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前言

近幾年容器(Container)、Kubernetes等技術(shù)在數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算、各互聯(lián)網(wǎng)公司的業(yè)務(wù)服務(wù)中得到廣泛應(yīng)用，和20世紀(jì)60年代就興起的虛擬機(jī)(Virtual Machine，VM)技術(shù)一樣，容器也是一種服務(wù)虛擬化技術(shù)(Server Virtualization)，但是它更加輕量，同時(shí)將焦點(diǎn)從Machine轉(zhuǎn)移到Application，極大提高了開發(fā)、測試、生產(chǎn)環(huán)境部署的效率，不過其安全性和隔離性比虛擬機(jī)稍遜一籌，在一些場景下也無法完全替代虛擬機(jī)。本文主要從以下幾部分來梳理虛擬機(jī)和容器技術(shù)，詳細(xì)講一下他們的區(qū)別與聯(lián)系。

• 為何需要服務(wù)虛擬化技術(shù)
• 虛擬化技術(shù)分類
• Host-based server virtualization(虛擬機(jī))架構(gòu)
• OS virtualization(容器)架構(gòu)
• 內(nèi)核對容器的支持
• 虛擬機(jī)技術(shù)舉例(VMWare ESXi)
• 容器技術(shù)舉例(Docker Container)
• 虛擬化技術(shù)在云平臺(tái)的應(yīng)用( Google Cloud Platform， GCP )

為何需要服務(wù)虛擬化技術(shù)?

1. 節(jié)省硬件資源(機(jī)房、服務(wù)器、冷卻系統(tǒng)等)，提高資源利用率：12306網(wǎng)站的負(fù)載存在明顯的峰值和低谷(節(jié)日前夕較大，春運(yùn)最為明顯，而在平時(shí)則比較低)，若完全用實(shí)體服務(wù)器去抗峰值流量，在平時(shí)則會(huì)出現(xiàn)巨大浪費(fèi)。通過服務(wù)虛擬化(Server Virtualization/Machine Virtualization)技術(shù)構(gòu)建的云計(jì)算平臺(tái)(Cloud Computer Platform)則可以有效解決這一難題，峰值時(shí)增加算力去滿足購票需求，低谷時(shí)則將算力售賣出去以提高資源的利用率。騰訊云可以按照CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)(比如1C/1G/50GB)等方式對外提供服務(wù)，普通用戶不用為購買服務(wù)器、搭建機(jī)房、規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)訪問、數(shù)據(jù)容災(zāi)而煩勞，就像購買水、電、煤氣等基本市政服務(wù)一樣。
2. 邏輯資源整合：通過虛擬機(jī)(Virtual Machine，簡稱VM)技術(shù)，多個(gè)不同的Guest操作系統(tǒng)(及運(yùn)行在其上的各種應(yīng)用程序)可以運(yùn)行在一臺(tái)物理服務(wù)器上面，例如，郵件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器等應(yīng)用可以部署在一起，同時(shí)可以做到有效的隔離(資源和訪問)。
3. 服務(wù)器可移植性：Virtual Machine Monitor/Hypervisor屏蔽底層差異，同一Guest操作系統(tǒng)可以在硬件架構(gòu)完全不同的服務(wù)器上運(yùn)行(Mac，X86等)，沒有硬件依賴，它可以從一種硬件服務(wù)器遷移到另外一臺(tái)完全不同的硬件服務(wù)器，不需要做改變和適配，用戶無感知。
4. 應(yīng)用程序可靠性：虛擬機(jī)(VM)所在的硬件服務(wù)器損壞后，可以快速遷移到另外一臺(tái)硬件服務(wù)器(都部署有Virtual Machine Monitor/Hypervisor)，極大提高了其中運(yùn)行的應(yīng)用程序的可靠性。容器(Container)所在的Linux服務(wù)器無法訪問后，容器管理者(比如，K8s)可以在另外一臺(tái)Linux服務(wù)器創(chuàng)建一個(gè)新容器，業(yè)務(wù)不會(huì)受到影響。(借助虛擬機(jī)技術(shù)，容器也可以在非Linux服務(wù)器上運(yùn)行，Guest操作系統(tǒng)為Linux即可。)
5. 網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)也在采用虛擬化技術(shù)：從使用獨(dú)立磁盤冗余陣列(RAID)開始，存儲(chǔ)虛擬化已經(jīng)出現(xiàn)了很多年，RAID提供了一種對物理磁盤進(jìn)行邏輯分組并將這些分組作為一個(gè)或多個(gè)虛擬磁盤呈現(xiàn)給操作系統(tǒng)的方法。華為的OceanStor系列存儲(chǔ)陣列屬于存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SAN)，通過DevLun(設(shè)備邏輯單元號)來呈現(xiàn)給上層主機(jī)訪問，內(nèi)部封裝了各種算法(SmartVirtualiztion，SmartQos，smartPartition等)保障主機(jī)的I/O訪問質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)虛擬化是另一種已經(jīng)存在了幾十年的虛擬化形式，例如，虛擬局域網(wǎng)(VLAN)長期以來提供了一種對物理網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行邏輯細(xì)分的方法。因此，主機(jī)對其本地交換機(jī)的視圖并不局限于它所連接的交換機(jī)的物理組成，而是由VLAN本身的邏輯表示來確定。

