Docker k8s底层原理

来自linux中国网wiki
Evan（讨论 | 贡献）2024年10月8日 (二) 15:46的版本
(差异) ←上一版本 | 最后版本 (差异) | 下一版本→ (差异)
跳到导航 跳到搜索


docker

Docker 底层原理基于容器技术，依赖于 Linux 操作系统的几项核心功能，如 Namespaces、Cgroups 和 UnionFS 等机制，来实现进程隔离、资源控制和高效的文件系统管理。

1. Namespace (命名空间)

Namespace 是 Docker 实现资源隔离的基础技术。Linux 内核通过命名空间将容器内的资源与主机隔离。每个容器都有自己的独立命名空间，从而达到进程、网络、文件系统等资源的隔离。 

   PID Namespace：隔离进程 ID，使得容器中的进程看不到其他容器或主机上的进程。
   Network Namespace：每个容器拥有自己独立的网络接口、路由表、IP 地址。
   Mount Namespace：提供文件系统的隔离，每个容器有自己独立的文件系统视图。
   UTS Namespace：允许容器内的进程独立修改主机名和域名。
   IPC Namespace：隔离进程间的通信，确保容器间的消息队列、信号量等是独立的。
   User Namespace：使容器内的用户和主机上的用户权限可以不同步，提供安全性。

2. Cgroups (控制组)

Cgroups 用于控制容器的资源使用，主要包括 CPU、内存、网络带宽、IO 等。Docker 使用 Cgroups 来限制、统计和隔离每个容器的资源使用。 

   资源限制：通过 Cgroups，Docker 可以为每个容器设定 CPU、内存等资源上限，防止某个容器过度消耗资源。
   资源监控：Cgroups 能实时监控容器的资源使用，帮助优化性能和进行故障诊断。

3. UnionFS (联合文件系统)

UnionFS 是一种分层的文件系统技术，Docker 利用它来高效地构建和管理镜像。Docker 镜像由多个只读层组成，不同的镜像层共享基础层，这减少了存储空间的占用。 

   写时复制（Copy-on-Write）：容器的可写层在启动时叠加到只读镜像层上，只有当容器需要修改数据时，才会对数据进行写时复制。
   镜像分层：Docker 镜像是分层的，基础镜像可以被多个容器共享，从而提高了镜像的构建和分发效率。

4. 容器网络

Docker 提供了多种网络模式，通过虚拟网络技术为容器提供灵活的网络配置。 

   桥接网络（Bridge Network）：Docker 默认使用桥接网络，将容器连接到虚拟桥接设备上，容器之间可以通过 IP 直接通信。
   Host 网络：容器与主机共享同一个网络堆栈，使用主机的 IP 地址和端口。
   Overlay 网络：用于跨多个主机的容器通信，特别适用于 Docker Swarm 或 Kubernetes 环境。

5. 存储机制

Docker 使用多种存储机制来管理容器中的数据。容器内的文件系统是临时的，容器删除后会丢失，Docker 通过持久化存储解决这个问题。 

   Volumes（卷）：Docker 推荐的持久化存储方式，可以将数据存储在主机上，并在多个容器间共享。
   Bind mounts：将主机文件系统中的目录挂载到容器中，容器可以直接访问主机上的文件。
   tmpfs mounts：数据只存储在内存中，适合临时数据。

6. 容器运行时（Container Runtime）

Docker 的容器运行时负责创建和管理容器，Docker 默认使用 runc 作为容器运行时。runc 是基于 Open Container Initiative (OCI) 标准的运行时工具，能够启动符合标准的容器。 

   Containerd：它是 Docker 的底层容器管理服务，负责容器的生命周期管理（创建、启动、停止等），同时与 runc 协同工作执行容器的具体操作。

7. Docker Daemon 和 REST API

Docker 的核心组件是 Docker Daemon，它是运行在后台的进程，负责处理容器的生命周期管理。Docker Daemon 通过 REST API 提供外部接口，开发者可以通过 API 或 Docker CLI 与 Daemon 进行交互。

