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如何保存/同步多架構容器 Docker 鏡像

2022-11-29 07:38:35 其他

前言

隨著容器、芯片技術的進一步發展,以及綠色、節能、信創等方面的要求,多 CPU 架構的場景越來越常見,典型的應用場景包括:

  1. 信創:x86 服務器 + 鯤鵬 ARM 等信創服務器;
  2. 個人電腦:蘋果 Mac M1 + Windows 電腦(或舊的 Intel 芯片蘋果電腦);
  3. Edge:資料中心使用 x86 服務器,邊緣 Edge 端使用低功耗的 arm 邊緣設備(如樹莓派等),

容器云原生技術在這方面支持的是很好,但是實際使用中細節會有一些問題,舉一個例子,就是:如何保存/同步多架構容器 Docker 鏡像

本次先以將 Docker Hub 的鏡像同步到本地鏡像倉庫為例說明,

詞匯表

英文 中文 說明
multi-arch image 多架構鏡像
variant 變體 不同變體指的如:redis 鏡像的 arm/v5arm/v7 兩種變體
manifest 清單
manifest-list 清單(的)串列
layer (鏡像)層
image index 鏡像索引 OCI 專有名詞,含義和 manifest-list 相同
manifest digest 清單摘要

容器鏡像如何支持多架構

一個多架構鏡像(A multi-arch image)是一種容器鏡像,它可以組合不同架構體系(如 amd64 和 arm)的變體(variants),有時還可以組合不同作業系統(如 windows 和 linux)的變體,運行支持多架構的鏡像時,容器客戶端會自動選擇與你的 OS 和架構相匹配的鏡像變體,

多架構鏡像是基于鏡像清單和清單串列實作的,

清單(Manifests)

每個容器鏡像都由一個“清單”表示,清單是一個 JSON 檔案,用于唯一標識鏡像,并參考其層(layer)及其相應的大小,

hello-world Linux 鏡像的基本清單類似于以下內容:

{
  "schemaVersion": 2,
  "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
  "config": {
      "mediaType": "application/vnd.docker.container.image.v1+json",
      "size": 1510,
      "digest": "sha256:fbf289e99eb9bca977dae136fbe2a82b6b7d4c372474c9235adc1741675f587e"
    },
  "layers": [
      {
        "mediaType": "application/vnd.docker.image.rootfs.diff.tar.gzip",
        "size": 977,
        "digest": "sha256:2c930d010525941c1d56ec53b97bd057a67ae1865eebf042686d2a2d18271ced"
      }
    ]
}

清單串列 (Manifest-lists)

多架構鏡像的清單串列(通常稱為 OCI 鏡像 的鏡像索引)是鏡像的集合(索引),您可以通過指定一個或多個鏡像名稱來創建一個,它包括有關每個鏡像的詳細資訊,例如支持的作業系統和體系架構、大小和清單摘要 (manifest digest),清單串列的使用方式與 docker pulldocker run 命令 中的鏡像名稱相同,

docker CLI 使用 docker manifest命令管理清單和清單串列,

?? Warning:

目前,該命令 docker manifest 和子命令是實驗性的,有關使用實驗性命令的詳細資訊,請參閱 Docker 檔案,

??筆者注:可能是因為實驗性的原因,使用程序中有幾個多架構鏡像碰到了詭異的問題,

您可以使用該命令 docker manifest inspect 查看清單串列,以下是多架構鏡像hello-world:latest 的輸出,它有三個清單:兩個用于 Linux 作業系統體系架構,一個用于 Windows 體系架構,

{
  "schemaVersion": 2,
  "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.list.v2+json",
  "manifests": [
    {
      "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
      "size": 524,
      "digest": "sha256:83c7f9c92844bbbb5d0a101b22f7c2a7949e40f8ea90c8b3bc396879d95e899a",
      "platform": {
        "architecture": "amd64",
        "os": "linux"
      }
    },
    {
      "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
      "size": 525,
      "digest": "sha256:873612c5503f3f1674f315c67089dee577d8cc6afc18565e0b4183ae355fb343",
      "platform": {
        "architecture": "arm64",
        "os": "linux"
      }
    },
    {
      "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
      "size": 1124,
      "digest": "sha256:b791ad98d505abb8c9618868fc43c74aa94d08f1d7afe37d19647c0030905cae",
      "platform": {
        "architecture": "amd64",
        "os": "windows",
        "os.version": "10.0.17763.1697"
      }
    }
  ]
}

