Dragonfly 发布 Nydus 容器镜像加速服务
镜像对容器部署的挑战
在容器的生产实践中，偏小的容器镜像能够很快的部署启动。当应用的镜像达到几个GB以上的时候，在节点上下载镜像通常会消耗大量的时间。Dragonfly 通过引入 P2P 网络有效的提升了容器镜像大规模分发的效率。然而，用户还是必须等待镜像数据完整下载到本地，然后才能创建自己的容器。我们希望进一步缩减镜像下载的时 间，让用户能够更快地部署容器应用。同时，如何更好的保护用户的数据，也是容器行业近年来的重要关注点。
为此，我们为Dragonfly项目引入了一个容器镜像加速服务 nydus 。nydus 能够极大缩短镜像 下载时间，并提供端到端的镜像数据一致性校验，从而让用户能够更安全快捷地管理容器应用。nydus 由阿里云和蚂蚁集团的工程师合作开发，并大规模部署在内部的 生产环境中。 作为云原生生态的一部分， nydus 在生产环境的优秀表现，让我们有信心现在将项目开源，让更多的容器用户能够体验到容器快速启动和安全加载方面 的能力。
Nydus: Dragonfly 的容器镜像服务
nydus 项目优化了现有的 OCI 镜像标准格式，并以此设计了一个用户态的文件系统。通过这些优化，nydus 能够提供这些特性：
- 容器镜像按需下载，用户不再需要下载完整镜像就能启动容器
- 块级别的镜像数据去重，最大限度为用户节省存储资源
- 镜像只有最终可用的数据，不需要保存和下载过期数据
- 端到端的数据一致性校验，为用户提供更好的数据保护
- 兼容 OCI 分发标准和 artifacts 标准，开箱即可用
- 支持不同的镜像存储后端，镜像数据不只可以存放在镜像仓库，还可以放到 NAS 或者类似 S3 的对象存储上
- 与 Dragonfly 的良好集成
架构上， nydus 主要包含一个新的镜像格式，和一个负责解析容器镜像的 FUSE 用户态文件系统进程。
nydus 能够解析FUSE， 或者virtiofs协议来支持传统的 runc 容器， 或者Kata容器。容器仓库，OSS 对象存储 ，NAS，以及 Dragonfly 的超级节点和 peer 节点都可以作为 nydus 的镜像数据源。同时， nydus 还可以配置一个本地缓存，从而避免每次启动都从远端数据源拉取数据。
镜像格式方面， nydus 把一个容器镜像分成元数据和数据两层。其中元数据层是一颗自校验的哈希树。 每个文件和目录都是哈希树中的一个附带哈希值的节点。一个文件节点的哈希值是由文件的数据确定，一个目录节点的哈希值则是由该目录下所有文件和目录的哈希值 确定。每个文件的数据被按照固定大小切片并保存到数据层中。数据切片可以在不同文件以及不同镜像中的不同文件共享。
Nydus 能为用户带来什么？
用户如果部署了 nydus 镜像服务，最直观的一个感受就是，容器启动变快了，从以前的明显时间消耗，变成了几乎瞬间就能启动起来。在我们的测试中， nydus 能够把常见镜像的启动时间，从数分钟缩短到数秒钟。
另外一个不那么明显但也很重要的改进，是 nydus 能够为用户提供容器运行时数据一致性校验。在传统的镜像中，镜像数据会先被解压到本地文件系统，再由容器应 用去访问使用。解压前，镜像数据是完整校验的。但是解压之后，镜像数据不再能够被校验。这带来的一个问题就是，如果解压后的镜像数据被无意或者恶意地修改， 用户是无法感知的。而 nydus 镜像不会被解压到本地，同时可以对每一次数据访问进行校验，如果数据被篡改，则可以从远端数据源重新拉取。
未来规划
前面我们介绍了 nydus 的架构和优点。在过去的一年里，我们和内部的产品团队一起致力于让 nydus 项目更稳定，安全和易用。在把 nydus 项目开源之后，我们 将会更关注广泛的云原生容器生态。我们的愿景是，当用户在集群中部署 Dragonfly 和 nydus 服务的时候，无论镜像大小，用户都能够方便快捷地运行他们的容器 应用，同时不需要为容器镜像的数据安全性担忧。
OCI 社区容器镜像标准
虽然我们已经在内部生产环境中大规模部署 nydus，我们坚信对 OCI 镜像标准的改进需要广泛的社区合作。为此，我们积极地参与了 OCI 社区关于下一代镜像标准 的讨论，并发现 nydus 能够广泛地符合 OCI 社区对下一代镜像格式的要求。所以我们提议把 nydus 作为 OCI 社区下一代镜像格式的示例实现，并期待和更多的 云原生行业领导者们一起推进下一代镜像标准的制定和实现。
FAQ
Q: 现有的 OCI 镜像标准有什么问题？
- SUSE 的 Aleksa Sarai 写过一个 blog (The Road to OCIv2 Images: What's Wrong with Tar?) ，详细地描述了现有 OCI 镜像标准的一系列问题，简单总结就是 OCI 镜像标准使用的 tar 格式太古老并不适合作为容器镜像格式。
Q: nydus 和 CRFS 有什么区别？
- CRFS 是 GO build team 设计的一个镜像格式。二者在主要设计思想上非常相似。细节上， nydus 支持块级别的数据去重和端到端的数据一致性校验，可以说 是在 CRFS 的 stargz 格式上的进一步改进。
Q: nydus 和 Azure 的 Teleport 有什么区别？
- Azure Teleport 更像是现有 OCI 镜像标准在基于 SMB 文件共享协议的 snapshotter 上的一个部署实现，能够支持容器镜像数据按需下载，但保留了所有 目前 OCI 镜像 tar 格式的缺陷。相对的， nydus 抛弃了过时的 tar 格式，并使用 merkle tree 格式来提供更多的高级特性。
Q: 如果运行基于 nydus 的容器的时候网络断了怎么办？
- 使用现有 OCI 镜像的时候，如果在容器镜像还没有完整下载的时候网络断了，容器会一开始就无法启动。 nydus 很大程度上改变了容器启动的流程，用户不需要 再等待镜像数据完整下载就能启动容器。而容器运行时如果网络断了，将无法访问没有下载到本地的镜像数据。 nydus 支持在容器启动后在后台下载容器镜像数据， 所以当容器镜像数据完整下载到本地后，基于 nydus 的容器也不会受到网络中断的影响。
附录：OCIv2 镜像标准
从 2020 年 6 月开始，OCI 社区花了一个多月时间密集讨论了当前 OCI 镜像标准的缺陷，以及 OCIv2 镜像格式需要满足哪些要求。OCIv2 在这里只是一个宣传 命名，实际上 OCIv2 是当前 OCI 镜像标准的改进，而不会是一个全新的镜像标准。
这次镜像格式大讨论从一个邮件和一份共享文档开始，并促成了多次在线的 OCI 社区讨论会议。最后的结论也很鼓舞人心，OCIv2 镜像格式需要满足下列要求：
- 更少的重复数据
- 可重建的镜像格式
- 明确的更少的文件系统元数据
- 可以 mount 的文件系统格式
- 镜像内容列表
- 镜像数据按需加载
- 可扩展性
- 可校验和/或可修复
- 更少的上传数据
- 可以工作在不可信存储上
在这份共享文档中可以找到每一个要求的详细描述。我们全程参与了整个 OCIv2 镜像格式要求的讨论 ，并发现 nydus 很好地满足了全部的这些要求。这进一步促使我们开源 nydus 项目来为社区讨论提供一个工作的代码基础。