kubernetes之CRI详解

如何更好的用好Kubernetes CRI？本文尝试从CRI原理及作用、CRI执行流程、常见CRI及其优缺点、最佳实践及历史演进等方面进行阐述。希望对您有所帮助！

一、Kubernetes CRI 原理及作用

CRI（Container Runtime Interface，容器运行时接口） 是 Kubernetes 提供的一种标准接口，用于与不同的容器运行时集成。它通过定义一组标准化的 API，使得 Kubernetes 可以与多种容器运行时进行通信，从而实现容器的生命周期管理。

CRI 原理简介

抽象与标准化：
- CRI 作为一个抽象层，定义了一组 gRPC 接口，规范了容器的创建、启动、停止、删除等生命周期管理操作，以及容器镜像的拉取、列出和删除操作。这些接口包括 PodSandboxService 和 RuntimeService。
- 容器运行时需要实现这些接口，以便与 Kubernetes 的 Kubelet 进行通信。
主要组件：
- Kubelet：Kubernetes 节点上的主要代理，负责管理节点上的容器和 Pod。Kubelet 使用 CRI 接口与底层容器运行时进行通信。
- 容器运行时：实现 CRI 接口的具体容器运行时（如 containerd、CRI-O、Docker 等）。这些运行时通过实现 CRI 接口，向 Kubelet 提供所需的功能。
工作流程：
- 镜像管理 ：
  - PullImage：Kubelet 请求容器运行时拉取指定的容器镜像。
  - ListImages：Kubelet 请求容器运行时列出本地存储的所有容器镜像。
  - RemoveImage：Kubelet 请求容器运行时删除指定的容器镜像。
- Pod 和容器管理 ：
  - RunPodSandbox：Kubelet 请求容器运行时创建一个新的 Pod 沙盒，提供网络和文件系统隔离。
  - StopPodSandbox：Kubelet 请求容器运行时停止一个 Pod 沙盒。
  - RemovePodSandbox：Kubelet 请求容器运行时删除一个 Pod 沙盒。
  - CreateContainer：Kubelet 请求容器运行时在 Pod 沙盒中创建一个新的容器。
  - StartContainer：Kubelet 请求容器运行时启动已创建的容器。
  - StopContainer：Kubelet 请求容器运行时停止正在运行的容器。
  - RemoveContainer：Kubelet 请求容器运行时删除已停止的容器。
- 容器状态检查 ：
  - ListContainers：Kubelet 请求容器运行时列出所有容器的信息。
  - ContainerStatus：Kubelet 请求容器运行时提供指定容器的详细状态信息。

CRI 的作用

解耦 Kubernetes 与容器运行时：
- CRI 将 Kubernetes 与具体的容器运行时解耦，允许 Kubernetes 支持多种容器运行时，而不需要修改 Kubernetes 的核心代码。
增强灵活性：
- 用户可以根据需求选择最适合的容器运行时（如 Docker、containerd、CRI-O），并能够在不同的运行时之间轻松切换。
标准化与一致性：
- CRI 提供了一组标准化的接口，使得不同容器运行时的实现更加规范和一致，简化了开发和维护工作。
便于扩展：
- 新的容器运行时可以实现 CRI 接口，并与 Kubernetes 集成，而不需要对 Kubernetes 本身进行修改。这增强了系统的可扩展性。
促进生态系统发展：
- CRI 促进了容器运行时生态系统的发展，使得更多的运行时能够与 Kubernetes 集成，为用户提供更多的选择。

通过 CRI，Kubernetes 实现了对容器运行时的标准化和抽象化，增强了系统的灵活性和可扩展性，同时简化了与容器运行时的集成过程。

二、Kubernetes CRI执行流程

当理解 Kubernetes 中的 CRI（Container Runtime Interface）执行逻辑时，需要考虑到其涉及的具体步骤和各组件之间的详细交互。以下是更详细的 CRI 执行逻辑示意图及其解释：

