理论+实操,带你了解多沙箱容器运行时Kuasar

原创
2023/05/22 15:11
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摘要:华为云DTSE技术布道师张天阳结合沙箱容器发展历程,介绍华为云多沙箱容器运行时 Kuasar 项目优势,开启多沙箱容器运行时上手实践体验。

本文分享自华为云社区《理论+实操,带你了解多沙箱容器运行时Kuasar》,作者:华为云社区精选。

本期《多沙箱容器运行时Kuasar开发上手实践》主题直播中,华为云DTSE技术布道师张天阳结合沙箱容器发展历程,介绍华为云多沙箱容器运行时 Kuasar 项目优势,为开发者演示 Kuasar 的安装运行方式,开启多沙箱容器运行时上手实践体验。

顺势而出的沙箱容器

2013年,docker 横空出世,云计算进入容器时代,所谓的容器也就是运行在宿主机上的进程,通过 Namespace 和 Cgroup 技术进行隔离和限制,和主机共享内核。

2014年,kubernetes 开源并成为主流的容器编排工具。在 kubernetes 中,Pod 是一个或多个容器的集合,容器间可以共享网络和存储,为此引入了 pause 容器来实现这一特性。

与宿主机系统共享内核的容器,是存在着巨大的安全隐患。”华为云DTSE技术布道师张天阳讲到。

也正是看到这个问题,在2017年底,沙箱(Sandbox)容器技术兴起,它将容器进程限制在一个封闭的沙箱环境中,防止其对系统和其他容器造成破坏,具有极高的安全性。

沙箱天然符合 Pod 的定义,它为一组容器提供了一个隔离的环境,在沙箱环境中运行的容器,就是沙箱容器。根据沙箱隔离的边界可分为:

  • 轻量虚拟机沙箱(MicroVM Sandbox):在宿主机上模拟一套完整的虚拟机,容器运行在虚拟机内,具有非常高的安全隔离效果。
  • 用户态内核沙箱(Application Kernel Sandbox):通过一个运行在用户态的内核程序,拦截并实现容器的系统调用,从而保证容器间的安全隔离性。
  • WebAssembly沙箱(Wasm Sandbox):将容器运行在 WebAssembly 的运行时中,依赖 WebAssembly 的能力提供进进程级别的隔离。

每种沙箱在极速弹性、安全隔离和标准通用维度有各自的优势,目前云厂商都已在生产环境布局了沙箱容器产品,每个沙箱借助 containerd Shim v2 均实现了一套管理面的程序,彼此之间不相兼容。

2023年3月,containerd 在其 v1.7.0 版本中发布了 Sandbox API 特性,该特性提供了一套管理沙箱的API,它的出现使得容器和沙箱的概念解耦,“容器归容器,沙箱归沙箱”,创建 Pod 就是创建沙箱,不再需要借助 pasue 容器。

沙箱容器已成为云原生场景下的安全的解决方案,我们希望借助 Sandbox API 的力量,实现一种支持多种沙箱技术的容器运行时。

然而单一容器隔离技术无法满足用户云上业务对安全隔离、极速弹性、标准通用等多个维度的诉求。基于此,华为云于2023 年 4 月在荷兰阿姆斯特丹举办的 KubeCon + CloudNativeCon Europe 2023 云原生峰会上正式开源Kuasar 。新开源的多沙箱容器运行时 Kuasar 可以充分利用节点资源、降本增效,为用户提供更安全高效的沙箱场景解决方案。

Kuasar架构技术大揭秘

Kuasar 是一个多沙箱容器运行时,那么什么是容器运行时?简单说容器运行时是一个负责拉起容器,管理容器运行状态的运行时组件,可以分为高阶容器运行时和低阶容器运行时两类:

  • 高阶容器运行时:负责 CRI 的实现,从高维度管理容器和镜像实例,containerd, CRI-O, docker 还有 iSulad 都是典型的高阶容器运行时。
  • 低阶容器运行时:负责 OCI 实现,真正操作容器。Kata-containers 和 runC 等都是低阶容器运行时。

Kuasar 属于低阶容器运行时,和高阶容器运行 containerd 交互,Kuasar 主要由两个模块组成:

  • Kuasar-Sandboxer:实现了 Sandbox API,负责管理沙箱生命周期和资源分配。Sandboxer 以插件的形式和 containerd 交互。
  • Kuasar-Task:实现了 Task API,负责管理容器的生命周期和资源分配。

MicroVM Sandboxer:虚机进程提供了完整的虚拟化层和 Linux 内核, vmm-sandboxer 负责创建虚机和调用 API, vmm-task 作为虚机里的 init 进程负责拉起容器进程,容器的 IO 流则可通过虚机的 vsock 或 uds 导出。

App Kernel Sandboxer: Quark 是一种新型的 App Kernel Sandbox,使用自己的 QVisor 作为 hypervisor 和自定义内核 QKernel。QVisor 只负责KVM虚拟机的生命周期管理,Qkernel 拦截所有的系统调用,并通知 QVisor 处理。quark-sandboxer 拉起 Qvisor 和 Qkernel,每当需要启动容器时,QVisor 中的 quark-task 将调用 Qkernel 来启动一个新的容器。同一 Pod 中的所有容器都将在同一个进程中运行。

Wasm Sandboxer:WebAssembly 沙箱定义了一套新的指令集和虚拟机。所有程序必须编译成 Wasm 指令集才能在 Wasm 虚拟机中运行,因此对应用程序有很高的要求。wasm-sandboxer 和 wasm-task 为一个独立的进程,每当需要在沙箱中启动容器时,wasm-task 将 fork 一个新进程,启动一个新的 WasmEdge runtime,并在其中运行 Wasm 代码。

Kuasar改变当前的Shim V2 的管理模型,带来以下收益:

  1. sandbox 管理逻辑清晰:sandbox 管理逻辑和 container 管理逻辑完全分开,开发友好,语义清晰
  2. 简化 container 调用链:取消 Task API 到 Shim v2 API 的转化,直接调用,链路简化
  3. 高效的sandboxer进程: Sandboxer 进程常驻减掉了冷启动 Shim 进程的耗时, 1:N 管理模型大幅减少了进程数量,Rust 程序内存安全,相比 Golang 开销小
  4. pause 容器消失:创建 Pod 不再创建 pause 容器,不再需要准备 pause 容器镜像快照

为了更好地展现Kuasar 性能优势,张天阳选择 “端到端容器启动时间”和“管理面组件内存消耗”作为衡量 Kuasar 性能的两个指标,在保持环境变量一致的前提下和同类竞品进行对比测试。

启动时间测试分为两组,一组统计单个 Pod 的启动时间,另一组统计并行启动50个 Pod 的时间:

Kuasar 100% 的启动速度提升主要得益于两方面,一方面是 Sandbox API 的实现,使得创建容器不再单独创建 pause 容器,节省了准备pause容器镜像快照的时间;另一方面得益于1:N 的管理模型,Sandboxer 进程常驻,从而节省了冷启动 Shim 进程的时间,这使得容器的启动速度大大提升。

内存消耗测试共分三轮,每轮分别启动了1、5、10、20、30和50个Pod,查询Sandboxer 进程和所有 Shim 进程的 PSS 数值。

Kuasar 节省近99%的内存,原因也可分为两点:主要是 1:N 的管理模型使得 N 个进程减少为1个进程,带来的内存收益与 Pod 数成正比;其次,Kuasar 采用了 Rust 编程语言,相比于 Kata Shim 进程使用的 Golang 语言,语言本身也会带来一些内存收益。

五分钟教你操作Kuasar

了解了Kuasar相关技能和特性,相信大家对产品有了一个大致的了解。接下来,就花几分钟带大家从安装上手,实际操作了解和认识Kuasar。

为了让大家更好地体验,在Kuasar安装配置操作上,为大家准备了一指禅,如下:

温馨小提醒,在安装配置前需要大家预准备一下内容:

面向未来,作为一个开放和可扩展的 多沙箱容器运行时,Kuasar 将发挥沙箱接口的优势,拥抱业界最新的 DRA(Dynamic Resource Allocation)、CDI(Container Device Interface) 等管理接口,为云原生场景带来更安全、高效、便捷的容器解决方案,为云原生应用提供更安全的保障。

 

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