利用分层机制优化Docker Image

1.Docker Image 分层存储

为了最大化重用 Image，加快运行速度，减少内存和磁盘的占用，Docker container 运行时所构造的运行环境，实际上是由具有依赖关系的多个 Layer 组成的。如图 1 所示，每一串数字 ID 就代表了一个 Docker Image Layer。当我们在 pull 一个 Docker Image 的时候我们会发现所有依赖的 Layer 文件将会被 download。

图 1. Docker Image 分层示意图

例如我们一个 Docker App Image 的运行环境是在基础的 Docker Base Image 的基础上，叠加了包含例如 anaconda等各种工具的 Image，再叠加包含模型文档及其相关依赖库的 Image，以及包含了最终应用的code包的 layer。这些 Image 由 AUFS 文件系统加载合并到统一路径中，以只读的方式存在，最后再叠加加载一层可写的空白的 Layer 用作记录对当前运行环境所作的修改。因此，当 Docker Image 每次由一个基础 Image 创建后，新 Image 就自动增加了一层。如图 2 所示：

图 2. Docker Image Layer 的叠加

2 Docker Image 衍生单一 Base Image

随着项目基于 Docker 的使用逐渐增加，Docker Image 的数量也将逐渐增加。随之而来的问题就是如何维护这些 Docker Image 的升级。如果缺乏规划和设计，每个 Docker Image 均来自一个最基础的 OS Image，那么就需要对于所有的 Docker Image 进行重构。如图 3所示：

图 3. Docker Image 衍生单一 Base Image

当环境进行更新升级的时候，如果所有的节点均来自一个基础的 OS Image，重复的 layer 层将会被重复更新。也就意味着，这部分重复的内容会被反复的下载。如果一个 Docker Image 达到了 1G 以上的规模，而每个 Docker Host 节点的更新都需要重新下载新的 Image. 这样环境更新所花费的时间将会是成倍的增加。如图 4 所示，Docker Image 2 和 Docker Image3 均是基于 Docker Image 1。

图 4. 基于同样 Base Image 的 Docker Image Layer 的叠加

图 5. Docker Image Layer 在 Docker Host 上的存储关系

从图 5 可以看出在同一个 Docker host 上 download 来自同样 Base Image 的 Docker Image, Docker 在下载 Image layer 的时候，对于已经存在的 layer 是不会重复下载的。但是如果 layer 不同，即使内部包含的内容一样，也还是会重复下载的。

3.利用分层机制优化 Docker Image

通过上两节的介绍，可以发现缺乏良好设计的 Docker Image 会给日后的维护以及我们后续CICD的效率带来较大的问题。接下来就介绍下如何利用分层机制对项目的 Docker Image 进行合理的规划。从而提升 Docker 在CICD过程中的可持续性，并提升CICD的效率。

3.1 设计基于分层机制的 Docker Image

假设系统中我们有两个应用 App1 和 App2。这两个节点的环境信息如下：

通过上表环境信息的对比，我们发现在这两个不同引用的节点上，不同的部分只是 最后的代码code 的和config 文件。对于其他相同的部分，我们可以考虑通过 Docker Image Layer 的概念将其复用。从而最大限度发挥 Docker 的能力。将上表中的两部分环境信息以分类为节点名，重新以树状结构组织如图 6 所示：

图6.环境配置树状图 1

建议将一些不会经常发生变化的命令或者同类型的命令，合并到同一层。如图 7 所示：

图7.环境配置树状图 2

最后将图中的两个树状结构图进行叠加将重复的节点进行合并，最后得出如下树状结构图：

图 8. 环境配置树状图 3

现在我们已经基于 Docker Image 的分层存储机制完成了一个初步的Docker Image 的规划。接下来就可以根据上图结构分别制作 Image。最终我们将会有三个 Base Image，和最终加入代码的业务镜像。同时基于此，我们的Dockerfile也类比如下：这里本该是 4个 gitlab 仓库制作的 4个镜像。为了方便展示镜像复用关系， 用一个代码块展示：

# f1: 运维安全团队增加优化基础安全组件
FROM python3
RUN apt install -y some-security-framework
# push: abc.hub.com/libary/python3 

# f2: 架构师安装基础架构
FROM abc.hub.com/libary/python3
RUN wget -c anaconda12.sh && ./anaconda12.sh && rm -f anaconda12.sh
# push: abc.hub.com/ai-tools/env-anaconda:12

# f3: 制作模型镜像
FROM abc.hub.com/ai-tools/env-anaconda:12
RUN pip install -y some-dependences
RUN wget -c s3.xx.com/some-path/dust.model -O /some/path
# push: abc.hub.com/ai-tools/env-anaconda-dust:runtime

# f4: 制作业务镜像
FROM abc.hub.com/rk-ai-tools/env-anaconda-dust:runtime
ADD code /workspace/code
ENTRYPOINT [ "/bin/bash", "/entrypoint.sh" ]
# push: abc.hub.com/rk-ai-pollution/srv-some-appname-amd64:1.0.0-1234567

3.2 基于分层机制的 Docker Image 的实践

如图 10 所示, 按照之前介绍的安装 Security tools/General tools/Library 的Docker Image 大小在 1.8 G 左右。以此为基础创建的的 App Image 的大小在 1.9G 左右。

图 10. Docker Image 分层存储实验 1

在一个已经 download 了 Liberty Docker Image 的环境下下载 App Image。如图 11 所示，可以看到已经存在的 layer 已经是 complete 状态。唯一 download 的部分只有新增加的 EAR 所产生的新的 layer。所需时间仅仅为 1 分 33 秒。

图 11. Docker Image 分层存储实验 2

如果直接在一个不存在 Liberty Docker Image 的 server 上去 download App Docker Image, 如图 12 所示，我们可以看到所需要的时间将超过 7 分钟。

图 12. Docker Image 分层存储实验 3

通过图 13 可以发现其他 layer 的 download 时间要超过 4 分钟，如果反复对这些重复的 Docker Image layer 进行下载更新，将会严重影响环境更新的效率。随着不同 Image 之间在 Docker Image Layer 上的差异越大，所花费的下载 Docker Image 的代价也将越大。

图 13. Docker Image 分层存储实验 4

4.小结

通过上文的描述和实际测试可知，如果我们能把镜像做一个合理的分层，不但能缩短拉取镜像的时间，提高CICD的效率，更能划分不同团队不同人员的角色，每个人只专注自己职责相关的镜像，然后不同团队或同团队其他人员可以在其基础上，再构建自己的镜像，层层递进，最终制作一个业务发布的镜像。