个操作系统,同时共享相同的体系架构和内核版本。

在guest需要的虚拟机于主机的内核版本的情况时,共享相同的体系结构和内核会有一些限制和缺点。
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来源:https://fntlnz.wtf/post/why-containers

系统容器(例如LXC)提供的环境非常接近您从虚拟机获得的环境,与此同时又省去了运行单独内核和模拟所有硬件所带来的开销。
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VM与容器。来源:Docker博客

操作系统容器与应用容器

操作系统级虚拟化有助于我们创建容器。 LXC和Docker等技术使用这种隔离方式。我们这里有两种类型的容器:
  • OS容器会打包整个应用程序栈的操作系统【示例LEMP技术栈,LEMP是指一组一起使用来运行动态网站或者服务器的开源软件,软件名称的首字母缩写:L代表Linux,E代表Nginx(Engine X),M代表MariaDB或MySQL,P代表PHP】。
  • 应用容器通常每个容器会运行一个进程


而对于App容器来说,它会创建3个容器来构成LEMP技术栈:
  • PHP服务器(或者是PHP FPM)
  • Web服务器(Nginx)
  • MySQL


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系统(OS)容器与应用(App)容器

Docker:是容器还是平台

简短回答:都是
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详细答案

当Docker启动时,它使用LXC作为容器运行时,其想法是创建一个API来管理容器运行时,隔离运行应用程序的单个进程,并监督容器的生命周期及其使用的资源。

在2013年初,Docker项目是建立一个“标准容器”,我们可以在这个宣言中看到。
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现在标准容器宣言已删除。
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Docker开始构建一个具有多种功能的单体应用程序,这些功能包括启动云服务器以及构建和运行镜像/容器等等。

Docker使用“libcontainer”与Linux内核功能(如:控制组命名空间)进行交互。
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Docker,Libcontainer和Linux内核功能

让我们使用命名空间和Cgroup(控制组)创建一个容器

我在这个例子中使用的是Ubuntu,但对于大多数发行版来说操作应该类似。首先安装CGroup工具和压力测试工具程序(因为我们将进行一些压力测试)。
sudo apt install cgroup-tools
sudo apt install stress

此命令将创建一个新的执行上下文:
sudo unshare --fork --pid --mount-proc bash

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unshare命令解除了进程的部分执行上下文的关联。


unshare()允许进程(或线程)与当前和其他进程(或线程)共享的执行上下文解除关联。但是部分执行上下文(例如mount > namespace),当使用fork(2)或vfork(2)去创建新进程时,执行上下文,与此同时,其他部分(例如虚拟内存),可能在使用clone(2)创建进程或线程,通过显式请求共享虚拟内存。
现在,使用cgcreate我们来创建一个控制组并定义两个控制器,一个在内存上,另一个在CPU上。
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下一步是定义内存限制并使之生效:
echo 3000000 > /sys/fs/cgroup/memory/mygroup/memory.kmem.limit_in_bytes cgexec -g memory:mygroup bash

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现在让我们压力测试一下我们创建的独立命名空间(包含内存限制)。
stress --vm 1 --vm-bytes 1G --timeout 10s

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可以看到执行失败了,于是我们知道内存限制正常工作。

如果我们在主机上做同样的事情(不要在16G RAM上模仿),测试永远不会失败,除非你真的没有足够的可用内存:
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遵循这些步骤有利于你理解Linux工具(如CGroup和其他资源管理功能)是如何在Linux系统中创建和管理隔离的环境。

libcontainer与这些工具交互以管理和运行Docker容器。

runC:在不使用Docker的情况下使用libcontainer

2015年,Docker发布runC:一个轻量级,可移植的容器运行时。
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runC实际上是一个直接利用libcontainer的命令行工具,无需通过Docker引擎。

runC的目标是使标准容器随处可用。

这个项目被捐赠了Open Container Initiative,OCI

libcontainer存储库现已被存档。
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实际上,libcontainer并没有被抛弃,而是被转移到了runC仓库。
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让我们回到实践部分并使用runC创建一个容器。

首先安装runC运行时:
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让我们创建一个目录(/mycontainer),我们将导出镜像Busybox的内容。


