走进docker(02)：image(镜像)是什么？

上一篇介绍了hello-world的大概流程，那么hello-world的image里面到底包含了些什么呢？里面的格式是怎么样的呢？

image所包含的内容以及格式都是有标准的，由Open Containers Initiative(OCI)负责维护，地址为image-spec，本文将对该标准做一个简单的解释。

image包含的内容

一个image由manifest、image index (可选)、filesystem layers和configuration四部分组成。

关系图

先来看看构成image的四部分的关系图：

                    +-----------------------+
                    | Image Index(optional) |
                    +-----------------------+
                               |
                               | 1..*
                               ↓
                    +----------------------+
                    |    Image Manifest    |
                    +----------------------+
                               |
                     1..1      |     1..*
               +---------------+--------------+
               |                              |
               ↓                              ↓
       +--------------+             +-------------------+
       | Image Config |             | Filesystem Layers |
       +--------------+             +-------------------+

Image Index和Manifest的关系是"1..*"，表示它们是一对多的关系
Image Manifest和Config的关系是"1..1"，表示它们是一对一的关系
Image Manifest和Filesystem Layers是一对多的关系

下面分别介绍它们各自都包含了哪些内容。

Filesystem Layers

Filesystem Layer包含了文件系统的信息，即该image包含了哪些文件/目录，以及它们的属性和数据。

包含的内容

每个filesystem layer都包含了在上一个layer上的改动情况，主要包含三方面的内容：

变化类型：是增加、修改还是删除了文件
文件类型：每个变化发生在哪种文件类型上
文件属性：文件的修改时间、用户ID、组ID、RWX权限等

比如在某一层增加了一个文件，那么这一层所包含的内容就是增加的这个文件的数据以及它的属性，具体的细节请参考标准文档。

打包格式

最终每个layer都会打包成一个文件，这个文件的格式可以是tar和tar+gzip两种中的一种。

对于这两种不同类型的文件格式，标准定义了两个新的media types，分别是application/vnd.oci.image.layer.v1.tar和application/vnd.oci.image.layer.v1.tar+gzip。

同时标准还定义了application/vnd.oci.image.layer.nondistributable.v1.tar和application/vnd.oci.image.layer.nondistributable.v1.tar+gzip这两种对应于nondistributable的格式，其实这两种格式和前两种格式包含的内容是一样的，只是用不同的类型名称来区分它们的用途，对于名称中有nondistributable的layer，标准要求这种类型的layer不能上传，只能下载。

做过web开发的程序员对media type应该比较熟悉，简单点说，就是当客户端用http协议下载一个文件的时候，需要在http的首部带上Accept字段，告诉服务器端它支持哪些类型的文件，服务器返回文件的时候，需要在http的首部带上Content-Type字段，告诉客户端返回文件的类型，如Accept: text/html,application/xml和Content-Type: text/html。

Image Config

image config就是一个json文件，它的media type是application/vnd.oci.image.config.v1+json，这个json文件包含了对这个image的描述。先看看官方网站给的例子：

{
    "created": "2015-10-31T22:22:56.015925234Z",
    "author": "Alyssa P. Hacker <alyspdev@example.com>",
    "architecture": "amd64",
    "os": "linux",
    "config": {
        "User": "alice",
        "ExposedPorts": {
            "8080/tcp": {}
        },
        "Env": [
            "PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin",
            "FOO=oci_is_a",
            "BAR=well_written_spec"
        ],
        "Entrypoint": [
            "/bin/my-app-binary"
        ],
        "Cmd": [
            "--foreground",
            "--config",
            "/etc/my-app.d/default.cfg"
        ],
        "Volumes": {
            "/var/job-result-data": {},
            "/var/log/my-app-logs": {}
        },
        "WorkingDir": "/home/alice",
        "Labels": {
            "com.example.project.git.url": "https://example.com/project.git",
            "com.example.project.git.commit": "45a939b2999782a3f005621a8d0f29aa387e1d6b"
        }
    },
    "rootfs": {
      "diff_ids": [
        "sha256:c6f988f4874bb0add23a778f753c65efe992244e148a1d2ec2a8b664fb66bbd1",
        "sha256:5f70bf18a086007016e948b04aed3b82103a36bea41755b6cddfaf10ace3c6ef"
      ],
      "type": "layers"
    },
    "history": [
      {
        "created": "2015-10-31T22:22:54.690851953Z",
        "created_by": "/bin/sh -c #(nop) ADD file:a3bc1e842b69636f9df5256c49c5374fb4eef1e281fe3f282c65fb853ee171c5 in /"
      },
      {
        "created": "2015-10-31T22:22:55.613815829Z",
        "created_by": "/bin/sh -c #(nop) CMD [\"sh\"]",
        "empty_layer": true
      }
    ]
}

