剖析Docker文件系统：Aufs与Devicemapper

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

Docker镜像

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。

Thin-Provisioning是一项利用虚拟化方法减少物理存储部署的技术，可最大限度提升存储空间利用率。下图中展示了某位用户向服务器管理员请求分配10TB的资源的情形。实际情况中这个数值往往是峰值，根据使用情况，分配2TB就已足够。因此，系统管理员准备2TB的物理存储，并给服务器分配10TB的虚拟卷。服务器即可基于仅占虚拟卷容量1/5的现有物理磁盘池开始运行。这样的“始于小”方案能够实现更高效地利用存储容量。

Thin-provisioning Snapshot结合Thin-Provisioning和Snapshot两种技术，允许多个虚拟设备同时挂载到一个数据卷以达到数据共享的目的。Thin-Provisioning Snapshot的特点如下：

1. 可以将不同的snaptshot挂载到同一个the origin上，节省了磁盘空间。
2. 当多个Snapshot挂载到了同一个the origin上，并在the origin上发生写操作时，将会触发COW操作。这样不会降低效率。
3. Thin-Provisioning Snapshot支持递归操作，即一个Snapshot可以作为另一个Snapshot的the origin，且没有深度限制。
4. 在Snapshot上可以创建一个逻辑卷，这个逻辑卷在实际写操作（COW，Snapshot写操作）发生之前是不占用磁盘空间的。

Thin-Provisioning Snapshot虽然有诸多优点，但是也有很多不足之处，例如大小固定等问题，如若有兴趣可以阅读参考文献，这里不再赘述。

Thin-Provisioning Snapshot是作为device mapper的一个target在内核中实现的。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，如条带化，镜像，快照等。

Device Mapper主要包含内核空间的映射和用户空间的device mapper库及dmsetup工具。Device Mapper库是对ioctl、用户空间创建删除Device Mapper逻辑设备所需必要操作的封装，dmsetup是一个提供给用户直接可用的创建删除device mapper设备的命令行工具。

我们以dmsetup命令来介绍一下Thin-Provisioning Snapshot时如何实现的。Thin-Provisioning Snapshot需要一个data设备和一个metadata设备分别用来存放实际数据和元数据。有两种方式可以更改metadta：一种时通过函数调用，另一种则是通过dmsetup message命令。这里，我们创建两个稀疏文件作为data和metadata设备：