使用 docker manifest 保存多架構鏡像

這里是將多架構的鏡像推送到本地鏡像倉庫步驟:

  1. 標記每個特定于體系結構的鏡像并將其推送到容器注冊表,以下示例假定有兩個 Linux 體系結構:arm64 和 amd64,

    docker tag myimage:arm64 \
      192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:arm64
    
    docker push 192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:arm64
    
    docker tag myimage:amd64 \
      192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:amd64
    
    docker push 192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:amd64
    
  2. 運行 docker manifest create 以創建清單串列,以將前面的鏡像合并到多架構鏡像中,

    docker manifest create 192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:multi \
     192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:arm64 \
     192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:amd64
    
  3. 使用以下命令docker manifest push將清單推送到鏡像倉庫:

    docker manifest push 192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:multi
    
  4. 使用命令docker manifest inspect查看清單串列,上一節顯示了命令輸出的示例,

將多架構清單推送到鏡像倉庫后,使用多架構鏡像的方式與處理單架構鏡像的方式相同,例如,使用 docker pull 拉取鏡像,

保存/同步多架構鏡像實用腳本一 - 基于 docker manifest

場景一

已有多架構壓縮包 需要 load 壓縮包并將多架構鏡像上傳到本地鏡像倉庫

以 K3s 為例,官方在 release 時已經發布了多架構的離線鏡像壓縮包,分別為:

  • k3s-airgap-images-amd64.tar.gz
  • k3s-airgap-images-arm.tar.gz
  • k3s-airgap-images-arm64.tar.gz
  • ...

這些包已經下載好,并傳到客戶/用戶的離線環境機器上,現在需要 load 壓縮包并將多架構鏡像上傳到本地鏡像倉庫

大致步驟

  1. docker load 壓縮包
  2. 其中的鏡像逐個打 tag, 改為 <本地鏡像倉庫地址>/.../...:<tag>-<arch>
  3. push 鏡像
  4. 以上步驟重復 3 遍,將 tag 帶有-amd64 -arm -arm64的鏡像都 push 到本地鏡像倉庫
  5. 鏡像逐個 docker manifest create 以創建清單串列
  6. 使用以下命令docker manifest push將清單逐個推送到鏡像倉庫

完整腳本如下:

?? Warning:

由于本人能力有限,在使用 k3s v1.21.7+k3s1 版本的 8*3 個離線鏡像做測驗的時候,總是 5 個成功,另外 3 個出現 manifest list 的 arch 和 manifest 對不上的情況,
不知道是我腳本問題還是 docker manifest 命令是實驗性導致的,
有經驗的還請幫忙看看,謝謝~

#!/bin/bash
amd64_images="k3s-airgap-images-amd64.tar.gz"
arm64_images="k3s-airgap-images-arm64.tar.gz"
arm_images=""
list="k3s-images.txt"

usage() {
    echo "USAGE: $0 [--amd64-images k3s-airgap-images-amd64.tar.gz] [--arm64-images k3s-airgap-images-arm64.tar.gz] [---arm-images k3s-airgap-images-arm.tar.gz] --registry my.registry.com:5000"
    echo "  [-l|--image-list path] text file with list of images; one image per line."
    echo "  [-x|--amd64-images path] amd64 arch tar.gz generated by docker save."
    echo "  [-a|--arm64-images path] arm64 arch tar.gz generated by docker save."
    echo "  [---arm-images path] arm arch tar.gz generated by docker save."
    echo "  [-r|--registry registry:port] target private registry:port."
    echo "  [-h|--help] Usage message"
}

push_manifest() {
    export DOCKER_CLI_EXPERIMENTAL=enabled
    manifest_list=()
    for i_arch in "${arch_list[@]}"; do
        manifest_list+=("$1-${i_arch}")
    done

    echo "Preparing manifest $1, list[${arch_list[@]}]"
    docker manifest create "$1" "${manifest_list[@]}" --insecure
    docker manifest push "$1" --purge --insecure
}

