Docker存储驱动之--overlay2
系列文章：
Docker镜像存储-overlayfs
docker背景知识3 镜像分层(overlay2)
Docker存储驱动之–overlay2
1. 镜像层
docker支持多种graphDriver，包括vfs、devicemapper、overlay、overlay2、aufs等等，其中最常用的就是aufs了，但随着linux内核3.18把overlay纳入其中，overlay的地位变得更重，最近也在自己的虚拟机上用overlay2作为docker存储驱动实验了一番，下面来做一个简单的笔记和总结。
docker默认的存储目录是/var/lib/docker，下面我们简单打印一下这个目录：
drwx------. 2 root root 24 Mar 28 07:13 builder
drwx------. 4 root root 92 Mar 28 07:13 buildkit
drwx------. 6 root root 4096 Mar 29 10:25 containers
drwx------. 3 root root 22 Mar 28 07:13 image '存放image的元数据'
drwxr-x---. 3 root root 19 Mar 28 07:13 network
drwx------. 17 root root 4096 Mar 30 14:32 overlay2 '存放真实的image对应的layer层'
drwx------. 4 root root 32 Mar 28 07:13 plugins
drwx------. 2 root root 6 Mar 30 14:32 runtimes
drwx------. 2 root root 6 Mar 28 07:13 swarm
drwx------. 2 root root 6 Mar 30 14:32 tmp
drwx------. 2 root root 6 Mar 28 07:13 trust
drwx------. 2 root root 25 Mar 28 07:13 volumes
在这里，我们只关心image和overlay2就足够了。
/var/lib/docker/image存放image的元数据，/var/lib/docker/存放真实的image对应的layer层（最底层存放操作系统，其他层是新增的文件或文件夹等，例如/home /bin），image的元数据通过计算，可以找到对应的真实的layer层。
2. 演示通过image的元数据计算找到对应的真实的layer层
做这个实验之前，我们应该先启动一个容器，在这里使用nginx作为实验:
[root@10 docker]# docker run -d nginx
86b5733e54c7de5ef20cfb5574adedea6cbe11334517309badfbe7d313631310
[root@10 docker]# docker ps
CONTAINER ID IMAGE COMMAND CREATED STATUS PORTS NAMES
86b5733e54c7 nginx "nginx -g 'daemon of…" 4 seconds ago Up 3 seconds 80/tcp practical_vaughan
可以看到新启动的nginx容器的id是86b5733e54c7，我们继续往下看。
启动容器的目的是确保本地至少存在一个镜像，如果不存在镜像，则会自动下载。
上面说了，我们只需要关心/var/lib/docker/image和/var/lib/docker/overlay2，可以先到/var/lib/docker/image打印一下：
cd /var/lib/docker/image
[root@10 image]# ll
total 0
drwx------. 5 root root 81 Mar 28 10:00 overlay2
我们只能看到overlay2这个目录，想必聪明的你也猜到了，docker会在/var/lib/docker/image目录下按每个存储驱动的名字创建一个目录，如这里的overlay2。
接下来，使用tree命令浏览一下这个目录：
cd /var/lib/docker/image
[root@10 image]# tree -L 2 overlay2/
overlay2/
|-- distribution
| |-- diffid-by-digest
| `-- v2metadata-by-diffid
|-- imagedb
| |-- content
| `-- metadata
|-- layerdb
| |-- mounts
| |-- sha256
| `-- tmp
`-- repositories.json
这里的关键地方是imagedb(存储镜像元数据)和layerdb(存储layer层元数据)目录，看这个目录名字，很明显就是imagedb专门用来存储元数据的地方，那为什么区分image和layer呢？因为在docker中，image是由多个layer组合而成的，换句话就是layer是一个共享的层，可能有多个image会指向某个layer。
那如何才能确认image包含了哪些layer呢？答案就在imagedb这个目录中去找。比如上面启动的nginx容器，我们可以先找到这个容器对应的镜像：
[root@10 sha256]# docker image ls
REPOSITORY TAG IMAGE ID CREATED SIZE
...
nginx latest 2bcb04bdb83f 3 days ago 109MB
...
