K8S 1.20 棄用 Docker 評估之 Docker 和 OCI 映象格式的差別

東風微鳴發表於2023-03-02

背景

2020 年 12 月初，Kubernetes 在其最新的 Changelog 中宣佈，自 Kubernetes 1.20 之後將棄用 Docker 作為容器執行時。

棄用 Docker 帶來的，可能是一系列的改變，包括不限於：

容器映象構建工具
容器 CLI
容器映象倉庫
容器執行時

專題文章《K8S 1.20 棄用 Docker 評估》會從多方面分析由此帶來的變動和影響，今天先介紹映象格式的改變。

Docker 映象仍然可以使用嗎？

是的，可以使用。Docker 較新版本生成的映象實際上並不是特定於 Docker 的映象，而是 OCI（Open Container Initiative）映象。無論你使用什麼工具構建映象，任何符合 OCI 標準的映象在 Kubernetes 看來都是一樣的。containerd 和 CRI-O 都能夠提取這些映象並執行它們。所以您可以仍然使用 Docker 來構建容器映象，並且可以繼續在 containerd 和 CRI-O 上使用。

那為什麼發現 Docker 映象和 Containerd 映象存在不相容情況？

具體如下：在 K8S > 1.20 版本中，發現 containerd ctr 上傳到映象倉庫的映象與同版本的 docker 映象間存在以下問題

不能被 docker 使用
docker push不能覆蓋

根本原因還是在於映象格式的差別。下面做詳細解釋。

Docker 和 OCI 映象格式的差別？

目前有以下幾種容器映象格式：

Docker V1 映象

{% note danger %}
❌嚴重警告：

Docker V1 格式早已棄用，請不要再使用！！！

{% note info %}
? 引用：

版本 1.8.3 增加了一個標誌(--disable-legacy-registry=false)，用於阻止 docker 守護程式對 v1 映象登錄檔進行拉、推和登入操作。儘管預設情況下是啟用的，但這表示不贊成 v1 協議。
自 2017 年 2 月 28 日起，隨著 Docker v1.13 的釋出，Docker Engine 不再支援 v1 協議。
從 Docker 17.12 開始，對 V1 映象登錄檔的支援已經被刪除，並且 --disable-legacy-registry 標誌不再使用，當設定該標誌時 dockerd 時將無法啟動。

Docker V2 映象簡介

Docker V2 映象清單（Image Manifest）是 Docker 的 V2 版本容器映像規範，它允許多架構映象並支援內容可定址映像。

從 2017 年 2 月 28 日開始，Docker V2 映象登錄檔規範取代了 Docker V1 規範。Docker V1 規範已被棄用，並且 Docker V1 映像不能再用於 Container Registry。

為支援內容可定址映象並簡化映象圖層的跟蹤，Docker V2 對 Docker 映象格式進行了一系列更改。 Docker V2 映象清單包含映象圖層的所有內容地址（“摘要”），而 Docker V1 映像則不包含這些資訊。

Docker Image Manifest V2 Schema 1

下面簡單介紹下 V2 Schema 1 映象清單的格式。V2 Schema 1 它是一個臨時清單，提供與 V1 Image 格式的相容性，V2 Schema 2 才是當前 Docker 映象格式的最終格式。

{% note default %}
? 備註：

V2 Schema 1 由於需要與 V1 的向後相容性原因，它比 V2.2（即 Docker Image Manifest V2 Schema 2）更復雜。

映象清單描述了一個 Docker 映象的各種組成部分。映象清單可以序列化為 JSON 格式與以下媒體型別:

清單型別（Manifest Type）	媒體型別（Media Type）
manifest	“application/vnd.docker.distribution.manifest.v1+json”
signed manifest	“application/vnd.docker.distribution.manifest.v1+prettyjws”

