Kubernetes作為云原生領域容器編排的事實標準毋庸置疑，Kubernetes作為編排調度的指揮官，而真正的執(zhí)行者實際上是容器運行時。在云原生生態(tài)中，容器運行時作為云原生技術棧的基石，是至關重要的一環(huán)。本書旨在幫助讀者全面了解containerd的基本原理和概念。本書從云原生與容器運行時講起，內容涵蓋云原生和容器的發(fā)展史，容器技術的Linux原理，containerd的架構、原理、功能、部署、配置、插件擴展開發(fā)等，并詳細介紹containerd生產實踐中的配置以及落地實踐，使讀者對containerd的概念、原理、實踐有比較清晰的了解。
本書適合作為云原生和容器技術的架構師、研發(fā)工程師和運維工程師的參考資料，也適合作為希望了解云計算和容器技術的愛好者的自學用書和參考手冊。
本書由字節(jié)跳動火山引擎資深技術專家傾力撰寫，并獲得了來自CNCF、浙江大學計算機系SEL實驗室、火山引擎邊緣云、邊緣計算社區(qū)、Kata Containers架構委員會等技術專家傾情力薦。這是首本詳細剖析容器運行時containerd原理與實戰(zhàn)的書，匯聚了作者十余年云原生工作中的經驗總結與思考。
創(chuàng)作背景
近幾年，隨著Kubernetes和容器技術的崛起，云原生已成為當下熱門的技術話題。而Kubernetes也毫無疑問地成為容器編排領域的事實標準。容器運行時作為Kubernetes運行容器的關鍵組件，承擔著管理進程的使命。起初Kubernetes支持的容器運行時是Docker，Docker client通過代碼內嵌的方式集成在kubelet中。之后Kubernetes重新設計了CRI標準，使得各種容器運行時可以通過CRI協(xié)議接入Kubernetes。而之前通過硬編碼形式嵌入kubelet中的Docker client，則逐漸遷移到CRI標準下（dockershim），并在Kubernetes 1.24版本中被徹底移除。
CRI支持的容器運行時有很多，其中containerd作為從Docker項目中分離出來的項目，由于經歷了Docker多年生產環(huán)境的磨煉，相比其他CRI運行時更加健壯、成熟。正如containerd官網所言，containerd是一個工業(yè)級標準的容器運行時，它強調簡單性、健壯性和可移植性。
Docker作為老牌的容器運行時，有很多相關的書籍和資料對其進行介紹，而containerd作為一個新興的容器運行時，截至筆者著書之日，依然沒有系統(tǒng)介紹它的書籍。作為一名云原生以及容器技術的忠實粉絲，筆者很早就接觸到了containerd項目，并見證了containerd項目的發(fā)展，為containerd項目取得的成就感到驕傲，也對containerd項目充滿了信心。因此，希望通過這本書，更多的人可以了解containerd，體驗containerd帶來的價值。
目標讀者
本書的目標讀者包括：
云原生架構師。
容器技術架構師。
研發(fā)工程師。
運維工程師。
云計算和容器技術的愛好者。
本書內容
本書作為一本系統(tǒng)介紹云原生容器運行時containerd的書，將通過深入淺出的方式一步步介紹containerd的發(fā)展歷史、依賴的技術背景、技術架構和原理等。
本書內容共分8章，每章的知識點如下。
第1章：講解云原生與容器運行時，介紹什么是云原生，云原生有什么價值，云原生與容器運行時有什么關系，以及Docker與Kubernetes的發(fā)展歷史等，帶讀者了解containerd容器技術的發(fā)展與歷史。
第2章：講解容器運行時的概念，從容器技術及其發(fā)展歷史出發(fā)，為讀者介紹容器的發(fā)展史，容器所依賴的Linux基礎，容器運行時以及當前的容器運行時規(guī) 范等。
第3章：講解如何使用containerd，內容包括containerd的安裝和部署，以及如何通過ctr和nerdctl兩種cli工具操作containerd。
第4章：講解containerd與CRI，內容包括Kubernetes中的CRI機制及其演進、containerd中的CRI Plugin架構和配置，以及CRI客戶端工具crictl的使用等。
第5章：講解containerd中的容器網絡，主要從CNI規(guī)范、常見的CNI網絡插件，以及如何在containerd中指定容器網絡創(chuàng)建容器等方面展開介紹。