这里只介绍几个比较重要的属性，其它的请参考标准文档

architecture：CPU架构类型，现在大部分都是amd64，不过arm64估计会慢慢多起来
os：操作系统，本人只用过linux
config：当根据这个image启动container时，config里面的配置就是运行container时的默认参数，在后续介绍runtime的时候再仔细介绍每一项的意义
rootfs：指定了image所包含的filesystem layers，type的值必须是layers，diff_ids包含了layer的列表（顺序排列），每一个sha256就是每层layer对应tar包的sha256码

manifest

manifest也是一个json文件，media type为application/vnd.oci.image.manifest.v1+json，这个文件包含了对前面filesystem layers和image config的描述，一看官方网站给出的示例就明白了：

manifest文件中config的sha256就是image的ID，即上面image config文件的sha256值，这里是b5b2b2c507a0944348e0303114d8d93aaaa081732b86451d9bce1f432a537bc7

{
  "schemaVersion": 2,
  "config": {
    "mediaType": "application/vnd.oci.image.config.v1+json",
    "size": 7023,
    "digest": "sha256:b5b2b2c507a0944348e0303114d8d93aaaa081732b86451d9bce1f432a537bc7"
  },
  "layers": [
    {
      "mediaType": "application/vnd.oci.image.layer.v1.tar+gzip",
      "size": 32654,
      "digest": "sha256:e692418e4cbaf90ca69d05a66403747baa33ee08806650b51fab815ad7fc331f"
    },
    {
      "mediaType": "application/vnd.oci.image.layer.v1.tar+gzip",
      "size": 16724,
      "digest": "sha256:3c3a4604a545cdc127456d94e421cd355bca5b528f4a9c1905b15da2eb4a4c6b"
    },
    {
      "mediaType": "application/vnd.oci.image.layer.v1.tar+gzip",
      "size": 73109,
      "digest": "sha256:ec4b8955958665577945c89419d1af06b5f7636b4ac3da7f12184802ad867736"
    }
  ],
  "annotations": {
    "com.example.key1": "value1",
    "com.example.key2": "value2"
  }
}

config里面包含了对image config文件的描述，有media type，文件大小，以及sha256码
layers包含了对每一个layer的描述，和对config文件的描述一样，也包含了media type，文件大小，以及sha256码

这里layer的sha256和image config文件中的diff_ids有可能不一样，比如这里的layer文件格式是tar+gzip，那么这里的sha256就是tar+gzip包的sha256码，而diff_ids是tar+gzip解压后tar文件的sha256码

Image Index(可选)

image index也是个json文件，media type是application/vnd.oci.image.index.v1+json。

其实到manifest为止，已经有了整个image的完整描述，为什么还需要image index这个文件呢？主要原因是manifest描述的image只能支持一个平台，也没法支持多个tag，加上index文件的目的就是让这个image能支持多个平台和多tag。

image index是v1.0.0-rc5才加进来的一个文件，还不稳定，后面可能还会修改，并且docker现在也不支持该文件，这里看看官方给的示例，先了解一下：

