思考并回答以下问题：

在上一篇文章中，我为你详细地讲解了kubelet和CRI的设计和具体的工作原理。而在讲解CRI的诞生背景时，我也提到过，这其中的一个重要推动力，就是基于虚拟化或者独立内核的安全容器项目的逐渐成熟。

使用虚拟化技术来做一个像Docker一样的容器项目，并不是一个新鲜的主意。早在Docker项目发布之后，Google公司就开源了一个实验性的项目，叫作novm。这，可以算是试图使用常规的虚拟化技术来运行Docker镜像的第一次尝试。不过，novm在开源后不久，就被放弃了，这对于Google公司来说或许不算是什么新鲜事，但是novm的昙花一现，还是激发出了很多内核开发者的灵感。

所以在2015年，几乎在同一个星期，IntelOTC（OpenSourceTechnologyCenter）和国内的HyperHQ团队同时开源了两个基于虚拟化技术的容器实现，分别叫做IntelClearContainer和runV项目。

而在2017年，借着Kubernetes的东风，这两个相似的容器运行时项目在中立基金会的撮合下最终合并，就成了现在大家耳熟能详的KataContainers项目。由于KataContainers的本质就是一个精简后的轻量级虚拟机，所以它的特点，就是“像虚拟机一样安全，像容器一样敏捷”。

而在2018年，Google公司则发布了一个名叫gVisor的项目。gVisor项目给容器进程配置一个用Go语言实现的、运行在用户态的、极小的“独立内核”。这个内核对容器进程暴露Linux内核ABI，扮演着“GuestKernel”的角色，从而达到了将容器和宿主机隔离开的目的。

不难看到，无论是KataContainers，还是gVisor，它们实现安全容器的方法其实是殊途同归的。这两种容器实现的本质，都是给进程分配了一个独立的操作系统内核，从而避免了让容器共享宿主机的内核。这样，容器进程能够看到的攻击面，就从整个宿主机内核变成了一个极小的、独立的、以容器为单位的内核，从而有效解决了容器进程发生“逃逸”或者夺取整个宿主机的控制权的问题。这个原理，可以用如下所示的示意图来表示清楚。

而它们的区别在于，KataContainers使用的是传统的虚拟化技术，通过虚拟硬件模拟出了一台“小虚拟机”，然后在这个小虚拟机里安装了一个裁剪后的Linux内核来实现强隔离。

而gVisor的做法则更加激进，Google的工程师直接用Go语言“模拟”出了一个运行在用户态的操作系统内核，然后通过这个模拟的内核来代替容器进程向宿主机发起有限的、可控的系统调用。

接下来，我就来为你详细解读一下KataContainers和gVisor具体的设计原理。

首先，我们来看KataContainers。它的工作原理可以用如下所示的示意图来描述。

我们前面说过，KataContainers的本质，就是一个轻量化虚拟机。所以当你启动一个KataContainers之后，你其实就会看到一个正常的虚拟机在运行。这也就意味着，一个标准的虚拟机管理程序（VirtualMachineManager,VMM）是运行KataContainers必备的一个组件。在我们上面图中，使用的VMM就是Qemu。

而使用了虚拟机作为进程的隔离环境之后，KataContainers原生就带有了Pod的概念。即：这个KataContainers启动的虚拟机，就是一个Pod；而用户定义的容器，就是运行在这个轻量级虚拟机里的进程。在具体实现上，KataContainers的虚拟机里会有一个特殊的Init进程负责管理虚拟机里面的用户容器，并且只为这些容器开启MountNamespace。所以，这些用户容器之间，原生就是共享Network以及其他Namespace的。

此外，为了跟上层编排框架比如Kubernetes进行对接，KataContainers项目会启动一系列跟用户容器对应的shim进程，来负责操作这些用户容器的生命周期。当然，这些操作，实际上还是要靠虚拟机里的Init进程来帮你做到。

而在具体的架构上，KataContainers的实现方式同一个正常的虚拟机其实也非常类似。这里的原理，可以用如下所示的一幅示意图来表示。

可以看到，当KataContainers运行起来之后，虚拟机里的用户进程（容器），实际上只能看到虚拟机里的、被裁减过的GuestKernel，以及通过Hypervisor虚拟出来的硬件设备。

而为了能够对这个虚拟机的I/O性能进行优化，KataContainers也会通过vhost技术（比如：vhost-user）来实现Guest与Host之间的高效的网络通信，并且使用PCIPassthrough（PCI穿透）技术来让Guest里的进程直接访问到宿主机上的物理设备。这些架构设计与实现，其实跟常规虚拟机的优化手段是基本一致的。

相比之下，gVisor的设计其实要更加“激进”一些。它的原理，可以用如下所示的示意图来表示清楚。

gVisor工作的核心，在于它为应用进程、也就是用户容器，启动了一个名叫Sentry的进程。而Sentry进程的主要职责，就是提供一个传统的操作系统内核的能力，即：运行用户程序，执行系统调用。所以说，Sentry并不是使用Go语言重新实现了一个完整的Linux内核，而只是一个对应用进程“冒充”内核的系统组件。