总结

Docker 通过命名空间 (Namespaces) 实现资源的隔离，使用 Cgroups 管理资源分配与限制，通过 UnionFS 高效管理镜像层次，结合强大的网络模型和存储机制，形成了一个轻量、高效的容器化平台。Docker 的底层技术结合了 Linux 内核的众多强大功能，为现代云计算和微服务架构提供了基础支持。

docker 底层原理有深入理解 ChatGPT 说： ChatGPT

在深入理解 Docker 的底层原理时，需要特别关注容器的隔离、资源管理和存储机制等关键技术。让我更详细地解释这些核心技术。 1. 容器与虚拟机的区别

Docker 容器和传统虚拟机最大的区别在于它们的隔离方式： 

   虚拟机: 每个虚拟机都拥有完整的操作系统实例，包括虚拟化的硬件层（如 CPU、内存、磁盘等），其资源开销较大。
   容器: 容器共享主机的操作系统内核，并使用操作系统级别的隔离技术来实现轻量化的虚拟化。这大幅减少了容器的资源占用，使其启动和销毁更加迅速。

2. Docker 主要使用的三大技术：Namespace、Cgroups 和 UnionFS 2.1 Namespace (命名空间)

Namespace 是 Linux 内核提供的一种隔离机制，Docker 使用它来隔离容器与主机以及容器之间的资源： 

   PID Namespace：每个容器有自己独立的进程树。容器内的进程无法看到或影响其他容器中的进程。
   Mount Namespace：提供文件系统的隔离，确保每个容器只能访问分配给它的文件系统。
   Network Namespace：每个容器都有独立的网络堆栈，包括 IP 地址、路由表等，这使得容器的网络通信可以独立进行。
   UTS (Unix Time Sharing) Namespace：容器拥有独立的主机名和域名。
   IPC Namespace：隔离进程间的通信，确保不同容器的进程无法共享消息队列、信号量等。
   User Namespace：允许容器中的用户和宿主机的用户 ID 进行映射，使得容器中的 root 用户权限受到限制。

2.2 Cgroups (控制组)

Cgroups 提供了资源管理的功能，Docker 使用它来限制和监控容器使用的 CPU、内存、网络带宽等资源： 

   资源限制：通过 Cgroups，Docker 可以为每个容器设定 CPU 核心数、内存上限等参数，确保容器不会消耗过多资源。
   资源优先级：Docker 允许设置容器之间的资源优先级（例如不同的 CPU 权重），从而实现资源的合理分配。
   资源统计：Cgroups 能够实时监控容器的资源使用情况，如 CPU 使用时间、内存使用量等，便于运维人员优化和排查问题。

2.3 UnionFS (联合文件系统)

Docker 镜像采用分层存储结构，使用 UnionFS 这种分层文件系统技术来管理镜像。常见的实现包括 AUFS、OverlayFS 和 Btrfs。 

   分层镜像：Docker 镜像由多个只读层组成，每一层通常代表一次文件系统的变更。例如，基础镜像可以是一个最小化的 Linux 操作系统，上面逐层叠加应用依赖和应用程序。
   写时复制（Copy-on-Write）：当容器对文件系统进行写操作时，文件的写入是在容器的可写层上完成的，而基础层保持不变。这样，多个容器可以共享基础层数据，节省磁盘空间并加快启动速度。

3. Docker 网络

Docker 提供多种网络模型，支持灵活的容器网络配置： 

   Bridge 网络：默认情况下，Docker 会创建一个 bridge（网桥）网络，所有容器都连接到这个网络上。它通过 NAT 来实现容器与外部网络的通信。
   Host 网络：容器与主机共享网络堆栈，这种模式下，容器直接使用宿主机的网络接口，减少了网络虚拟化的开销。
   Overlay 网络：用于跨多个主机的容器通信，尤其是在 Swarm 和 Kubernetes 环境下，通过 Overlay 网络可以将不同主机上的容器连接在一起。

4. Docker 存储 容器的存储是临时的，默认情况下，容器关闭或删除后其文件系统中的数据会丢失。为了实现持久化存储，Docker 提供了几种机制： 

   Volumes（卷）：这是 Docker 推荐的持久化存储方式，卷可以存在于主机文件系统之外，多个容器可以共享同一个卷。
   Bind mounts：将主机的文件或目录直接挂载到容器中，允许容器访问主机的文件系统。这在开发环境中非常有用。
   tmpfs mounts：将数据存储在内存中，而不是磁盘，适合临时性的数据需求，例如缓存数据。