{
  "schemaVersion": 2,
  "manifests": [
    {
      "mediaType": "application/vnd.oci.image.manifest.v1+json",
      "size": 7143,
      "digest": "sha256:e692418e4cbaf90ca69d05a66403747baa33ee08806650b51fab815ad7fc331f",
      "platform": {
        "architecture": "ppc64le",
        "os": "linux"
      }
    },
    {
      "mediaType": "application/vnd.oci.image.manifest.v1+json",
      "size": 7682,
      "digest": "sha256:5b0bcabd1ed22e9fb1310cf6c2dec7cdef19f0ad69efa1f392e94a4333501270",
      "platform": {
        "architecture": "amd64",
        "os": "linux",
        "os.features": [
          "sse4"
        ]
      }
    }
  ],
  "annotations": {
    "com.example.key1": "value1",
    "com.example.key2": "value2"
  }
}

index文件包含了对image中所有manifest的描述，相当于一个manifest列表，包括每个manifest的media type，文件大小，sha256码，支持的平台以及平台特殊的配置。

比如ubuntu想让它的image支持amd64和arm64平台，于是它在两个平台上都编译好相应的包，然后将两个平台的layer都放到这个image的filesystem layers里面，然后写两个config文件和两个manifest文件，再加上这样一个描述不同平台manifest的index文件，就可以让这个image支持两个平台了，两个平台的用户可以使用同样的命令得到自己平台想要的那些layer。

image index最新的标准里面并没有涉及到tag，不过估计后续会加上。

image layout

上面介绍了image所包含的内容，在开始介绍layout之前，先来回顾一下上一篇介绍hello-world时提到的从register服务器拉image的过程：

首先获取image的manifests
根据manifests文件中config的sha256码，得到image config文件
遍历manifests里面的所有layer，根据其sha256码在本地找，如果找到对应的layer，则跳过，否则从服务器取相应layer的压缩包
等上面的所有步骤完成后，就会拼出完整的image

从上面的过程中可以看出，我们从服务器上取image的时候不需要知道image manifests和config文件的名字，也不需要知道layer压缩包的名字。

那么image从服务器拉下来后，在本地应该怎么存储呢？文件名称和目录结构应该是怎样的呢？OCI也有相应的标准，名字叫image layout，有了这样的标准之后，我们就可以将整个image打成一个包，方便的在不同机器，不同容器平台之间导入导出。

不过遗憾的是，OCI的这个标准还在变化中，根据github上所看到的，v1.0.0-rc5在v1.0.0-rc4上就有较大的修改，并且现在docker也不支持该标准。

docker对OCI image layout的支持还在开发中，相关动态请关注：Support OCI image layout in docker save/load

这里我们看看v1.0.0-rc4的格式，下面是hello-world image的目录结构，了解一下：

dev@debian:~/images/hello-world$ tree
.
├── blobs
│   └── sha256
│       ├── 636fcf0bc8246e08d2df4771dc764d35ea50428b8dfaa904773b0707cb4f6303
│       ├── 7520415ce76232cdd62ecc345cea5ea44f5b6b144dc62351f2cd2b08382532a3
│       └── 9b8e3ce88f3a2aaa478cfe613632f38d27be5eddaa002a719fa1bfa9ff4f7f63
├── oci-layout
└── refs
    └── latest

oci-layout

包含image标准的版本信息

dev@debian:~/images/hello-world$ cat ./oci-layout| jq .
{
  "imageLayoutVersion": "1.0.0"
}

refs

里面的每个文件就是一个tag（hello-world的image中只有一个latest tag），每个tag都是一个单独的image，相当于一个image的layout包里面可以包含多个有关系的image，文件的内容如下：

dev@debian:~/images/hello-world$ cat ./refs/latest | jq .
{
  "mediaType": "application/vnd.oci.image.manifest.v1+json",
  "digest": "sha256:9b8e3ce88f3a2aaa478cfe613632f38d27be5eddaa002a719fa1bfa9ff4f7f63",
  "size": 347
}

