虚拟与容器：计算世界的平行宇宙

•第一章：计算机的梦想家们•第二章：大型机时代的先驱•第三章：虚拟机的复兴•第四章：容器技术的萌芽•第五章：云原生时代的到来空中，有一群不断追逐梦想的人们。他们界，一个能够让计算资源像水和电一样随取随用的世似简单，却蕴含着无限的复杂性和可能性。这就是虚共享的梦想值连城，却常常只能执行一项任务，大器同时运行多个操作系统环境，让多。平行宇宙的构想想象一下，在一台物理计算机中，存在着多个完全独立的"世界"，每个"世界"都有自己的操作系统、应用程序和用户，彼此之间互不干扰，却共享着底层的硬件资源。这些"世界"就像是物理宇宙中的再创造完整的平行宇宙，而是在同一个操作系统内部，为应用程序创造相对隔离的"口袋宇宙"，让应用占了整个环境，实际上却是共享着同一个操作系统内两条平行的技术路线术路线，看似相似，实则各有千秋，它究带入了商业世界，让虚拟机成为了数据中心的标准命。人物与时代。所处的时代背景，共同塑造了虚拟化与容器技术的本质计算机硬件资源的抽象和模拟。它通过在物理硬件之上添加一层软件层(称为虚拟机监视器或Hypervisor建多个虚拟机，每个虚拟机都拥有自己的虚拟CPU完整的操作系统和应用程用程序运行环境的抽象和隔离。它不需要模拟硬件，而是直接利用操作系统内核提供的隔离机制(如Linux的es一个操作系统内核，因此比虚拟机更加轻量级，启动旅程的开始到今天的云原生时代，探索虚拟化与容器技术如何从简挑战、竞争与合作的故事，也是一段关于技看到技术的演进不仅仅是功能的叠加，更平行宇宙的神秘面纱，探索虚拟化与在计算机发展的黎明时期，大型机(Mainframe)是计算世界的整个房间，价格昂贵，却是当时最强大的景下，虚拟化技术的种子被播下，开始了IBM与CP-40系统的诞生强大的机器面临着一个严峻的问题：如何开发一个名为SAGE(Semi-AutomaticGroundEnvironment)的防户同时访问同一台计算机，这促使工程。CP-40项目的研发。CP代表"ControlProgram"(控制程序)，40则是用户都感觉自己拥有一台完整的计算同一台物理机器的资源。"Creasy在一次项lMachineMonitor虚拟机监视器的理论基础意义的论文：《虚拟机监视器的形式化要求》 Architectures)。这篇论文首次系统地定义了虚拟机监视器的概念，1.等价性(Equivalence)：在虚拟机中运行的程序，其行为2.资源控制(ResourceControl)：虚拟机监视器必须完全，虚拟机中的程序不能直接访问或修改这些资3.效率(Efficiency)：大多数虚拟机指令应该直接在物理处现，更是一种思想，一种将物理资源地使用的思想。"Popek在一次学术会议上 用昂贵的计算资源，同时也为软件开发和测试提供取得了显著进展，但容器技术的发 chroot了提别的隔离，而不是完整的进程隔离，但它引入了一个重需要隔离特定的资源就足够了。"一位Unix系统开发者回供一个受限的文件系统视图。然而，这个大型机虚拟化的局限与个人计算机的兴起依赖于特定的硬件架构，难以移植次，随着个人计算机的兴起，计算资源变得更加廉价计算机时，为什么还需要在一台机器历史证明，这种观点是短视的。随着企业IT环境的复杂化从FreeBSDjail到早期的容器概念.0引入了jail功能，这被认为是第一个商用的操作系统级虚拟化技隔离了进程空间、用户账户和网络接口。一个jail内的进程只jail统或其他jail。jail了我们一个全新的视角：我们可以在同一个操作系统内核每个环境都有自己的文件系统、进程空向更全面的操作系统级虚拟化发展。虽然jail还不是现代意义上的容器技术的核心理念：在共享同一个操作系统内核的时代的转折点个时期还处于萌芽状态，但随着Linux内核k精神和前瞻性思维，将在未来的技术发展中继续发挥影计算机科学家所说："技术的发展从来不是孤立的，今天天的基础之上。大型机时代的虚拟化技术，看似的理念和原则，却在现代技术中得到了传承和发扬。"明，虚拟化技术曾一度沉寂。然而，随着IT环境的日益复杂和服务器数量的激增，虚拟化技术迎来了它的x86架构服务VMware的诞生：从学术研究到商业产品mx脑和服务器也能享受um可以用于硬件迁移，还可以解决许多同一台机器上运行不同的操作系统，或者为软件开个操作系统。这款产品立即引起了技术爱好IT专业人士的关注，因为它解决了一个实际问题：如何在不重启同的操作系统上测试我的程序。