不做大哥好多年
xiaonaiqiang
2022-02-06
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01.docker原理

# 01.namespace

# 1、namespace介绍

  • Namespace 是 Linux 提供的一种内核级别的资源隔离机制
  • 它允许不同进程在同一主机中互相隔离并使用相同的资源名称
  • 命名空间通过创建独立的资源视图，使每个进程只感知它所属命名空间内的资源
  • Linux 内核支持六种命名空间，分别是网络、进程、挂载、UTS、IPC、用户
    • Network Namespace：将网络设备、路由表等隔离
    • PID Namespace：使进程ID（PID）在不同的命名空间里相互独立
    • Mount Namespace：为文件系统挂载点提供隔离
    • UTS Namespace：允许隔离主机名和域名
    • IPC Namespace：隔离进程间通信资源
    • User Namespace：隔离用户和组ID
  • Docker 借助这些命名空间来实现容器的资源隔离
  • 使得每个容器都有自己独立的进程、网络栈等，从而实现轻量级虚拟化

# 2、namespace实现原理

# 1）struct nsproxy结构体

  • 每个进程都与特定的命名空间相关联
  • Linux 内核通过在进程描述符中添加 nsproxy 结构体来管理命名空间
  • nsproxy 负责管理进程所属的多个命名空间
  • 使得一个进程可以同时隶属于不同类型的命名空间，如 PID、网络、挂载等
  • 每种命名空间类型对应一个结构体
    • 如 pid_namespace 用于管理进程ID隔离，mnt_namespace 用于管理挂载点隔离等
struct task_struct {
    ...
    /* namespaces */
    struct nsproxy *nsproxy;
    ...
}
 
struct nsproxy {
    atomic_t count;
  
    struct pid_namespace  *pid_ns;  
  
    struct uts_namespace  *uts_ns;
    struct ipc_namespace  *ipc_ns;
    struct mnt_namespace  *mnt_ns;
    struct user_namespace *user_ns;
    struct net            *net_ns;
};
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# 2） struct pid_namespace 结构

  • pid_namespace 是 PID 命名空间的核心结构，用于管理进程 ID
  • 其设计支持多级嵌套命名空间，并确保每个命名空间中的 PID 相互独立
  • 关键字段（树中每个节点包含这些信息）：
    • kref: 引用计数，表示有多少进程正在使用该命名空间
    • pidmap: 位图，用于快速查找空闲的 PID
    • last_pid: 记录最后分配的 PID
    • level: 命名空间的层级，用于标识嵌套关系
    • parent: 父级命名空间，支持多级嵌套
struct pid_namespace {
    struct kref kref;
    struct pidmap pidmap[PIDMAP_ENTRIES];
    int last_pid;
    struct task_struct *child_reaper;
    struct kmem_cache *pid_cachep;
    unsigned int level;
    struct pid_namespace *parent;
    #ifdef CONFIG_PROC_FS
    struct vfsmount *proc_mnt;
    #endif
};
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  • 由于 pid命名空间 是分层的，也就是说新创建一个 pid命名空间 时会记录父级 pid命名空间 到 parent 字段中
  • 所以随着 pid命名空间 的创建，在内核中会形成一颗 pid命名空间 的树
    • 第0层的 pid命名空间 是 init 进程所在的命名空间
    • 如果一个进程所在的 pid命名空间 为 N，那么其在 0 ~ N 层pid命名空间 都有一个唯一的pid号
    • 也就是说 高层pid命名空间 的进程对 低层pid命名空间 的进程是可见的
    • 但是 低层pid命名空间 的进程对 高层pid命名空间 的进程是不可见的