第6章：講解containerd和容器存儲，重點介紹containerd是如何通過snapshotter管理容器鏡像的。
第7章：講解containerd的核心組件，對containerd的架構進行剖析，根據(jù)containerd架構講解組成containerd的各個模塊，如API、Core以及Backend層的多個模塊。
第8章：講解containerd生產與實踐中的一些操作，如如何配置containerd的監(jiān) 控，如何基于containerd做二次開發(fā)等。
讀者服務
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勘誤和支持
由于筆者水平有限，書中難免會有疏漏和不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。
致謝
本書從構思、形成初稿，直到出版問世，得到了許多人的幫助。
首先要感謝的是我的妻子對我的支持，使我有足夠的時間投入本書的寫作中，并在寫作的過程中給了我很大的鼓勵和支持。
本書的大量內容源于我所參與的項目實踐。諸多業(yè)務合作伙伴在使用我們的容器平臺的過程中向我們提出了許多富有挑戰(zhàn)的問題，是他們孜孜不倦的追求，深化了我對容器技術、containerd的理解，進而豐富了本書的內容。對此，向曾經一起合作的團隊成員表示感謝。
最后，衷心感謝清華大學出版社王秋陽老師對本書進行細致的審閱和策劃，讓本書的架構更加完備，內容更加完整，并最終得以順利出版。
筆者
趙吉壯，碩士畢業(yè)于浙江大學控制科學與工程學院，字節(jié)跳動火山引擎云計算架構師，Kubernetes、Knative 等開源社區(qū)成員。具備多年云原生領域架構設計與研發(fā)經驗，主導火山引擎邊緣容器完成從0 到1的建設。專注于 kubernetes、Serverless、容器等技術的研究，譯作有《Knative 最佳實踐》和《Knative 快速入門與實踐》等書籍。
張明月，新華三資深網絡技術專家，多年企業(yè)網實踐經驗，對數(shù)據(jù)中心網絡、園區(qū)網絡、傳統(tǒng)二三層交換機、數(shù)據(jù)傳輸設備，從管理面到協(xié)議控制面，都有著深刻的理解。
第1章 云原生與容器運行時 1
1.1 云原生概述 1
1.1.1 云原生的定義 1
1.1.2 云原生應用的價值 3
1.1.3 云原生應用與傳統(tǒng)應用對比 3
1.2 云原生技術棧與容器運行時 4
1.2.1 云原生技術棧 4
1.2.2 容器運行時 5
1.3 Docker與Kubernetes的發(fā)展史 7
1.3.1 Docker的發(fā)展歷史及與容器世界的關聯(lián) 7
1.3.2 Docker架構的發(fā)展 13
1.4 containerd概述 15
第2章 初識容器運行時 18
2.1 容器技術的發(fā)展史 19
2.2 容器Linux基礎 25
2.2.1 容器是如何運行的 25
2.2.2 namespace 27
2.2.3 Cgroups 46
2.2.4 chroot和pivot_root 52
2.3 容器運行時概述 54
2.3.1 什么是容器運行時 54
2.3.2 OCI規(guī)范 55
2.3.3 低級容器運行時 70
2.3.4 高級容器運行時 71
第3章 使用containerd 73
3.1 containerd的安裝與部署 74
3.1.1 containerd的安裝 74
3.1.2 配置containerd.service 76
3.2 ctr的使用 78
3.2.1 ctr的安裝 78
3.2.2 namespace 80
3.2.3 鏡像操作 82
3.2.4 容器操作 85
3.3 nerdctl的使用 89
3.3.1 nerdctl的設計初衷 89
3.3.2 安裝和部署nerdctl 90
3.3.3 nerdctl的命令行使用 92
3.3.4 運行容器 95
3.3.5 構建鏡像 96
第4章 containerd與云原生生態(tài) 99
4.1 Kubernetes與CRI 99
4.1.1 Kubernetes概述 99
4.1.2 CRI與containerd在Kubernetes生態(tài)中的演進 101
4.1.3 CRI概述 104
4.1.4 幾種CRI實現(xiàn)及其概述 110
4.2 containerd與CRI Plugin 115
