DCOS番外篇之Docker基础知识之各式文件系统

Docker模型的核心部分是有效利用分层镜像机制，镜像可以通过分层来进行继承，基于基础镜像（没有父镜像），可以制作各种具体的应用镜像。不同 Docker 容器就可以共享一些基础的文件系统层，同时再加上自己独有的改动层，大大提高了存储的效率。其中主要的机制就是分层模型和将不同目录挂载到同一个虚拟文件 系统下。 针对镜像存储docker采用了几种不同的存储drivers，包括：aufs，devicemapper，btrfs 和overlay，以下内容纯属瞎扯淡╮(╯▽╰)╭

DeviceMapper简介

Device mapper 是 Linux 2.6 内核中提供的一种从逻辑设备到物理设备的映射框架机制，在该机制下，用户可以很方便的根据自己的需要制定实现存储资源的管理策略 。它为实现用于存储资源管理的块设备驱动提供了一个高度模块化的内核架构，它包含三个重要的对象概念，Mapped Device、Mapping Table、Target device。

Mapped Device 是一个逻辑抽象，可以理解成为内核向外提供的逻辑设备，它通过Mapping Table描述的映射关系和 Target Device 建立映射。Target device 表示的是 Mapped Device 所映射的物理空间段，对 Mapped Device 所表示的逻辑设备来说，就是该逻辑设备映射到的一个物理设备。Mapping Table里有 Mapped Device 逻辑的起始地址、范围、和表示在 Target Device 所在物理设备的地址偏移量以及Target 类型等信息（注：这些地址和偏移量都是以磁盘的扇区为单位的，即 512 个字节大小，所以，当你看到128的时候，其实表示的是128*512=64K）。

DeviceMapper 中的逻辑设备Mapped Device不但可以映射一个或多个物理设备Target Device，还可以映射另一个Mapped Device，于是，就是构成了一个迭代或递归的情况，就像文件系统中的目录里除了文件还可以有目录，理论上可以无限嵌套下去。

DeviceMapper在内核中通过一个一个模块化的 Target Driver 插件实现对 IO 请求的过滤或者重新定向等工作，当前已经实现的插件包括软 Raid、加密、多路径、镜像、快照等，这体现了在 Linux 内核设计中策略和机制分离的原则。DeviceMapper只是一个框架，在这个框架上，我们可以插入各种各样的策略，在这诸多“插件”中，有一个东西叫Thin Provisioning Snapshot，这是Docker使用DeviceMapper中最重要的模块。

AUFS简介

典型的Linux文件系统由bootfs和rootfs两部分组成，bootfs(boot file system)主要包含bootloader和kernel，bootloader主要是引导加载kernel，当kernel被加载到内存中后 bootfs就被umount了。 rootfs (root file system) 包含的就是典型 Linux 系统中的/dev，/proc，/bin，/etc等标准目录和文件。

Docker容器是建立在Aufs基础上的，Aufs是一种Union FS， 简单来说就是支持将不同的目录挂载到同一个虚拟文件系统下，并实现一种layer的概念。Aufs将挂载到同一虚拟文件系统下的多个目录分别设置成read-only，read-write以及whiteout-able权限，对read-only目录只能读，而写操作只能实施在read-write目录中。重点在于，写操作是在read-only上的一种增量操作，不影响read-only目录。当挂载目录的时候要严格按照各目录之间的这种增量关系，将被增量操作的目录优先于在它基础上增量操作的目录挂载，待所有目录挂载结束了，继续挂载一个read-write目录，如此便形成了一种层次结构。

Docker镜像的典型结构如上图。传统的Linux加载bootfs时会先将rootfs设为read-only，然后在系统自检之后将rootfs从read-only改为read-write，然后我们就可以在rootfs上进行写和读的操作了。但Docker的镜像却不是这样，它在bootfs自检完毕之后并不会把rootfs的read-only改为read-write。而是利用union mount（UnionFS的一种挂载机制）将一个或多个read-only的rootfs加载到之前的read-only的rootfs层之上。在加载了这么多层的rootfs之后，仍然让它看起来只像是一个文件系统，在Docker的体系里把union mount的这些read-only的rootfs叫做Docker的镜像。但是，此时的每一层rootfs都是read-only的，我们此时还不能对其进行操作。当我们创建一个容器，也就是将Docker镜像进行实例化，系统会在一层或是多层read-only的rootfs之上分配一层空的read-write的rootfs。

overlay简介

overlayfs是目前使用比较广泛的层次文件系统，实现简单，性能较好. 可以充分利用不同或则相同overlay文件系统的page cache，具有

• 上下合并
• 同名遮盖
• 写时拷贝 等特点。

BRTFS简介

ext2/3 暴露出了一些扩展性问题，于是便催生了 ext4 。在 2008 年发布的 Linux2.6.19 内核中集成了 ext4 的 dev 版本。 2.6.28 内核发布时，ext4 结束了开发版，开始接受用户的使用。似乎 ext 就将成为 Linux 文件系统的代名词。

文件系统的新时代是 2005 年由 Sun 公司的 ZFS 开创的。 ZFS 代表” last word in file system ”，意思是此后再也不需要开发其他的文件系统了。 ZFS 的确带来了很多崭新的观念，对文件系统来讲是一个划时代的作品。

如果您比较 btrfs 的特性，将会发现 btrfs 和 ZFS 非常类似。brtfs的特性：

首先是扩展性 (scalability) 相关的特性，btrfs 最重要的设计目标是应对大型机器对文件系统的扩展性要求。 Extent，B-Tree 和动态 inode 创建等特性保证了 btrfs 在大型机器上仍有卓越的表现，其整体性能而不会随着系统容量的增加而降低。

其次是数据一致性 (data integrity) 相关的特性。系统面临不可预料的硬件故障，Btrfs 采用 COW 事务技术来保证文件系统的一致性。 btrfs 还支持 checksum，避免了 silent corrupt 的出现。而传统文件系统则无法做到这一点。

第三是和多设备管理相关的特性。 Btrfs 支持创建快照 (snapshot)，和克隆 (clone) 。 btrfs 还能够方便的管理多个物理设备，使得传统的卷管理软件变得多余。

最后是其他难以归类的特性。这些特性都是比较先进的技术，能够显著提高文件系统的时间 / 空间性能，包括延迟分配，小文件的存储优化，目录索引等。

扩展性相关的特性。

相关材料

①、剖析Docker文件系统：Aufs与Devicemapper

http://www.infoq.com/cn/articles/analysis-of-docker-file-system-aufs-and-devicemapper/

②、迁移Linux系统 http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-linux-br2/

③、docker存储驱动 http://www.tuicool.com/articles/aqaIzeA

④、docker存储devicemapper简介 http://coolshell.cn/articles/17061.html