超越预期:Containerd 如何成为 Kubernetes 的首选容器运行时

原创
06/06 15:46
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> 作者:尹珉,KubeSphere Ambassado,rKubeSphere Contributor,KubeSphere 社区用户委员会杭州站站长。 

踏上 Containerd 技术之旅

容器技术已经成为现代软件开发和部署的核心工具。通过容器,开发者可以创建轻量级、便携的运行环境,从而简化应用程序的开发、测试和部署流程。在容器技术的生态系统中,容器运行时扮演着至关重要的角色。本篇文章将探讨低级和高级容器运行时的区别,并解释为什么 Kubernetes 选择 containerd 作为其默认的容器运行时。此外,我们还将介绍三种与 containerd 相关的 CLI 工具:ctr、crictl 和 nerdctl。

containerd 架构及说明

containerd 是一个高效、可靠的开源容器运行时,它被设计为从开发到生产环境的核心容器管理解决方案。containerd 的架构主要分为三个部分:生态系统(Ecosystem)、平台(Platform)和客户端(Client)。每个部分在整个系统中扮演着不同的角色,协同工作以提供全面的容器管理功能。

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生态系统(Ecosystem)

containerd 的生态系统包括一系列与其集成的工具和组件,这些工具和组件扩展了 containerd 的功能并增强了其适用性。

  • CRI 插件:与 Kubernetes 紧密集成,通过实现 Container Runtime Interface (CRI),使 Kubernetes 能够管理容器。
  • CNI 插件:使用 Container Network Interface (CNI)插件进行网络管理,提供容器的网络连接。
  • CSI 插件:Container Storage Interface (CSI)插件用于存储管理,允许容器挂载和管理存储卷。
  • 镜像管理:支持 Docker 镜像和 OCI 镜像规范,提供从镜像仓库拉取、存储和管理容器镜像的能力。
  • 插件机制:允许通过插件扩展 containerd 的功能,满足特定的需求。

平台(Platform)

containerd 的平台层是整个系统的核心,负责管理和调度容器运行时的所有基本操作。这个层次的主要组件包括:

  • 守护进程:containerd 守护进程负责处理所有的容器管理请求,并维护容器的生命周期。
  • gRPC API:通过 gRPC API 与外部客户端通信,提供标准化的接口以执行容器操作。
  • 任务管理:管理容器的创建、启动、停止和删除任务,确保容器按照预期运行。
  • 快照管理:使用快照(Snapshot)机制管理容器文件系统,实现高效的存储操作。
  • 事件监控:实时监控容器事件,提供日志记录和事件通知功能,便于运维人员进行故障排查和系统监控。

客户端(Client)

containerd 的客户端提供用户与 containerd 平台交互的方式。主要的客户端工具包括:

  • ctr:containerd 自带的命令行工具,用于直接与 containerd 进行交互。虽然功能强大,但主要用于开发和调试场景。
  • crictl:专为 Kubernetes 设计的命令行工具,通过 CRI 接口与 containerd 进行交互,适用于 Kubernetes 集群的运维和管理。
  • nerdctl:一个 Docker 兼容的 CLI 工具,提供类似 Docker 的用户体验,使用户无需重新学习即可使用 containerd 管理容器。

了解 OCI 标准的影响

OCI 规范的由来

开放容器倡议(Open Container Initiative,OCI)是一个旨在制定开放标准的行业组织。它由 Docker 公司于 2015 年 6 月提出,并在 Linux 基金会的支持下成立。OCI 的主要目标是通过定义标准化的容器格式和运行时,促进容器技术的互操作性和一致性。 在容器技术快速发展的过程中,不同的容器运行时和格式逐渐涌现,导致了兼容性和互操作性问题。为了应对这些挑战,OCI 提出了一套统一的标准,确保不同容器工具和平台之间的兼容性和互操作性。

OCI 规范三个核心部分

镜像规范(Image Specification) 运行时规范(Runtime Specification) 分发规范(Distribution Specification)

镜像规范(Image Specification)

镜像规范定义了容器镜像的格式和内容,确保镜像可以在不同的容器运行时和平台上兼容使用。镜像规范的主要内容包括:

  • 镜像配置:定义镜像的元数据,如镜像的创建时间、作者、版本等。
  • 文件系统层:描述镜像的文件系统层次结构,包括基础层和增量层。
  • 分发格式:定义镜像的打包和传输格式,确保镜像可以在不同的镜像仓库和运行时之间传输。