服務(wù)虛擬化技術(shù)的分類

• 基于主機(jī)的服務(wù)器虛擬化技術(shù)(Host-based server virtualization ，虛擬機(jī))允許具有不同操作系統(tǒng)的多個(gè)虛擬機(jī)(Virtual Machine)在同一物理主機(jī)系統(tǒng)上并發(fā)運(yùn)行，又可以細(xì)分為如下三類。

1. 完全虛擬化(Full virtualization):完全虛擬化提供了完整的硬件模擬，這有一個(gè)優(yōu)勢，即完全的虛擬機(jī)可移植性，例如，允許在Dell服務(wù)器上運(yùn)行的虛擬機(jī)重新定位到HP服務(wù)器，而不會(huì)出現(xiàn)任何問題。代價(jià)是性能會(huì)降低，內(nèi)存讀寫大概損失2%，網(wǎng)絡(luò)和硬盤I/O大概損失8%~20%。
2. 半虛擬化(Paravirtualizaton)：虛擬機(jī)中的Guest操作系統(tǒng)需要重新編譯，讓其知道處于虛擬化環(huán)境中，以便可以和 Host 操作系統(tǒng)或者VMM/Hypervisor協(xié)調(diào)工作。可以通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)半虛擬化：1)重新編譯操作系統(tǒng)內(nèi)核，這需要操作系統(tǒng)品牌商提供和半虛擬化環(huán)境兼容的OSbuild;2)安裝半虛擬化的內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)，通過安裝半虛擬化的內(nèi)核模式存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，可以有效降低硬盤和網(wǎng)絡(luò)讀寫延遲(從完全虛擬化的8%~20%降到2%)。
3. 硬件輔助虛擬化( Hardware-Assisted Virtualization )：英特爾和AMD都積極致力于使其處理器實(shí)現(xiàn)虛擬化，意識(shí)到虛擬環(huán)境的存在，CPU可以直接和VMM/Hypervisor交互，讓其運(yùn)行在Ring-1，這樣一來，Guest操作系統(tǒng)可以運(yùn)行在Ring0,從而不需要借助于VMM/Hypervisor的Trap中斷來執(zhí)行特權(quán)指令，極大降低了特權(quán)指令的執(zhí)行延遲。在提高處理性能的同時(shí)，通過分配不同的硬件地址空間給虛擬機(jī)從而在硬件層面實(shí)現(xiàn)有效隔離。

