Docker基礎技術：做DeviceMappee做分層鏡像
因為Docker***的AUFS并不在Linux的內核主干里，所以，對于非Ubuntu的Linux分發包，比如CentOS，就無法使用AUFS作為Docker的文件系統了。于是作為第二優先級的 DeviceMapper就被拿出來做分層鏡像的一個實現。
Device Mapper 簡介
DeviceMapper自Linux 2.6被引入成為了Linux最重要的一個技術。它在內核中支持邏輯卷管理的通用設備映射機制，它為實現用于存儲資源管理的塊設備驅動提供了一個高度模塊化的內核架構，它包含三個重要的對象概念，Mapped Device、Mapping Table、Target device。
Mapped Device 是一個邏輯抽象，可以理解成為內核向外提供的邏輯設備，它通過Mapping Table描述的映射關系和 Target Device 建立映射。Target device 表示的是 Mapped Device 所映射的物理空間段，對 Mapped Device 所表示的邏輯設備來說，就是該邏輯設備映射到的一個物理設備。
Mapping Table里有 Mapped Device 邏輯的起始地址、范圍、和表示在 Target Device 所在物理設備的地址偏移量以及Target 類型等信息(注：這些地址和偏移量都是以磁盤的扇區為單位的，即 512 個字節大小，所以，當你看到128的時候，其實表示的是128*512=64K)。
DeviceMapper 中的邏輯設備Mapped Device不但可以映射一個或多個物理設備Target Device，還可以映射另一個Mapped Device，于是，就是構成了一個迭代或遞歸的情況，就像文件系統中的目錄里除了文件還可以有目錄，理論上可以***嵌套下去。
DeviceMapper在內核中通過一個一個模塊化的 Target Driver 插件實現對 IO 請求的過濾或者重新定向等工作，當前已經實現的插件包括軟 Raid、加密、多路徑、鏡像、快照等，這體現了在 Linux 內核設計中策略和機制分離的原則。如下圖所示。從圖中，我們可以看到DeviceMapper只是一個框架，在這個框架上，我們可以插入各種各樣的策略(讓我不自然地想到了面向對象中的策略模式)，在這諸多“插件”中，有一個東西叫Thin Provisioning Snapshot，這是Docker使用DeviceMapper中最重要的模塊。
(圖片來源：http://people.redhat.com/agk/talks/FOSDEM_2005/)
Thin Provisioning 簡介
Thin Provisioning要怎么翻譯成中文，真是一件令人頭痛的事，我就不翻譯了。這個技術是虛擬化技術中的一種。它是什么意思呢?你可以聯想一下我們計算機中的內存管理中用到的——“虛擬內存技術”——操作系統給每個進程N多N多用不完的內址地址(32位下，每個進程可以有最多2GB的內存空間)，但是呢，我們知道，物理內存是沒有那么多的，如果按照進程內存和物理內存一一映射來玩的話，那么，我們得要多少的物理內存啊。所以，操作系統引入了虛擬內存的設計，意思是，我邏輯上給你***多的內存，但是實際上是實報實銷，因為我知道你一定用不了那么多，于是，達到了內存使用率提高的效果。(今天云計算中很多所謂的虛擬化其實完全都是在用和“虛擬內存”相似的Thin Provisioning的技術，所謂的超配，或是超賣)
好了，話題拉回來，我們這里說的是存儲。看下面兩個圖(圖片來源)，***個是Fat Provisioning，第二個是Thin Provisioning，其很好的說明了是個怎么一回事(和虛擬內存是一個概念)
那么，Docker是怎么使用Thin Provisioning這個技術做到像UnionFS那樣的分層鏡像的呢?答案是，Docker使用了Thin Provisioning的Snapshot的技術。下面我們來介紹一下Thin Provisioning的Snapshot。
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Thin Provisioning Snapshot 演示
下面，我們用一系列的命令來演示一下Device Mapper的Thin Provisioning Snapshot是怎么玩的。
首先，我們需要先建兩個文件，一個是data.img，一個是meta.data.img：
- ~hchen$ sudo dd if=/dev/zero of=/tmp/data.img bs=1K count=1 seek=10M
- 1+0 records in
- 1+0 records out
- 1024 bytes (1.0 kB) copied, 0.000621428 s, 1.6 MB/s