# 3、namespace结构拆解

  • 这里以 pid_namespace （进程ID）的树形结构推演namespace

  • 每个容器中的进程在容器内部拥有自己的 PID 空间，与宿主机中的 PID 独立

  • 然而，宿主机可以查看容器内部的所有进程，因为宿主机的 PID 命名空间是容器的父级命名空间

  • 举例说明

    • 宿主机上有一个进程 docker daemon，PID 为 1001，它启动了两个容器 container1 和 container2

    • container1 内的第一个进程是容器内部的 init 进程，PID 为 1该进程在宿主机上的 PID 是 2001

    • container2 内的第一个进程也是 init 进程，PID 为 1，宿主机上对应的 PID 为 3001

  • 那么对应的 pid namespance结构如下

宿主机 pid_namespace (level 0, last_pid = 3001)  # 宿主机命名空间（level 0）
  │
  ├── docker daemon (PID 1001, 宿主机内)
  ├── container1 pid_namespace (level 1, parent = 宿主机, last_pid = 1)  # container1 的命名空间（level 1）
  │     └── init (PID 1 in container1, 宿主机 PID = 2001)
  │  
  └── container2 pid_namespace (level 1, parent = 宿主机, last_pid = 1) # container2 的命名空间（level 1）
        └── init (PID 1 in container2, 宿主机 PID = 3001)
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  • 宿主机的命名空间（level 0）中包含了 docker daemon 进程以及容器中的所有进程在宿主机的 PID 映射
  • 每个容器都有自己的 pid_namespace，在这个命名空间中，init 进程的 PID 是 1，并且这个 PID 与宿主机中的进程无关
  • 宿主机能够看到容器内部的所有进程，但容器无法看到宿主机或其他容器的进程
  • 通过这种结构，docker daemon 的作用变得清晰
    • 它位于宿主机的命名空间中，负责管理容器，并与容器的 pid_namespace 进行关联

# 02.CGroup

# 1、CGroup 概述

  • CGroup（Control Group）是 Linux 内核用于对进程进行资源限制和管理的功能
  • 它允许将进程分组，并对每个组的 CPU、内存、网络等资源进行限制、监控和隔离
  • Docker 使用 CGroup 实现容器的资源限制
  • 主要功能：
    • 资源限制：控制进程组能够使用的 CPU、内存、磁盘等资源的上限
    • 优先级控制：为不同的进程组设置优先级，如为某组分配更多 CPU 份额
    • 资源使用统计：记录进程组使用的 CPU、内存等资源情况
    • 资源隔离：将不同进程组在资源上相互隔离，避免干扰
    • 进程组管理：支持冻结和恢复某个进程组的执行状态

# 2、CGroup 提供的功能

  • 资源限制（Resource Limiting）：

    • 比如，memory 子系统可以为某个进程组设定内存使用上限，一旦超出就会触发 OOM（内存不足）

  • 优先级控制（Prioritization）：

    • cpu 子系统可以为不同进程组分配不同的 CPU 份额

  • 资源计量（Accounting）：

    • cpuacct 子系统记录进程组使用的 CPU 时间，便于统计和监控

  • 进程隔离（Isolation）：

    • ns 子系统可以让不同进程组使用独立的命名空间，达到资源隔离的目的

  • 控制功能（Control）：

    • freezer 子系统允许将某个进程组挂起或恢复

# 3、CGroup 相关核心概念

  • 任务（Task）：

    • 在 CGroup 中，任务就是系统中的一个进程

  • 控制组（Control Group）：

    • 是按照某种标准划分的一组进程，CGroup 通过控制组来管理资源，限制或监控某个控制组的资源使用

  • 层级（Hierarchy）：

    • 控制组可以形成树状层级结构，子控制组继承父控制组的属性，子控制组可以有独立的资源限制

  • 子系统（Subsystem）：

    • 每个子系统对应一个资源控制器，如 cpu 子系统用于控制 CPU 时间，memory 子系统用于控制内存使用

    • 子系统附加到层级树上时，会对树中的所有控制组生效

# 03.Docker实现本质

  • Docker 利用 命名空间（Namespace） 和 控制组（CGroup） 实现了容器的隔离与资源管理

# 1、命名空间应用

  • 命名空间（Namespace）在 Docker 中的应用
  • Docker 使用命名空间为每个容器提供了一个隔离的资源视图
  • 使得容器看起来像是一个独立的操作系统环境

# 1）PID（进程隔离）

  • 作用：

    • 隔离进程 ID，使得容器内的进程与其他容器或宿主机的进程分开
    • 每个容器都有自己的进程编号空间，容器中的进程从 PID 1 开始（通常是容器内的 init 进程）

  • 例子：

    • 宿主机上可能有多个容器，每个容器中的 PID 1 都是独立的

      • 容器 A 中有一个进程，它的 PID 是 1
      • 容器 B 中也有一个进程，它的 PID 也是 1
      • 宿主机上可能还有其他进程，它们有不同的 PID

