【云原生】容器技术发展

【云原生】容器技术发展

“云原生技术有利于各组织在公有云、私有云和混合云等新型动态环境中，构建和运行可弹性扩展的应用。云原生的代表技术包括容器、服务网格、微服务、不可变基础设施和声明式API。”

聊容器技术避不开云原生，聊云原生也避不开容器技术。容器技术和云原生就是一对双螺旋体，容器技术催生了云原生思潮，云原生生态推动了容器技术发展。从2013年docker（container）技术诞生，到2015年CNCF这个云原生领域重量级联盟便成立，这不是历史的巧合而是历史的必然。作为云原生关键技术之一的容器，从2013年诞生以来一直是行业关注的焦点之一。

1. 容器与容器编排系统的发展

在OS虚拟化这条技术路线上，最大的技术贡献来源于Google。2003-2006年，Google陆续发布的“三驾马车”，奠定了大数据计算的框架，随后进一步创造了“云”的概念。也是从这时期开始，进程隔离技术进入了一个更高级的阶段。在 Google 提出的云计算框架下，被隔离的进程不仅仅是一个与外界隔绝但本身却巍然不动的 Jail，它们更需要像一个个轻便的容器，除了能够与外界隔离之外，还要能够被控制与调配，从而实现分布式应用场景下的跨平台、高可用、可扩展等特性。2006年，Google推出Process Containers，用来对一组进程进行限制、记账、隔离资源（CPU、内存、磁盘 I/O、网络等）。由于技术更加成熟，Process Container 在 2006 年正式推出后，第二年就进入了 Linux 内核主干，并正式更名为 cgroups，标志着 Linux 阵营中“容器”的概念开始被重新审视和实现。

在 2008 年，通过将 cgroups 的资源管理能力和 Linux Namespace （命名空间）的视图隔离能力组合在一起，一项完整的容器技术 LXC （Linux Container）出现在了 Linux 内核中，这就是如今被广泛应用的容器技术的实现基础。

2013年容器引擎Docker推出之后迅速席卷全球，容器技术进入迸发期，相对于容器虚拟化技术，Docker真正核心的创新是容器镜像（docker image），一种新型的应用打包、分发和运行机制。容器镜像将应用运行环境，包括代码、依赖库、工具、资源文件和元信息等，打包成一种操作系统发行版无关的不可变更软件包。

• 容器镜像打包了整个容器运行依赖的环境，以避免依赖运行容器的服务器的操作系统，从而实现“build once，run anywhere”。
• 容器镜像一但构建完成，就变成read only，成为不可变基础设施的一份子。
• 操作系统发行版无关，核心解决的是容器进程对操作系统包含的库、工具、配置的依赖，但是容器镜像无法解决容器进程对内核特性的特殊依赖。这个在实际使用容器的过程中也经常跳进这个大坑

Docker的宣传口号是“Build，Ship and Run Any App，Anywhere”。我们已经理解了docker通过container image解决“Run Anywhere”的机制，那么“Run Any App”是如何实现的呢？其实也是依赖container image，用户可以打包任何容器进程所依赖的环境，而不用改造应用来适配PaaS定义的运行环境。真是“Run Any App”一举打破了PaaS行业面临的困境，创造出了无限的可能性，大力推动了云原生的发展，定义：容器 = 镜像 + 执行引擎。

2014年Google基于内部使用的Borg系统创建了开源项目Kubernetes（简称K8S），用于解决大规模集群的容器部署、运行、管理等问题。Kubernetes在容器的基础上增加了一层的新的管理抽象Pod，以便更好地利用容器进行应用的功能模块切分。得益于 Google 在大规模集群基础设施建设的强大积累，脱胎于 Borg 的 K8S 很快成为了行业的标准应用，堪称容器编排的必备工具。

容器编排托管服务节点级的典型架构是利用IaaS系统生成VM，然后在VM里面部署kubelet、docker、containerd、runC等容器服务组件，也就是VM + 容器的技术架构。一个VM可以承载同一个用户的多个容器/Pod实例。而Serverless容器实例服务的节点级架构更直接，在一个VM里面只部署一个容器/Pod实例，从而实现Serverless。这种短平快的打法快速推进了商用模型的探索，起到了非常重要的历史作用，但是其在弹性能力、部署密度、资源成本方面的历史局限性还是很大的。