- ~hchen$ sudo dd if=/dev/zero of=/tmp/meta.data.img bs=1K count=1 seek=1G
- 1+0 records in
- 1+0 records out
- 1024 bytes (1.0 kB) copied, 0.000140858 s, 7.3 MB/s
注意命令中seek選項，其表示為略過of選項指定的輸出文件的前10G個output的 bloksize的空間后再寫入內容。因為bs是1個字節，所以也就是10G的尺寸，但其實在硬盤上是沒有占有空間的，占有空間只有1k的內容。當向其寫入內容時，才會在硬盤上為其分配空間。我們可以用ls命令看一下，實際分配了12K和4K。
- ~hchen$ sudo ls -lsh /tmp/data.img
- 12K -rw-r--r--. 1 root root 11G Aug 25 23:01 /tmp/data.img
- ~hchen$ sudo ls -slh /tmp/meta.data.img
- 4.0K -rw-r--r--. 1 root root 101M Aug 25 23:17 /tmp/meta.data.img
然后，我們為這個文件創建一個loopback設備。
- ~hchen$ sudo losetup /dev/loop2015 /tmp/data.img
- ~hchen$ sudo losetup /dev/loop2015 /tmp/meta.data.img
- ~hchen$ sudo losetup -a
- /dev/loop2015: [64768]:103991768 (/tmp/data.img)
- /dev/loop2016: [64768]:103991765 (/tmp/meta.data.img)
現在，我們為這個設備建一個Thin Provisioning的Pool，用dmsetup命令：
-  ~hchen$ sudo dmsetup create hchen-thin-pool \
- --table "0 20971522 thin-pool /dev/loop2016 /dev/loop2015 \
- 128 65536 1 skip_block_zeroing"
其中的參數解釋如下(更多信息可參看Thin Provisioning的man page)：
dmsetup create是用來創建thin pool的命令
hchen-thin-pool 是自定義的一個pool名，不沖突就好。
–table是這個pool的參數設置
- 0代表起的sector位置
- 20971522代碼結句的sector號，前面說過，一個sector是512字節，所以，20971522個正好是10GB
- /dev/loop2016是meta文件的設備(前面我們建好了)
- /dev/loop2015是data文件的設備(前面我們建好了)
- 128是最小的可分配的sector數
- 65536是最少可用sector的water mark，也就是一個threshold
- 1 代表有一個附加參數
- skip_block_zeroing是個附加參數，表示略過用0填充的塊
然后，我們就可以看到一個Device Mapper的設備了：
- ~hchen$ sudo ll /dev/mapper/hchen-thin-pool
- lrwxrwxrwx. 1 root root 7 Aug 25 23:24 /dev/mapper/hchen-thin-pool -> ../dm-4
接下來，我們的初始還沒有完成，還要創建一個Thin Provisioning 的 Volume：
- ~hchen$ sudo dmsetup message /dev/mapper/hchen-thin-pool 0 "create_thin 0"
- ~hchen$ sudo dmsetup create hchen-thin-volumn-001 \
- --table "0 2097152 thin /dev/mapper/hchen-thin-pool 0"
其中：
- ***個命令中的create_thin是關鍵字，后面的0表示這個Volume的device 的 id
- 第二個命令，是真正的為這個Volumn創建一個可以mount的設備，名字叫hchen-thin-volumn-001。2097152只有1GB
好了，在mount前，我們還要格式化一下：
- ~hchen$ sudo mkfs.ext4 /dev/mapper/hchen-thin-volumn-001
- mke2fs 1.42.9 (28-Dec-2013)
- Discarding device blocks: done
- Filesystem label=