while [[ $# -gt 0 ]]; do
    key="$1"
    case $key in
    -r | --registry)
        reg="$2"
        shift # past argument
        shift # past value
        ;;
    -l | --image-list)
        list="$2"
        shift # past argument
        shift # past value
        ;;
    -x | --amd64-images)
        amd64_images="$2"
        shift # past argument
        shift # past value
        ;;
    -a | --arm64-images)
        arm64_images="$2"
        shift # past argument
        shift # past value
        ;;
    --arm-images)
        arm_images="$2"
        shift # past argument
        shift # past value
        ;;
    -h | --help)
        help="true"
        shift
        ;;
    *)
        usage
        exit 1
        ;;
    esac
done

if [[ -z $reg ]]; then
    usage
    exit 1
fi

if [[ $help ]]; then
    usage
    exit 0
fi

arch_list=()
if [[ -n "${amd64_images}" ]]; then
    arch_list+=("amd64")
fi
if [[ -n "${arm64_images}" ]]; then
    arch_list+=("arm64")
fi
if [[ -n "${arm_images}" ]]; then
    arch_list+=("arm")
fi

image_list=()
while IFS= read -r i; do
    [ -z "${i}" ] && continue
    image_list+=("${i}")
done <"${list}"

for arch in "${arch_list[@]}"; do
    [ -z "${arch}" ] && continue

    case $arch in
    amd64)
        docker load --input ${amd64_images}
        ;;
    arm64)
        docker load --input ${arm64_images}
        ;;
    arm)
        docker load --input ${arm_images}
        ;;
    esac

    for i in "${image_list[@]}"; do
        [ -z "${i}" ] && continue

        case $i in
        */*)
            image_name="${reg}/${i}"
            ;;
        *)
            image_name="${reg}/library/${i}"
            ;;
        esac

        docker tag "${i}" "${image_name}-${arch}"
        docker rmi -f "${i}"
        docker push "${image_name}-${arch}"
    done
done

for i in "${image_list[@]}"; do
    [ -z "${i}" ] && continue

    case $i in
    */*)
        image_name="${reg}/${i}"
        ;;
    *)
        image_name="${reg}/library/${i}"
        ;;
    esac
    push_manifest "${image_name}"
done

使用方法:

./load-images-multi-arch.sh --registry 192.168.2.23:5000 --arm-images k3s-airgap-images-arm.tar.gz

日志輸出如下:

$ ./load-images-multi-arch.sh --registry 192.168.2.23:5000 --arm_images k3s-airgap-images-arm.tar.gz
# docker load 鏡像第一輪,是 amd64 架構的
67f770da229b: Loading layer [==================================================>]   1.45MB/1.45MB
Loaded image: rancher/library-busybox:1.32.1
...

# 打 tag 并 delete 原 tag 鏡像,并 push
Untagged: rancher/coredns-coredns:1.8.3
The push refers to repository [192.168.2.23:5000/rancher/coredns-coredns]
85c53e1bd74e: Pushed
225df95e717c: Pushed
1.8.3-amd64: digest: sha256:db4f1c57978d7372b50f416d1058beb60cebff9a0d5b8bee02bfe70302e1cb2f size: 739
...

# docker load 鏡像第二輪,是 arm64 架構的
...
32626eb1fe89: Loading layer [==================================================>]  526.8kB/526.8kB
Loaded image: rancher/pause:3.1

...
Untagged: rancher/pause:3.1
The push refers to repository [192.168.2.23:5000/rancher/pause]
32626eb1fe89: Pushed
3.1-arm64: digest: sha256:2aac966ece8906a535395f92bb25f0e8e21dac737df75b381e8f9bdd3ed56528 size: 527

# docker load 鏡像第二輪,是 arm 架構的
8e322dc9c333: Loading layer [==================================================>]  5.045MB/5.045MB
efed3cfd1b26: Loading layer [==================================================>]  1.623MB/1.623MB
a46153382f22: Loading layer [==================================================>]  3.584kB/3.584kB
Loaded image: rancher/klipper-lb:v0.3.4
...

