Kubernetes 容器运行时接口 CRI

2023-08-29 微信公众号云原生指北

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写这篇文章是来填很久之前挖下的坑[1]。

本文涉及组件的源码版本如下：

Kube.NETes 1.24
CRI 0.25.0
ContAInerd 1.6

容器运行时（Container Runtime）是负责管理和执行容器的组件。它负责将容器镜像转化为在主机上运行的实际容器进程，提供镜像管理、容器的生命周期管理、资源隔离、文件系统、网络配置等功能。

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常见容器运行时有下面这几种，这些容器运行时都提供了不同程度的功能和性能。但他们都遵循容器运行时接口（CRI），以便能够与 Kubernetes 或其他容器编排系统集成，实现容器的调度和管理。

containerd[2]
CRI-O[3]
Docker Engine[4]
Mirantis Container Runtime[5]

有了 CRI，我们也可以“随意”地在几种容器运行时之间进行切换，而无需重新编译 Kubernetes。简单来讲，CRI 定义了所有对容器的操作，作为容器编排系统与容器运行时间的标准接口存在。

CRI 的前生今世

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CRI 的首次引入是在 Kubernets 1.5[6]，初始版本是 v1alpha1。在这之前，Kubernetes 需要在 kubelet 源码中维护对各个容器运行时的支持。

有了 CRI 之后，在 kubelet 中仅需支持 CRI 即可，然后通过一个中间层 CRI shim（grpc 服务器）与容器运行时进行交互。因为此时各家容器运行时实现还未支持 CRI。

在去年发布的 Kubernetes 1.24 中，正式移除了 Dockershim[7]，与容易运行时的交互得到了简化。

Kubernetes 目前支持 CRI 的 v1alpha2 和 v1。其中 v1 版本是在 Kubernetes 1.23 版本中引入的。

每次 kubelet 启动时，首先会尝试使用 v1 的 API 与容器运行时进行连接。如果失败，才会尝试使用 v1alpha2。

kubelet 与 CRI

在之前做过的 kubelet 源码分析[8] 会持续监控来自文件、apiserver、http 的变更，来更新 pod 的状态。写那篇文章的时候，分析到这里就结束了。因为这之后的工作就交给容器运行时[9] 来完成 sandbox 和各种容器的创建和运行，见 `kubeGenericRuntimeManager#SyncPod()`[10]。

kubelet 启动时便会初始化 CRI 客户端[11]，与容器运行时建立连接并确认 CRI 的版本。

创建 pod 的过程中，都会通过 CRI 与容器运行时进行交互：

创建 sandbox
创建容器
拉取镜像

参考源码

pkg/kubelet/kuberuntime/kuberuntime_sandbox.go#L39[12]
pkg/kubelet/kuberuntime/kuberuntime_container.go#L176[13]
pkg/kubelet/images/image_manager.go#L89[14]

接下来我们以 Containerd 为例，看下如何处理 kubelet 的请求。

Containerd 与 CRI

Containerd 的 `criService`[15] 实现了 CRI 接口 `RuntimeService`[16] 和 `ImageService `[17] 的 RuntimeServiceServer 和 ImageServiceServer。

cirService 会进一步包装成 `instrumentedService`[18]，保证所有的操作都是在 k8s.io命名空间下执行的

RuntimeServiceServer

ImageServiceServer

ImageServiceServer[20]

type ImageServiceServer interface {  
    // ListImages lists existing images.    ListImages(context.Context, *ListImagesRequest) (*ListImagesResponse, error)  
    // ImageStatus returns the status of the image. If the image is not    // present, returns a response with ImageStatusResponse.Image set to    // nil.    ImageStatus(context.Context, *ImageStatusRequest) (*ImageStatusResponse, error)  
    // PullImage pulls an image with authentication config.    PullImage(context.Context, *PullImageRequest) (*PullImageResponse, error)  
    // RemoveImage removes the image.    // This call is idempotent, and must not return an error if the image has    // already been removed.    RemoveImage(context.Context, *RemoveImageRequest) (*RemoveImageResponse, error)  
    // ImageFSInfo returns information of the filesystem that is used to store images.  
    ImageFsInfo(context.Context, *ImageFsInfoRequest) (*ImageFsInfoResponse, error)  
}

下面以创建 sandbox 为例看一下 Containerd 的源码。

Containerd 源码分析

创建 sandbox 容器的请求通过 CRI 的 UDS（Unix domain socket）[21] 接口 /runtime.v1.RuntimeService/RunPodSandbox，进入到 criService 的处理流程中。在 criService#RunPodSandbox()，负责创建和运行 sandbox 容器，并保证容器状态正常。