清單格式不詳細介紹，下面透過示例說明：

示例清單格式

{
   "name": "hello-world",
   "tag": "latest",
   "architecture": "amd64",
   "fsLayers": [
      {
         "blobSum": "sha256:5f70bf18a086007016e948b04aed3b82103a36bea41755b6cddfaf10ace3c6ef"
      },
      {
         "blobSum": "sha256:5f70bf18a086007016e948b04aed3b82103a36bea41755b6cddfaf10ace3c6ef"
      },
      {
         "blobSum": "sha256:cc8567d70002e957612902a8e985ea129d831ebe04057d88fb644857caa45d11"
      },
      {
         "blobSum": "sha256:5f70bf18a086007016e948b04aed3b82103a36bea41755b6cddfaf10ace3c6ef"
      }
   ],
   "history": [
      {
         "v1Compatibility": "{\"id\":\"e45a5af57b00862e5ef5782a9925979a02ba2b12dff832fd0991335f4a11e5c5\",\"parent\":\"31cbccb51277105ba3ae35ce33c22b69c9e3f1002e76e4c736a2e8ebff9d7b5d\",\"created\":\"2014-12-31T22:57:59.178729048Z\",\"container\":\"27b45f8fb11795b52e9605b686159729b0d9ca92f76d40fb4f05a62e19c46b4f\",\"container_config\":{\"Hostname\":\"8ce6509d66e2\",\"Domainname\":\"\",\"User\":\"\",\"Memory\":0,\"MemorySwap\":0,\"CpuShares\":0,\"Cpuset\":\"\",\"AttachStdin\":false,\"AttachStdout\":false,\"AttachStderr\":false,\"PortSpecs\":null,\"ExposedPorts\":null,\"Tty\":false,\"OpenStdin\":false,\"StdinOnce\":false,\"Env\":[\"PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin\"],\"Cmd\":[\"/bin/sh\",\"-c\",\"#(nop) CMD [/hello]\"],\"Image\":\"31cbccb51277105ba3ae35ce33c22b69c9e3f1002e76e4c736a2e8ebff9d7b5d\",\"Volumes\":null,\"WorkingDir\":\"\",\"Entrypoint\":null,\"NetworkDisabled\":false,\"MacAddress\":\"\",\"OnBuild\":[],\"SecurityOpt\":null,\"Labels\":null},\"docker_version\":\"1.4.1\",\"config\":{\"Hostname\":\"8ce6509d66e2\",\"Domainname\":\"\",\"User\":\"\",\"Memory\":0,\"MemorySwap\":0,\"CpuShares\":0,\"Cpuset\":\"\",\"AttachStdin\":false,\"AttachStdout\":false,\"AttachStderr\":false,\"PortSpecs\":null,\"ExposedPorts\":null,\"Tty\":false,\"OpenStdin\":false,\"StdinOnce\":false,\"Env\":[\"PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin\"],\"Cmd\":[\"/hello\"],\"Image\":\"31cbccb51277105ba3ae35ce33c22b69c9e3f1002e76e4c736a2e8ebff9d7b5d\",\"Volumes\":null,\"WorkingDir\":\"\",\"Entrypoint\":null,\"NetworkDisabled\":false,\"MacAddress\":\"\",\"OnBuild\":[],\"SecurityOpt\":null,\"Labels\":null},\"architecture\":\"amd64\",\"os\":\"linux\",\"Size\":0}\n"
      },
      {
         "v1Compatibility": "{\"id\":\"e45a5af57b00862e5ef5782a9925979a02ba2b12dff832fd0991335f4a11e5c5\",\"parent\":\"31cbccb51277105ba3ae35ce33c22b69c9e3f1002e76e4c736a2e8ebff9d7b5d\",\"created\":\"2014-12-31T22:57:59.178729048Z\",\"container\":\"27b45f8fb11795b52e9605b686159729b0d9ca92f76d40fb4f05a62e19c46b4f\",\"container_config\":{\"Hostname\":\"8ce6509d66e2\",\"Domainname\":\"\",\"User\":\"\",\"Memory\":0,\"MemorySwap\":0,\"CpuShares\":0,\"Cpuset\":\"\",\"AttachStdin\":false,\"AttachStdout\":false,\"AttachStderr\":false,\"PortSpecs\":null,\"ExposedPorts\":null,\"Tty\":false,\"OpenStdin\":false,\"StdinOnce\":false,\"Env\":[\"PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin\"],\"Cmd\":[\"/bin/sh\",\"-c\",\"#(nop) CMD [/hello]\"],\"Image\":\"31cbccb51277105ba3ae35ce33c22b69c9e3f1002e76e4c736a2e8ebff9d7b5d\",\"Volumes\":null,\"WorkingDir\":\"\",\"Entrypoint\":null,\"NetworkDisabled\":false,\"MacAddress\":\"\",\"OnBuild\":[],\"SecurityOpt\":null,\"Labels\":null},\"docker_version\":\"1.4.1\",\"config\":{\"Hostname\":\"8ce6509d66e2\",\"Domainname\":\"\",\"User\":\"\",\"Memory\":0,\"MemorySwap\":0,\"CpuShares\":0,\"Cpuset\":\"\",\"AttachStdin\":false,\"AttachStdout\":false,\"AttachStderr\":false,\"PortSpecs\":null,\"ExposedPorts\":null,\"Tty\":false,\"OpenStdin\":false,\"StdinOnce\":false,\"Env\":[\"PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin\"],\"Cmd\":[\"/hello\"],\"Image\":\"31cbccb51277105ba3ae35ce33c22b69c9e3f1002e76e4c736a2e8ebff9d7b5d\",\"Volumes\":null,\"WorkingDir\":\"\",\"Entrypoint\":null,\"NetworkDisabled\":false,\"MacAddress\":\"\",\"OnBuild\":[],\"SecurityOpt\":null,\"Labels\":null},\"architecture\":\"amd64\",\"os\":\"linux\",\"Size\":0}\n"
      },
   ],
   "schemaVersion": 1,
   "signatures": [
      {
         "header": {
            "jwk": {
               "crv": "P-256",
               "kid": "OD6I:6DRK:JXEJ:KBM4:255X:NSAA:MUSF:E4VM:ZI6W:CUN2:L4Z6:LSF4",
               "kty": "EC",
               "x": "3gAwX48IQ5oaYQAYSxor6rYYc_6yjuLCjtQ9LUakg4A",
               "y": "t72ge6kIA1XOjqjVoEOiPPAURltJFBMGDSQvEGVB010"
            },
            "alg": "ES256"
         },
         "signature": "XREm0L8WNn27Ga_iE_vRnTxVMhhYY0Zst_FfkKopg6gWSoTOZTuW4rK0fg_IqnKkEKlbD83tD46LKEGi5aIVFg",
         "protected": "eyJmb3JtYXRMZW5ndGgiOjY2MjgsImZvcm1hdFRhaWwiOiJDbjAiLCJ0aW1lIjoiMjAxNS0wNC0wOFQxODo1Mjo1OVoifQ"
      }
   ]
}

