深入理解虚拟机、容器和Hyper技术

摘要

  本文首先介绍了操作系统,然后引出容器技术以及虚拟机技术,最后介绍了Docker和Hyper技术。通过本文可以清楚地对三者有感性认识。

  本文首先介绍了操作系统,然后引出容器技术以及虚拟机技术,最后介绍了Docker和Hyper技术。通过本文可以清楚地对三者有感性认识。

  操作系统概述

  我们可以把操作系统简化为:

操作系统 = 内核 + apps

  其中内核负责管理底层硬件资源,包括CPU、内存、IO设备等,并向上为apps提供系统调用接口,上层apps应用必须通过系统调用方式使用硬件资源,通常并不能直接访问资源。这里的apps指的是用户接口,比如shell、gui、services、包管理工具等(linux的图形界面也是作为可选应用之一,而不像Windows是集成到内核中的),注意与我们手动安装的应用区别开来。同一个内核加上不同的apps,就构成了不同的操作系统发行版,比如Ubuntu、Red Hat、Android等。因此我们可以认为,不同的Linux发行版本其实就是由应用apps构成的环境的差别,比如默认安装的软件、链接库、软件包管理以及图形界面等。我们把所有这些apps环境打成一个包,就可以称之为镜像。

  问题来了,假如我们同时有多个apps环境,能否在同一个内核上运行呢?因为操作系统只负责提供服务,而并不管为谁服务,因此同一个内核之上可以同时运行多个apps环境是没有问题的。比如假设我们现在有ubuntu和fedora的apps环境,即两个发行版镜像,分别位于/home/int32bit/ubuntu和/home/int32bit/fedora,我们最简单的方式,采用chroot工具即可快速切换到指定的应用环境中,相当于同时有多个apps环境在运行。

  容器技术

  我们以上通过chroot方式,感觉上就已经接近了容器的功能,但其实容器并没有那么简单,工作其实还差得远。首先要作为云资源管理还必须满足:

  资源隔离

  因为云计算本质就是集中资源再分配(社会主义),再分配过程就是资源的逻辑划分,提供资源抽象的实现方式,我们暂且定义为虚拟实体,虚拟实体可以是虚拟机、容器等。虚拟实体必须满足隔离性,包括用户隔离(或者说权限隔离)、进程隔离、网络隔离、文件系统隔离等,即虚拟实体只能感知其内部的资源,并且自以为是独占整个资源空间,它既不能感知其所在宿主机的真实资源,也不能感知其他虚拟实体的资源。

  资源控制

  资源控制指为虚拟实体分配一定量的资源,虚拟实体得到所分配的资源,不能超出资源最大使用量。

  以上是虚拟实体的两个最基本要求,当然还包括其他很多条件,比如安全、性能等。本文主要基于以上两个基本条件进行研究。

  虚拟机技术

  显然满足以上两个条件,虚拟机是一种实现方式,这是因为:

  • 隔离毋容置疑,因为不同的虚拟机运行在不同的内核,虚拟机内部是一个独立的隔离环境。
  • 资源控制也是毋容置疑的,Hypervisor能够对虚拟机分配指定的资源。

  目前OpenStack Nova和AWS EC2都是基于虚拟机提供计算服务,实现CPU、RAM、Disk等资源分配。其他比如Vagrant也是基于虚拟机快速构建应用环境。

  但是虚拟机也带来很多问题,比如:

  • 镜像臃肿庞大,不仅包括apps,还包括一个庞大的内核。
  • 创建和启动时间开销大,不利于应用快速构建重组。
  • 额外资源开销大,部署密度小。
  • 性能损耗。
  • ...