BusyBox的大小介于1到5 Mb之间(取决于变体),在制作高效利用空间发行版的时候,是一个非常好的组成部分。
BusyBox将许多常见UNIX实用程序的微小版本组合到一个小的可执行文件中。它提供了你通常在GNU fileutils,shellutils等中找到的大多数实用程序的替代工具。BusyBox中的工具程序通常比它们包含所有功能的GNU版本有更少的选项;但包含的选项提供了大部分你所需要的功能,与GNU的对应版本非常相似。BusyBox为任何小型或嵌入式系统提供了相当完善的环境。
来源:Docker Hub。
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使用runC命令,我们可以用提取的镜像和spec文件(config.json)来运行BusyBox容器。

runc spec命令一开始会创建以下JSON文件:
{
"ociVersion": "1.0.1-dev",
"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": {
"bounding": [
"CAP_AUDIT_WRITE",
"CAP_KILL",
"CAP_NET_BIND_SERVICE"
],
"effective": [
"CAP_AUDIT_WRITE",
"CAP_KILL",
"CAP_NET_BIND_SERVICE"
],
"inheritable": [
"CAP_AUDIT_WRITE",
"CAP_KILL",
"CAP_NET_BIND_SERVICE"
],
"permitted": [
"CAP_AUDIT_WRITE",
"CAP_KILL",
"CAP_NET_BIND_SERVICE"
],
"ambient": [
"CAP_AUDIT_WRITE",
"CAP_KILL",
"CAP_NET_BIND_SERVICE"
]
},
"rlimits": [
{
"type": "RLIMIT_NOFILE",
"hard": 1024,
"soft": 1024
}
],
"noNewPrivileges": true
},
"root": {
"path": "rootfs",
"readonly": true
},
"hostname": "runc",
"mounts": [
{
"destination": "/proc",
"type": "proc",
"source": "proc"
},
{
"destination": "/dev",
"type": "tmpfs",
"source": "tmpfs",
"options": [
"nosuid",
"strictatime",
"mode=755",
"size=65536k"
]
},
{
"destination": "/dev/pts",
"type": "devpts",
"source": "devpts",
"options": [
"nosuid",
"noexec",
"newinstance",
"ptmxmode=0666",
"mode=0620",
"gid=5"
]
},
{
"destination": "/dev/shm",
"type": "tmpfs",
"source": "shm",
"options": [
"nosuid",
"noexec",
"nodev",
"mode=1777",
"size=65536k"
]
},
{
"destination": "/dev/mqueue",
"type": "mqueue",
"source": "mqueue",
"options": [
"nosuid",
"noexec",
"nodev"
]
},
{
"destination": "/sys",
"type": "sysfs",
"source": "sysfs",
"options": [
"nosuid",
"noexec",
"nodev",
"ro"
]
},
{
"destination": "/sys/fs/cgroup",
"type": "cgroup",
"source": "cgroup",
"options": [
"nosuid",
"noexec",
"nodev",
"relatime",
"ro"
]
}
],
"linux": {
"resources": {
"devices": [
{
 "allow": false,
 "access": "rwm"
}
]
},
"namespaces": [
{
"type": "pid"
},
{
"type": "network"
},
{
"type": "ipc"
},
{
"type": "uts"
},
{
"type": "mount"
}
],
"maskedPaths": [
"/proc/kcore",
"/proc/latency_stats",
"/proc/timer_list",
"/proc/timer_stats",
"/proc/sched_debug",
"/sys/firmware",
"/proc/scsi"
],
"readonlyPaths": [
"/proc/asound",
"/proc/bus",
"/proc/fs",
"/proc/irq",
"/proc/sys",
"/proc/sysrq-trigger"
]
}


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另一个替代方案是使用“oci-runtime-tool”的子命令“oci-runtime-tool generate”,它包含很多选项帮助你做更多自定义配置。

更多信息,请参阅runtime-tools

使用生成的规范JSON文件,您可以自定义容器的运行时。例如,我们可以更改要执行的应用程序的参数。
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让我们来看看原始config.json文件和新文件之间的差别:
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现在让我们再次运行容器并观察到它在退出前休眠了10秒。

行业标准的容器运行时

鉴于容器逐渐成为主流,容器生态系统中的不同参与者一直致力于标准化。 标准化是自动化和总结最佳实践的关键。

在将runC项目提供给OCI的同时,Docker在2016年开始使用containerd作为容器运行时,containerd可以与更底层运行时runC进行交互。
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Cotnainerd完全支持启动OCI下的软件并管理这些软件的生命周期。 Containerd(以及其他像cri-o这样的运行时)都是使用runC来运行容器,但Containerd实现了其他更高级功能,如镜像管理和更高级API。
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containerd与Docker和OCI运行时集成

Containerd,Shim和RunC,这一切是如何一起工作的

runC建立在libcontainer之上,libcontainer是以前为Docker引擎提供动力的容器库。

在1.11版之前,Docker引擎被用于管理卷,网络,容器,图像等。

现在,Docker架构被拆分成四个部分:
  • Docker引擎
  • containerd运行时
  • containerd-shim
  • 和runC运行时。


二进制文件分别称为dockerdocker-containerddocker-containerd-shimdocker-runc

让我们用Docker的新架构来列举运行容器的步骤:
  1. Docker引擎创建容器(来自镜像)并将其传递给containerd。
  2. Containerd调用containerd-shim
  3. Containerd-shim使用runC来运行容器
  4. Containerd-shim可以让运行时(此处为runC)在启动容器后退出


使用新架构,我们可以运行“无守护容器”(“daemon-less containers” ),它有两个优点:
  1. runC可以在启动容器后退出,我们不必运行整个运行时进程。
  2. 即使Docker和/或容器死亡,containerd-shim也会保证stdin,stdout和stderr这些文件描述符为打开状态。


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“既然runC和Containerd都是运行时,为什么运行单个容器时需要两个运行时?”

