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Docker存储驱动之Btrfs简介

2017-03-07 09:31:00         来源:添经地翼的博客  
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Docker存储驱动之Btrfs简介。Btrfs是下一代的copy-on-write文件系统,它支持很多高级特性,使其更加适合Docker。Btrfs合并在内核主线中,并且它的on-disk-format也逐渐稳定了。不过,它的很多特性还仍然处于开发中。

Docker的btrfs存储驱动利用了很多Btrfs特性来管理镜像和容器。这些特性中最重要的就是thin provisioning(超配)、copy-on-write和快照。

Btrfs特性

Btrfs一直被认为是Linux文件系统的未来。在Linux内核主线的全力支持下,稳定的on-disk-format,关注于稳定性的积极开发,使得Btrfs逐渐成为现实。

只要Docker还在Linux平台上运行,人们就会认为btrfs存储驱动会替代devicemapper存储驱动,成为潜在的长期的存储驱动。然而,在写耗时上,devicemapper被认为更安全,更稳定,更适合商品化。只有当你很了解Btrfs,并且有丰富的经验时,才可以考虑btrfs驱动商品化。

镜像分层和共享Btrfs

Docker利用Btrfs的子卷(subvolumes)和快照来管理镜像和容器层的on-disk组件。Btrfs子卷像是一个普通的Unix文件系统。同样,当挂靠到Unix文件系统时,它们可以有自己的内部目录结构。

子卷是原生的copy-on-write,还有着按需分配的足够的空间,这些空间来自于下层的存储池。它们也可以拥有子卷,也可以使用快照。下图显示了4个子卷,子卷2和子卷3挂靠在其他子卷之上,子卷4显示了自己内部的目录树。

image

快照是某个时间点整个子卷的读写拷贝。它们直接位于其父-子卷之下。示例如下:

image

Btrfs从下层的存储池中,按需地为子卷和快照分配空间。分配的单位是chunk(大块),大块的大小通常是1GB左右。

快照是Btrfs文件系统的“一等公民”,它操作时就像普通的子卷。由于Btrfs原生的copy-on-write设计,创建快照可以直接在Btrfs文件系统中构建。这意味着Btrfs快照空间利用率很高,很少或是没有性能消耗。下图显示了子卷和它快照如何分享相同数据的。

image

Docker的btrfs存储驱动把每个镜像层和容器都保存在它们自己的Btrfs子卷或者快照中。底部镜像保存为子卷,而他的子镜像层和容器都保存为快照。下图展示了该特性。

image

Docker是如下使用btrfs驱动的:

1) 镜像的底层保存为Btrfs子卷,位于/var/lib/docker/btrfs/subvolumes目录下。

2) 随后的镜像层都保存为父层(子卷或快照)的Btrfs快照。

镜像和容器on-disk构建

镜像层和容器可在Docker host的文件系统下直接看到,目录为/var/lib/docker/btrfs/subvolumes/。即使容器停止了,但其目录依然存在。这是因为btrfs存储驱动映射了一个默认的,最高等级的子卷在/var/lib/docker/btrfs/subvolumes/下。所有其他的子卷都作为Btrfs文件系统给的对象而存在于该卷之下,而不是各自独立的映射。

因为Btrfs工作在文件系统级别,而不是块级别,可以通过普通的Unix命令直接浏览镜像和容器层的内容。可以通过ls -l等简单命令来显示镜像层的内容,以下为一个删节的输出:

$ ls -l /var/lib/docker/btrfs/subvolumes/0a17decee4139b0de68478f149cc16346f5e711c5ae3bb969895f22dd6723751/

total 0

drwxr-xr-x 1 root root 1372 Oct 9 08:39 bin

drwxr-xr-x 1 root root 0 Apr 10 2014 boot

drwxr-xr-x 1 root root 882 Oct 9 08:38 dev

drwxr-xr-x 1 root root 2040 Oct 12 17:27 etc

drwxr-xr-x 1 root root 0 Apr 10 2014 home

...output truncated...