Untagged: rancher/coredns-coredns:1.8.3
The push refers to repository [192.168.2.23:5000/rancher/coredns-coredns]
9f4a0b0fd8b2: Pushed
225df95e717c: Layer already exists
1.8.3-arm: digest: sha256:dfc241eae22da74dd378535b69d7927f897acf48424cdcb90991b33f412cb7ae size: 739

# docker manifest create
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/coredns-coredns:1.8.3, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/coredns-coredns:1.8.3
sha256:dc76fece93e42f05e7013e159097a0d426734fd268467f242d5b155dd49b0221
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/klipper-helm:v0.6.6-build20211022, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/klipper-helm:v0.6.6-build20211022
sha256:e1c6842554ea37e66443cfab9a2422231bf8390b4c69711a74eb4cccde9d3dba
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/klipper-lb:v0.3.4, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/klipper-lb:v0.3.4
sha256:98842bae8630a2aab1a94960185e152745ecf16ca69cf1eefdb53848cbc41063
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/library-busybox:1.32.1, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/library-busybox:1.32.1
sha256:0b93c11bfd89ee5c971deaf9f312d115b2e1d797f79a7f68a266baecfb09a99f
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/library-traefik:2.4.8, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/library-traefik:2.4.8
sha256:58464dda10504d271a17855541ed8d31a787ea25eb751ecce90e14256f23eb24
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/local-path-provisioner:v0.0.19, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/local-path-provisioner:v0.0.19
sha256:0c797ef85540a4934ea84a9471f4f5a10c93f749ee668d92527361c61bbe98c3
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/metrics-server:v0.3.6, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/metrics-server:v0.3.6
sha256:742595f61320bcaead987c5aafc3eb64b9a9151edb02b9e4d27f8abcae26d92e
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/pause:3.1, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/pause:3.1
sha256:f3ef3cbaf2ea466a0c2a2cf3db0d9fbc30f4c24e57a79603aa0fa8999d4813b0

Skopeo 簡介

  • Skopeo 簡介 - K8S 1.20 棄用 Docker 評估之 Docker CLI 的替代產品 - 東風微鳴技術博客 (ewhisper.cn)

最近 Skopeo 版本更新到了 v1.8, 最近的版本增加了一些與多架構有關的 flags, 使得通過 skopeo 進行多架構鏡像的保存/同步更為方便,

?? Notes:

目前關于多架構,只有 3 個選項,3 個選項都沒有選擇源鏡像多個架構的其中幾個的能力,但正在開發中,
具體見這個 Issue: feature: Support list of archs for sync command · Issue #1694 · containers/skopeo (github.com)

以下是一些相關 flags:

  • skopeo
    • --override-arch <arch>: 使用 arch 代替機器的架構來選擇鏡像,
    • --override-os <os>: 使用 os 代替機器的 OS 來選擇鏡像,
    • --override-variant <variant>: 使用 variant 運行的架構的變體來選擇鏡像,(不同變體指的如:redis 鏡像的 arm/v5arm/v7 兩種變體)
  • skopeo copy
    • --all, -a: 如果 source-image 參考的是一個鏡像串列,那么不要只復制與當前作業系統和體系架構匹配的鏡像(取決于全域的--override-os--override-arch--override-variant選項的使用),而是嘗試復制串列中的所有鏡像,以及串列本身,
    • --multi-arch: 如果源鏡像參考多架構鏡像,則控制要復制的內容,默認設定是system
      • system: 僅復制與系統架構匹配的鏡像
      • all: 復制完整的多架構鏡像
      • index-only: 僅復制鏡像索引 (image index).(index-only選項通常會失敗,除非目標中已經存在每個架構所參考的鏡像,或者目標注冊中心支持稀疏索引,)
  • skopeo sync
    • --all, -a: 同上

?? Notes:

根據 skopeo copy --multi-arch index-only 的描述,場景一 還有一種實作就是:

  1. docker manifest 之前的步驟,維持原狀
  2. docker manifest createdocker manifest push 替換為 skopeo copy --multi-arch index-only

保存/同步多架構鏡像實用腳本二 - 基于 skopeo copy

場景二

直接從 docker.io 同步鏡像到本地鏡像倉庫

以 K3s 某一版本為例,鏡像串列為:

  • rancher/coredns-coredns:1.8.3
  • rancher/klipper-helm:v0.6.6-build20211022
  • rancher/klipper-lb:v0.3.4
  • rancher/library-busybox:1.32.1
  • rancher/library-traefik:2.4.8
  • rancher/local-path-provisioner:v0.0.19
  • rancher/metrics-server:v0.3.6
  • rancher/pause:3.1