5. Docker Daemon 和 REST API

Docker Daemon 是 Docker 的核心，它是一个后台进程，负责处理 Docker 容器的管理任务。Docker Daemon 与容器运行时（如 runc）通信，并通过以下几部分协同工作： 

   Docker CLI：命令行工具，与 Docker Daemon 通信来执行容器操作。
   Docker API：Docker Daemon 通过 REST API 提供外部接口，开发者可以使用它编写程序来自动化容器管理。

6. 容器运行时（Container Runtime）

Docker 使用的默认容器运行时是 runc，它是一个轻量级的运行时，用于创建和运行容器。runc 基于 OCI（Open Container Initiative）的规范，确保容器的标准化和兼容性。此外，容器运行时抽象层（Containerd）也是 Docker 生态系统中的一个重要组件，它负责管理容器生命周期


总结来说，Docker 依赖于 Linux 内核的多种特性，如 Namespace 提供隔离，Cgroups 管理资源，UnionFS 实现高效存储管理，同时通过 Daemon 和 REST API 进行容器生命周期管理和自动化操作。Docker 的设计思想基于轻量级虚拟化，使得容器成为开发和部署现代应用的核心技术之一。

k8s 底层原理有深入理解

Kubernetes (K8s) 是用于自动化部署、扩展和管理容器化应用的分布式系统。其底层原理涉及多个核心组件，协调工作以提供高可用性、可扩展性和弹性。以下是对 Kubernetes 底层原理的深入理解：

1. 架构概述

Kubernetes 是一个主从架构（Master-Worker）系统，主节点（Master）负责集群的全局控制和管理，工作节点（Worker）则负责运行容器化的应用程序。Kubernetes 的核心组件包括： 

   Master 节点：负责协调整个集群，包括 API Server、Scheduler 和 Controller Manager。
   Worker 节点：运行应用容器，包括 Kubelet、Kube-proxy 和容器运行时。

1.1 Master 节点组件 

   API Server：API Server 是 Kubernetes 的核心入口，提供 REST API 接口供用户和集群内部组件通信。所有的集群管理请求都会首先进入 API Server，它负责处理验证和请求路由。
   Etcd：Kubernetes 使用 Etcd 作为其一致性存储，存储所有的集群状态数据。它是一个分布式键值存储，保证数据的强一致性、高可用性。
   Scheduler：调度器负责将新创建的 Pod 分配到集群中的工作节点。调度器会根据预设的策略、资源需求、节点健康状态等条件，决定最适合运行 Pod 的节点。
   Controller Manager：运行各种控制器（如副本控制器、节点控制器等），负责监控集群的状态，并确保实际状态符合期望状态。例如，如果某个 Pod 意外崩溃，控制器会确保其重新调度。

1.2 Worker 节点组件 

   Kubelet：Kubelet 是运行在每个工作节点上的代理，负责与 Master 节点的 API Server 通信，并执行分配到该节点的 Pod。Kubelet 会根据 Pod 定义启动相应的容器，并周期性监控容器的健康状况。
   Kube-proxy：负责在每个节点上维护网络规则，确保 Pod 和服务之间的通信。它处理节点之间的网络流量和服务的负载均衡。
   容器运行时：负责实际启动和管理容器。Kubernetes 支持多种容器运行时，如 Docker、containerd、CRI-O 等

2. 核心概念和原理 2.1 Pod

Pod 是 Kubernetes 中最小的部署单位，通常包含一个或多个紧密相关的容器。这些容器共享同一个网络命名空间、存储卷和生命周期。每个 Pod 都有一个唯一的 IP 地址，用于和其他 Pod 进行通信。 2.2 Service (服务)

Service 是 Kubernetes 中的抽象，用于将一组 Pod 组织为一个逻辑服务，提供统一的访问入口。即使背后的 Pod 动态变化，Service 的 IP 和端口保持不变，从而实现了负载均衡和服务发现。 