綜合以上，直接訪問資源可以提供本機(jī)級別的性能，但是會(huì)犧牲可移植性，為了獲得更好的可移植性，虛擬化供應(yīng)商將進(jìn)一步開發(fā)可感知VMM/Hypervisor的半虛擬化Guest操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序，這些驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒈硎竞铣商摂M設(shè)備，如網(wǎng)卡和存儲(chǔ)控制器。使用合成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒃试S Guest 操作系統(tǒng)看到一組一致的硬件資源(即使遷移到不同的Host)，同時(shí)仍然能夠提供接近本機(jī)的性能。

• 操作系統(tǒng)虛擬化技術(shù)(OS virtualization ，容器)

操作系統(tǒng)虛擬化以應(yīng)用程序?yàn)橹行模试S多個(gè)虛擬環(huán)境(VE)共享一個(gè)通用操作系統(tǒng)，每個(gè)環(huán)境的運(yùn)行開銷比完全虛擬化的主機(jī)少得多。單就內(nèi)存而言，虛擬機(jī)的需求就相當(dāng)大。例如，假設(shè)八個(gè)虛擬機(jī)在一個(gè)Host服務(wù)器上運(yùn)行，并且每個(gè) Guest操作系統(tǒng)使用512MB的RAM。這意味著，在不計(jì)算應(yīng)用程序或VMM開銷的情況下，虛擬化的成本將是8x512 MB，或者是4GB的RAM。假設(shè)每個(gè)操作系統(tǒng)安裝需要4GB的磁盤空間，那么物理主機(jī)系統(tǒng)上需要32GB的磁盤空間來存儲(chǔ)所有Guest操作系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)虛擬化的另一個(gè)好處是它不需要虛擬環(huán)境中的任何驅(qū)動(dòng)程序或完整硬件仿真。這允許虛擬環(huán)境中的I/O以接近本機(jī)的性能運(yùn)行。由于VE作為應(yīng)用程序外殼運(yùn)行，它們提供了與VM相同的可移植性，不需要依賴于主機(jī)系統(tǒng)硬件(但是必須都在Linux操作系統(tǒng)上)。

安全性和隔離性不如虛擬機(jī)(操作系統(tǒng)提供的應(yīng)用級別隔離)，單就這一點(diǎn)，容器技術(shù)無法替代虛擬機(jī)技術(shù)。

Host-based server virtualization(虛擬機(jī))架構(gòu)

根據(jù)有無 Host 操作系統(tǒng)，虛擬機(jī)分為兩大類。

• Type1(無操作系統(tǒng)，VMM直接運(yùn)行在裸硬件上)

Type2(有操作系統(tǒng))

VMM(Virtual Machine Monitor)/Hypervisor的作用

• 為VM提供硬件模擬(完全虛擬化場景下，其他場景是直接訪問硬件)。
• 隔離VM彼此之間的訪問(只可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，例如socket)。
• 限制單個(gè)VM對系統(tǒng)資源的訪問，防止不穩(wěn)定的VM影響整個(gè)系統(tǒng)性能。

指令的執(zhí)行等級

指令執(zhí)行等級分為Ring0~Ring3，通常操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行在Ring0，設(shè)備驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在Ring1~Ring2(也可都運(yùn)行在Ring0)，應(yīng)用程序運(yùn)行在Ring3。

• 傳統(tǒng)X86架構(gòu)

• 虛擬機(jī)場景下(CPU硬件未協(xié)助)

• 虛擬機(jī)場景下(CPU硬件協(xié)助)

操作系統(tǒng)虛擬化技術(shù)(OS virtualization ，容器)

架構(gòu)OS虛擬化層借助Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的特性(比如namespace，cgroup等)為每個(gè)應(yīng)用程序構(gòu)建獨(dú)立的虛擬環(huán)境(VE-id)，各自擁有獨(dú)立的根文件系統(tǒng)、啟動(dòng)腳本、init、進(jìn)程ID(同一虛擬環(huán)境下的進(jìn)程ID不重復(fù)，不同虛擬環(huán)境下的進(jìn)程ID可以重復(fù))，使其認(rèn)為獨(dú)占了整個(gè)硬件系統(tǒng)。虛擬環(huán)境(VE)不需要安裝操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等，相比虛擬機(jī)，要省去了很多內(nèi)存和硬盤開銷。同時(shí)，不需要模擬硬件指令(直接調(diào)用操作系統(tǒng)的system Call)，虛擬環(huán)境中的應(yīng)用程序執(zhí)行性能接近本機(jī)。

