关于前端:Nydus-在约苗平台的容器镜像加速实践

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文 | 向申约苗平台运维工程师 
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本文是来自向申同学的分享，介绍了其在 K8s 生产环境集群部署 Nydus 的相干实际。

Nydus 是蚂蚁团体，阿里云和字节等共建的开源容器镜像减速我的项目，是 CNCF Dragonfly 的子项目，Nydus 在 OCI Image Spec 根底上从新设计了镜像格局和底层文件系统，从而减速容器启动速度，进步大规模集群中的容器启动成功率。详情文档请参考如下地址：

Nydus 官方网站：https://nydus.dev/Nydus
Github：https://github.com/dragonflyoss/image-service

PART.1
容器镜像的概念

  1. 容器镜像

容器镜像有一个官网的类比，” 生存中常见的集装箱 ”，尽管领有不同的规格，但箱子自身是不可变的（Immutable），只是其中装的内容不同。

对于镜像来说，不变的局部蕴含了运行一个应用软件（如 MySQL）所须要的所有元素。开发者能够应用一些工具（如 Dockerfile）构建出本人的容器镜像，签名并上传到互联网上，而后须要运行这些软件的人能够通过指定名称（如 example.com/my-app）下载、验证和运行这些容器。

  1. OCI 规范镜像标准在

OCI 规范镜像标准出台之前，其实有两套宽泛应用的镜像标准，别离是 Appc 和 Docker v2.2，但“合久必分，分久必合”，有意思的是两者的内容曾经在各自的倒退中逐渐异化了，所以 OCI 组织因势利导地在 Docker v2.2 的根底上推出了 OCI Image Format Spec，规定了对于符合规范的镜像，容许开发者只有对容器打包和签名一次，就能够在所有的容器引擎上运行该容器。

这份标准给出了 OCI Image 的定义：
This specification defines an OCI Image, consisting of a manifest, an Image Index (optional), a set of filesystem layers, and a Configuration.

  1. 容器的工作流程

一个典型的容器工作流程是从由 Developers 制作容器镜像开始的（Build），而后上传到镜像存储核心（Ship），最初部署在集群中（RUN）。

PART.2
OCI 镜像格局

通常所说的镜像文件其实指的是一个蕴含了多个文件的“包”，“包”中的这些文件提供了启动一个容器所须要的所有须要信息，其中包含但不限于，容器所应用的文件系统等数据文件，镜像所实用的平台、数据完整性校验信息等配置文件。当咱们应用 Docker pull 或者 Nerdctl pull 从镜像核心拉取镜像时，其实就是在顺次拉取该镜像所蕴含的这些文件。

Nerdctl 顺次拉取了一个 Index 文件、一个 Manifest 文件、一个 Config 文件和若干个 Layer 数据文件。实际上，一个规范的 OCI 镜像通常就是由这几局部形成的。

其中，Layer 文件个别是 tar 包或者压缩后的 tar 包，其蕴含着镜像具体的数据文件。这些 Layer 文件会独特组成一个残缺的文件系统（也就是从该镜像启动容器后，进入容器中看到的文件系统）。

Config 文件是一个 JSON 文件。其中蕴含镜像的一些配置信息，比方镜像工夫、批改记录、环境变量、镜像的启动命令等等。

Manifest 文件也是一个 JSON 文件。它能够看作是镜像文件的清单，即阐明了该镜像蕴含了哪些 Layer 文件和哪个 Config 文件。

上面是一个 Manifest 文件的典型例子：


"schemaVersion": 2,
  "mediaType": "application/vnd.oci.image.manifest.v1+json",
  "config": {
   "mediaType": "application/vnd.oci.image.config.v1+json",
   "digest": "sha256:0584b370e957bf9d09e10f424859a02ab0fda255103f75b3f8c7d410a4e96ed5",
   "size": 7636
 },
  "layers": [
 {
    "mediaType": "application/vnd.oci.image.layer.v1.tar+gzip",
    "digest": "sha256:214ca5fb90323fe769c63a12af092f2572bf1c6b300263e09883909fc865d260",
    "size": 31379476
 },
 {
    "mediaType": "application/vnd.oci.image.layer.v1.tar+gzip",
    "digest": "sha256:50836501937ff210a4ee8eedcb17b49b3b7627c5b7104397b2a6198c569d9231",
    "size": 25338790
 },
 {
    "mediaType": "application/vnd.oci.image.layer.v1.tar+gzip",
    "digest": "sha256:d838e0361e8efc1fb3ec2b7aed16ba935ee9b62b6631c304256b0326c048a330",
    "size": 600
 },
 {
    "mediaType": "application/vnd.oci.image.layer.v1.tar+gzip",
    "digest": "sha256:fcc7a415e354b2e1a2fcf80005278d0439a2f87556e683bb98891414339f9bee",
    "size": 893
 },
 {
    "mediaType": "application/vnd.oci.image.layer.v1.tar+gzip",
    "digest": "sha256:dc73b4533047ea21262e7d35b3b2598e3d2c00b6d63426f47698fe2adac5b1d6",
    "size": 664
 },
 {
    "mediaType": "application/vnd.oci.image.layer.v1.tar+gzip",
    "digest": "sha256:e8750203e98541223fb970b2b04058aae5ca11833a93b9f3df26bd835f66d223",
    "size": 1394
  }
 ]
}

