Nydus 加速镜像一致性校验增强

原创
2023/02/01 10:04
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导言:

GitLink 编程夏令营是在 CCF 中国计算机学会指导下,由 CCF 开源发展委员会(CCF ODC)举办的面向全国高校学生的暑期编程活动。 这是去年(2022)的夏令营活动中,王瑞同学参加 Nydus 开源项目的总结,主要介绍了为 Nydus 支持镜像与文件系统一致性校验所做的相关工作。

Nydus 简介

Nydus 是 CNCF 孵化项目 Dragonfly 的子项目,它提供了容器镜像,代码包,数据分析按需加载的能力,无需等待整个数据下载完成便可开始服务。

Nydus 在生产环境已经支撑了每日百万级别的加速镜像容器创建,在启动性能,镜像空间优化,网络带宽效率,端到端数据一致性等方面相比 OCIv1 格式有着巨大优势,并可扩展至例如 NPM 包懒加载等数据分发场景。

目前 Nydus 由蚂蚁集团,阿里云,字节跳动联合开发,Containerd,Podman 社区接受了 Nydus 运行时作为其社区子项目,也是 KataContainers 以及 Linux v5.19 内核态原生支持的镜像加速方案。

Nydus 架构及原理

OCI 容器镜像是当前容器镜像的实现标准。它采用了分层的设计,每个镜像可包含多个镜像层。新层包含的是在旧层的基础上,新增加或者修改的文件或者被删除的文件。这种设计方式比较简单,不过也有着一定的缺陷。如需要镜像层全部堆叠后才能看到整个文件系统的视图,但不是所有数据都会被读取;同时可能已经删除或者被修改旧层中的文件,但是仍需要完整地下载和解压旧层;文件元数据修改导致整个镜像层被重新存储等。 Nydus 兼容目前的 OCI 生态,旨在通过细粒度的数据分割、去重和按需加载机制加速容器 的启动和分发,同时降低资源的消耗。

Nydus 的整体架构如下图所示。它可以通过 FUSE 给 runc 容器提供运行时的按需加载能力,也可以通过 virtiofs 承载 FUSE 协议,给 Kata Containers 等基于 VM 的容器运行时提供按需加载的能力。它可以从容器 Registry,OSS,NAS,Dragonfly supernode 等多个镜像源拉取镜像,同时内部会有本地的缓存加速容器的创建。

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在用户空间文件系统,Nydus 采用了数据和元数据分离的设计思想,元数据的修改不会导致整个镜像层的更新。原先的镜像层只存储文件的数据部分,同时数据被分块存储。拉取镜像是不需要拉取整层,只需要拉取所需文件对应的数据块即可。这也使得层与层之间,镜像与镜像之间共享数据块更加容易。上图展示了 Nydus 数据和元数据的存储格式。其中元数据以 merkle tree 的形式存储在 bootstrap 中,包含了容器启动所需要的信息。数据以 1MB 分块存储,不同镜像可以共享同一数据块。

Nydus 镜像校验意义及流程

Nydus 镜像在构建完成后,由于网络、磁盘等故障或者镜像被恶意修改,无法保证容器启动前镜像是合法的,所以需要对镜像的格式进行校验。当前的校验使用 nydusify 工具。主要分为三个部分:

  1. 对 Nydus 镜像的 bootstrap 进行校验,会通过 BootstrapRule 调用 nydus-image 二进制文件。nydus-image 首先检查 bootstrap 的 SuperBlock 格式是否正确,然后会从根结点开始按照文件系统层级结构检查文件或者目录的 inode 是否合法或被修改。

  2. 对镜像的 manifest 进行校验,会通过 ManifestRule 检验 Nydus 的 manifest 是否合法,ImageConfig 是否与原始 OCI 镜像一致等。

  3. 对镜像进行文件系统校验,会通过 FilesystemRule 分别挂载原始 OCI 镜像和 Nydus 镜像,然后进行校验。对于原始镜像,会使用 docker pull 拉取镜像,然后指定 lowerdir 和 upperdir,通过 OverlayFS 挂载 Rootfs;对于 Nydus 镜像,会使用 Nydusd 挂载。挂载完成后,会分别遍历两个目录,比较元数据和数据是否一致。

目前 Nydus 的校验方式仍有一定的限制,如元数据检查不完全,需要 docker 拉取镜像等。该项目旨在增强 nydusify 和 nydus-image 的校验功能,使校验更加易用和全面。

文件系统校验方案

该项目当前分为以下三部分:

  1. 当前 nydusify check 在应用 FilesystemRule 进行校验时,对于文件元数据只检查文件路径、大小、模式和权限位以及 xattrs 是否和原始镜像一致,同时对文件数据用 blake3 计算得到哈希值并进行比较。但是由于校验内容不完整,可能会出现元数据不一致校验通过的情况。故对该结构体添加 dev、rdev、symlink、project id、uid、gid、nlink、ctime 等字段,实现对文件元数据更全面的检查。

