containerd入门：Docker容器运行时核心组件
Docker 在容器化领域已经占据主导地位多年，而 containerd 作为 Docker 的核心组件，一直默默支撑着 Docker 的运行。虽然 Docker 提供了一整套完整的容器化解决方案，从镜像构建、镜像分发到容器运行，但如果深入了解其底层原理，会发现 containerd 在其中扮演着至关重要的角色。
本文将深入探讨 containerd，从它的概念、架构、功能，到如何独立于 Docker 使用 containerd，最终理解 containerd 在整个容器生态系统中的地位和作用。
1. 什么是 containerd？
containerd 是一个工业标准的容器运行时，它负责管理容器的生命周期，包括镜像拉取、容器创建、启动、停止、删除以及网络和存储的连接。containerd 被设计成简单、强大且可嵌入，这使得它成为构建容器平台的理想选择。
简单来说，可以把 containerd 看作是一个专注于容器运行的核心组件。它将 Docker 庞大复杂的代码库中关于容器运行的部分独立出来，形成一个独立的项目，并遵循 OCI (Open Container Initiative) 规范。
2. containerd 的优势
- 标准化: containerd 是一个 CNCF (Cloud Native Computing Foundation) 毕业项目，遵循 OCI 标准，这意味着它具有良好的兼容性和互操作性。
- 简洁性: containerd 专注于容器运行时，相比 Docker 更加精简，避免了不必要的复杂性。
- 高性能: 通过精简的设计和高效的实现，containerd 能够提供出色的容器运行性能。
- 可扩展性: containerd 提供了丰富的 API 和插件机制，允许用户根据自身需求进行定制和扩展。
- 安全性: containerd 采用了多层安全措施，包括命名空间隔离、Capabilities 控制和 AppArmor 等，确保容器运行的安全性。
- 资源利用率: containerd 能够更有效地利用系统资源，从而提高整体的资源利用率。
3. containerd 的架构
containerd 的架构可以概括为以下几个关键组件：
- containerd Daemon: containerd 的核心守护进程，负责接收来自客户端的请求，并协调其他组件完成容器的生命周期管理。
- OCI Runtime: OCI 运行时是真正执行容器化操作的组件，例如创建命名空间、设置 cgroups 和启动进程。常见的 OCI 运行时包括 runc 和 crun。containerd 本身并不直接执行容器化操作，而是通过 OCI 运行时来完成。
- Plugins: containerd 使用插件机制来扩展其功能，例如镜像拉取、存储管理和网络连接等。常用的插件包括：
- Ingestors: 负责从不同的镜像仓库拉取镜像。
- Content Stores: 负责存储镜像的数据层。
- Snapshots: 负责创建和管理容器的快照。
- Metadata Stores: 负责存储容器的元数据。
- Runtime Handlers: 负责处理容器的运行时相关操作。
- gRPC API: containerd 提供了 gRPC API，允许客户端与 containerd Daemon 进行交互，从而实现容器的创建、启动、停止和删除等操作。
4. containerd 的核心概念
理解 containerd 的核心概念有助于更好地掌握其工作原理：
- Namespace: containerd 使用 Namespace 来实现资源隔离，每个 Namespace 可以包含多个容器，并且容器之间是相互隔离的。这类似于 Docker 的 Namespace 概念，用于隔离进程、网络等资源。
- Container: 一个容器是指运行在隔离环境中的一个应用程序。在 containerd 中，Container 包含了元数据，例如镜像名称、运行时配置等。
- Task: Task 是容器中的一个运行进程。一个容器可以包含多个 Task，例如一个 Web 应用服务器和一个数据库服务器。
- Image: Image 是一个只读的文件系统镜像，包含了运行应用程序所需的所有文件和依赖项。
- Snapshot: Snapshot 是容器文件系统的一个快照，可以用来保存容器的状态或者进行备份。
5. containerd 与 Docker 的关系
理解 containerd 与 Docker 的关系是理解 containerd 作用的关键。
在 Docker 早期版本中，Docker Daemon 负责容器镜像的构建、分发和运行。随着 Docker 的发展，其功能越来越复杂，代码库也越来越庞大。为了解决这个问题，Docker 团队将容器运行时的功能抽取出来，并创建了 containerd 项目。
从 Docker 1.11 版本开始，Docker 采用 containerd 作为其默认的容器运行时。Docker Daemon 负责接收用户的请求，例如 docker run 命令，然后将请求转发给 containerd，由 containerd 来完成容器的生命周期管理。
简单来说，Docker 相当于一个容器平台的上层工具，而 containerd 则是这个平台的底层引擎。Docker 负责提供用户友好的界面和工具，而 containerd 负责执行实际的容器操作。
6. 独立使用 containerd