详细的 CRI 执行逻辑示意图和解释

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|      Kubernetes        |          |       CRI Plugin        |          |   Container Runtime    |
|        Kubelet         |          |  (e.g., dockershim,     |          |  (e.g., containerd,   |
|                        |          |        CRI-O)           |          |     cri-o, Docker)     |
+------------------------+          +-------------------------+          +------------------------+
         |                            |                           |                           |
         |                            |                           |                           |
         |  1. CRI gRPC API            |                           |                           |
         |--------------------------->|                           |                           |
         |                            |                           |                           |
         |                            |                           |                           |
         |                            |                           |                           |
         |  2. PodSandboxService      |                           |                           |
         |--------------------------->|                           |                           |
         |                            |                           |                           |
         |                            |                           |                           |
         |  3. RuntimeService          |                           |                           |
         |--------------------------->|                           |                           |
         |                            |                           |                           |
         |                            |                           |                           |
         |                            |   4. Runtime API         |                           |
         |                            |-------------------------->|                           |
         |                            |                           |                           |
         |                            |                           |                           |
         |                            |   5. Runtime Actions     |                           |
         |                            |<--------------------------|                           |
         |                            |                           |                           |
         |                            |                           |                           |
         |                            |<--------------------------|                           |
         |  6. CRI gRPC Response       |                           |                           |
         |<---------------------------|                           |                           |
         |                            |                           |                           |

详细解释

Kubernetes Kubelet：
- Kubelet 是 Kubernetes 节点上的主要代理，负责管理该节点上的所有 Pod 和容器。它通过 CRI 提供的 gRPC API 与容器运行时进行通信。
CRI 插件：
- CRI 插件 是一个中间层，位于 Kubelet 和具体容器运行时之间。插件实现了 CRI 定义的接口（例如 PodSandboxService 和 RuntimeService），并将 Kubelet 发送的请求翻译成对应容器运行时的 API 调用。
容器运行时：
- 容器运行时 是实际执行容器管理操作的组件，它负责管理容器的生命周期、网络、存储等。不同的容器运行时（如 containerd、cri-o、Docker）实现了 CRI 指定的 Runtime API。
工作流程：
- CRI gRPC API：Kubelet 通过 gRPC 协议调用 CRI 插件的 API。这些 API 分为两类：PodSandboxService 用于管理 Pod 的生命周期和资源，RuntimeService 用于管理容器的生命周期和状态。
- PodSandboxService ：当 Kubelet 接收到创建 Pod 的请求时，它调用 PodSandboxService 提供的接口，如 RunPodSandbox 来创建一个 Pod 沙盒。插件根据请求类型调用相应容器运行时的 API，例如 containerd 的 create 和 start 方法来创建和启动 Pod 沙盒。
- RuntimeService ：对于每个容器的具体管理操作（如创建、启动、停止、删除），Kubelet 使用 RuntimeService 提供的接口。插件会将这些请求转发给容器运行时的相应 API（例如 containerd 的 createContainer 和 startContainer）来执行实际操作。
- Runtime API：每个具体的容器运行时实现了 Runtime API，它定义了与容器相关的操作接口。这些操作包括创建、启动、停止和删除容器等，以及获取容器的状态和信息。
- Runtime Actions：容器运行时根据插件传递的请求执行操作，并将执行结果作为响应返回给插件。响应包括操作的状态、错误信息等。
- CRI gRPC Response：插件将容器运行时返回的响应封装成 CRI gRPC 响应，并将其返回给 Kubelet。Kubelet 根据响应更新 Pod 和容器的状态，并执行相应的管理操作。

通过以上详细步骤，Kubernetes 的 CRI 架构实现了 Kubernetes 与各种容器运行时的解耦，使得 Kubernetes 可以灵活支持多种容器运行时环境，提高了系统的可扩展性和适应性。

