浅谈 K8s CRI-Toy模板网

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1. 概述

进入 K8s 的世界，会发现有很多方便扩展的 Interface，包括 CRI, CSI, CNI 等，将这些接口抽象出来，是为了更好的提供开放、扩展、规范等能力。

K8s CRI(Container Runtime Interface) 是 K8s 定义的一组与容器运行时进行交互的接口，用于将 K8s 平台与特定的容器运行时实现解耦。CRI 在 Kubernetes 1.5 中引入，并充当 kubelet 和容器运行时之间的桥梁。目前实现了 CRI spec 的 Runtime 有 Docker Engine、containerd、CRI-O、Mirantis Container Runtime(Docker 企业版) 等。

2020 年，K8s 宣布弃用 dockershim^[1]，标志着容器运行时正式向 CRI 切换，一方面是为了将 kubelet 核心主干代码与 Runtime 相关代码解耦，便于更好的维护；另一方面则是为了便于生态圈按 CRI spec 实现自己的运行时插件，提供个性化的运行时扩展能力，以满足对更多 Runtime 的支持，提高 K8s 生态的开放性和扩展性。

本文将从 Docker Engine、Kubelet 启动、Pod 创建/删除、Container 创建/删除、CRI RPC 调用等核心流程，对 CRI 实现机制进行了解析。

流程概览如下：

浅谈 K8s CRI

K8s-CRI

本文及后续相关文章都基于 K8s v1.23

2. 从 Docker 说起

2.1 Docker Engine

Docker Engine 是用来运行和管理容器的核心软件。通常人们会简单地将其代指为 Docker 或 Docker 平台。

Docker Engine 主要的组件构成：Docker 客户端（Docker Client）、Docker 守护进程（Docker daemon）、Docker APIs、containerd 以及 runc，它们共同负责容器的创建和运行。

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docker-engine

2.2 OCI

OCI（Open Container Initiative，开放容器计划），是在 2015 年由 Docker、CoreOS 等公司共同成立的项目，并由 Linux 基金会进行管理，致力于 container runtime 标准的制定和 runc 的开发等工作。

所谓 container runtime，主要负责的是容器的生命周期的管理。OCI 主要分为容器运行时规范(runtime-spec) 和镜像规范(image-spec) 两部分，runtime-spec 标准对容器的创建、删除、查看、状态等操作进行了定义，image-spec 对镜像格式、打包(Bundle)、存储等进行了定义。

2.3 runc

runc，是由 Docker 贡献的对于 OCI 标准的一个参考实现，是一个可以用于创建和运行容器的 CLI(command-line interface) 工具。runc 直接与容器所依赖的 Cgroup/OS 等进行交互，负责为容器配置 Cgroup/namespace 等启动容器所需的环境，创建启动容器的相关进程。

为了兼容 OCI 标准，Docker 也做了架构调整。将容器运行时相关的程序从 Docker daemon 剥离出来，形成了containerd。containerd 向 Docker 提供运行容器的 API，二者通过 gRPC 进行交互。containerd 最后会通过 runc 来实际运行容器。

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runc

3. CRI

CRI（Container Runtime Interface，容器运行时接口）是 K8s 定义的一组与容器运行时进行交互的接口，用于将 K8s 平台与特定的容器实现解耦。在 K8s 早期的版本中，对于容器环境的支持是通过 Dockershim(hard code) 方式直接调用 Docker API 的，后来为了支持更多的容器运行时和更精简的容器运行时，K8s 在遵循 OCI 基础上提出了CRI。

3.1 dockershim

dockershim 是 Kubernetes 的一个组件，主要目的是为了通过 CRI 操作 Docker。Kubernetes 在创建之初便采用Docker 作为它的默认容器进行时，后续代码当中包含了很多对 Docker 相关的操作逻辑。后期 Kubernetes 为了能够做解耦，兼容更多的容器进行时，将操作 Docker 相关逻辑整体独立起来组成了 dockershim。

2020 年，K8s 宣布弃用 dockershim^[2]，标志着容器运行时正式向 CRI 切换，以满足对更多 Runtime 的支持，提高 K8s 生态的开放性和扩展性。

