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虚拟化

KVM

KVM是linux内核的模块，它需要CPU的支持，采用硬件辅助虚拟化技术Intel-VT，AMD-V， 内存的相关如Intel的EPT和AMD的RVI技术，Guest OS的CPU指令不用再经过Qemu转译，直接运行，大大提高了速度， KVM通过/dev/kvm暴露接口，用户态程序可以通过ioctl函数来访问这个接口。

  • 只能提供CPU和内存的虚拟化，必须结合QEMU才能构成一个完成的虚拟化技术；
  • 简单直接的理解就是：QEMU是个计算机模拟器，而KVM为计算机的模拟提供加速功能。

Qemu

A generic and open source machine emulator and virtualizer.

Qemu 是纯软件实现的虚拟化模拟器，几乎可以模拟任何硬件设备。

  • 所有的指令都要经 Qemu 过一手，性能非常低；

  • 生产环境中配合 KVM 来完成虚拟化（硬件辅助的虚拟化，负责 比较繁琐的 CPU 和内存虚拟化），而 Qemu 则负责 I/O 虚拟化；

架构

从本质上看，虚拟出的每个虚拟机对应 host 上的一个 Qemu 进程，而虚拟机的执行线程（如 CPU 线程、I/O 线程等）对应 Qemu 进程的一个线程。

qemu_arch.png

思路是采用二进制指令翻译技术，主要是提取 guest 代码，然后将其翻译成 TCG 中间代码，最后再将中间代码翻译成 host 指定架构的代码。

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Qemu-kvm

Qemu将KVM整合进来，通过ioctl调用/dev/kvm接口，将有关CPU指令的部分交由内核模块来做。

Qemu模拟其他的硬件，如Network, Disk，同样会影响这些设备的性能， 于是又产生了pass through半虚拟化设备virtio_blk, virtio_net，提高设备性能。

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Libvirt

libvirt是目前使用最为广泛的对KVM虚拟机进行管理的工具和API。Libvirtd是一个daemon进程， 可以被本地的virsh调用，也可以被远程的virsh调用，Libvirtd调用qemu-kvm操作虚拟机。

  • libvirt 管理诸如QEMU/KVM，Xen,VMWare、Microsoft Hyper-V、IBM PowerVM等平台的hypervisor。也可以管理LXC、OpenVZ容器等

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容器生态

容器镜像标准（image spec）。

容器运行时标准

容器运行时标准 （runtime spec）的实现：

  • Low-Level 容器运行时：负责为容器建立namespaces和cgroups
  • runc：容器运行时，如runc
  • runv：基于虚拟机的运行时，通过虚拟化 guest kernel，将容器和主机隔离开来，如 kata, Firecracker
  • runsc：runc + safety，如gvisor，通过拦截应用程序的所有系统调用，提供安全隔离的轻量级容器运行时沙箱。
  • High-Level容器运行时：除了LowLevel，还需镜像格式、镜像管理和共享镜像相关的API接口和特性
  • dockershim
  • containerd
  • cri-o

Kubernetes 只需支持 containerd 等high-level container runtime即可。

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Docker Vs ContainerD Vs crio

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Runc

CLI tool for spawning and running containers according to the OCI specification.

Please note that runc is a low level tool not designed with an end user in mind.

  • runc fully supports cgroup v2 (unified mode) since v1.0.0-rc93

In order to enable seccomp support you will need to install libseccomp on your platform.

—runc需要seccomp的支持，seccomp是一个Linux系统调用的“管理过滤”工具，可以认为它限制应用的权限

容器运行时标准的参考实现：

  • 从 Docker 的 libcontainer 中迁移而来的，实现了容器启停、资源隔离等功能。

Containerd

An open and reliable container runtime. CNCF gradulated project.

containerd 是一个工业级标准的容器运行时，它强调简单性、健壮性和可移植性，其功能包括：

  • 管理容器的生命周期（从创建容器到销毁容器）
  • 拉取/推送容器镜像
  • 存储管理（管理镜像及容器数据的存储）
  • 调用 runc 运行容器（与 runc 等容器运行时交互）
  • 管理容器网络接口及网络

cri-o

Open Container Initiative-based implementation of Kubernetes Container Runtime Interface.

Kata

Kata Containers is an open source project and community working to build a standard implementation of lightweight Virtual Machines (VMs) that feel and perform like containers, but provide the workload isolation and security advantages of VMs.

Gvisor

Application Kernel for Containers.

gVisor is an application kernel, written in Go, that implements a substantial portion of the Linux system call interface. It provides an additional layer of isolation between running applications and the host operating system.

gVisor includes an Open Container Initiative (OCI) runtime called runsc that makes it easy to work with existing container tooling. The runsc runtime integrates with Docker and Kubernetes, making it simple to run sandboxed containers.

其它

Podman

Podman 可以管理和运行任何符合 OCI（Open Container Initiative）规范的容器和容器镜像。Podman 提供了一个与 Docker 兼容的命令行前端来管理 Docker 镜像。

  • 不需要在你的系统上运行任何守护进程，并且它也可以在没有 root 权限的情况下运行。