干货 | 容器运行时从docker到containerd的迁移
翻译&编辑 | 顾欣怡
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导读
目前，docker是kubernetes默认的容器运行时（Container Runtime）。由于docker过于复杂，操作不便，eBay将容器运行时从docker迁移到containerd，并将存储驱动程序Device Mapper换成Overlayfs。尽管在迁移过程中，我们遇到了不少挑战，但都一一克服并最终完成了此次迁移。
容器运行时（Container Runtime），运行于kubernetes（k8s）集群的每个节点中，负责容器的整个生命周期。其中docker是目前应用最广的。随着容器云的发展，越来越多的容器运行时涌现。为了解决这些容器运行时和k8s的集成问题，在k8s 1.5版本中，社区推出了CRI（Container Runtime Interface, 容器运行时接口）（如图1所示），以支持更多的容器运行时。
Kubelet通过CRI和容器运行时进行通信，使得容器运行时能够像插件一样单独运行。可以说每个容器运行时都有自己的优势，这就允许用户更容易选择和替换自己的容器运行时。
图1 CRI在kubernetes中的位置
一、CRI & OCI
CRI是kubernetes定义的一组gRPC服务。Kubelet作为客户端，基于gRPC框架，通过Socket和容器运行时通信。它包括两类服务：镜像服务（Image Service）和运行时服务（Runtime Service）。镜像服务提供下载、检查和删除镜像的远程程序调用。运行时服务包含用于管理容器生命周期，以及与容器交互的调用（exec / attach / port-forward）的远程程序调用。
如图2所示，dockershim, containerd 和cri-o都是遵循CRI的容器运行时，我们称他们为高层级运行时（High-level Runtime）。
图2 常用的运行时举例
OCI（Open Container Initiative，开放容器计划）定义了创建容器的格式和运行时的开源行业标准，包括镜像规范（Image Specification）和运行时规范(Runtime Specification)。
镜像规范定义了OCI 镜像的标准。如图2所示，高层级运行时将会下载一个OCI 镜像，并把它解压成OCI 运行时文件系统包（filesystem bundle）。
运行时规范则描述了如何从OCI 运行时文件系统包运行容器程序，并且定义它的配置、运行环境和生命周期。如何为新容器设置命名空间(namepsaces)和控制组(cgroups)，以及挂载根文件系统等等操作，都是在这里定义的。它的一个参考实现是runC。我们称其为低层级运行时（Low-level Runtime）。除runC以外，也有很多其他的运行时遵循OCI标准，例如kata-runtime。
二、Containerd vs Cri-o
目前docker仍是kubernetes默认的容器运行时。那为什么会选择换掉docker呢？主要的原因是它的复杂性。
如图3所示，我们总结了docker, containerd以及cri-o的详细调用层级。Docker的多层封装和调用，导致其在可维护性上略逊一筹，增加了线上问题的定位难度（貌似除了重启docker，我们就毫无他法了）。Containerd和cri-o的方案比起docker简洁很多。因此我们更偏向于选用更加简单和纯粹的containerd和cri-o作为我们的容器运行时。
图3 容器运行时调用层级
我们对containerd和cri-o进行了一组性能测试，包括创建、启动、停止和删除容器，以比较它们所耗的时间。如图4所示，containerd在各个方面都表现良好，除了启动容器这项。从总用时来看，containerd的用时还是要比cri-o要短的。
图4 containerd和crio的性能比较
如图5所示，从功能性来讲，containerd和cri-o都符合CRI和OCI的标准。从稳定性来说，单独使用containerd和cri-o都没有足够的生产环境经验。但庆幸的是，containerd一直在docker里使用，而docker的生产环境经验可以说比较充足。可见在稳定性上containerd略胜一筹。所以我们最终选用了containerd。
图5 containerd和cri-o的综合比较
三、Device Mapper vs. Overlayfs
容器运行时使用存储驱动程序（storage driver）来管理镜像和容器的数据。目前我们生产环境选用的是Device Mapper。然而目前Device Mapper在新版本的docker中已经被弃用，containerd也放弃对Device Mapper的支持。