三、常见Kubernetes CRI及其优缺点

当谈论常见的 CRI（Container Runtime Interface）及其优缺点时，以下是涵盖了多种主流实现的详细列举：

Docker（通过 dockershim）

优点：

广泛的用户基础和成熟的生态系统。
易用性高，对开发者友好。
功能丰富，支持多种容器管理和操作。
社区活跃，有大量的插件和扩展。
可靠的稳定性和错误处理能力。

缺点：

相对较高的资源消耗，尤其在大规模集群中。
启动速度相对较慢。
安全性挑战，容器隔离不如其他技术。
不适合高度安全性需求的场景。
可能不是最佳选择对于性能敏感型应用。

containerd

优点：

Kubernetes 默认的官方推荐 CRI 实现。
专注于高性能和低资源消耗。
稳定性高，经过广泛测试和社区验证。
与 Kubernetes 生态系统紧密集成。
支持容器的生命周期管理。

缺点：

功能相对较少，主要集中于核心容器操作。
某些高级功能需求可能需要额外定制或插件支持。
可能对特定的使用场景不够灵活。
直接使用较为技术化，学习曲线略高。
需要额外的管理工具来补充缺失的功能。

CRI-O

优点：

设计专为 Kubernetes 而优化，轻量级且性能优越。
强调安全性，支持容器隔离和安全审计。
社区活跃，得到了广泛的开发和测试。
与 Kubernetes 高度兼容和集成。
管理和维护相对简单，适合于自动化部署。

缺点：

生态系统相对较新，可能缺乏一些成熟的工具和插件。
某些特定功能可能需要自定义开发或集成。
对于大规模集群中的高负载场景，性能表现有限。
不同版本的兼容性问题可能需要额外注意。
对于传统 Docker 用户来说，学习和切换成本可能较高。

frakti

优点：

支持在 Kubernetes 中运行虚拟化容器。
提供了与传统虚拟化技术（如 hypervisor）的集成。
可以增强容器的隔离性和安全性。
支持多种云平台上的部署和管理。
可以在同一平台上混合运行虚拟化和非虚拟化容器。

缺点：

对于普通容器而言，性能消耗较大。
部署和配置可能更为复杂，特别是涉及到虚拟化管理。
不适合大规模高密度容器的场景。
需要额外的虚拟化技术支持和管理经验。
可能需要额外的资源来维护和操作虚拟化容器环境。

railcar

优点：

使用 Rust 编写，提供了较高的安全性和性能。
轻量级，适合于边缘计算和资源有限的环境。
支持多种硬件架构和操作系统。
提供了快速启动和低延迟的容器运行环境。
支持 OCI 标准，与现有容器生态系统兼容。

缺点：

生态系统相对较小，缺乏广泛的插件和工具支持。
作为较新的项目，可能缺少一些成熟度和稳定性。
学习曲线可能较陡，特别是对 Rust 编程语言不熟悉的用户。
部署和管理可能需要更多的定制和手动配置。
社区支持和开发活跃度可能不如其他主流 CRI 实现。

Firecracker

优点：

专为 Serverless 和嵌入式工作负载设计，提供了快速启动和低资源消耗的微虚拟化环境。
提供了与传统虚拟机相似的隔离性和安全性。
支持多租户和安全敏感的环境。
作为 AWS 推动的项目，得到了大公司的支持和广泛的测试。
可以有效地管理和运行具有短暂生命周期的工作负载。

缺点：

对于普通容器而言，启动速度和资源消耗可能较高。
需要额外的虚拟化管理和配置，可能增加操作复杂性。
相对于其他轻量级容器运行时，可能需要更多的资源和管理成本。
生态系统相对较新，可能缺乏一些成熟的工具和集成支持。
不适合于传统容器化应用和大规模集群的部署。

gVisor

优点：

提供了额外的安全层，增强了容器的安全性和隔离性。
使用用户态沙箱技术，与现有容器运行时兼容。
可以有效地保护应用程序免受内核级漏洞的攻击。
提供了更细粒度的权限控制和资源限制。
支持多种 CRI 实现，如 containerd 和 CRI-O。

