10年资深架构师谈Linux上容器背后的虚拟化解决方案

写在前面

 

目前主流的虚拟化技术有类似Intel VT这样的纯粹底层硬件虚拟化技术，也有类似Xen这样的半虚拟化技术，它并不是一个真正的虚拟机，而是相当于自己运行了一个内核的实例，可以自由的加载内核模块，虚拟的内存和IO，稳定而且可预测。

 

也有kvm这样的完全虚拟化技术，所有的kvm类型的虚拟技术都可以装各种linux的发行版和各 种win的发行版，当然，还有最近比较流行的容器类技术，例如lxc,docker都是基于操作系统之上的进程级别的隔离技术，本次分享主要围绕上层的虚拟化技术来剖析Linux上的解决方案。

 

1cpu vt技术

 

为解决纯软件虚拟化解决方案在可靠性、安全性和性能上的不足很多cpu都引入了硬件虚拟化的技术，比如Intel在它的硬件产品上引入了Intel VT（Virtualization Technology，虚拟化技术）。

 

Intel VT可以让一个CPU工作起来像多个CPU在并行运行，从而使得在一部电脑内同时运行多个操作系统成为可能。

 

 

Intel提供了：

• Cpu虚拟化

• 内存虚拟化

• I/O虚拟化

• 图形卡虚拟化

• 网络虚拟化

 

2chroot分析

 

chroot是内核提供的一个系统调用，从安全性的角度考虑，来限定用户使用的根目录，ch在经过 chroot 之后，系统读取到的目录和文件将不在是旧系统根下的而是新根下(即被指定的新的位置)的目录结构和文件，它的作用如下：

 

• 增加了系统的安全性，限制了用户的权力

• 建立一个与原系统隔离的系统目录结构，方便用户的开发

• 切换系统的根目录位置，引导 Linux 系统启动以及急救系统等

 

所以，很多容器技术都使用了chroot。

 

3chroot实现

 

下面我们来看下chroot系统调用的实现：

 

 

从上面的源码可以发现chroot的逻辑其实非常简单，先是通过user_path_at函数搜索路径获取该filename的path，然后通过set_fs_root把当前进程的文件系统的root设置为path。

 

4cgroup分析

 

介绍

cgroups（Control Groups）最初叫Process Container，由Google工程师（Paul Menage和Rohit Seth）于2006年提出，后来因为Container有多重含义容易引起误解，就在2007年更名为Control Groups，并被整合进Linux内核。可以理解为把进程放到一个组里面统一加以控制。

 

cgroups可以限制、记录、隔离进程组所使用的物理资源（包括：CPU、memory、IO等）。

 

使用方法

 

当我们创建文件夹后，自动生成的文件如下：

 

 

设置task允许使用的cpu为0-1：

echo 0-1 > cpuset.cpus

 

添加task到cgroup:

echo [pid] >> tasks

 

这样就可以对指定pid的进程限制使用的cpu仅为0和1。

 

体系结构

接下来我们介绍一下cgroup的整体架构：

 

 

由上图，我们来简单介绍一下cgroup的主要概念：

 

• cgroupfs_root：可以理解为我们mount操作指定的dir目录。

 

• css_set：提供了与进程相关的cgroups信息.其中cg_links 指向一个由 struct_cg_cgroup_link 连成的链表。Subsys 是一个指针数组，存储一组指向 cgroup_subsys_state 的指针。一个 cgroup_subsys_state 就是进程与一个特定子系统相关的信息。通过这个指针数组，进程就可以获得相应的 cgroups 控制信息了。

   

• css_set_table：css_set_table保存了所有的css_set，hash函数及key为css_set_hash(css_set->subsys)

   

• hierarchy：层级，cgroup可以组织成 hierarchical 的形式，既一颗cgroup树。group树上的子节点cgroup是父节点cgroup的孩子，继承父cgroup的特定的属性。

 