內(nèi)核對容器的支持

基于容器的虛擬化使用了內(nèi)核提供的許多功能，以便隔離進(jìn)程或?qū)崿F(xiàn)其他有助于實(shí)現(xiàn)此目的的目標(biāo)，大多數(shù)解決方案都基于Linux內(nèi)核，由于內(nèi)核提供了所需的大部分功能，容器工具包通常不必再次實(shí)現(xiàn)它們，內(nèi)核代碼已經(jīng)被其他被認(rèn)為是穩(wěn)定的并且已經(jīng)在生產(chǎn)中使用的軟件所使用。如果內(nèi)核提供的機(jī)制存在安全問題，則會(huì)隨著內(nèi)核更新而分發(fā)修復(fù)程序，這意味著不需要修補(bǔ)容器軟件，用戶只需保持內(nèi)核的最新狀態(tài)。

• chroot：chroot機(jī)制允許更改進(jìn)程及其所有子進(jìn)程的根目錄，用于限制對單個(gè)文件夾的文件系統(tǒng)訪問，目標(biāo)進(jìn)程及其子進(jìn)程將該文件夾視為根文件夾(/)(不提供進(jìn)程隔離)。
• namespace(by IBM)：內(nèi)核命名空間是進(jìn)程隔離的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)基于容器的虛擬化的關(guān)鍵概念之一，它能夠隔離進(jìn)程、進(jìn)程組甚至完整的子系統(tǒng)(如進(jìn)程間通信或者內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng))。每個(gè)命名空間中的進(jìn)程ID分配是獨(dú)立的，不同命名空間中的進(jìn)程可能具有相同的進(jìn)程ID。
• Control group(by Google )：cgroup是一種跟蹤進(jìn)程和進(jìn)程組(包括創(chuàng)建的子進(jìn)程)的機(jī)制，它提供的鉤子允許其他子系統(tǒng)擴(kuò)展這些功能，并實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的資源控制和限制。將資源分配給進(jìn)程、進(jìn)程組并管理這些分配的能力允許規(guī)劃和控制容器的使用。同樣，若有進(jìn)程已聲明了對某些資源的占用，其他進(jìn)程則無法使用。
• Mandatory Access Control ：MAC策略通常用于限制對敏感資源的訪問(而這些訪問在一定上下文下是不需要的)，以減輕從容器內(nèi)部對主機(jī)和其他容器的攻擊，從而提高容器虛擬化技術(shù)的安全性。

虛擬機(jī)技術(shù)舉例(VMWare ESXi)

VMWare在虛擬機(jī)市場處于領(lǐng)導(dǎo)地位，以VMWare的ESXi舉例。

VMkernel提供與操作系統(tǒng)類似的功能，例如，進(jìn)程創(chuàng)建與控制，信號，文件系統(tǒng)，進(jìn)程和線程等，它是專門設(shè)計(jì)用來支持運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，提供如下核心功能：資源調(diào)度，設(shè)備驅(qū)動(dòng)，輸入輸出棧等。直接運(yùn)行在硬件設(shè)備上面，不再需要借助通用的操作系統(tǒng)。

VMWareESXi優(yōu)勢(相比其他虛擬機(jī)平臺(tái))

• 極少的狀態(tài)信息：ESXi系統(tǒng)可以作為無狀態(tài)計(jì)算節(jié)點(diǎn)來處理，所有的狀態(tài)信息都可以從保存的配置文件中輕松上傳。
• 更好的安全性：ESXi僅使用少量的內(nèi)存(32MB)，接口少，從而使得被攻擊的危險(xiǎn)降到最低。
• 硬件級的可靠性：當(dāng)它集成到固件中時(shí)，軟件比存儲(chǔ)在磁盤上時(shí)更不容易損壞，通過消除本地磁盤驅(qū)動(dòng)器可以提供更高的系統(tǒng)可靠性。