- OS type: Linux
- Block size=4096 (log=2)
- Fragment size=4096 (log=2)
- Stride=16 blocks, Stripe width=16 blocks
- 65536 inodes, 262144 blocks
- 13107 blocks (5.00%) reserved for the super user
- First data block=0
- Maximum filesystem blocks=268435456
- 8 block groups
- 32768 blocks per group, 32768 fragments per group
- 8192 inodes per group
- Superblock backups stored on blocks:
- 32768, 98304, 163840, 229376
- Allocating group tables: done
- Writing inode tables: done
- Creating journal (8192 blocks): done
- Writing superblocks and filesystem accounting information: done
好了，我們可以mount了(下面的命令中，我還創建了一個文件)
- ~hchen$ sudo mkdir -p /mnt/base
- ~hchen$ sudo mount /dev/mapper/hchen-thin-volumn-001 /mnt/base
- ~hchen$ sudo echo "hello world, I am a base" > /mnt/base/id.txt
- ~hchen$ sudo cat /mnt/base/id.txt
- hello world, I am a base
好了，接下來，我們來看看snapshot怎么搞：
- ~hchen$ sudo dmsetup message /dev/mapper/hchen-thin-pool 0 "create_snap 1 0"
- ~hchen$ sudo dmsetup create mysnap1 \
- --table "0 2097152 thin /dev/mapper/hchen-thin-pool 1"
- ~hchen$ sudo ll /dev/mapper/mysnap1
- lrwxrwxrwx. 1 root root 7 Aug 25 23:49 /dev/mapper/mysnap1 -> ../dm-5
上面的命令中：
- ***條命令是向hchen-thin-pool發一個create_snap的消息，后面跟兩個id，***個是新的dev id，第二個是要從哪個已有的dev id上做snapshot(0這個dev id是我們前面就創建了了)
- 第二條命令是創建一個mysnap1的device，并可以被mount。
下面我們來看看：
- ~hchen$ sudo mkdir -p /mnt/mysnap1
- ~hchen$ sudo mount /dev/mapper/mysnap1 /mnt/mysnap1
- ~hchen$ sudo ll /mnt/mysnap1/
- total 20
- -rw-r--r--. 1 root root 25 Aug 25 23:46 id.txt
- drwx------. 2 root root 16384 Aug 25 23:43 lost+found
- ~hchen$ sudo cat /mnt/mysnap1/id.txt
- hello world, I am a base
我們來修改一下/mnt/mysnap1/id.txt，并加上一個snap1.txt的文件：
- ~hchen$ sudo echo "I am snap1" >> /mnt/mysnap1/id.txt
- ~hchen$ sudo echo "I am snap1" > /mnt/mysnap1/snap1.txt
- ~hchen$ sudo cat /mnt/mysnap1/id.txt
- hello world, I am a base
- I am snap1
- ~hchen$ sudo cat /mnt/mysnap1/snap1.txt
- I am snap1
我們再看一下/mnt/base，你會發現沒有什么變化：
- ~hchen$ sudo ls /mnt/base
- id.txt lost+found
- ~hchen$ sudo cat /mnt/base/id.txt
- hello world, I am a base
你是不是已經看到了分層鏡像的樣子了?