缺点：

对于性能敏感的应用程序，可能引入一定的性能开销。
学习和配置可能需要一定的时间和经验。
相比传统容器，可能需要更多的资源和计算成本。
沙箱层可能导致一些特定的应用程序和库不兼容。
社区支持和成熟度相对较新，可能存在一些限制和未解决的问题。

Kata Containers

优点：

结合了虚拟机和容器的优势，提供了更高的安全性和隔离性。
支持在 Kubernetes 中以容器方式运行完整的虚拟机。
提供了传统虚拟机的隔离性和安全性。
支持多种硬件架构和操作系统。
兼容 OCI 标准，与现有容器生态系统集成。

缺点：

相对于传统容器，资源消耗较高，启动速度可能较慢。
部署和配置可能更为复杂，特别是涉及到虚拟化管理。
不适合大规模高密度容器的场景。
需要额外的虚拟化技术支持和管理经验。
可能会增加管理和操作的复杂性，特别

四、OpenShift和Rancher中的CRI

在当前的情况下 Openshift 和 Rancher 默认使用的 CRI 以及相关考虑因素：

Openshift

Openshift 是由 Red Hat 提供的企业级 Kubernetes 发行版，它的默认 CRI 是 CRI-O。

考虑因素：

安全和性能： Openshift 作为企业级解决方案，安全性和性能是首要考虑的因素之一。CRI-O 专门为 Kubernetes 设计，专注于安全性、高性能和低资源消耗，这与 Openshift 对企业级环境的需求高度契合。
Red Hat 生态系统： Openshift 是基于 Red Hat Enterprise Linux（RHEL）构建的，而 CRI-O 也是 Red Hat 及其合作伙伴支持的项目之一，因此在集成和支持方面更加顺畅。
Kubernetes 兼容性： CRI-O 是符合 Kubernetes CRI 规范的官方实现之一，与 Kubernetes 的其他组件和功能高度兼容，这确保了 Openshift 在运行和管理 Kubernetes 集群时的稳定性和一致性。

Rancher

Rancher 是一个开源的 Kubernetes 管理平台，其默认 CRI 为 Docker（通过 dockershim）。

考虑因素：

广泛的用户基础和成熟度： Rancher 作为一个广受欢迎的 Kubernetes 管理平台，许多用户已经熟悉和依赖于 Docker 作为其容器运行时。因此，默认使用 Docker 可以最大程度地保持与用户的兼容性和易用性。
功能和生态系统支持： Docker 生态系统非常庞大且成熟，拥有丰富的工具和插件支持，Rancher 可以利用这些功能来提供更广泛的解决方案和集成选项。
社区和开发活跃度： Docker 作为最早推动容器化技术的平台之一，其社区和开发生态系统非常活跃，能够及时响应和支持新的技术需求和安全修复。

结论

Openshift 和 Rancher 在选择默认的 CRI 时，都考虑了安全性、性能、兼容性以及用户基础的因素。Openshift 选择 CRI-O 主要是因为其专注于企业级安全和性能的需求，同时与 Red Hat 生态系统高度兼容。而 Rancher 选择 Docker（通过 dockershim）则是因为其广泛的用户基础和成熟的生态系统，以及对易用性和功能丰富性的需求。

五、kubernetes CRI最佳实践

Container Runtime Interface（CRI）是 Kubernetes 中用于与容器运行时进行通信的标准接口。以下是一些关于使用 CRI 的最佳实践：

1. 选择适合的CRI实现

根据需求选择：考虑到性能、安全性、资源消耗和生态系统支持等因素，选择最适合你的工作负载和部署需求的 CRI 实现，如 Docker（通过 dockershim）、containerd 或 CRI-O。