容器技術(shù)舉例(Docker)

Docker鏡像樣例

從鏡像到容器(實(shí)例化)

鏡像內(nèi)容分發(fā)

容器虛擬化技術(shù)從FreeBSD jails，solaris Zones，到Linux Containers(LXC)，再到這幾年名聲大噪的Docker Containers，極大的提高了開發(fā)、測試、生產(chǎn)環(huán)境部署的效率。Docker容器技術(shù)通常是指如下三個(gè)部分。

• 鏡像(image)：鏡像是一個(gè)靜態(tài)規(guī)范，包括應(yīng)用程序代碼和運(yùn)行時(shí)配置設(shè)置，規(guī)定了容器運(yùn)行起來后是什么樣子，它由若干個(gè)只讀層組成，一旦創(chuàng)建完成就不能修改(除非基于此鏡像再創(chuàng)建一個(gè)新鏡像)，可通過Dockerfile來組織創(chuàng)建鏡像的多個(gè)命令。
• 容器(Container)：容器是指鏡像的實(shí)例化，每個(gè)運(yùn)行的容器在只讀的鏡像基礎(chǔ)上有一個(gè)可寫層，在容器運(yùn)行期間發(fā)生變化的數(shù)據(jù)都保存在這個(gè)可寫層，容器被刪除后，這個(gè)可寫層內(nèi)容也會(huì)被刪除。通過Docker–commit可顯示的進(jìn)行保存(生成另外一個(gè)新的鏡像)，不過，在實(shí)際業(yè)務(wù)場景，一般不會(huì)也不需要這么做。
• Docker Daemon(或者叫Docker Engine):介于容器和Linux操作系統(tǒng)之間的一個(gè)廋層，用于管理容器的持久運(yùn)行時(shí)環(huán)境，正因?yàn)橥ㄟ^這一層來屏蔽底層差異，才可以讓Docker容器運(yùn)行在任何Linux服務(wù)器上。

虛擬化技術(shù)在云平臺(tái)的應(yīng)用(Google Cloud Platform，GCP)

Google Compute Engine(GCE，Google計(jì)算引擎)是Google云平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)組件，它建立在運(yùn)行Google搜索引擎、Gmail、YouTube和其他服務(wù)的全球基礎(chǔ)設(shè)施之上。GCE允許用戶按需啟動(dòng)虛擬機(jī)(VMs)，VMs可以從用戶創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)圖鏡像或自定義鏡像啟動(dòng)。

GCE采用KVM作為其虛擬機(jī)的VMM/Hypervisor，KVM(Kernel-based Virtual Machine)是一個(gè)完全虛擬化方案，同時(shí)包含了CPU硬件提供的虛擬化技術(shù)擴(kuò)展(IntelVT或AMD-V)，適用于x86硬件上的Linux。可加載的內(nèi)核模塊(kvm.ko，intel的是kvm-intel.ko,amd的是kvm-amd.ko)提供核心虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)。使用KVM，可以運(yùn)行多個(gè)含有未經(jīng)修改的Linux或Windows Guest OS的虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)都有專用的虛擬硬件：網(wǎng)卡、磁盤、圖形適配器等。

通過K8s容器編排系統(tǒng)在VMs之上部署多個(gè)容器，一方面可以快速啟動(dòng)程序(容器比虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)間要小很多)，二是可以有效降低虛擬機(jī)的額外負(fù)載(容器可以部署多個(gè)，虛擬機(jī)則只能部署少量的)，三是可以實(shí)現(xiàn)容器的自動(dòng)升級、節(jié)點(diǎn)修復(fù)、自動(dòng)擴(kuò)縮容等特性。