这可能是被问的最多的问题之一。在之前讲解为什么Docker将其架构拆分为runC和Containerd时,您会发现这两个都是运行时。

如果您是从头开始阅读的,那么您一定注意到有高层级和低层级的运行时。这就是runC和Containerd两者之间的实际差异。 两者都可以称为运行时,但每个运行时都有不同的用途和功能。为了使容器生态系统保持标准化,低层级的容器运行时只允许运行容器。

低级运行时(如runC)应该轻巧,快速,并且不会与其他更高层级的容器管理发生冲突。

当你创建一个容器时,这个容器实际上同时被containerd和 runC两个运行时同时管理。 您会发现有很多容器运行时,其中一些是遵循OCI标准的而另一些不是,一些是低层级的运行时,而另一些不仅仅是运行时,它们同时实现了工具层来管理容器的生命周期等等:
  • 镜像传输和存储
  • 容器运行和监控,
  • 底层存储
  • 网络附件
  • 等等


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来源:https://www.ianlewis.org/en/co ... ner-r

我们可以为Docker添加新的运行时,只需运行:
sudo dockerd --add-runtime=<runtime-name>=<runtime-path> 

示例:
sudo apt-get install nvidia-container-runtime 
sudo dockerd --add-runtime=nvidia=/usr/bin/nvidia-container-runtime 

容器运行时接口

Kubernetes是当下最流行的容器编排系统之一。随着容器运行时数量的不断增加,Kubernetes目标是变得更加灵活,并且与更多的容器运行时(不仅仅是Docker)进行交互。

最初,Kubernetes使用Docker运行时来运行容器,并且现在它仍然是默认的运行时。

但是,CoreOS希望将Kubernetes与RKT运行时一起使用,并为Kubernetes提供补丁,以便将来此运行时可以用来替代Docker运行时。

在添加新的容器运行时,Kubernetes不希望改变自己的代码库,于是它决定创建容器运行时接口(CRI或Container Runtime Interface),这是一组API和库,允许在Kubernetes中运行不同的容器运行时。

Kubernetes通过CRI API与它支持的运行时进行交互。
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以下是一些CRI插件:

CRI-O

是为Kubernetes CRI接口创建的第一个容器运行时。 cri-o不是为了取代Docker,而是可以在Kubernetes的特定上下文中使用它而不是Docker运行时。
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Containerd CRI

使用cri-containerd,用户可以使用containerd作为底层运行时运行Kubernetes集群,而无需安装Docker。
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gVisor CRI

gVisor是由Google开发的项目,它在用户空间中实现了大约200个Linux系统调用,与直接在Linux内核上运行的Docker容器(使用命名空间隔离)相比,具有更高的安全性。

Google Cloud App Engine使用gVisor CRI实现客户之间的隔离。
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gVisro运行时与Docker和Kubernetes集成,使得运行沙盒容器变得简单。

CRI-O Kata容器

Kata Containers是一个开源项目,用于构建轻量级虚拟机,可插入容器生态系统。 CRI-O Kata 容器允许在Kubernetes上运行Kata Containers来替代默认的Docker运行时。
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Moby项目

建立一个单体的Docker平台的项目在某种程度上已被抛弃,并催生了Moby项目,在这个项目中,Docker被拆分成多个组件,例如RunC。
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来源:Solomon Hykes Twitter

Moby是一个将Docker开发进行组织和模块化的项目。

它是一个开发和生产的生态系统。 Docker的常规用户很难意识到变化。
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资料来源:Solomon Hykes Twitter

Moby帮助开发和运行Docker CE和EE(Moby是Docker上游)以及为其他运行时和平台创建开发和生产环境。

开放容器计划(The Open Containers Initiative)

正如我们所看到的,Docker将RunC捐赠给Open Container Initiative(OCI),但这项计划是什么?

OCI是一个轻量级,开放型治理架构的组织,由Docker,CoreOS和容器行业的其他领导者于2015年发起。

开放容器计划(OCI)旨在建立软件容器的通用标准,以避免容器生态系统内部可能出现的分裂和分化。
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它包含两个规范:
  • runtime-spec:运行时规范
  • image-spec:镜像规范


使用不同运行时的容器可以与Docker API一起使用。使用Docker创建的容器可以能在任何其他引擎上运行。

原文链接:The Missing Introduction To Containerization(翻译:Grace)

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译者介绍:Grace,程序员,研究生毕业于SUNY at Stony Brook,目前供职于Linktime Cloud Company,对大数据技术以及数据可视化技术感兴趣。

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