容器使用Btrfs读写

容器是镜像的一个高效利用空间的快照,快照中的元数据指向存储池中的实际数据块,这个和子卷是一致的。因此,从快照中读和从子卷中读本质上是一样的。所以,Btrfs驱动没有额外的性能损耗。

写一个新的文件,是一个按需分配的操作,会分配新的数据块给容器快照。文件也会写到这块新的空间。按需分配操作和所有Btrfs写操作一样,和写新数据到子卷也是一样的。因此,向容器快照写文件操作和原生的Btrfs操作速度一致。

在容器中更新一个已经存在的文件会引起copy-on-write操作(实际上是redirect-on-write),驱动不操作源数据,新分配一块空间给快照。更新的数据写在这块新空间上,然后,驱动更新快照中的文件系统系统元数据,指向这块新数据。该行为只有极小的损耗。

使用Btfs,写和更新大量小文件时,会使得性能缓慢。

在Docker中配置Btrfs

btrfs存储驱动只有在/var/lib/docker被映射在一个Btrfs文件系统时才能被使用。以下步骤展示如何在Ubuntu 14.04 LTS上配置Brtfs。

准备知识

如果你已经在你的Docker host上使用了Docker daemon,还有些镜像想保存,那么在尝试Btrfs之前,你需要先把镜像推送到Docker Hub或者你的私有仓库。

停止Docker daemon。然后,确保你在/dev/xvdb下有空闲的块设备。

另外,还需要确定你的OS上是否已经加载了Btrfs模块。输入以下命令确认:

$ cat /proc/filesystems | grep btrfs

btrfs

在Ubuntu 14.04 LTS上配置Btrfs

如果你的OS满足前面的要求,那么如下操作:

1) 安装btrfs-tools包。

$ sudo apt-get install btrfs-tools

Reading package lists... Done

Building dependency tree

2) 创建Btrfs存储池。

通过mkfs.btrfs命令创建Btrfs存储池。给mkfs.btrfs命令传递多个设备则可以创建一个使用多个设备的存储池。这里我们演示一下创建单个设备(/dev/xvdb)的池。

$ sudo mkfs.btrfs -f /dev/xvdb

WARNING! - Btrfs v3.12 IS EXPERIMENTAL

WARNING! - see http://btrfs.wiki.kernel.org before using

Turning ON incompat feature 'extref': increased hardlink limit per file to 65536

fs created label (null) on /dev/xvdb

nodesize 16384 leafsize 16384 sectorsize 4096 size 4.00GiB

Btrfs v3.12

记得把/dev/xvdb替换为你系统中的实际设备名称。

再次提醒:如前面提到的,Btrfs暂时来看,不建议作为产品来使用,除非你有着丰富的经验。

3) 在本地存储创建 /var/lib/docker。

$ sudo mkdir /var/lib/docker

4) 使Btrfs文件系统在系统重启时会自映射。

a. 获取Btrfs文件系统的UUID。

$ sudo blkid /dev/xvdb

/dev/xvdb: UUID="a0ed851e-158b-4120-8416-c9b072c8cf47"

UUID_SUB="c3927a64-4454-4eef-95c2-a7d44ac0cf27" TYPE="btrfs"

b. 在/etc/fstab中增加一行条目,使得系统启动时可以自动映射/var/lib/docker。下面两行每一行都可以生效,当然,在你实际操作中,记得替换为自己的UUID。

/dev/xvdb /var/lib/docker btrfs defaults 0 0

UUID="a0ed851e-158b-4120-8416-c9b072c8cf47" /var/lib/docker btrfs defaults 0 0

5.映射新的文件系统,并确认操作是否成功。

$ sudo mount -a

$ mount

/dev/xvda1 on / type ext4 (rw,discard)

/dev/xvdb on /var/lib/docker type btrfs (rw)