3.2 CRI shim

当前实现了 CRI 的 remote shim 有如下：

•containerd^[3]：由 Docker 公司创建，并且在 2017 年捐赠给了 CNCF，2019 年毕业。•CRI-O^[4]：基于 OCI 规范的作为 CRI 和 OCI 之间的一座桥梁。•Docker Engine^[5]：Docker 运行时的支持，由 cri-dockerd 进行实现。•Mirantis Container Runtime^[6]：Docker 企业版(Enterprise Edition) 运行时的支持，由 Mirantis Container Runtime(MCR) 进行实现。

CRI shim 小结如下：

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K8s-CRI-shim

3.3 RuntimeClass

RuntimeClass 是 v1.12 引入的新 API 对象，用来支持多个容器运行时，可通过 Pod 字段直接指定。定义一个 RuntimeClass 如下，对应的 CRI handler 即为目标容器运行时，比如 containerd、crio：

apiVersion: node.k8s.io/v1  # RuntimeClass is defined in the node.k8s.io API groupkind: RuntimeClassmetadata:  name: myclass  # The name the RuntimeClass will be referenced by  # RuntimeClass is a non-namespaced resourcehandler: myconfiguration  # The name of the corresponding CRI configuration

在 Pod 中直接指定对应的 runtimeClassName 即可：

apiVersion: v1kind: Podmetadata:  name: mypodspec:  runtimeClassName: myclass  # ...

4. Kubelet 启动

kubelet 在 Node 节点上负责 Pod 的创建、销毁、监控上报等核心流程，通过 Cobra 命令行解析参数启动二进制可执行文件。

启动入口如下：

// kubernetes/cmd/kubelet/kubelet.gofunc main() {    command := app.NewKubeletCommand()
    // kubelet uses a config file and does its own special    // parsing of flags and that config file. It initializes    // logging after it is done with that. Therefore it does    // not use cli.Run like other, simpler commands.    code := run(command)    os.Exit(code)}

接着，一路往下进行初始化：

cmd -> Run -> PreInitRuntimeService -> RunKubelet -> createAndInitKubelet -> startKubelet -> Run

其中 PreInitRuntimeService 会进一步初始化 CRI shim，分别初始化 RuntimeService、ImageService 对容器运行时和镜像生命周期进行管理；然后启动 gRPC CRI server 监听 client 请求，进行具体的操作如 PodSandbox、Container 创建与删除。

kubelet 启动后，会负责：

•Pod、Volume 事件的监听，创建/删除对应的 Pod/Volume；•Node 资源监控与更新、Pod 健康探测(Probe) 及上报；•当 Node 资源紧张时，还负责 Pod Preemption(抢占) 与 Eviction(驱逐)；•Metrics 监控采集、Image/Container GC 工作等；

其中，Pod 事件流程图请看上面概述中的流程概览图。

5. Pod 创建/删除

K8s 中 Pod 的调谐采用 channel 生产者-消费者模型实现，具体通过 PLEG(Pod Lifecycle Event Generator) 进行 Pod 生命周期事件管理。

// kubernetes/pkg/kubelet/pleg/pleg.go// 通过 PLEG 进行 Pod 生命周期事件管理type PodLifecycleEventGenerator interface {    Start() // 通过 relist 获取所有 Pods 并计算事件类型    Watch() chan *PodLifecycleEvent // 监听 eventChannel，传递给下游消费者    Healthy() (bool, error)}

Pod 事件生产者(producer) - 相关代码：

// kubernetes/pkg/kubelet/pleg/generic.go// 生产者：获取所有 Pods 列表，计算出对应的事件类型，进行 Syncfunc (g *GenericPLEG) relist() {    klog.V(5).InfoS("GenericPLEG: Relisting")    ...    // 获取当前所有 Pods 列表    podList, err := g.runtime.GetPods(true)    if err != nil {        klog.ErrorS(err, "GenericPLEG: Unable to retrieve pods")        return    }        for pid := range g.podRecords {        allContainers := getContainersFromPods(oldPod, pod)        for _, container := range allContainers {
            // 计算事件类型：running/exited/unknown/non-existent            events := computeEvents(oldPod, pod, &container.ID)            for _, e := range events {                updateEvents(eventsByPodID, e)            }        }    }
    // 遍历所有事件    for pid, events := range eventsByPodID {        for i := range events {            // Filter out events that are not reliable and no other components use yet.            if events[i].Type == ContainerChanged {                continue            }            select {            case g.eventChannel <- events[i]: // 生产者：发送到事件 channel，对应监听的 goroutine 会消费            default:                metrics.PLEGDiscardEvents.Inc()                klog.ErrorS(nil, "Event channel is full, discard this relist() cycle event")            }        }    }    ...}