這里直接基于 鏡像搬運工 skopeo 提供的腳本做修改,修改后如下:

?? Notes:

因為較新版本的 skopeo 才有上面說的一系列 flags, 我的 Ubuntu apt 安裝的 skopeo 還停留在 v1.5 版本,沒有上述功能,所以直接通過 docker run 方式運行
除此之外還添加了 --multi-arch all 選項,

#!/bin/bash
GREEN_COL="\\033[32;1m"
RED_COL="\\033[1;31m"
NORMAL_COL="\\033[0;39m"
SOURCE_REGISTRY=$1
TARGET_REGISTRY=$2
IMAGES_LIST_FILE=$3
: ${IMAGES_LIST_FILE:="k3s-images.txt"}
: ${TARGET_REGISTRY:="192.168.2.23:5000"}
: ${SOURCE_REGISTRY:="docker.io"}

set -eo pipefail

CURRENT_NUM=0
ALL_IMAGES="$(sed -n '/#/d;s/:/:/p' ${IMAGES_LIST_FILE} | sort -u)"
TOTAL_NUMS=$(echo "${ALL_IMAGES}" | wc -l)

skopeo_copy() {
    if docker run -it quay.io/skopeo/stable:latest copy --insecure-policy --src-tls-verify=false --dest-tls-verify=false \
        --src-creds caseycui:xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx --multi-arch all --override-os linux -q docker://$1 docker://$2; then
        echo -e "$GREEN_COL Progress: ${CURRENT_NUM}/${TOTAL_NUMS} sync $1 to $2 successful $NORMAL_COL"
    else
        echo -e "$RED_COL Progress: ${CURRENT_NUM}/${TOTAL_NUMS} sync $1 to $2 failed $NORMAL_COL"
        exit 2
    fi
}

for image in ${ALL_IMAGES}; do
    let CURRENT_N192.168.2.23:5000UM=${CURRENT_NUM}+1
    skopeo_copy ${SOURCE_REGISTRY}/${image} ${TARGET_REGISTRY}/${image}
done

運行效果如下:

$ bash sync.sh
 Progress: 1/8 sync docker.io/rancher/coredns-coredns:1.8.3 to 192.168.2.23:5000/rancher/coredns-coredns:1.8.3 successful
 Progress: 2/8 sync docker.io/rancher/klipper-helm:v0.6.6-build20211022 to 192.168.2.23:5000/rancher/klipper-helm:v0.6.6-build20211022 successful
 Progress: 3/8 sync docker.io/rancher/klipper-lb:v0.3.4 to 192.168.2.23:5000/rancher/klipper-lb:v0.3.4 successful
 Progress: 4/8 sync docker.io/rancher/library-busybox:1.32.1 to 192.168.2.23:5000/rancher/library-busybox:1.32.1 successful
 Progress: 5/8 sync docker.io/rancher/library-traefik:2.4.8 to 192.168.2.23:5000/rancher/library-traefik:2.4.8 successful
 Progress: 6/8 sync docker.io/rancher/local-path-provisioner:v0.0.19 to 192.168.2.23:5000/rancher/local-path-provisioner:v0.0.19 successful
 Progress: 7/8 sync docker.io/rancher/metrics-server:v0.3.6 to 192.168.2.23:5000/rancher/metrics-server:v0.3.6 successful
 Progress: 8/8 sync docker.io/rancher/pause:3.1 to 192.168.2.23:5000/rancher/pause:3.1 successful

最終效果

最終本地的鏡像效果如下:

Docker Registry 中的多架構鏡像

??????

??? Reference

  • K8S 1.20 棄用 Docker 評估之 Docker 和 OCI 鏡像格式的差別 - 東風微鳴技術博客 (ewhisper.cn)
  • Skopeo 簡介 - K8S 1.20 棄用 Docker 評估之 Docker CLI 的替代產品 - 東風微鳴技術博客 (ewhisper.cn)
  • docker manifest | Docker Documentation
  • containers/skopeo: Work with remote images registries - retrieving information, images, signing content (github.com)
  • Multi-architecture images in your registry - Azure Container Registry | Microsoft Docs
  • 鏡像搬運工 skopeo

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