6.然后,重启docker服务。

$ sudo service docker start

docker start/running, process 2315

当然,由于你使用的Linux发行版可能不同,启动Docker Daemon的方法可能也不同。

这里,在启动Docker Daemon之前,你可以强行指定Daemon的存储驱动为btrfs存储驱动。可以在daemon启动命令行时传递–storage-driver=btrfs 参数,也可以在Docker配置文件中修改DOCKER_OPTS参数。

7.通过docker info命令验证。

$ sudo docker info

Containers: 0

Images: 0

Storage Driver: btrfs

[...]

btrfs和Docker性能

在btrfs存储驱动下,有以下一些原因可以影响Docker的性能。

-   Page caching,页缓存。Btrfs不支持页缓存共享,也就是说n个容器访问同一个文件会请求n份缓存拷贝。因此,btrfs驱动可能不是Paas或者高密集容器的最优选项。

-   Small writes,小的写请求。容器执行大量写的写请求(包括Docker host启动和停止很多容器)会导致Btrfs大块只使用了很小一部分,最终会导致Docker host空间不足,停止服务。这是当前使用Btrfs的一个最重大的缺点。

如果使用btrfs存储驱动,需要密切监视Btrfs文件系统的可用空间,可用使用btrfs filesys shwo来观察。不用相信常规的Unix命令(如df)的输出。

-   Sequential writes,顺序写。Btrfs通过日志技术写数据到磁盘,这回导致顺序写的性能减半。

-   Fragmentation。存储残片是像Btrfs这种copy-on-write文件系统的天然副产品,很多小的随机写会产生这个问题。它可以表现为使用SSD介质的Docker主机上的CPU峰值和使用旋转介质的Docker主机上的抖动(It can manifest as CPU spikes on Docker hosts using SSD media and head thrashing on Docker hosts using spinning media.不是很理解这句)。这两个都会导致性能很差。

Btrfs的最近版本允许你制定autodefrag作为一个映射点。这种模式下,会探测到随机写并进行碎片整理。在确定使用Btrfs之前,你应该在你的Docker host上进行测试。一些测试显示,在执行大量的samll writes操作时(包括启停很多容器),这个选项会有一些负面的性能问题。

-   Solid State Devices(SSD)。Btrfs有原生的SSD优化,可以通过映射时加上-o ssd映射选项来使能它。这些优化包括在SSD介质上避免seek之类的操作来增强SSD写性能,因为这类操作在SSD上没有任何作用。

Btrfs也支持TRIM/Discard元操作。然而,映射时加上 -o discard 的选项会导致性能问题。因此,还是建议在使用之前做些测试。

-   Use Data Volumes。数据卷提供最优和最可预测的性能。因为它们可以绕过存储驱动,不会引起任何超配和copy-on-write可能会导致的潜在的负载。

-   Balance BTRFS。开启一个cron任务来均衡你的BTRFS设备,比如均衡地传输子卷的块给raid设备,回收未使用的块。如果不这样做,docker删除的快照和子卷会遗留分配了的块,这些块装满了BTRFS根卷的。一旦你没有执行再均衡操作,在不添加额外的存储设备情况下,会导致潜在的不可恢复的状态。如果你不愿意使用crond来自动执行,另一个方法是在非峰值时手动执行再均衡命令,因此为这种操作时磁盘I/O密集型操作。此命令按要求所有的大块使用了1%或者更少:

$ sudo btrfs filesystem balance start -dusage=1 /var/lib/docker

Dumping filters: flags 0x1, state 0x0, force is off DATA (flags 0x2): balancing, usage=1 Done, had to relocate 673 out of 842 chunks

小结

Btrfs存储驱动的主要特性就是超配,copy-on-write和快照。与AuFS或者devmapper不同,要在Docker上使用Btrfs,要求整个/var/lib/docker所处的文件系统就是Btrfs。此外,btrfs存储驱动由于现在还在重度开发中,现在最多的就是各种性能问题。所以,官方也不建议直接在Docker生产环境中使用,除非,你在Btrfs上有着丰富的经验。

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