以前，我需要多台电ex86虚拟化的挑战与解决方案x需求，它包x拟化？他们的解决方案是一种称为"二进制翻译"(BinaryTranslation)的技术。修改虚拟机中运行的代码，将那为可以安全执行的等效指令序列。这种方法。它让我们能够在不修改客户操作系PageTables)技术，用于高效地虚拟化内存管理单元(MMU)。这ESXiVMware发布了ESXServer(后来改名为ESX)，这是一款直接运行在。ESXServer采用了一种称为"Type-1"或"裸金属"(Bare-metal)架构，它直接控制硬件资源，并将这些资源分配给虚务器整合到更少的硬件上，提高资源利用率，降低成x中添加了新的指令集和硬件特性，专门用于支持虚拟拟化大大简化了虚拟机监视器的实现，并提高了虚拟构的一次重要演进。它表明虚拟化已eneXen采用了一种称为"准虚拟化"(Paravirtualization)的技术，类似但更高效的接口。准虚拟化牲了一些兼容性，换取了更好的性Xen者解释2007年，另一个重要的开源虚拟化项目KVM(Kernel-basedLinux的所有功能和优化，同时保持相对简单的代码库。"一位Linux内虚拟化管理平台的发展为一个新的挑战。为Server)，这是一个集中式的虚拟化管理平台，允许管理员从一个统 (允许在不停机的情况下将虚拟机从一个物理主机迁移到另一个)、DRS(分布式资源调度)和HA(高可用性)。vSphere心操ek虚拟化技术在企业IT中的应用务器工作负载运行在虚拟环境1.资源整合：通过将多个物理服务器整合到更少的硬件上，提2.灵活性和敏捷性：虚拟机可以快速创建、复制、移动和删高可用性和灾难恢复：虚拟化平台提供了诸如实时迁移、自的备份恢复等功能，提高了系统的可靠性和可4.开发和测试环境：虚拟化为开发人员和测试人员提供了隔离变了我们管理IT基础设施的方式。它让我们能够更高效、更灵活地使用资源，同时提高了服务的可靠性。"一位企业IT主虚拟化与云计算的融合Services(AWS)、MicrosoftAzure和GoogleCloudPlatform都大量第一个广泛使用的基础设施即服务(IaaS)产品，它允许用户在云中延伸。虚拟化让我们能够更有效地使的资源，而云计算则让我们能够跨多个数据中心甚至虚拟化技术的未来挑战了巨大成功，但它也面临着一些挑战和局1.性能开销：虽然硬件辅助虚拟化大大减少了性能开销，但虚在物理硬件上运行的应用程序有一定的性能损2.复杂性：虚拟化环境的管理可能变得复杂，特别是在大规模部署中。管理员需要处理虚拟机蔓延(VMsprawl)、资源竞争3.安全性：虽然虚拟化提供了一定程度的隔离，但虚拟机逃逸 4.许可成本：商业虚拟化解决方案的许可成本可能很高，特别化技术的持续创新，也为容器技术等新兴技从虚拟机到容器：技术演进的下一步IT，人们开始寻找更轻量级、更大，但它们也有一定的资源开销，因的技术开始引起关注：容器。容器技术不需完整的操作系统，而是直接利用宿主操作系统的内术演进的下一步。它们提供了类似于拟机的隔离，但资源开销更小，启动更快。"一位技术分析师这样比r个故事了，我们将在下一章中详细探讨容器技术虚拟机技术的遗产IT的面貌。它不仅提高了资源利用率，降低了成本，还为云计IT。无论是传统的企业数据中心，还是现代的云计算平种思想，一种将计算资源从物理约束中解放出来继续影响计算技术的发展，无论底层技术如何变化。"续，它与容器技术、云计算等新兴技术融合、相互促进，共同推动着IT行业的发展。在下一章中，我们的同时，另一种更轻量级的虚拟化技术也器技术，它不需要模拟完整的硬件环境，而是的内核，为应用程序提供一个相对隔离的运行器技术从早期概念到成熟应用的发展历程，特别Linuxcgroups和namespaces代发展离不开Linux内核的两个关键特性：控制组 (cgroups)和命名空间(namespaces)。这两项技术为容器提供了cgroups(控制组)技术。cgroups允许Linux内核限制、记录和隔离进程组对系统资源(如CPU、内存、磁盘I/O和网络)的使用。隔离进程组的资源使用，这样一个进程组就不会消耗过多的系统资源，影响其他进程的运行。"Paul初被称为"processcontainers"(进程容器)，后来为了避免与容器技术混淆，改名为"controlgroups"(控制组)。与此同时，Linux内核也在不断完善命名空间(namespaces)技术。