你還要吧繼續在剛才的snapshot上再建一個snapshot
- ~hchen$ sudo dmsetup message /dev/mapper/hchen-thin-pool 0 "create_snap 2 1"
- ~hchen$ sudo dmsetup create mysnap2 \
- --table "0 2097152 thin /dev/mapper/hchen-thin-pool 2"
- ~hchen$ sudo ll /dev/mapper/mysnap2
- lrwxrwxrwx. 1 root root 7 Aug 25 23:52 /dev/mapper/mysnap1 -> ../dm-7
- ~hchen$ sudo mkdir -p /mnt/mysnap2
- ~hchen$ sudo mount /dev/mapper/mysnap2 /mnt/mysnap2
- ~hchen$ sudo ls /mnt/mysnap2
- id.txt lost+found snap1.txt
好了，我相信你看到了分層鏡像的樣子了。
看完演示，我們再來補點理論知識吧：
- Snapshot來自LVM(Logic Volumn Manager)，它可以在不中斷服務的情況下為某個device打一個快照。
- Snapshot是Copy-On-Write的，也就是說，只有發生了修改，才會對對應的內存進行拷貝。
另外，這里有篇文章Storage thin provisioning benefits and challenges可以前往一讀。
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Docker的DeviceMapper
上面基本上就是Docker的玩法了，我們可以看一下docker的loopback設備：
- ~hchen $ sudo losetup -a
- /dev/loop0: [64768]:38050288 (/var/lib/docker/devicemapper/devicemapper/data)
- /dev/loop1: [64768]:38050289 (/var/lib/docker/devicemapper/devicemapper/metadata)
其中data 100GB，metadata 2.0GB
- ~hchen $ sudo ls -alhs /var/lib/docker/devicemapper/devicemapper
- 506M -rw-------. 1 root root 100G Sep 10 20:15 data
- 1.1M -rw-------. 1 root root 2.0G Sep 10 20:15 metadata
下面是相關的thin-pool。其中，有個當一大串hash串的device是正在啟動的容器：
- ~hchen $ sudo ll /dev/mapper/dock*
- lrwxrwxrwx. 1 root root 7 Aug 25 07:57 /dev/mapper/docker-253:0-104108535-pool -> ../dm-2
- lrwxrwxrwx. 1 root root 7 Aug 25 11:13 /dev/mapper/docker-253:0-104108535-deefcd630a60aa5ad3e69249f58a68e717324be4258296653406ff062f605edf -> ../dm-3
我們可以看一下它的device id(Docker都把它們記下來了)：
- ~hchen $ sudo cat /var/lib/docker/devicemapper/metadata/deefcd630a60aa5ad3e69249f58a68e717324be4258296653406ff062f605edf
- {"device_id":24,"size":10737418240,"transaction_id":26,"initialized":false}
device_id是24，size是10737418240，除以512，就是20971520 個 sector，我們用這些信息來做個snapshot看看(注：我用了一個比較大的dev id – 1024)：
- ~hchen$ sudo dmsetup message "/dev/mapper/docker-253:0-104108535-pool" 0 \
- "create_snap 1024 24"
- ~hchen$ sudo dmsetup create dockersnap --table \
- "0 20971520 thin /dev/mapper/docker-253:0-104108535-pool 1024"
- ~hchen$ sudo mkdir /mnt/docker
- ~hchen$ sudo mount /dev/mapper/dockersnap /mnt/docker/
- ~hchen$ sudo ls /mnt/docker/
- id lost+found rootfs
- ~hchen$ sudo ls /mnt/docker/rootfs/
- bin dev etc home lib lib64 lost+found media mnt opt proc root run sbin srv sys tmp usr var
我們在docker的容器里用findmnt命令也可以看到相關的mount的情況(因為太長，下面只是摘要)：
- # findmnt
- TARGET SOURCE
- / /dev/mapper/docker-253:0-104108535-deefcd630a60[/rootfs]
- /etc/resolv.conf /dev/mapper/centos-root[/var/lib/docker/containers/deefcd630a60/resolv.conf]
- /etc/hostname /dev/mapper/centos-root[/var/lib/docker/containers/deefcd630a60/hostname]
- /etc/hosts /dev/mapper/centos-root[/var/lib/docker/containers/deefcd630a60/hosts]
Device Mapper 行不行?
Thin Provisioning的文檔中說，這還處理實驗階段，不要上Production.
"These targets are very much still in the EXPERIMENTAL state. Please do not yet rely on them in production."
另外，Jeff Atwood在Twitter上發過這樣的一推
這個推指向的這個討論中，其中指向了這個code diff，基本上就是說，DeviceMapper這種東西問題太多了，我們應該把其加入黑名單。Doker的Founder也這樣回復到：
所以，如果你在使用loopback的devicemapper的話，當你的存儲出現了問題后，正確的解決方案是：
rm -rf /var/lib/docker