Pod 事件消费者(Consumer) - 相关代码：

// kubernetes/pkg/kubelet/kubelet.go// 消费者：根据 channel 获取的各类事件，进行 Pod Syncfunc (kl *Kubelet) syncLoopIteration(configCh <-chan kubetypes.PodUpdate, handler SyncHandler,    syncCh <-chan time.Time, housekeepingCh <-chan time.Time, plegCh <-chan *pleg.PodLifecycleEvent) bool {    select {    ...    // 消费者：监听 plegCh 的事件    case e := <-plegCh:        if e.Type == pleg.ContainerStarted {            // 更新容器的最后启动时间            kl.lastContainerStartedTime.Add(e.ID, time.Now())        }        if isSyncPodWorthy(e) {            if pod, ok := kl.podManager.GetPodByUID(e.ID); ok {                klog.V(2).InfoS("SyncLoop (PLEG): event for pod", "pod", klog.KObj(pod), "event", e)
                // 进行相关 Pod 事件的 Sync                handler.HandlePodSyncs([]*v1.Pod{pod})            } else {                // If the pod no longer exists, ignore the event.                klog.V(4).InfoS("SyncLoop (PLEG): pod does not exist, ignore irrelevant event", "event", e)            }        }
        // 容器销毁事件处理：清除 Pod 内相关 Container        if e.Type == pleg.ContainerDied {            if containerID, ok := e.Data.(string); ok {                kl.cleanUpContainersInPod(e.ID, containerID)            }        }        ...    }    return true}

当 kubelet 监听到 Pod 事件时，进行对应 Pod 的创建或删除，流程如下：

kubelet -> Run -> syncLoop -> SyncPodCreate/Kill -> UpdatePod -> syncPod/syncTerminatingPod -> dockershim gRPC -> Pod running/teminated

6. Container 创建/删除

当 Pod-Sandbox 创建出来以后，首先会创建基础容器(infra-container，也叫 pause 容器)，通过 CNI 机制^[7] 配置 Pod 网络环境，创建临时数据目录(存放 container logs)，为下一步 Container 创建做好相关准备工作。

Container 目前分为三种类型：

•Ephemeral Container：临时容器，用于 debug 及排障所需的一次性容器。•Init Container：初始化容器，在正常业务容器之前、按序启动，一般做一些准备工作。•Regular Container：普通业务容器，应用使用的主容器。

创建 Container 的过程主要有：

PullImage -> CreateContainer -> StartContainer -> PostStartHook -> Container running

当 Pod 内所有 Container 启动并正常运行起来后，Pod-phase 更新为 Running，表示 Pod 正常运行。

Pod-Container 创建流程小结如下：

浅谈 K8s CRI

K8s-CRI-flow

7. CRI RPC 接口

CRI 标准规范接口，包含了 ImageService、RuntimeService 两方面的接口：

•ImageService：管理镜像的查询、拉取、删除、统计等操作；•RuntimeService：管理 PodSandbox 和容器的生命周期，包括查询、创建、启动、删除、统计等操作，另外还提供版本(Version)、执行命令(Exec)、端口转发(PortForward) 等接口能力；

浅谈 K8s CRI

K8s-CRI-RPC

可以看到，用户只要按照 CRI RPC 接口规范进行具体实现，就可以实现自己的 Runtime 插件，提高了 K8s 生态的高扩展性与灵活性。

8. 小结

本文通过分析 K8s 中 Kubelet 启动、Pod 创建/删除、Container 创建/删除、CRI RPC 调用等核心流程，对 K8s CRI 实现机制进行了解析。通过源码、图文方式说明了相关流程逻辑，以期更好的理解 K8s CRI 实现细节。

K8s CRI 经历了从 in-tree Dockershim 到 CRI remote-shim(out-of-tree) 的迁移^[8]，一方面是为了将 kubelet 核心主干代码与 Runtime 相关代码解耦，便于更好的维护；另一方面则是为了便于生态圈按 CRI spec 实现自己的运行时插件，提供个性化的运行时扩展能力，以期达到容器生态圈的开放共赢。

PS: 更多内容请关注 k8s-club^[9]