下载 sandobx 容器镜像
初始化容器元数据
初始化 pod 网络命名空间，详细内容可参考之前的文章源码解析：从 kubelet、容器运行时看 CNI 的使用[22]
更新容器元数据
写入文件系统

参考源码

pkg/cri/server/sandbox_run.go#L61[23]
services/tasks/local.go#L156[24]

总结

CRI 提供了一种标准化的接口，用于与底层容器运行时进行交互。这对与发展和状大 Kubernetes 生态系统非常重要：

Kubernetes 控制平面与容器管理的具体实现解耦，可以独立升级或者切换容器运行时，方便扩展和优化。
Kubernetes 作为一个跨云、跨平台和多环境的容器编排系统，在不同的环境和场景下使用不同的容器平台。CRI 的出现，保证平台的多样性和灵活性。

参考资料

[1] 很久之前挖下的坑: https://atbug.com/how-kubelete-container-runtime-work-with-cni/#创建-pod

[2] containerd: https://kubernetes.io/docs/setup/production-environment/container-runtimes/#containerd

[3] CRI-O: https://kubernetes.io/docs/setup/production-environment/container-runtimes/#cri-o

[4] Docker Engine: https://kubernetes.io/docs/setup/production-environment/container-runtimes/#docker

[5] Mirantis Container Runtime: https://kubernetes.io/docs/setup/production-environment/container-runtimes/#mcr

[6] Kubernets 1.5: https://kubernetes.io/blog/2016/12/container-runtime-interface-cri-in-kubernetes/

[7] 正式移除了 Dockershim: https://kubernetes.io/blog/2022/05/03/dockershim-historical-context/

[8] kubelet 源码分析: https://mp.weixin.qq.com/s/O7k3MlgyonNtOUxNPrN8lg

[9] 容器运行时: https://kubernetes.io/docs/setup/production-environment/container-runtimes/

[10] kubeGenericRuntimeManager#SyncPod(): https://Github.com/kubernetes/kubernetes/blob/023d6fb8f4a7d130bf5c8e725ca310df9e663cd0/pkg/kubelet/kuberuntime/kuberuntime_manager.go#L711

[11] 初始化 CRI 客户端: https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/14fcab83adf319b8ef8e82e1054412309c46f535/pkg/kubelet/kubelet.go#L285

[12] pkg/kubelet/kuberuntime/kuberuntime_sandbox.go#L39: https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/ea929715339da4553589df61c8638bac3bcae618/pkg/kubelet/kuberuntime/kuberuntime_sandbox.go#L39

[13] pkg/kubelet/kuberuntime/kuberuntime_container.go#L176: https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/3946d99904fe37ea04b231a8d101085b9b80b221/pkg/kubelet/kuberuntime/kuberuntime_container.go#L176

[14] pkg/kubelet/images/image_manager.go#L89: https://github.com/kubernetes/kubernetes/blob/de37b9d293613aac194cf522561d19ee1829e87b/pkg/kubelet/images/image_manager.go#L89

[15] criService: https://github.com/containerd/containerd/blob/1764ea9a2815ddbd0cde777b557f97171b84cd02/pkg/cri/server/service.go#L77

[16] RuntimeService: https://github.com/kubernetes/cri-api/blob/master/pkg/apis/runtime/v1/api.proto#L34

[17] ImageService : https://github.com/kubernetes/cri-api/blob/master/pkg/apis/runtime/v1/api.proto#L128

[18] instrumentedService: https://github.com/containerd/containerd/blob/d3c7e31c8a8f7dc3f0ef0d189fda5a7caca42ce2/pkg/cri/server/instrumented_service.go#L32

[19] RuntimeServiceServer: https://github.com/kubernetes/cri-api/blob/v0.25.0/pkg/apis/runtime/v1/api.pb.go#L9301

[20] ImageServiceServer: https://github.com/kubernetes/cri-api/blob/v0.25.0/pkg/apis/runtime/v1/api.pb.go#L10131C9-L10131C9

[21] UDS（Unix domain socket）: https://en.wikipedia.org/wiki/Unix_domain_socket

[22] 源码解析：从 kubelet、容器运行时看 CNI 的使用: https://atbug.com/how-kubelete-container-runtime-work-with-cni/#创建-sandbox-容器

[23] pkg/cri/server/sandbox_run.go#L61: https://github.com/containerd/containerd/blob/f2376e659ffa55e4ff2578baf4e4c7aab54042e4/pkg/cri/server/sandbox_run.go#L61

[24] services/tasks/local.go#L156: https://github.com/containerd/containerd/blob/bbe46b8c43fc2febe316775bc2d4b9d697bbf05c/services/tasks/local.go#L156