Index 文件也是一个 JSON 文件。它是可选的，能够被认为是 Manifest 的 Manifest。试想一下，一个 tag 标识的镜像，比方 Docker.io/library/nginx:1.20，会针对不同的架构平台（比方 Linux/amd、Linux/arm64 等等）有不同的镜像文件，每个不同平台的镜像文件都有一个 Manifest 文件来形容，那么咱们就须要有个更高层级的文件来索引这多个 Manifest 文件。

比方，Docker.io/library/nginx:1.20 的 Index 文件就蕴含一个 Manifests 数组，其中记录了多个不同平台的 Manifest 的根本信息：

{
 "manifests": [
 {
   "digest": "sha256:a76df3b4f1478766631c794de7ff466aca466f995fd5bb216bb9643a3dd2a6bb",
   "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
   "platform": {
     "architecture": "amd64",
     "os": "linux"
  },
   "size": 1570
 },
 {
    "digest": "sha256:f46bffd1049ef89d01841ba45bb02880addbbe6d1587726b9979dbe2f6b556a4",
    "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
    "platform": {
      "architecture": "arm",
      "os": "linux",
      "variant": "v5"
   },
   "size": 1570
 },
 {
    "digest": "sha256:d9a32c8a3049313fb16427b6e64a4a1f12b60a4a240bf4fbf9502013fcdf621c",
    "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
    "platform": {
       "architecture": "arm",
       "os": "linux",
       "variant": "v7"
   },
   "size": 1570
 },
 {
    "digest": "sha256:acd1b78ac05eedcef5f205406468616e83a6a712f76d068a45cf76803d821d0b",
    "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
    "platform": {
       "architecture": "arm64",
       "os": "linux",
       "variant": "v8"
   },
   "size": 1570
 },
 {
    "digest": "sha256:d972eee4f12250a62a8dc076560acc1903fc463ee9cb84f9762b50deed855ed6",
    "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
    "platform": {
       "architecture": "386",
       "os": "linux"
   },
   "size": 1570
 },
 {
    "digest": "sha256:b187079b65b3eff95d1ea02acbc0abed172ba8e1433190b97d0acfddd5477640",
    "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
    "platform": {
       "architecture": "mips64le",
       "os": "linux"
   },
    "size": 1570
 },
 {
    "digest": "sha256:ae93c7f72dc47dbd984348240c02484b95650b8b328464c62559ef173b64ce0d",
    "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
    "platform": {
      "architecture": "ppc64le",
      "os": "linux"
   },
    "size": 1570
 },
 {
    "digest": "sha256:51f45f5871a8d25b65cecf570c6b079995a16c7aef559261d7fd949e32d44822",
    "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
    "platform": {
       "architecture": "s390x",
       "os": "linux"
  },
   "size": 1570
  }
 ],
 "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.list.v2+json",
 "schemaVersion": 2
}

PART.3
OCI 镜像所面临的问题

  1. 启动容器慢

咱们留神到镜像层须要全副重叠后，容器能力看到整个文件系统视图，所以容器须要等到镜像的每一层都下载并解压之后能力启动。有一篇 FAST 论文钻研剖析 [1] 说镜像拉取占了大概容器 76% 的启动工夫，但却只有 6.4% 的数据是会被容器读取的。这个后果很乏味，它激发了咱们能够通过按需加载的形式来进步容器启动速度。另外，在层数较多的状况下，运行时也会有 Overlay 重叠的开销。

一般来说容器启动分为三个步骤：
下载镜像；
解压镜像；
应用 Overlayfs 将容器可写层和镜像中的只读层聚合起来提供容器运行环境。

  1. 较高的本地存储老本

每层镜像是由元数据和数据组成的，那么这就导致某层镜像中只有有一个文件元数据发生变化，例如批改了权限位，就会导致层的 Hash 发生变化，而后导致整个镜像层须要被从新存储，或从新下载。