虽然 containerd 通常作为 Docker 的一部分来使用，但它也可以独立于 Docker 运行。这意味着你可以直接使用 containerd 的 API 来管理容器，而无需依赖 Docker Daemon。
独立使用 containerd 的好处在于：
- 更轻量级: 无需安装整个 Docker 套件，只需要安装 containerd 即可。
- 更高的控制力: 可以直接使用 containerd 的 API 来定制容器的运行方式，例如自定义 OCI 运行时配置。
- 更灵活的集成: 可以更容易地将 containerd 集成到其他容器平台或编排系统中，例如 Kubernetes。
7. 如何独立使用 containerd
以下是一个简单的使用 containerd 创建和运行容器的示例：
前提条件:
- 安装 containerd
- 安装 OCI 运行时 (例如 runc)
步骤:
- 配置 containerd:
修改 /etc/containerd/config.toml 文件，配置 OCI 运行时：
toml
[plugins."io.containerd.grpc.v1.cri".containerd.runtimes.runc]
runtime_type = "io.containerd.runc.v2"
- 拉取镜像:
使用 ctr 命令行工具 (containerd 的客户端工具) 拉取镜像：
bash
sudo ctr images pull docker.io/library/nginx:latest
- 创建 Namespace:
创建一个新的 Namespace：
bash
sudo ctr namespaces create mynamespace
- 创建 Container:
创建一个容器：
bash
sudo ctr -n mynamespace containers create nginx nginx:latest
- 创建 Task:
创建一个 Task 来运行容器：
bash
sudo ctr -n mynamespace tasks create nginx
- 启动 Task:
启动 Task：
bash
sudo ctr -n mynamespace tasks start nginx
- 查看 Task 日志:
查看 Task 的日志：
bash
sudo ctr -n mynamespace tasks log nginx
- 停止 Task:
停止 Task：
bash
sudo ctr -n mynamespace tasks kill nginx
- 删除 Container:
删除 Container：
bash
sudo ctr -n mynamespace containers delete nginx
-
删除 Namespace:
删除 Namespace：
bash
sudo ctr namespaces delete mynamespace
注意事项:
- 以上命令需要使用
sudo权限执行。 ctr命令行工具提供了一系列命令来管理容器，例如ctr images,ctr containers,ctr tasks等。- 可以通过
ctr help命令查看ctr工具的帮助信息。
8. containerd 在 Kubernetes 中的应用
Kubernetes (K8s) 是一个流行的容器编排系统，它负责自动化容器的部署、扩展和管理。从 Kubernetes 1.20 版本开始，containerd 成为 Kubernetes 的推荐容器运行时。
Kubernetes 使用 CRI (Container Runtime Interface) 来与容器运行时进行交互。containerd 通过 cri-containerd 组件来实现 CRI 接口，从而与 Kubernetes 进行集成。
当 Kubernetes 需要创建和运行容器时，它会通过 CRI 接口向 cri-containerd 发送请求，然后 cri-containerd 将请求转发给 containerd，由 containerd 来完成容器的生命周期管理。
使用 containerd 作为 Kubernetes 的容器运行时，可以带来以下好处：
- 性能提升: containerd 具有更高的性能和更低的资源占用。
- 稳定性增强: containerd 经过了广泛的测试和验证，具有良好的稳定性。
- 易于维护: containerd 的架构更加简洁，易于维护和升级。
9. containerd 的未来发展
containerd 作为容器运行时领域的关键组件，未来将会朝着以下方向发展：
- 更强的安全性和隔离性: containerd 将会继续加强安全性和隔离性，例如支持更多的安全特性和隔离技术。
- 更丰富的插件生态系统: containerd 将会鼓励开发者构建更多的插件，从而扩展其功能和适应更多的场景。
- 更好的性能和资源利用率: containerd 将会不断优化性能，提高资源利用率，从而更好地满足用户的需求。
- 更广泛的应用场景: containerd 将会应用于更多的场景，例如边缘计算、物联网等。
10. 总结
containerd 是一个功能强大且易于使用的容器运行时，它在 Docker 和 Kubernetes 等容器平台中扮演着重要的角色。通过理解 containerd 的架构、核心概念和使用方法，可以更好地掌握容器技术的底层原理，从而更好地构建和管理容器化的应用程序。
containerd 的出现简化了容器运行时的复杂性，提高了容器平台的性能和稳定性，并为容器技术的未来发展奠定了坚实的基础。 随着容器技术的不断发展，containerd 将会在容器生态系统中发挥越来越重要的作用。