命名空间允许将系统资源(如进程ID、主机名、用户ID、文件名、网络访问和进程间通信)进行隔离，使得一个命名空间中的进程•2002年：挂载命名空间(MountNamespace)e名空间技术让我们能够创建一个'假象'，让进程组以为它们拥自己的独立系统环境，而实际上它们只是共享同一个内核。"一位x了资源限制和环境隔离的能力，使得在同一个Google的容器实践：从进程容器到Borg隔离不同的应用程序，并高效地在同一台物理机器无法满足我们的需求。我们需要一种更轻量级的隔离You"(LMCTFY)的项目，将其部分容器技术开源。LMCTFY提供了一的容器实现，不如与社区合作，共同esLXC：Linux容器的雏形CLinux系统上运行多个相互隔离的Linux系统(容器)，而不需要启动x特性包装成了一个友好的接口，大大降低了容器技术的lxc-*命令行工具：用于创建、启动、停止和管理容器的命令行工具•各种语言的绑定：如Python、Lua、Go等，方便不同语言的开CloudFoundry的Warden：容器管理系统的雏形CloudFoundry的开源平台即服务(PaaS)项目。作为CloudFoundry者能够专注于应用程序本身，而不是底层的容器技nDocker的诞生：容器技术的普及者，主要面向系统管理员和平台开发者。容器技术要真正XC (后来发展出自己的容器运行时libcontainer)，但提供了更简单的用轻松地将他们的应用程序打包成一个，然后在任何地方运行，无论是开发环境、测试环境还1.Docker镜像：一个轻量级、可移植、自包含的软件包，包含了运行应用程序所需的一切(代码、运行时、系统工具、系统库等)。2.Docker容器：镜像的运行实例，可以启动、停止、移动和，以至于任何开发者都可以在几分钟内开始使Docker的爆炸性增长r重用容器镜像，大大加速了应用程序的开发和部署过r (原dotCloud)完成了4000万美元的B轮融资，估值达到4亿美元。这Docker的技术演进libcontainer(后来成为runc)。成立了开放容器倡议(OpenContainerInitiative，OCI)，旨在围绕发展至关重要。我们需要确保不同的CI并将容器运行时containerd捐赠给了云原生计算基金会(CNCF)。这Docker师解容器编排的需求与挑战：如何管理大量的容，一个应用可能由数十甚至数百个容器组成，这些r要针对单机环境，不适合大规模的生产部署。"一位容器技术专家er Fetes容器技术的标准化的议题。不同的容器化。成立了开放容器倡议(OpenContainerInitiative，OCI)，旨在围绕1.运行时规范(RuntimeSpecification)：定义了如何运行2.镜像规范(ImageSpecification)：定义了OCI容器镜像提供了一个共同的基础，使得不同的容器实CI一位OCI的技容器安全的挑战与解决方案全性成为一个越来越作系统的内核，这意味着容器之间的隔题，需要从镜像构建、部署到运行时容器技术的企业采用0%的企业已经在生产环境中使用容：1.开发和运维效率提升：容器技术简化了应用程序的打包和部署过程，减少了"在我的机器上能运行"的问题，提高了开发和运2.资源利用率提高：相比虚拟机，容器的资源开销更小，可以3.应用程序可移植性：容器化的应用程序可以在任何支持容器4.微服务架构支持：容器技术为微服务架构提供了理想的部署发和部署应用程序的方式。它使我们地利用资源，更灵活地应对业务需求容器技术的未来展望势融合，如无服务器计算(Serverless)、服务网格(ServiceMesh)和边缘计算(EdgeComputing)。务网格技术(如Istio和Linkerd)为容器化应用程序提供了更强大的网边缘计算则将容器技术扩展到了云数据中心之外术本身的演进，更是与其他技术的融看到容器技术在更多领域的应用，以及更多基于容容器技术的遗产它不仅提高了资源利用率，简化了应用程序的打包和开发和运维实践中。无论是创业公司还是大型企。注于创造价值，而不是解决环境差异和部署复杂性的问题。"继续，它与云计算、人工智能、边缘计算等融合，将继续推动IT行业的创新和发展。在下一章中，我们将变成一个完整的生态系统，以及它如何与云原生生(CloudNative)。云原生不仅仅是一种技术，更是一种设计理念彻底改变了软件的构建、部署和运行方式。