• cgroup：可以理解为在mount目录下mkdir新建的目录。cgroups 中的资源控制都以cgroup为单位实现。cgroup表示按某种资源控制标准划分而成的任务组，包含一个或多个子系统。一个任务可以加入某个cgroup，也可以从某个cgroup迁移到另外一个cgroup。

 

• cg_group_link：由于cgroup和css_cet之间是多对多的关系，cg_group_link是用来关联这两者的。一个css_set为什么会有多个cgroup?——其根本的原因在于一个task会被attach到多个hierarchy，并且在每个hierarchy下的必有一个cgroup管理着该task（一个task只有一个css_set），所以有几个hierarchy该css_set就有几个cgroup。一个cgroup为什么会有多个css_set?——因为一个cgroup可以attach多个进程，而这些进程它们的css_set可能不一样，这个由该task所属的cgroups决定，只有所属的cgroups完全一样，它们才会共享一个css_set，否则的话，它们的css_set就不一样。

   

• cgroup_subsys：代表cgroup的某个子系统，它代表了某个子系统如何注册到cgroup或者销毁的过程：

 

 

上面的代码罗列了cgroup_subsys接口的钩子函数。

 

• cgroup_subsys_state：代表每个子系统真正的控制结构，图中的cup,cupset,blkio_group等都是它的实现，也就是说，每个子系统对系统资源的限制就是通过cgroup_subsys_state的实现来完成的。

 

task和cgroup的关系：

css_set->tasks是所有引用该css_set的tasks的list的head，task之间用task->cg_list进行链接，一个cgroupfs_root的所有cgroup_subsys由cgroupfs_root->subsys_list组织；所有的cgroupfs_root通过它的root_list连接到roots这个全局变量头里。

 

从某种角度上来讲，cgroup的这个结构，有点像业务系统中的权限系统。

 

5cgroup文件系统

 

cgroup是通过标准的vfs接口方式提供给上层交互的，每当我们mount或者mkdir时候，目录下面的文件就是通过cgroup自己创建的，这些文件定义方式如下：

 

全局cgroup.c中：

 

子系统也维护了各自的files[]文件,比如cpuset：

 

 

以cgroup.procs文件的写操作为例：

 

 

这个写入的过程最终通过cgroup_attach_task把cgroup下的subsys attach到该task中。

 

• 创建cgroup

创建一个新的cgroup也是通过标准的vfs操作来执行的，在cgroup中定义了cgroup文件系统的一些操作：

 

 

创建cgroup是通过mkdir来创建的：

 

 

以上过程先为该cgroup所属的每个subsys创建一个cgroup_subsys_state，并初始化。

 

通过该cgroup->subsys[]可以获得该cgroup的所有cgroup_subsys_state，同样通过cgroup_subsys_state->cgroup可以知道该cgroup_subsys_state所属的cgroup。以后cgroup与subsys的group控制体的转换都是通过该结构来完成。   

 

这里并没有建立css_set与该cgroup的关系，因为mkdir时该cgroup还没有attach任何进程，所以也不会有css_set与它有关系。

 

• attach task

attach task的过程是由cgroup_attach_task函数来完成的：

 

 

它的执行过程总共分为3步：

 

1、 cgroup_migrate_add_src从task的css_set中找到dst_cgrp相关的hierarchy，它通过调用cset_cgroup_from_root来找到src_cset指定dst_cgrpc层级下的cgroup：

 

 

2、cgroup_migrate_prepare_dst，通过find_css_set查找一个已经存在的css_set或者创建一个新的，首先通过find_existing_css_set查找是否有一个可用的css_set，否则，创建一个新的css_set，并且建立新的css_set与该task之前旧的css_set的所有关联的cgroup的关系，再把该新的css_set加入到哈希表hlist：

 

 

3、cgroup_migrate，进行真正的attach工作：

 

 

cgroup_taskset_migrate，先判断该task是否可以在所有subsys上can_attach，然后进行attach：

 

 

• cpuset子系统

如果是多核心的cpu，这个子系统会为cgroup任务分配单独的cpu和内存。

 

这里我们简单分析对cpuset.cpus文件的操作：

 

 

在files数组中定义了write操作的函数是cpuset_write_resmask：

 

针对FILE_CPULIST的场景，由update_cpumask更新cpu对应的mask：

 

 

最终的目的就是在于更新该cgroup下的每个进程的cpus_allowed.