运行时规范(Runtime Specification)

运行时规范定义了容器的运行环境和行为,确保容器可以在不同的容器运行时上以一致的方式执行。运行时规范的主要内容包括:

  • 配置文件:定义容器的配置文件,包括容器的命名空间、cgroups、挂载点、环境变量等。
  • 生命周期管理:描述容器的生命周期管理,包括容器的创建、启动、停止和删除等操作。
  • 进程管理:定义容器内进程的管理和隔离,包括进程的启动参数、资源限制和隔离机制。

分发规范(Distribution Specification)

分发规范定义了容器镜像的分发方法和协议,确保镜像可以高效、安全地在不同的注册表和客户端之间传输。分发规范的主要内容包括:

  • 内容地址:使用内容寻址机制确保镜像和其他内容的完整性和一致性。
  • 分层结构:定义分层镜像格式,以便高效存储和传输镜像。
  • API 定义:提供标准的 API 接口,用于上传、下载、查询和管理镜像。

什么是低级和高级容器运行时

了解了 OCI 规范后,我们再来看看什么是低级和高级容器运行时的区别。了解这些区别有助于我们更好地理解容器运行时的选择和优化,确保在不同的应用场景中能够选择最合适的工具,从而提高系统性能和管理效率。

低级容器运行时

低级容器运行时(low-level container runtime)是指那些直接与操作系统内核交互,负责创建和管理容器进程的运行时。它们通常提供最基本的容器管理功能,例如启动、停止和删除容器。低级运行时的一个典型例子是 runc。 低级容器运行时的主要特点包括:

  • 轻量级:仅包含最核心的功能,减少了系统资源的消耗。
  • 高性能:由于其简洁的设计,低级运行时通常具有更高的运行效率。
  • 稳定性和安全性:直接与内核交互,减少了中间层的复杂性,提高了系统的稳定性和安全性。

高级容器运行时

高级容器运行时(high-level container runtime)在低级运行时之上构建,提供更丰富的功能和更高层次的抽象。例如,它们可以管理容器镜像、网络、存储等方面。containerd 是一个典型的高级容器运行时。 高级容器运行时的主要特点包括:

  • 功能丰富:除了基本的容器管理功能外,还提供镜像构建、网络配置、存储管理等高级功能。
  • 易用性:高级运行时通常附带友好的 CLI 和 API 接口,方便开发者和运维人员使用。
  • 集成性:与各类开发工具和平台紧密集成,提供端到端的容器管理解决方案。

低级和高级运行时的区别及应用场景

低级和高级容器运行时的主要区别在于其功能的广度和抽象层次。低级运行时更贴近系统底层,提供基本的容器管理功能,适合需要精细控制和优化的场景。高级运行时则提供更丰富的功能,简化了容器管理和操作,适合开发和运维人员使用,帮助他们专注于应用程序本身,而不必关注底层的实现细节。

Kubernetes 选用 containerd 的背后考量

Kubernetes 与 containerd 的关系

Kubernetes 是一个用于自动化部署、扩展和管理容器化应用程序的开源平台。在其早期版本中,Kubernetes 主要使用 Docker 作为容器运行时。然而,随着容器生态系统的发展,Kubernetes 社区决定采用更为专用和轻量级的 containerd 作为默认的容器运行时。

containerd 的优点及其在 Kubernetes 中的应用

containerd 是一个工业级的容器运行时,专为性能和稳定性设计。它提供了核心的容器管理功能,如镜像管理、容器执行和存储管理。containerd 的设计目标是简单、高效和与 Kubernetes 的深度集成。其主要优点包括:

  • 轻量级:containerd 是一个专注于核心功能的轻量级运行时,避免了不必要的复杂性。
  • 性能高:containerd 在启动速度和资源使用方面表现出色,非常适合在高并发和大规模环境中使用。
  • 稳定性:containerd 经过了广泛的测试和验证,具有很高的可靠性和稳定性。

Kubernetes 选择 containerd 的原因分析

Kubernetes 选择 containerd 作为默认的容器运行时有几个主要原因:

  1. 专注于核心功能:containerd 专注于容器管理的核心功能,避免了过多的功能堆积,保持了运行时的轻量和高效。
  2. 深度集成:containerd 与 Kubernetes 的深度集成,使得 Kubernetes 可以更加高效地管理容器和镜像。
  3. 社区支持:containerd 由 CNCF(Cloud Native Computing Foundation)托管,得到了广泛的社区支持和贡献,确保了其长期的维护和发展。
  4. 独立性:与 Docker 相比,containerd 更加独立,不依赖于其他工具或平台,减少了系统复杂性。

containerd 安装指南

containerd 官网

https://containerd.io/

下载 containerd release 包

[root@anolis89 containerd]# wget https://github.com/containerd/containerd/releases/download/v1.7.14/containerd-1.7.14-linux-amd64.tar.gz

解压 release 包

[root@anolis89 containerd]# tar -zxvf cri-containerd-1.7.14-linux-amd64.tar.gz -C /

生成 containerd 默认配置文件

[root@anolis89 containerd]# mkdir /etc/containerd/
[root@anolis89 containerd]# containerd congfig default > /etc/containerd/config.toml

启动 containerd 服务

[root@anolis89 containerd]# systemctl start containerd && systemctl enable containerd

验证 containerd 服务

[root@anolis89 containerd]# ctr version

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containerd CLI 工具推荐

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ctr

  • 定义和功能: ctr 是一个用于测试和调试 containerd 的轻量级 CLI 工具。它提供了一些基本的命令,可以用于快速验证 containerd 的功能。
  • 使用场景及实例: ctr 主要用于开发和测试环境,例如开发者需要验证 containerd 是否正确安装和配置时,可以使用 ctr 运行一些基本的测试命令。
ctr version
ctr images pull docker.io/library/busybox:latest
ctr run -t --rm docker.io/library/busybox:latest busybox sh

crictl

  • 定义和功能: crictl 是一个用于与 Kubernetes CRI(Container Runtime Interface)交互的 CLI 工具。它提供了一组命令,可以用于检查和管理通过 CRI 运行的容器和镜像。
  • 使用场景及实例: crictl 主要用于 Kubernetes 环境下的容器管理。例如,管理员可以使用 crictl 查看当前运行的容器、检查容器日志或执行容器操作。
crictl ps
crictl logs <container_id>
crictl exec <container_id> <command>

nerdctl(推荐)

  • 定义和功能: nerdctl 是专为 Containerd 设计的轻量级命令行工具,它的诞生旨在为那些从 Docker 转向 Containerd 的用户提供一个熟悉的操作界面。
  • 使用场景及实例: nerdctl 适合那些熟悉 Docker CLI 但希望使用 containerd 的用户。例如,开发者可以使用 nerdctl 来构建和运行容器,而不需要学习全新的命令集合。

nerdctl 与 Docker 的区别:

  • 底层与上层之别: 最本质的区别在于,Docker 是一个包含了完整容器生命周期管理的平台,包含了 Docker daemon 等多个组件。而 nerdctl 是一个纯粹的命令行工具,专注于与 Containerd 交互,后者作为低层级运行时,处理容器和镜像的实际操作。
  • 兼容与创新: nerdctl 虽然兼容 Docker 的 CLI 习惯,但并不意味着它是 Docker 的简单复制品。它在兼容基础上引入了新功能,如延迟拉取镜像(lazy-pulling)和镜像加密等,这些是 Docker 本身不具备的。
  • 性能与效率: 由于直接操作 Containerd,避免了 Docker daemon 这一层的额外开销,nerdctl 在某些场景下能提供更好的性能和资源利用率。
  • 定位差异: Docker 适合需要一站式解决方案的用户,而 nerdctl+Containerd 组合更适合那些追求轻量、高性能及与 Kubernetes 紧密集成的环境。
nerdctl run -d --name nginx -p 80:80 nginx
nerdctl build -t myimage .
nerdctl network create mynetwork

结语与展望

containerd 作为一个轻量级、高性能和稳定的容器运行时,已经成为 Kubernetes 的首选。通过专注于核心功能和深度集成,containerd 为容器管理提供了高效的解决方案。ctr、crictl 和 nerdctl 等 CLI 工具进一步丰富了 containerd 的功能,帮助开发者和运维人员更好地管理和调试容器。

展望未来,containerd 有望继续在容器技术领域发挥重要作用,推动容器生态系统的发展和创新。

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