  1. 存在大量类似镜像

镜像是以层为根本存储单位，数据去重是通过层的 Hash，这也导致了数据去重的粒度较粗。从整个 Registry 存储上看，镜像中的层与层之间，镜像与镜像之间存在大量反复数据，占用了存储和传输老本。

PART.4
Nydus 镜像解决方案

Nydus 镜像减速框架是 Dragonfly[2]（CNCF 孵化中我的项目）的子项目。它兼容了目前的 OCI 镜像构建、散发、运行时生态。Nydus 运行时由 Rust 编写，它在语言级别的安全性以及在性能、内存和 CPU 的开销方面十分有劣势，同时也兼具了平安和高可扩展性。

  1. Nydus 基础架构

Nydus 次要蕴含一个新的镜像格局，和一个负责解析容器镜像的 FUSE 用户态文件系统过程。

  1. Nydus 工作流程

Nydus 镜像格局并没有对 OCI 镜像格局在架构上进行批改，而次要优化了其中的 Layer 数据层的数据结构。

Nydus 将本来对立寄存在 Layer 层的文件数据和元数据（文件系统的目录构造、文件元数据等）离开，别离寄存在“Blob Layer”和“Bootstrap Layer”中。并对 Blob Layer 中寄存的文件数据进行分块（Chunk），以便于懒加载（在须要拜访某个文件时，只须要拉取对应的 Chunk 即可，不须要拉取整个 Blob Layer）。

同时，这些分块信息，包含每个 Chunk 在 Blob Layer 的地位信息等也被寄存在 Bootstrap Layer 这个元数据层中。这样，容器启动时，仅需拉取 Bootstrap Layer 层，当容器具体拜访到某个文件时，再依据 Bootstrap Layer 中的元信息拉取对应 Blob Layer 中的对应的 Chunk 即可。

  1. Nydus 劣势
  • 容器镜像按需下载，用户不再须要下载残缺镜像就能启动容器。
  • 块级别的镜像数据去重，最大限度为用户节俭存储资源。
  • 镜像只有最终可用的数据，不须要保留和下载过期数据。
  • 端到端的数据一致性校验，为用户提供更好的数据保护。
  • 兼容 OCI 散发规范和 artifacts 规范，开箱即可用。
  • 反对不同的镜像存储后端，镜像数据不只能够寄存在镜像仓库，还能够放到 NAS 或  者相似 S3 的对象存储上。
  • 与 Dragonfly 的良好集成。
     
    PART.5
    Nydus 在约苗生产理论使用

约苗平台作为国内当先的疾病预防信息与服务平台，以疫苗预约服务为外围，提供包含疫苗预约、疾病防控科普、“宫颈癌 & 乳腺癌”筛查预约等业余、全面的疾病预防信息与服务。

截止 2023 年 2 月约苗平台累计注册用户 3700 万 + 人，笼罩 28 个省及直辖市，200+ 地级市，关联全国社区公共卫生服务机构 4000+ 家，提供疫苗预约 & 订阅服务  1.1  亿 + 次。

约苗业务全副基于 Kubernetes 进行微服务构建，在 Kubernetes 平台上曾经安稳运行了超过 4 年工夫，并且紧随 Kubernetes 的版本迭代及时更新。约苗的集群规模超过 60 个 Node 节点，目前相干服务容器 POD 曾经超过了 1000+，同时每天更有上万个长期 Cronjob 类型的 POD 进行创立和销毁。对平台的运维公布的效率有较高的要求。

  1. 问题

Kubernetes 拉取镜像工夫十分慢，在沿用 OCI 镜像时通过观察，镜像拉去工夫可达 30s。

  1. 容器启动慢

通过线上察看，一个 POD 从创立到准备就绪须要期待 30s 甚至更多，甚至节点没有缓存，工夫将会更久。

  1. 更新迭代块

在更新迭代中，每次批量更新多个服务，迭代周期短而频繁，在更新多个服务时镜像仓库压力大。随着以上问题的产生，通过多方面的调研以及相干测试，公司决定采纳开源我的项目 Nydus 进行对以后业务优化。

PART.6
Nydus 部署实际

Nydus 镜像减速，能够间接对接 OCI 镜像，同时 Containerd 也反对 Nydus 插件，辨认 Nydus 镜像，个别在微服务场景下，应用 CICD，咱们须要在 Docker 打包镜像上部署 Nydus 转换镜像的服务，镜像转换后间接会在 Harboar 仓库生成 Nydus 的镜像，咱们这里是用的 CICD 应用的 Jenkins，这里我就间接把服务部署在 Jenkins 的物理机上。