在这种设计思想下，我们就不难理解，Sentry其实需要自己实现一个完整的Linux内核网络栈，以便处理应用进程的通信请求。然后，把封装好的二层帧直接发送给Kubernetes设置的Pod的NetworkNamespace即可。

此外，Sentry对于Volume的操作，则需要通过9p协议交给一个叫做Gofer的代理进程来完成。Gofer会代替应用进程直接操作宿主机上的文件，并依靠seccomp机制将自己的能力限制在最小集，从而防止恶意应用进程通过Gofer来从容器中“逃逸”出去。

而在具体的实现上，gVisor的Sentry进程，其实还分为两种不同的实现方式。这里的工作原理，可以用下面的示意图来描述清楚。

第一种实现方式，是使用Ptrace机制来拦截用户应用的系统调用（SystemCall），然后把这些系统调用交给Sentry来进行处理。

这个过程，对于应用进程来说，是完全透明的。而Sentry接下来，则会扮演操作系统的角色，在用户态执行用户程序，然后仅在需要的时候，才向宿主机发起Sentry自己所需要执行的系统调用。这，就是gVisor对用户应用进程进行强隔离的主要手段。不过，Ptrace进行系统调用拦截的性能实在是太差，仅能供Demo时使用。

而第二种实现方式，则更加具有普适性。它的工作原理如下图所示。

在这种实现里，Sentry会使用KVM来进行系统调用的拦截，这个性能比Ptrace就要好很多了。

当然，为了能够做到这一点，Sentry进程就必须扮演一个GuestKernel的角色，负责执行用户程序，发起系统调用。而这些系统调用被KVM拦截下来，还是继续交给Sentry进行处理。只不过在这时候，Sentry就切换成了一个普通的宿主机进程的角色，来向宿主机发起它所需要的系统调用。

可以看到，在这种实现里，Sentry并不会真的像虚拟机那样去虚拟出硬件设备、安装Guest操作系统。它只是借助KVM进行系统调用的拦截，以及处理地址空间切换等细节。

值得一提的是，在Google内部，他们也是使用的第二种基于Hypervisor的gVisor实现。只不过Google内部有自己研发的Hypervisor，所以要比KVM实现的性能还要好。

通过以上的讲述，相信你对KataContainers和gVisor的实现原理，已经有一个感性的认识了。需要指出的是，到目前为止，gVisor的实现依然不是非常完善，有很多Linux系统调用它还不支持；有很多应用，在gVisor里还没办法运行起来。此外，gVisor也暂时没有实现一个Pod多个容器的支持。当然，在后面的发展中，这些工程问题一定会逐渐解决掉的。

另外，你可能还听说过AWS在2018年末发布的一个叫做Firecracker的安全容器项目。这个项目的核心，其实是一个用Rust语言重新编写的VMM（即：虚拟机管理器）。这就意味着，Firecracker和KataContainers的本质原理，其实是一样的。只不过，KataContainers默认使用的VMM是Qemu，而Firecracker，则使用自己编写的VMM。所以，理论上，KataContainers也可以使用Firecracker运行起来。

总结

在本篇文章中，我为你详细地介绍了拥有独立内核的安全容器项目，对比了KataContainers和gVisor的设计与实现细节。

在性能上，KataContainers和KVM实现的gVisor基本不分伯仲，在启动速度和占用资源上，基于用户态内核的gVisor还略胜一筹。但是，对于系统调用密集的应用，比如重I/O或者重网络的应用，gVisor就会因为需要频繁拦截系统调用而出现性能急剧下降的情况。此外，gVisor由于要自己使用Sentry去模拟一个Linux内核，所以它能支持的系统调用是有限的，只是Linux系统调用的一个子集。

不过，gVisor虽然现在没有任何优势，但是这种通过在用户态运行一个操作系统内核，来为应用进程提供强隔离的思路，的确是未来安全容器进一步演化的一个非常有前途的方向。

值得一提的是，KataContainers团队在gVisor之前，就已经Demo了一个名叫Linuxd的项目。这个项目，使用了UserModeLinux(UML)技术，在用户态运行起了一个真正的LinuxKernel来为应用进程提供强隔离，从而避免了重新实现LinuxKernel带来的各种麻烦。

有兴趣的话，你可以在这里查看这个演讲。我相信，这个方向，应该才是安全容器进化的未来。这比Unikernels这种根本不适合实际场景中使用的思路，要靠谱得多。

本篇图片出处均引自KataContainers的官方对比资料。

思考题

安全容器的意义，绝不仅仅止于安全。你可以想象一下这样一个场景：比如，你的宿主机的Linux内核版本是3.6，但是应用却必须要求Linux内核版本是4.0。这时候，你就可以把这个应用运行在一个KataContainers里。那么请问，你觉得使用gVisor是否也能提供这种能力呢？原因是什么呢？