   ClusterIP：默认服务类型，提供集群内部的负载均衡。
   NodePort：允许通过每个节点的指定端口从外部访问服务。
   LoadBalancer：集成云提供商的负载均衡器，直接暴露服务到外部。

2.3 Volume (存储)

Pod 中的容器通常是无状态的，但 Kubernetes 提供了持久化存储支持。Kubernetes 支持多种存储后端，如本地磁盘、NFS、云存储（如 AWS EBS、GCE Persistent Disks）等。通过 Persistent Volume (PV) 和 Persistent Volume Claim (PVC)，用户可以声明和请求持久化存储。 2.4 Deployment (部署)

Deployment 是一种声明式的方式来定义应用程序的期望状态。它允许自动更新应用程序，并支持滚动升级和回滚。通过 Deployment，用户可以定义多个副本的 Pod 并确保在集群中高效运行。 2.5 Namespace (命名空间)

Kubernetes 使用命名空间来实现资源的逻辑隔离。不同的团队或项目可以在同一个集群中使用不同的命名空间，从而实现资源的分离。 3. Kubernetes 调度与资源管理 3.1 调度策略

Kubernetes 的调度器负责根据资源请求（CPU、内存等）、节点资源利用率、亲和性、反亲和性规则等，将 Pod 安排到合适的节点上。调度器的目标是最大化资源利用率，并确保服务的高可用性。 

   资源请求和限制：在定义 Pod 时，用户可以指定容器的资源请求（request）和资源限制（limit）。Kubernetes 会根据这些资源要求来调度容器。
   亲和性/反亲和性：调度时，Kubernetes 支持 Pod 之间的亲和性和反亲和性规则。例如，可以让某些 Pod 优先调度在同一个节点上，或者确保它们分布在不同的节点上。

3.2 资源管理

Kubernetes 提供了多种资源管理功能，包括水平自动扩展、垂直自动扩展和自愈机制。 

   水平扩展 (Horizontal Pod Autoscaler, HPA)：根据 CPU 使用率或自定义指标，自动调整 Pod 副本数。
   垂直扩展 (Vertical Pod Autoscaler, VPA)：自动调整 Pod 所请求的 CPU 和内存资源。
   自愈机制：Kubernetes 会自动重新调度失败的 Pod，确保应用程序的高可用性。

4. 网络模型与服务发现

Kubernetes 使用了一个扁平的网络模型，要求集群中的每个 Pod 都能够直接与其他 Pod 通信。常见的网络插件有 Calico、Flannel、Weave 等，它们为 Kubernetes 提供了网络连接和路由功能。 4.1 DNS 服务

Kubernetes 内置了 DNS 服务，用于为集群中的每个 Service 和 Pod 提供 DNS 解析。通过 DNS，Pod 可以直接使用服务的名称而不是 IP 地址进行通信，从而简化了服务发现和连接。 4.2 网络插件 (CNI)

Kubernetes 使用 Container Network Interface (CNI) 来集成不同的网络插件，提供灵活的网络管理能力。每个插件可以处理网络隔离、IP 地址分配、路由、负载均衡等任务。

5. 安全机制

Kubernetes 通过多种机制保障集群的安全性，包括 RBAC（基于角色的访问控制）、命名空间隔离、网络策略、加密通信等。 

   RBAC (Role-Based Access Control)：通过定义角色和权限来限制用户对集群资源的访问。
   网络策略：允许用户定义 Pod 之间的通信规则，限制不必要的网络连接，提升安全性。

6. 扩展与自定义

Kubernetes 提供了一系列自定义与扩展能力，使得用户能够根据需求扩展其功能。 

   Custom Resource Definitions (CRD)：允许用户定义自己的 API 资源。
   Operator：一种 Kubernetes 中的自定义控制器，用于自动化管理复杂的应用程序生命周期。

总结

Kubernetes 的底层原理依赖分布式系统设计，核心通过 API Server 协调，etcd 存储状态，Scheduler 调度 Pod，Controller Manager 维持集群期望状态与实际状态一致。它利用命名空间和服务来实现应用的隔离与高可用性，并通过调度、扩展、资源管理等功能实现应用的自动化管理。

取自“http://wiki.linuxchina.net/index.php?title=Docker_k8s底层原理&oldid=12054”