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  1. 当前 nydusify check 在应用 FilesystemRule 进行校验时,需要手动指定 source 和 Backend Type, Backend Config 才能成功应用 Nydusd 挂载并进行文件系统校验,在校验数据时,也会再次检查 Backend Type 是否指定。在大多数情况下,Backend Type 为 Registry,Backend Config 可以通过查看 Registry 的 config 文件获取相关信息,如 http.addr 字段获取地址,auth 字段获取认证信息等获取。因而用户在很多情况下并不需要手动输入上述参数。该任务旨在简化该命令,实现 Backend Type,Backend Config 的自动推断,使得用户更方便地进行校验。

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(3) 当前 nydusify check 在应用 FilesystemRule 进行校验时,需要用户安装 docker,因为要使用 docker pull 命令拉取镜像。在没有 docker 的环境下,无法完成校验。可以修改该部分代码,手动下载、解压镜像,并使用 OverlayFS 挂载,从而去除对 docker 的依赖。

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文件系统校验实现细节

增加校验字段

该部分的实现较为简单。首先在原 Node 结构体增加 rdev, symlink, uid, gid, mtime 等字段。

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然后在遍历文件系统时,使用 Readlink 获取文件的软链接,通过 Lstat 系统调用获取 文件更详细的元数据信息(rdev, uid, gid, mtime 等),从而在进行比较时增加对上述字段的校验。值得注意的是 dev 不同是正常的,nlink 由于 OverlayFS 的问题无法进行校验。此外,还需要修改异常错误信息,从而遇到不一致时能够打印完整的文件元数据信息。

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简化校验参数

该部分需要实现 Backend Type 和 Backend Config 的自动推断,即如果镜像存储在 registry 中,用户无需指定上述两个参数即可完成校验。

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首先,我们需要添加上述结构体,即镜像源为 Registry 时的 Backend Config。对于 FilesystemRule 结构体,还需添加 Target 和 TargetInsecure 字段,用于填充 Backend Config。

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在挂载 Nydus 镜像时,我们需要正确填充 Nydusd 的 config,其中便包含 Backend Config 和 Backend Type。因此我们对用户传入的参数进行判断,如果用户没有传入 Backend Type,那么我们默认镜像源为 registry,如果没有传入 Backend Config,那么我们通过 target 提取 host 和 repo,然后读取 docker 的 config 获取 auth 相关的信息,最后生成 Backend Config。

除此之外,由于我们目前的测试代码中不涉及用户鉴权,所以额外添加了 testBasicAuth 测试样例,用于检验在用户不指定 Backend Config 时,我们是否能够正确提供 鉴权信息。在测试样例中,我们模拟生成了用户名、密码和 docker config,并正确设置了环境变量 。 启动 docker 时 ,额外指定REGISTRY_AUTH_HTPASSWD_PATH , REGISTRY_AUTH 等用于鉴权。

实现无需 docker 拉取镜像

当前拉取原始镜像时,我们需要事先安装 docker,然后通过 docker pull 指令拉取。我们可以手动的拉取每个镜像层,然后解压、挂载,从而去除对 docker 的依赖。

首先我们需要在 FilesystemRule 结构体中添加 SourceParsed, SourcePath, SourceRemote 等字段,指定原始镜像的相关信息和存储路径。在拉取原始镜像时,我们通过 SourceParsed 获取到镜像层的信息,然后多线程下载每个镜像层并解压。

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因为镜像的存储路径是事先确定的,同时我们也可以获取到每个镜像层的信息,所以在挂载镜像时,我们不需要运行 docker inspect 命令获取镜像的分层信息,可以直接拼接每一层的路径,使用 OverlayFS 进行挂载。

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后续发现 OverlayFS 挂载单层镜像时存在一定的问题,因而上述代码进行了一定程度 的修改和重构。

收获与展望

这个项目的代码量不是很大,但是我从中学习到了很多。首先通过阅读代码和跟踪调试,我了解了 Nydus 的设计思想和镜像的生成及校验的流程。在完成项目的过程中,我对 go 语言的使用更加熟练,对于容器镜像的分层存储格式及拉取、挂载的流程有了更加 细化的认识。通过解决测试过程中遇到的各种问题,我发现问题、定位问题、解决问题的能力也有了一定的提升。希望之后有机会可以继续参与到 Nydus 项目之中,为开源贡献力量。

作者有话说

哈喽大家好,我是王瑞,本科毕业于北京邮电大学计算机科学与技术专业,现就读于多伦多大学,从事日志压缩相关研究。本科时曾在字节跳动公司实习,参与过自动化运维平台、存储系统内存管理相关的开发工作。也曾在 VMware 公司实习,为开源数据库 GreenPlum 贡献过代码。因为对云原生比较感兴趣,所以非常高兴可以参与到 Nydus 这个项目。感谢严松老师在过程中提供的指导和帮助。

Nydus Star 一下✨:

github.com/dragonflyos…

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