4.2.1 containerd中的CRI Plugin 115
4.2.2 CRI Plugin中的重要配置 117
4.2.3 CRI Plugin中的配置項全解 130
4.3 crictl的使用 138
4.3.1 crictl概述 138
4.3.2 crictl的安裝和配置 139
4.3.3 crictl使用說明 142
第5章 containerd與容器網絡 153
5.1 容器網絡接口 153
5.1.1 CNI概述 153
5.1.2 CNI配置文件的格式 155
5.1.3 容器運行時對CNI插件的調用 157
5.1.4 CNI插件的執(zhí)行流程 160
5.1.5 CNI插件的委托調用 166
5.1.6 CNI插件接口的輸出格式 167
5.1.7 手動配置容器網絡 169
5.2 CNI插件介紹 181
5.2.1 main類插件 182
5.2.2 ipam類插件 197
5.2.3 meta類插件 203
5.3 containerd中CNI的使用 209
5.3.1 containerd中CNI的安裝與部署 209
5.3.2 nerdctl使用CNI 210
5.3.3 CRI使用CNI 214
5.3.4 ctr使用CNI 215
第6章 containerd與容器存儲 216
6.1 containerd中的數(shù)據(jù)存儲 216
6.1.1 理解容器鏡像 216
6.1.2 containerd中的存儲目錄 219
6.1.3 containerd中的鏡像存儲 222
6.1.4 containerd中的content 223
6.1.5 containerd中的snapshot 230
6.2 containerd鏡像存儲插件
snapshotter 234
6.2.1 Docker中的鏡像存儲管理
graphdriver 235
6.2.2 graphdriver與snapshotter 237
6.2.3 snapshotter概述 238
6.2.4 containerd中如何使用snapshotter 243
6.3 containerd支持的snapshotter 246
6.3.1 native snapshotter 246
6.3.2 overlayfs snapshotter 250
6.3.3 devmapper snapshotter 258
第7章 containerd核心組件解析 272
7.1 containerd架構總覽 272
7.2 containerd API和Core 274
7.2.1 GRPC API 275
7.2.2 Services 289
7.2.3 Metadata 290
7.3 containerd Backend 293
7.3.1 containerd中的proxy plugins 294
7.3.2 containerd中的Runtime和shim 297
7.3.3 containerd shim規(guī)范 300
7.3.4 shim工作流程解析 306
7.4 containerd與NRI 309
7.4.1 NRI概述 310
7.4.2 NRI插件原理 311
7.4.3 containerd中啟用NRI插件 319
7.4.4 containerd NRI插件示例 320
7.4.5 NRI插件的應用 322
第8章 containerd生產與實踐 323
8.1 containerd監(jiān)控實踐 323
8.1.1 安裝Prometheus 323
8.1.2 Prometheus上containerd的指標
采集配置 326
8.1.3 Grafana監(jiān)控配置 330
8.1.4 配置containerd面板 330
8.2 基于containerd開發(fā)自己的
容器客戶端 332
8.2.1 初始化Client 333
8.2.2 拉取鏡像 334
8.2.3 創(chuàng)建OCI Spec 334
8.2.4 創(chuàng)建task 334
8.2.5 啟動task 335
8.2.6 停止task 335
8.2.7 運行示例 336
8.3 開發(fā)自己的NRI插件 337
8.3.1 插件定義與接口實現(xiàn) 337
8.3.2 插件實例化與啟動 339
8.3.3 插件的運行演示 339
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