其实就是对manifest文件的描述，根据sha256就可以在blobs的目录里面找到相应的manifest文件

blobs

里面包含了具体文件的内容，每个文件名都是其内容的sha256码，根据上面refs文件里面的sha256，就能在这里找到对应的manifest文件的内容，然后根据manifest文件的内容，就能一步一步的往下找到image config文件和filesystem layers文件。

dev@debian:~/images/hello-world$ file ./blobs/sha256/*
./blobs/sha256/636fcf0bc8246e08d2df4771dc764d35ea50428b8dfaa904773b0707cb4f6303: ASCII text, with very long lines, with no line terminators
./blobs/sha256/7520415ce76232cdd62ecc345cea5ea44f5b6b144dc62351f2cd2b08382532a3: gzip compressed data
./blobs/sha256/9b8e3ce88f3a2aaa478cfe613632f38d27be5eddaa002a719fa1bfa9ff4f7f63: ASCII text, with very long lines, with no line terminators

dev@debian:~/images/hello-world$ sha256sum ./blobs/sha256/*
636fcf0bc8246e08d2df4771dc764d35ea50428b8dfaa904773b0707cb4f6303  ./blobs/sha256/636fcf0bc8246e08d2df4771dc764d35ea50428b8dfaa904773b0707cb4f6303
7520415ce76232cdd62ecc345cea5ea44f5b6b144dc62351f2cd2b08382532a3  ./blobs/sha256/7520415ce76232cdd62ecc345cea5ea44f5b6b144dc62351f2cd2b08382532a3
9b8e3ce88f3a2aaa478cfe613632f38d27be5eddaa002a719fa1bfa9ff4f7f63  ./blobs/sha256/9b8e3ce88f3a2aaa478cfe613632f38d27be5eddaa002a719fa1bfa9ff4f7f63

下载image

上面介绍image layout时用到了hello-world的image，它是从哪里来的呢？

为了快速的构建container的rootfs，docker在本地有它自己的一套image管理方式，有自己的layout，并且目前docker save命令也不支持导出OCI格式的image，只能导出docker自己的格式，所以我们只能借助其它的工具得到OCI格式的image。

这里我们用skopeo来演示一下从docker hub上拉取hello-world的image，并把它在本地存成OCI的layout。

这里生成的layout和最新版本的标准有点差别，和v1.0.0-rc4的标准一致，如果你用同样的命令得到不一样的layout，说明skopeo有更新，支持了更新的标准。

#这里的所有命令在debian 8.6的环节上运行通过
#编译安装skopeo
$ git clone https://github.com/projectatomic/skopeo $GOPATH/src/github.com/projectatomic/skopeo
$ sudo apt-get install libgpgme11-dev libdevmapper-dev btrfs-tools go-md2man
$ cd $GOPATH/src/github.com/projectatomic/skopeo 
$ make binary-local
$ sudo make install

#下载hello-world的image
$ skopeo copy docker://hello-world oci:hello-world
$ tree hello-world/
hello-world/
├── blobs
│   └── sha256
│       ├── 636fcf0bc8246e08d2df4771dc764d35ea50428b8dfaa904773b0707cb4f6303
│       ├── 7520415ce76232cdd62ecc345cea5ea44f5b6b144dc62351f2cd2b08382532a3
│       └── 9b8e3ce88f3a2aaa478cfe613632f38d27be5eddaa002a719fa1bfa9ff4f7f63
├── oci-layout
└── refs
    └── latest

结束语

虽然OCI iamge的标准还处于rc阶段，没有正式release，并且docker现在也不支持OCI image的layout，不过相信过不了多久，OCI image的标准就会被广泛支持，先了解一下还是很有必要的。

参考

OCI Image Format Specification

走进docker(02)：image(镜像)是什么？

image包含的内容

关系图

Filesystem Layers

包含的内容

打包格式

Image Config

manifest

Image Index(可选)

image layout

oci-layout

refs

blobs

下载image

结束语

参考

public0821

引用和评论

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