  1. 下载相干组件

下载链接：https://github.com/dragonflyoss/image-service/releases

cd /nydus-static
sudo install -D -m 755 nydusd nydus-image nydusify nydusctl nydus-overlayfs /usr/bin
  1. OCI 镜像转换 Nydus
nydusify convert --source dockerharboar/nginx:1.2 --target dockerharboar/nginx:1.2-nydus

留神: 

  • Source 这里示意源 Docker-Harboar 仓库的镜像，这个镜像必须公有仓库曾经存在。
  • Target 这里示意将源仓库镜像转换为 Nydus 镜像。

当应用这条命令后，镜像仓库在同一个目录层级会生成两份镜像，一份源 OCI 镜像，一份 Nydus 镜像。

PART. 7
Nydus 对接

K8s 集群 K8s 集群应用的运行时为 Containerd，而 Containerd 也反对应用插件 Nydus Snapshotter 来辨认 Nydus 镜像，同时在应用 Nydus 性能时, Nydus 也是反对原生的  OCI 镜像，只是没有按需加载相干性能。

  1. K8s 集群节点部署

Nydus 官网阐明：https://github.com/dragonflyoss/image-service/blob/master/docs/containerd-env-setup.md

留神：要应用 Nydus 性能，K8s 的每个 Node  节点都须要部署 Nydus Snapshotter，除开 K8s-Master 节点。

下载安装包：
https://github.com/dragonflyoss/image-service/releases
https://github.com/containerd/nydus-snapshotter/releases

tar -xf nydus-snapshotter-v0.5.1-x86_64.tgz
tar -xf nydus-static-v2.1.4-linux-amd64.tgz
 装置相干软件
sudo install -D -m 755  nydusd nydus-image nydusify nydusctl nydus-overlayfs /usr/bin
sudo install -D -m 755 containerd-nydus-grpc /usr/bin
 创立必要目录
mkdir -p /etc/nydus  && mkdir -p /data/nydus/cache  && mkdir -p $HOME/.docker/

创立 nydus 配置文件
sudo tee /etc/nydus/nydusd-config.fusedev.json > /dev/null << EOF
{
  "device": {
    "backend": {
      "type": "registry",
      "config": {"scheme": "","skip_verify": true,"timeout": 5,"connect_timeout": 5,"retry_limit": 4}
    },
    "cache": {
      "type": "blobcache",
      "config": {"work_dir": "/data/nydus/cache"}
    }
  },
  "mode": "direct",
  "digest_validate": false,
  "iostats_files": false,
  "enable_xattr": true,
  "fs_prefetch": {
    "enable": true,
    "threads_count": 4
  }
}
EOF
 减少 docker-harboar 认证
sudo tee $HOME/.docker/config.json << EOF
{
  "auths": {
    "docker-harboarxxx": {"auth": "xxxxxx"}
  }
}
EOF
chmod 600 $HOME/.docker/config.json
docker-harboarxx  #公有仓库地址
auth 里是 base64 编码的 user:pass

2. 启动 Nydus

cd /data/nydus
nohup /usr/bin/containerd-nydus-grpc --config-path /etc/nydus/nydusd-config.fusedev.json --log-to-stdout &
 验证 nydus 是否反对
ctr -a /run/containerd/containerd.sock plugin ls | grep nydus
  1. 批改 Containerd
containerd 配置文件新增
[proxy_plugins]
  [proxy_plugins.nydus]
    type = "snapshot"
    address = "/run/containerd-nydus/containerd-nydus-grpc.sock"
[plugins."io.containerd.grpc.v1.cri".containerd]
   snapshotter = "nydus"
   disable_snapshot_annotations = false
  1. 重启 Containerdsudo 

sudo systemctl restart containerd

PART.8
最终数据测试后果应用原生 OCI 镜像

应用原生 OCI 镜像

应用 Nydus 镜像

POD 从 Create 到 Ready：OCI -> 20s
POD 从 Create 到 Ready：Nydus -> 13s

目前业务镜像尺寸并不大，大概 200MB，应用 Nydus 已有晋升成果，在应用超大镜像的场景，例如 AI 计算等，Nydus 能带来的减速成果会十分的显著。

PART.9
总结与将来冀望

Nydus 是来自 CNCF 的优良开源我的项目，更进一步说，约苗也将持续对该我的项目进行更多投入，并与社区开展深刻单干，使得约苗平台变得更加弱小和可继续。云原生技术是基础设施畛域的一场反动，尤其是在弹性和无服务器方面，咱们置信 Nydus 肯定会在云原生生态中表演重要角色。

相干链接

[1]《Fast Distribution With Lazy Docker Containers》https://www.usenix.org/conference/fast16/technical-sessions/p…
[2] Dragonflyh
https://github.com/dragonflyoss/image-service

正文完
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发表至： 前端
2023-03-01
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