本章将探到来，以及容器技术如何成为这一变革的核心驱动云原生的定义与理念云原生计算基金会(CNCF)进一步发展和推广。根据CNCF的定义，云原生技术使组织能够在现代动态环境(如公有云、私有云和混合云)中构建和运行可扩展的应用程序。1.容器化：将应用程序及其依赖打包为容器，实现环境一致性2.微服务架构：将应用程序拆分为松耦合的微服务，每个微服3.声明式API：通过声明式API定义应用程序的期望状态，由系4.DevOps实践：采用自动化和协作的方法来加速软件交付和5.持续交付：通过自动化的构建、测试和部署流程，实现快更是一种思维方式。它要求我们重新运行应用程序，以充分利用云计算的弹性和可云原生计算基金会(CNCF)的成立与发展s原生技术提供了一个中立的家园，促进了开源社区的协作和创新。"一中包括多个"毕业"项目，如据自己的需求选择和组合这些积木，构建自己的云。KubernetesCNCF社3.丰富的生态系统：围绕Kubernetes形成了庞大的生态系4.广泛的行业支持：主要的云服务提供商和企业软件公司都支利益相关者聚集在一起，共同推动容器技术的标准化和普及。"一位的功能和改进。例如，1.8版本引入了角色基础访问控制(RBAC)，同时保持向后兼容性和稳定性。"一位容器运行时的标准化与演进年，开放容器倡议(OCI)的成立标志着容器格式和运行时开始走向标OCI定义了两个主要规范：运行时规范(RuntimeSpecification)和镜像规范(ImageSpecification)。这些规范为容OCI行时，提供了镜像传输、存储和容器执行等 (CRI)。化，使得用户可以根据自己的需求选择最合适的解决方案，同时保持与更广泛生态系统的兼容性。"一位容展到了一个新阶段，我们需要更专注、更标准化服务网格：微服务通信的新范式得越来越复杂。为了解决这个问题，服务网格(ServiceMesh)技术应运而生。处理服务间通信的基础设施层，它负责处理、流量管理、安全通信等功能，使应用程序代码Istio决方案，使用Envoy作中的一个关键挑战：如何管理服务之程序中分离出来，使开发者可以专注了微服务架构的复杂性和多样性。不同的组织有不同的需求和约束，需要不同的服务网格解决方案。"一位无服务器容器：容器与函数计算的融合无服务器计算(Serverless)是云计算的一种模式，它允许开发程序而无需管理服务器。最初，无服务器计算主要以函数即服务(FaaS)的形式出现，如AWSLambda。随着容器技术的普及，无服务器容器(ServerlessContainers)性。术的一个重要发展方向。它使开发者序本身，而不是底层基础设施，同时保持容器的可ativesServing部署和自动扩展容器)和Eventing (用于事件驱动的架构)。Knative梁。它使得开发者可以es容器安全的演进全性成为一个越来越容器安全涵盖了多个方面，包括镜像安全、运行时安工具和服务出现，用于扫描容器镜像中的道防线。它可以帮助我们在问题进入现了多种安全容器技术，提供比传统容器gVisorGoogle容器提2.KataContainers：由OpenStack基金会(现为Open3.Firecracker：由AWS开发，是一个轻量级的虚拟化技术，全的一个重要发展方向。它们通过引额外的隔离层，解决了传统容器的安全局限性。"一位容器安全专家业产品出现，用于监控和保护容器运行领域。随着容器技术的普及和攻击手段的发展，我们需要不断创新和改进安全措施。"一位安全研究员指容器技术在边缘计算中的应用随着物联网(IoT)和5G技术的发展，边缘计算(Edge和可移植性，成为边缘计算的理想选择。多1.K3s：由RancherLabs(现为SUSE的一部分)开发，是一2.KubeEdge：由华为主导的开源项目，扩展了Kubernetes的3.EclipseioFog：由Eclipse基金会托管，是一个边缘计算平缘设备上运行复杂的应用程序，同时的一致性和连续性。这对于实现真正的分布式计算至关一些特殊的挑战，如资源受限的设备、间歇性网络为了解决这些挑战，边缘容器平台通常提供轻量级一个新前沿。它要求我们重新思考容器的设计和运行方式，以适应边缘环境的独特需求。"一位边缘容器平 启动更快，内存占用更小，同时提供了强大的安全沙箱。"一位算。然而，它也面临一些挑战，如生态系统成熟多云与混合云中的容器技术的可移植性和标准化容器使得应用程序可以在不同的云环境中一致地3.RedHatOpenShi