然后在下次task被唤醒的时候，select_task_rq_fair选择cpu_allowed里的某一个cpu，可能是load最低的）来确定它应该被置于哪个CPU的运行队列及运行，一个进程在某一时刻只能存在于一个CPU的运行队列里。

 

6Namespace分析

 

Cgroup提供了资源限制的功能，namespace则提供了资源隔离的功能，它提供六种namespace隔离功能：

 

隔离后每个namespace看上去就像一个单独的Linux系统。

 

 

一个进程可以属于多个namesapce，在task_struct 结构中有一个指向namespace结构体的指针nsproxy：

 

 

假如不指定ns，那么默认所有的进程创建的时候，都会指定一个默认的ns:

 

如果想要手动指定自己的ns，那么可以通过clone函数传入参数来实现。

 

Clone函数执行的过程中会调用do_fork->copy_process->copy_namespaces->create_new_namespaces：

 

在创建完独立的ns后，以分配pid为例：

 

 

pid将会在其独立的ns中进行分配。

 

7lxc介绍

 

当我们了解完chroot,cgroup,namespace这些概念后，lxc其实是基于这些东西的封装，提供了一套软件包，来帮我们创建容器，我们可以粗略的认为LXC = Cgroup+ namespace + Chroot + veth +用户态控制脚本。

 

• docker和虚拟化分析

docker在0.9.0之前的版本，是直接通过LXC来创建虚拟化容器的。目前docker自己维护了libcontainer来进行容器的管理。

 

下面摘录部分片段：

 

创建networknamespace：

 

 

cgroup和相关限制的资源定义：

 

 

8其他

 

除了以上提到的进程资源隔离和限制的轻量级虚拟化解决方案外，Linux还提供了像KVM这样的全虚拟化解决方案：

 

KVM是Kernel-based Virtual Machine的缩写，这是一个针对X86上的Linux完全虚拟化硬件解决方案，它可以基于Intel VT 和AMD-V这两种不同厂商的解决方案来实现。

 

您可以很容易地运行多个虚拟机运行Linux或windows镜像，每个虚拟机都有自己的单独的虚拟私人硬件；它包含一个磁盘，一个网卡，一个图形适配器等等。KVM实际上是一个开源的软件解决方案。

 

Q&A

 

Q1：虚拟化应该会带来一些系统性能损耗，在硬件虚拟化，半虚拟化，kvm完全虚拟化，docker等，老师有没有一些数据可供参考？

A1：理论上肯定是硬件虚拟化性能最好的。目前kvm已经在很多公司生产环境上跑了，我也在河狸家的生产环境上跑着kvm，目前支撑生产环境问题不大。docker只是一个进程级别的隔离，理论上对性能是不会有大的影响的，不过docker的主要问题还是网络上面，比如跨容器之间的通信，使用类似vxlan这样的技术，我测试了下性能至少损失30%。还有一种方法是建多个bridge,然后每个容器的veth和bridge挂钩。

 

Q2：虚拟化鼻祖开源的qemu用的是什么虚拟化技术？

A2：qemu是模拟器，底层还是调用了kvm，可以参考我最后发的那张kvm的架构图。

 

Q3：最近看Openstack，KVM是标准配置？

A3：openstack适合大集群的管理，像什么创业公司机器不多的话自己在libvert上涌python包一层管理都行，或者用apache下的cloud stack来管理。

 

作者介绍  陈科

• 河狸家技术总监，超十年互联网从业经验，曾就职于阿里、华为等企业架构部门

本文来自云栖社区合作伙伴"DBAplus"，原文发布时间：2016-07-20