    • 由于使用了 PID 命名空间，容器 A 和容器 B 都认为它们的 PID 1 是系统的第一个进程

    • 而看不到宿主机或其他容器中的进程

# 2）Network（网络隔离）

  • 作用：
    • 隔离网络资源，每个容器都有自己的网络设备（如虚拟网卡）、IP 地址、路由表等
    • 这使得容器之间的网络环境相互独立，除非显式连接
  • 例子：
    • 每个容器都有自己的虚拟网卡和独立的 IP 地址
      • 容器 A 的 IP 地址可能是 172.17.0.2
      • 容器 B 的 IP 地址可能是 172.17.0.3
    • 宿主机上的网络和容器 A、容器 B 之间是隔离的
    • 除非通过 Docker 提供的网络接口或桥接网络显式地连接

# 3）Mount（文件系统隔离）

  • 作用：
    • 每个容器有自己独立的文件系统视图，可以挂载独立的文件系统或只访问特定的目录
    • 宿主机和其他容器的文件系统是相互隔离的，除非使用卷（volumes）进行数据共享
  • 例子：
    • 容器 A 中看到的文件系统是特定镜像中的内容，而不会看到宿主机或其他容器的文件
    • 比如，宿主机的 /var/www/html 目录不会自动出现在容器中
    • 除非通过 Docker 的 -v 参数将该目录挂载到容器的某个路径

# 4）User（用户隔离）

  • 作用：
    • 实现用户和组的隔离，容器可以有独立的用户 ID 和组 ID
    • 宿主机上的 root 用户和容器中的 root 用户不等同
  • 例子：
    • 容器中的 root 用户拥有对容器内部所有文件的权限
    • 但在宿主机上，该用户并不拥有实际的 root 权限，增强了安全性

# 5）IPC（进程间通信隔离）

  • 作用：隔离容器间的进程间通信资源（如信号量、消息队列、共享内存等）
  • 例子：
    • 容器 A 和容器 B 都有各自的 IPC 资源
    • 容器 A 的进程无法访问容器 B 的共享内存或消息队列，除非明确设置共享通信

# 6）UTS（域名隔离）

  • 作用：
    • 为每个容器隔离主机名和域名
    • 容器可以有自己独立的主机名，而不会影响其他容器或宿主机
  • 例子：
    • 容器 A 的主机名可以是 containerA，容器 B 的主机名可以是 containerB
    • 而宿主机的主机名可能是 host123，三者互不影响

# 2、CGroup 应用

  • Docker 通过 CGroup 控制容器的资源使用情况
  • 确保每个容器只消耗指定的 CPU、内存等资源
  • 避免单个容器过度占用系统资源，影响其他容器或宿主机

# 1）CPU 资源控制

  • 作用：Docker 可以使用 CGroup 的 cpu 子系统来限制容器使用的 CPU 时间，防止某个容器占用过多的 CPU 资源

  • 例子：

    • 当创建容器时，可以指定容器使用的 CPU 份额：

      docker run --cpu-shares=512 ubuntu
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    • 上述命令启动了一个 Ubuntu 容器，并限制其 CPU 使用份额为 512

    • 默认值为 1024，因此该容器的 CPU 份额为默认容器的 50%

# 2）内存 资源控制

  • 作用：

    • 通过 CGroup 的 memory 子系统，Docker 可以限制容器使用的内存
    • 如果容器的内存使用超过设定的限制，CGroup 会触发 OOM（Out of Memory）错误并终止容器

  • 例子：

    • 限制容器的内存使用为 256MB

      docker run -m 256m ubuntu
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    • 这意味着容器内的所有进程共享 256MB 的内存，如果超过这个限制，容器将会被停止

# 3）I/O 资源控制

  • 作用：

    • CGroup 还可以控制容器的块设备 I/O 使用
    • 防止某些容器对磁盘或存储设备的过度使用，从而影响其他容器的性能

  • 例子：

    • 限制容器的 I/O 带宽：

      docker run --device-write-bps /dev/sda:1mb ubuntu
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    • 该命令限制了容器对 /dev/sda 设备的写入速度为 1MB/秒

# 4）网络带宽 控制

  • 作用：Docker 也可以通过 CGroup 的 net_cls 和 net_prio 子系统来限制和优先化容器使用的网络带宽

  • 例子：

    • 限制容器的网络上传速率：

      docker run --netem rate 1mbit ubuntu
      1

    • 这个命令限制容器的网络上传速率为 1 Mbit/s，防止某个容器占用太多网络带宽

上次更新: 2024/9/27 11:33:57
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