可以看到，imageID是2bcb04bdb83f，再次记住这个id，我们打印/var/lib/docker/image/overlay2/imagedb/content/sha256这个目录：
cd /var/lib/docker/image/overlay2/imagedb/content/sha256
root@10 sha256]# ll
total 20
-rw-------. 1 root root 6025 Mar 28 09:01 2bcb04bdb83f7c5dc30f0edaca1609a716bda1c7d2244d4f5fbbdfef33da366c
-rw-------. 1 root root 1512 Mar 28 10:00 6d1ef012b5674ad8a127ecfa9b5e6f5178d171b90ee462846974177fd9bdd39f
-rw-------. 1 root root 1497 Mar 28 08:51 d8233ab899d419c58cf3634c0df54ff5d8acc28f8173f09c21df4a07229e1205
-rw-------. 1 root root 1686 Mar 28 10:00 eb426204290971fb3c7cfbf25e34308233b75080b6b3735ba5295056d915a998
第一行的2bcb04bdb83f7c5dc30f0edaca1609a716bda1c7d2244d4f5fbbdfef33da366c正是记录我们nginx镜像元数据的文件，接下来cat一下这个文件，得到一个长长的json：
......
"rootfs":{"type":"layers","diff_ids":
[
"sha256:5dacd731af1b0386ead06c8b1feff9f65d9e0bdfec032d2cd0bc03690698feda",
"sha256:dd0338cdfab32cdddd6c30efe8c89d0229d9f939e2bb736fbb0a52f27c2b0ee9",
"sha256:7e274c0effe81c48f9337879b058c729c33bd0199e28e2c55093d79398f5e8c0"
]
}}
......
我们只截取rootfs字段，发现有个diff_ids属性，是多个diff_id集合，这个值有什么用？通过diff_id可以计算得到chainId，每个chainId对应一个layer元数据，通过layer元数据，最终映射到真实的layer层。
diff_ids属性在后面的公式chainID(n)=SHA256(chain(n-1) diffID(n))中会用到，
第一层diffID=sha256:5dacd7…
第二层diffID=sha256:dd0338…
以此类推
由于篇幅原因，我只展示最关键的一部分，也就是rootfs。可以看到rootfs的diff_ids是一个包含了3个元素的数组，其实这3个元素正是组成nginx镜像的3个layerID，从上往下看，就是底层到顶层，也就是说5dacd731af1b0386ead06c8b…是image的最底层。既然得到了组成这个image的所有layerID，那么我们就可以带着这些layerID去寻找对应的layer了。
接下来，我们返回到上一层的layerdb中，先打印一下这个目录：
cd /var/lib/docker/image/overlay2/layerdb
[root@10 layerdb]# ll
total 4
drwxr-xr-x. 3 root root 78 Mar 30 14:55 mounts
drwxr-xr-x. 8 root root 4096 Mar 28 10:00 sha256
drwxr-xr-x. 2 root root 6 Mar 28 10:00 tmp
在这里我们只管mounts和sha256两个目录，再打印一下sha256目录:
[root@10 sha256]# ll /var/lib/docker/image/overlay2/layerdb/sha256/
total 0
drwx------. 2 root root 85 Mar 28 09:01 166d13b0f0cb542034a2aef1c034ee2271e1d6aaee4490f749e72d1c04449c5b
drwx------. 2 root root 71 Mar 28 10:00 3fc64803ca2de7279269048fe2b8b3c73d4536448c87c32375b2639ac168a48b
drwx------. 2 root root 71 Mar 28 09:01 5dacd731af1b0386ead06c8b1feff9f65d9e0bdfec032d2cd0bc03690698feda
drwx------. 2 root root 85 Mar 28 10:00 95c536e393c4ffb38d29829c8ed21ae788832580a77436f15907bf646fe13387