2. 版本兼容性和更新策略

保持与 Kubernetes 版本兼容：确保所选的 CRI 实现与使用的 Kubernetes 版本兼容，并遵循 Kubernetes 社区的推荐和更新策略。

3. 安全性和隔离

强化安全措施：配置和管理容器运行时，确保实施适当的安全措施，如启用安全上下文、使用网络策略、限制容器资源等，以增强容器的隔离性和安全性。

4. 性能优化

优化资源利用：根据工作负载的特性和需求，调整容器运行时的配置，以最大化性能并有效利用资源。

5. 日志和监控

配置日志和监控：设置日志记录和监控机制，以便及时检测和处理容器运行时的问题和异常情况，确保系统的稳定性和可靠性。

6. 自动化和编排

整合自动化工具：利用自动化工具和编排平台，如 Kubernetes 提供的功能或其他配置管理工具，简化和统一 CRI 的配置和管理过程。

7. 性能测试和调优

定期性能测试：进行定期的性能测试和调优，评估容器运行时的性能表现，并根据测试结果调整配置以优化性能和稳定性。

8. 社区参与和支持

利用社区支持：参与相关的社区讨论和活动，获取最新的更新和技术支持，了解和应用 CRI 的最佳实践。

9. 持续集成和持续部署（CI/CD）

集成 CI/CD 实践：将 CRI 的配置和管理纳入到持续集成和持续部署流程中，确保任何变更都经过自动化测试和验证。

10. 文档和培训

文档和培训：编写和维护适当的文档，记录 CRI 的配置和最佳实践，并为团队提供相关的培训和支持，以便正确地使用和管理容器运行时。

通过遵循这些最佳实践，可以帮助确保在 Kubernetes 环境中有效地配置和管理 CRI，提高容器化应用的运行效率和可靠性。

六、Kubernetes CRI的历史演进

Container Runtime Interface（CRI）在 Kubernetes 中的历史演进可以追溯到 Kubernetes 1.5 版本之前的时间。以下是 CRI 的主要历史演进和关键里程碑：

1. 初期需求和前期实现

2016 年初期：Kubernetes 社区意识到需要一个标准化的接口，用于与容器运行时（如 Docker）进行通信，以实现更好的可插拔性和兼容性。
Kubelet 使用 Docker 直接管理容器：最初，Kubelet 直接使用 Docker API 管理容器，但这种方式对于 Kubernetes 平台的需求和未来的发展显得不够灵活和可扩展。

2. CRI 的提出和设计

Kubernetes 1.5 版本（2016 年 12 月发布）：引入了 Container Runtime Interface（CRI），作为 Kubernetes 与容器运行时交互的标准化接口。这一设计使得 Kubernetes 可以与不同的容器运行时实现（如 Docker、containerd、CRI-O 等）进行对接，从而增强了平台的可扩展性和可移植性。

3. CRI 的发展和改进

CRI-O 的出现：CRI-O 是一个专为 Kubernetes 设计的轻量级容器运行时，致力于提供更好的性能和安全性。它在 Kubernetes 社区的推动下，逐渐成为一种主流的 CRI 实现选择。
Kubernetes 1.11 版本（2018 年 6 月发布）：引入了对 RuntimeClass 的支持，允许 Kubernetes 根据 Pod 的需要选择不同的容器运行时。这进一步增强了 CRI 的灵活性和可配置性。

4. CRI 的标准化和社区支持

Kubernetes 1.14 版本（2019 年 3 月发布）：官方推荐使用 containerd 作为 Kubernetes 默认的 CRI 实现，标志着 CRI-O 和 containerd 在 Kubernetes 生态系统中的竞争和接受程度。
CRI 规范的进一步完善：随着 Kubernetes 版本的更新和社区反馈，CRI 规范不断得到改进和完善，以适应新的需求和容器技术的发展。

5. CRI 的未来展望

持续改进和优化：随着容器技术的发展和社区的反馈，CRI 仍然在不断改进和优化，以提供更好的性能、安全性和可靠性。
新兴技术的整合：随着新的容器运行时技术（如 gVisor、Firecracker 等）的出现和成熟，CRI 将继续考虑如何整合这些新技术，以满足不断变化的应用场景和需求。

总体而言，CRI 的引入和发展使得 Kubernetes 能够更好地与不同的容器运行时进行集成和协作，为用户提供了更大的灵活性和选择空间，同时也推动了整个容器生态系统的发展和标准化。

完。

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