当初选用Device Mapper，也是有历史原因的。我们大概是在2014年开始k8s这个项目的。那时候Overlayfs都还没合进kernel。当时我们评估了docker支持的存储驱动程序，发现Device Mapper是最稳定的。所以我们选用了Device Mapper。但是实际使用下来，由Device Mapper引起的docker问题也不少。所以我们也借这个契机把Device Mapper给换掉，换成现在containerd和docker都默认的Overlayfs。
从图6的测试结果来看，Overlayfs的IO性能比Device Mapper好很多。Overlayfs的IOPS大体上能比Device Mapper高20%，和直接操作主机路径差不多。
图6 后端存储文件系统性能比较
四、迁移方案
最终，我们选用了containerd，并以Overlayfs作为存储后端的文件系统，替换了原有的docker加Device Mapper的搭配。那迁移前后的性能是否得到提升呢？我们在同一个节点上同时起10，30，50和80的pod，然后再同时删除，去比较迁移前后创建和删除的用时。从图7和图8可知，containerd用时明显优于docker。
图7 创建pod的用时比较
图8 删除pod的用时比较
五、迁移挑战
从docker+Device Mapper到containerd+ Overlayfs，容器运行时的迁移并非易事。这个过程中需要删除Device Mapper的thin_pool，全部重新下载用户的容器镜像，全新重建用户的容器。
如图9所示，迁移过程看似简单，但是这对于已运行了5年且拥有100K+光怪陆离的应用程序的集群而言，如何将用户的影响降到最低才是最难的。Containerd在我们生产环境中是否会出现“重大”问题也未可知。
图9 具体的迁移步骤
针对这些挑战，我们也从下面几个方面做出了优化，来保证我们迁移过程的顺利进行。
01
多样的迁移策略
最基本的是以容错域（Fault Domain, fd）为单元迁移。针对我们集群，是以rack（机架）为单元（rack by rack）迁移。针对云原生（cloud-native）且跨容错域部署的应用程序，此升级策略最为安全有效。针对非云原生的应用程序，我们根据其特性和部署拓扑，定制了专属他们的升级策略，例如针对Cassini的集群，我们采用了jenga（层层叠）的升级策略，保证应用程序0宕机。
02
自动化的迁移过程
以rack by rack的策略为例，需要等到一个rack迁移完成以后且客户应用程序恢复到迁移前的状态，才能进行下一个rack的迁移。因此我们对迁移控制器（Controller）进行了加强，利用控制平面（Control Plane）的监控指标（Metrics）和数据平面（Data Plane, 即应用程序）的告警（Alerts），实现典型问题的自动干预和修复功能，详见图10。如果问题不能被修复，错误率达到阈值，迁移才会被暂停。对于大集群，实现了人为的0干预。
图10 自动化迁移流程
03
高可用的镜像仓库
一个rack共有76台机器。假设每个机器上只有50个pod，就可能最多有3800个镜像需要下载。这对镜像仓库的压力是非常大的。除了使用本地仓库，这次迁移过程中还使用了基于gossip协议的镜像本地缓存的功能，来减少远端服务端的压力，具体参见图11。
图11 镜像仓库架构
04
可逆的迁移过程
虽然我们对containerd的问题修复是有信心的，但是毕竟缺少生产环境经验，得做好随时回退的准备。一旦发现迁移后，存在极大程度影响集群的可靠性和可用性的问题，我们就要换回docker。虽然迁移后,在线上的确发现了镜像不能成功下载，容器不能启动和删除等问题，但是我们都找到了根本原因，并修复。所以令人庆幸的是，这个回退方法并未发挥其作用。
六、用户体验
容器运行时是kubernetes的后端服务。容器运行时的迁移不会改变任何的用户体验。但是有一个Overlayfs的问题需要特别说明一下。如果容器的基础镜像（Base Image）是centos6，利用Dockerfile去创建镜像时，如果用yum去安装包，或者在运行的centos6容器中用yum安装包的，会报以下错误：
因为yum在安装包的过程中，会先以只读模式，然后再以写模式去打开rmpdb文件。
如图12所示，对于Overlayfs来说，以只读模式打开一个文件的话，文件直接在下层（lower layer）被打开，我们得到一个fd1。当我们再以写模式打开，就会触发一个copy_up。rmpdb就会拷贝到上层（upper layer）。文件就会在上层打开得到fd2。这两个fd本来是想打开同一个文件，事实却并非如此。
图12
图13
解决方案就是在执行yum命令之前先装一个yum-plugin-ovl插件。这个插件就是去做一个初始的copy_up，如图13所示。将rpmdb先拷贝到上层，参考Dockerfile如下：
如果基础镜像是centos7，则没有这个问题，因为centos7的基础镜像已经有这个规避方法了。
七、总结
目前我们50个集群，20K+的节点已经全部迁到containerd，历时2个月（非执行时间）。从目前情况来看，还比较稳定。虽然迁移过程中也出了不少问题，但经过各个小组的不懈努力，此次迁移终于顺利完成了。
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