drwx------. 2 root root 71 Mar 28 08:51 adab5d09ba79ecf30d3a5af58394b23a447eda7ffffe16c500ddc5ccb4c0222f
drwx------. 2 root root 85 Mar 28 09:01 dfce9ec5eeabad339cf90fce93b20f179926d5819359141e49e0006a52c066ca
在这里，我们仅仅发现5dacd731af1b038…这个最底层的layer，那么剩余两个layer为什么会没有呢？那是因为docker使用了chainID的方式去保存这些layer，简单来说就是chainID(n)=SHA256(chain(n-1) diffID(n))，
- 如果该镜像层是最底层(没有父镜像层)，该层的 diffID 便是 chainID。
- 该镜像层的 chainID 计算公式为 chainID(n)=SHA256(chain(n-1) diffID(n))，也就是根据父镜像层的 chainID 加上一个空格和当前层的 diffID，再计算 SHA256 校验码。
下面我们来演示下计算过程：
- 第一层：由于是最底层，chainID1=diffID
- 第二层：套用上面的公式
chainID(2)=SHA256(chain(1) diffID(2)
=SHA256(sha256:5dacd7… sha256:dd0338…)
=166d13b…
可以用在线SHA256工具http://www.jsons.cn/sha/或linux环境自带的语法计算：
echo -n "sha256:5dacd731af1b0386ead06c8b1feff9f65d9e0bdfec032d2cd0bc03690698feda sha256:dd0338cdfab32cdddd6c30efe8c89d0229d9f939e2bb736fbb0a52f27c2b0ee9" | sha256sum -
166d13b0f0cb542034a2aef1c034ee2271e1d6aaee4490f749e72d1c04449c5b -
这个时候，你能看到166d13b…这个layer层的目录了吧？依次类推，我们就能找出所有的layerID的组合。
但是上面我们也说了，/var/lib/docker/image/overlay2/layerdb存的只是元数据，那么真实的rootfs到底存在哪里呢？其中cache-id就是我们关键所在了。我们打印一下/var/lib/docker/image/overlay2/layerdb/sha256/5dacd731af1b0386ead06c8b1feff9f65d9e0bdfec032d2cd0bc03690698feda/cache-id:
[root@10 5dacd731af1b0386ead06c8b1feff9f65d9e0bdfec032d2cd0bc03690698feda]# cat cache-id
dffe31c1db6055910b3cd49366a2989d9cd2f3460844437b2190de44807095fa[
没错，这个id就是对应/var/lib/docker/overlay2/dffe31c1db6055910b3cd49366a2989d9cd2f3460844437b2190de44807095fa。因此，以此类推，更高一层的layer对应的cache-id也能找到对应的rootfs，当这些rootfs的diff目录通过联合挂载的方式挂载到某个目录，就能完整整个容器需要的rootfs了。
2. 总结
参照上图，步骤：
- 1 通过docker images 命令查看本地的某个镜像id ，假设为image_1
- 2 去/var/lib/docker/image下去查看对应的元数据，根据驱动类型，假设映射到overlay2下：
/var/lib/docker/image/overlay2/imagedb/content/sha256/image_1- 2.1 cat 这个image_1文件，得到diff_ids，即一组diff_id ，假设diff_1
- 2.2经过计算，单个diff_id可以得到chainId，每个chainId对应一个layer元数据，假设diff_1得到的chainId为 chain_1
- 2.3 chain_1对应layer元数据路径为/var/lib/docker/image/overlay2/layerdb/sha256/chain_1
- 2.4 通过layer元数据，最终映射到真实的layer层。查看/var/lib/docker/image/overlay2/layerdb/sha256/chain_1/cache-id，得到真实的 layerId，我们假设为layer1
- 3 根据前文得到的layer1，我们去找 `/var/lib/docker/overlay2/layer1，这个路径就是真实的layer层，存储目录文件，如果是最底层的镜像层，则是操作系统。