  容器技术

  除了虚拟机,有没有其他实现方式能符合以上两个基本条件呢?容器技术便是另一种实现方式。表面上和我们使用chroot方式相似,所有的容器实例直接运行在宿主机中,所有实例共享宿主机的内核,而虚拟机实例内部的进程是运行在GuestOS中。由以上原理可知,容器相对于虚拟机有以上好处:

  • 镜像体积更小,只包括apps以及所依赖的环境,没有内核。
  • 创建和启动快,不需要启动GuestOS,应用启动开销基本就是应用本身启动的时间开销。
  • 无GuestOS,无hypervisor,无额外资源开销,资源控制粒度更小,部署密度大。
  • 使用的是真实物理资源,因此不存在性能损耗。
  • 轻量级。
  • ...

  目前比较流行的容器实现比如LXC、LXD以及rkt等,我们需要验证容器是否能够实现资源隔离和控制。

  隔离性

  主要通过内核提供namespace技术实现隔离性,以下参考酷壳

Linux Namespace是Linux提供的一种内核级别环境隔离的方法。不知道你是否还记得很早以前的Unix有一个叫chroot的系统调用(通过修改根目录把用户jail到一个特定目录下),chroot提供了一种简单的隔离模式:chroot内部的文件系统无法访问外部的内容。Linux Namespace在此基础上,提供了对UTS、IPC、mount、PID、network、User等的隔离机制。

  Linux Namespace有如下种类:

  • Mount Namespaces
  • UTS Namespaces
  • IPC Namespaces
  • PID Namespaces
  • Network Namespaces
  • User Namespaces

  官方文档在这里《Namespace in Operation》

  由上表可知,容器利用内核的Namespaces技术可以实现隔离性。比如网络隔离,我们可以通过sudo ip netns ls查看Namespaces,通过ip netns add NAME增加Namespaces,不同的Namespaces可以有不同的网卡、Router、iptables等。

  资源控制

  内核实现了对进程组的资源控制,即Linux Control Group,简称CGroup,它能为系统中运行进程组根据用户自定义组分配资源。简单来说,可以实现把多个进程合成一个组,然后对这个组的资源进行控制,比如CPU,内存大小、网络带宽、磁盘iops等,Linux把CGroup抽象成一个虚拟文件系统,可以挂载到指定的目录下,Ubuntu 14.04默认自动挂载在/sys/fs/cgroup下,用户也可以手动挂载,比如挂载Memory子系统(子系统可以实现某类资源的控制,比如CPU、Memory、blkio等)到/mnt下:

 sudo mount  -t cgroup -o memory  memory /mnt

  挂载后就能像查看本地文件一样浏览进程组以及资源控制情况,控制组并不是孤立的,而是组织成树状结构构成进程组树,控制组的子节点会继承父节点。下面以Memory子系统为例,

 ls /sys/fs/cgroup/memory/

  输出:

 cgroup.clone_children  memory.kmem.failcnt                 memory.kmem.tcp.usage_in_bytes   memory.memsw.usage_in_bytes      memory.swappiness  cgroup.event_control   memory.kmem.limit_in_bytes          memory.kmem.usage_in_bytes       memory.move_charge_at_immigrate  memory.usage_in_bytes  cgroup.procs           memory.kmem.max_usage_in_bytes      memory.limit_in_bytes            memory.numa_stat                 memory.use_hierarchy  cgroup.sane_behavior   memory.kmem.slabinfo                memory.max_usage_in_bytes        memory.oom_control               notify_on_release  docker                 memory.kmem.tcp.failcnt             memory.memsw.failcnt             memory.pressure_level            release_agent  memory.failcnt         memory.kmem.tcp.limit_in_bytes      memory.memsw.limit_in_bytes      memory.soft_limit_in_bytes       tasks  memory.force_empty     memory.kmem.tcp.max_usage_in_bytes  memory.memsw.max_usage_in_bytes  memory.stat                      user