到2019年，容器服务的商业形态以及市场趋势已经很明显了，行业整体进入了商业拓展阶段，对外宣传吸引更多的客户群体，对内苦练内功提升产品技术竞争力，行业正在经历从“有”到“优”的技术升级。到现在为止，我们大体上可以把容器引擎技术划分为两代：

1. Container on VM。也就是按照分层设计思路，通过IaaS + PaaS的架构构建容器服务，这个是商用探索阶段的典型架构。基于各大云厂商成熟的IaaS基础设施生产虚拟机，在虚拟机里面部署容器服务组件。这种架构采用的是lift and shift策略，把容器服务的运维责任从用户转移到云厂商。采用和用户相同的软件组件，只是转移运维责任，有利于引导客户逐步上云、接受云原生思维。但是这个时期云厂商提供的服务是单纯的运维托管，相对用户自建容器服务并没有太明显的技术优势，甚至受多租户隔离的限制部分使用体验还不如用户自建容器服务。
2. **Container with hardware virtualization。**如果沿用Container on VM的分层设计架构，云厂商很难构建独有的技术优势。对于Serverless容器实例服务，服务交付平面已经从IaaS的硬件接口上移到OS Syscall，所以不要遵循VM + 容器的分层设计思路。我们需要从需求本源出发，容器服务需要高性能、强隔离、够安全和低成本的容器引擎。

2. 容器引擎技术

在具体介绍容器执行引擎方案及技术路线之前，先上一张容器引擎技术江湖门派概览图，以飨读者。

提到容器引擎（Container Engine）、容器运行时（Container Runtime）这些名称，总是有点容易让人犯晕。为了让事情简化一些，我们关注在云原生、K8S场景下的定义吧。

相对较为正式的术语定义如下图，可以把容器管理系统分为三层：

1. High-level Container Management：容器管控的UI层。直接实现容器的管控和使用界面，也是用户最熟悉的子系统。
2. High-level Container Runtime：容器状态及资源供给。包括镜像管理、网络接入、容器状态、调用Low Level Runtime执行容器等功能。习惯上这层称之为容器引擎（Container Engine）。
3. Low-level Container Runtime：容器执行层。负责具体构建容器运行环境并执行容器进程。习惯上这层直接简称为容器运行时（Container Runtime）。

High-level Container Management和Container Engine之间的接口规范是CRI，Container Engine和Container Runtime之间的接口规范是OCI。

3. 容器运行时

runC是目前使用最广泛的容器运行时，但是runC也不是完美的。业界对runC的担心主要集中在runC的隔离能力，众所周知runC容器共享一个host内核，利用cgroup和namespace机制来构建相互隔离的容器执行环境。Docker、LXC、RKT和runC这类原生容器都是基于共享主机操作系统的，这些技术的优点是资源利用率高、弹性能力强，缺点则是受攻击面大和攻击后果严重。特别是在多租户的云环境中，不同客户的容器会被编排部署到同一个服务器系统，这种威胁就变得尤其明显了。

其实，容器引擎技术领域也存在类似CAP理论的三边关系：资源效率、安全隔离和标准通用。目前所有的容器运行时技术最多都只能满足资源效率、安全隔离和标准通用中的两项，还没有一个技术能做到同时满足三项。比如：runC在资源效率和标准通用方面最强，但是在安全隔离方面却最弱。Kata containers/firecracker-containerd/runD在安全隔离和标准通用上有优势，但是在资源效率方面却有不足。

基于共享内核的OS虚拟化技术总是让人不放心，“安全容器”便应运而生了。安全容器的核心思路是摒弃共享内核，为每个Pod/Container实例配置一个专用的容器OS，再辅以硬件虚拟化、应用内核等技术以获得更好的隔离性。我们可以按是否使用共享内核、是否使用硬件虚拟化、是否使用Linux Kernel作为容器内核几个纬度来对容器运行时进行分类。从下面的分类表可以看出，基于硬件虚拟化+Linux分离内核是目前行业的主流技术路线。

安全容器与传统容器虚拟机的关系发展

参考文章

容器技术之发展简史（刘奖）
容器技术之容器引擎与江湖门派（刘奖）