  以上是根控制组的资源限制情况,我们以创建控制内存为4MB的Docker容器为例:

 docker run  -m 4MB -d busybox ping localhost

  返回ID为0532d4f4af67,自动会创建以Docker实例DI为名的控制组,位于/sys/fs/cgroup/memory/docker/0532d4f4af67...,我们查看该目录下的memory.limit_in_bytes文件内容为:

 cat memory.limit_in_bytes  4194304

  即最大的可使用的内存为4MB,正好是我们启动Docker所设定的。

  由以上可知,容器可以通过CGroup实现资源控制。

  Docker技术

  在Docker之前其实容器技术早就有了,Google的Borg以及Omega都利用了容器技术。但是之前容器一直没有形成一个标准,也没有一个很好的管理工具。LXC是Linux原生支持的容器,很多工具依赖于具体的发行版,可能会出现移植性差的问题,并且也缺乏一组完善的管理工具集。而Docker基于底层的内核特性的基础上,在上层构建了一个更高层次的具备多个强大功能的工具集,它是PaaS提供商dotCloud开源的一个基于LXC的高级容器引擎,简单说Docker提供了一个能够方便管理容器的工具并形成标准。Docker相当于把应用以及应用所依赖的环境完完整整地打成了一个包,这个包拿到哪里都能原生运行。

  其特性包括:

  • 快速构建基于容器的分布式应用
  • 具有容器的所有优点
  • 提供原生的资源监控
  • 自动构建和版本控制
  • 快速构建和重组
  • ...

  Docker与虚拟机原理对比:

深入理解虚拟机、容器和Hyper技术

  容器技术在很早就有了,因此不能说Docker发明了容器技术,而仅仅是发明了一套完整的管理容器的工具集。但其实Docker核心的创新在于它的镜像管理,因此有人说:

Docker = LXC + Docker Image

  Docker镜像的创新之处在于使用了类似层次的文件系统AUFS,简单说就是一个镜像是由多个镜像层层叠加的,从一个Base镜像中通过加入一些软件构成一个新层的镜像,依次构成最后的镜像,如图:

深入理解虚拟机、容器和Hyper技术

  知乎:Docker的几点疑问:

Image的分层,可以想象成Photoshop中不同的layer。每一层中包含特定的文件,当Container运行时,这些叠加在一起的层就构成了Container的运行环境(包括相应的文件、运行库等,不包括内核)。Image通过依赖的关系,来确定整个镜像内到底包含那些文件。之后的版本的Docker,会推出Squash的功能,把不同的层压缩成为一个,和Photoshop中合并层的感觉差不多。
作者:Honglin Feng
链接:https://www.zhihu.com/question ... 71258
来源:知乎

  这里利用了COW(copy on write)技术,即从一个镜像启动一个容器实例,这个镜像是以只读形式挂载的,即不允许任何修改操作。当在容器实例中修改一个文件时,会首先从镜像里把这个文件拷贝到可写层,然后执行更新操作。当读一个文件时,会首先从可写层里找这个文件,若这个文件存在,直接返回文件内容,如果不存在这个文件,则会从最顶层的镜像开始查找,直到最底层的Base镜像。这里存在的一个问题是,当镜像层很多时,查找一个文件可能需要一层一层查找,影响性能。基于Ceph构建OpenStack创建虚拟机也一样的原理,我们上传一个镜像到Glance时,首先对这个镜像创建一个快照并保护起来不允许写操作,当基于这个镜像创建虚拟机时,直接从镜像快照克隆一个新的rbd image作为虚拟机的根磁盘,最开始这个根磁盘除了指向其parent快照的指针,没有任何内容,不占任何磁盘空间,当虚拟机需要修改一个对象时,首先从parent中拷贝这个对象到它所在的空间,再执行更新操作。当读一个文件时,如果存在这个文件,直接读取,否则需要去parent所在的image中查找。

  这样的好处是:

  • 节省存储空间——多个镜像共享Base Image存储;
  • 节省网络带宽——拉取镜像时,只需要拉取本地没有的镜像层,本地已经存在的可以共享,避免多次传输拷贝;
  • 节省内存空间——多个实例可共享Base Image,多个实例的进程命中缓存内容的几率大大增加。如果基于某个镜像启动一个虚拟机需要资源k,则启动n个同一个镜像的虚拟机需要占用资源kn,但如果基于某个镜像启动一个Docker容器需要资源k,无论启动多少个实例,资源都是k;
  • 维护升级方便——相比于copy-on-write类型的FS,Base Image也是可以挂载为可Writeable的,可以通过更新Base Image而一次性更新其之上的Container;
  • 允许在不更改Base Image的同时修改其目录中的文件——所有写操作都发生在最上层的writeable层中,这样可以大大增加Base Image能共享的文件内容。

  使用容器技术,带来了很多优点,但同时也存在一些问题:

  • 隔离性相对虚拟机弱-由于和宿主机共享内核,带来很大的安全隐患,容易发生逃逸。
  • 如果某些应用需要特定的内核特性,使用容器不得不更换宿主机内核。
  • ...

  更多关于AUFS参考酷壳:Docker基础技术-AUFS

  Hyper技术

  上文提到容器存在的问题,并且Docker的核心创新在于镜像管理,即:

Docker = LXC + Docker Image

  于是就有人提出把容器替换成最初的Hypervisor,而又利用Docker Image的优势,接下来介绍的Hyper技术以及VMware最新的vic技术大体如此,Hyper官方定义:
 

Hyper - a Hypervisor-based Containerization solution

即:

Hyper = Hypervisor + Docker Image

  简而言之Hyper是一种基于虚拟化技术(Hypervisor)的Docker引擎。官方认为:

虽然Hyper同样通过VM来运行Docker应用,但HyperVM里并没有GuestOS,相反的,一个HyperVM内部只有一个极简的HyperKernel,以及要运行的Docker镜像。这种Kernel Image的"固态"组合使得HyperVM和Docker容器一样,实现了Immutable Infrastructure的效果。借助VM天然的隔离性,Hyper能够完全避免LXC共享内核的安全隐患.

  创建一个基于Hyper的Ubuntu:

 sudo hyper run -t ubuntu:latest bash

  创建时间小于1秒,确实达到启动容器的效率。

  查看内核版本:

 root@ubuntu-latest-7939453236:/# uname -a  Linux ubuntu-latest-7939453236 4.4.0-hyper  #0 SMP Mon Jan 25 01:10:46 CST 2016 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

  宿主机内核版本:

 $ uname  -a  Linux lenovo 3.13.0-77-generic #121-Ubuntu SMP Wed Jan 20 10:50:42 UTC 2016 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

  启动基于Docker的Ubuntu并查看内核版本:

 $ docker run -t -i ubuntu:14.04 uname -a  Linux 73a88ca16d94 3.13.0-77-generic #121-Ubuntu SMP Wed Jan 20 10:50:42 UTC 2016 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

  我们发现Docker和宿主机的内核版本是一样的,即3.13.0-77-generic,而Hyper内核不一样,版本为4.4.0-hyper。

  以下为官方数据

深入理解虚拟机、容器和Hyper技术

  因此Hyper是容器和虚拟机的一种很好的折衷技术,未来可能前景广大,但需要进一步观察,我个人主要存在以下疑问:

  • 使用极简的内核,会不会导致某些功能丢失?
  • 是不是需要为每一个应用维护一个微内核?
  • 有些应用需要特定内核,这些应用实际多么?可以通过其他方式避免么?
  • Hyper引擎能否提供和Docker引擎一样的api,能否在生态圈中相互替代?
  • 隔离性加强的同时也牺牲了部分性能,如何权衡? 

  总结

  近年来容器技术以及微服务架构非常火热,CaaS有取代传统IaaS的势头,未来云计算市场谁成为主流值得期待。

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发布日期:2016年08月15日  所属分类:web综合
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