{% note warning %}
⚠️ 注意：

隨著 Docker Image Manifest V2 Schema 2 的釋出，Docker Image Manifest V2 Schema 1 已被棄用。這可能導致尚未更新到 Docker Image Manifest V2 Schema 2 的映象存在相容性和漏洞問題。

Docker Image Manifest V2 Schema 2

然後介紹 V2 Schema 2 的格式。

V2 Schema 2 版本有兩個主要目標。第一種是允許多架構映象，透過“胖清單”引用特定於平臺版本的映象的映象清單。第二種方法是將 Docker 引擎轉向可內容定址的影像，方法是支援一個映象模型，在該模型中，可以對映象的配置進行雜湊，以生成映象的 ID。

清單列表（Manifest List）

清單列表是 Docker V2 Schema 2 和 OCI 映象的一部分。

利用清單列表，您可以使用單個摘要或標記來表示映像的多種形式。

示例清單列表（Manifest List）：

{
  "schemaVersion": 2,
  "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.list.v2+json",
  "manifests": [
    {
      "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
      "size": 7143,
      "digest": "sha256:e692418e4cbaf90ca69d05a66403747baa33ee08806650b51fab815ad7fc331f",
      "platform": {
        "architecture": "ppc64le",
        "os": "linux",
      }
    },
    {
      "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
      "size": 7682,
      "digest": "sha256:5b0bcabd1ed22e9fb1310cf6c2dec7cdef19f0ad69efa1f392e94a4333501270",
      "platform": {
        "architecture": "amd64",
        "os": "linux",
        "features": [
          "sse4"
        ]
      }
    }
  ]
}

映象清單

示例映象清單：

{
    "schemaVersion": 2,
    "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
    "config": {
        "mediaType": "application/vnd.docker.container.image.v1+json",
        "size": 7023,
        "digest": "sha256:b5b2b2c507a0944348e0303114d8d93aaaa081732b86451d9bce1f432a537bc7"
    },
    "layers": [
        {
            "mediaType": "application/vnd.docker.image.rootfs.diff.tar.gzip",
            "size": 32654,
            "digest": "sha256:e692418e4cbaf90ca69d05a66403747baa33ee08806650b51fab815ad7fc331f"
        },
        {
            "mediaType": "application/vnd.docker.image.rootfs.diff.tar.gzip",
            "size": 16724,
            "digest": "sha256:3c3a4604a545cdc127456d94e421cd355bca5b528f4a9c1905b15da2eb4a4c6b"
        },
        {
            "mediaType": "application/vnd.docker.image.rootfs.diff.tar.gzip",
            "size": 73109,
            "digest": "sha256:ec4b8955958665577945c89419d1af06b5f7636b4ac3da7f12184802ad867736"
        }
    ]
}

如何將 Docker V1 或 Manifest V2 Schema 1 升級到：Docker Image Manifest V2 Schema 2 ？

將老的 Docker V1 或 Manifest V2 Schema 1 使用 docker pull 下來；
然後用新版本的 Docker docker push 到映象倉庫即可

這樣做將自動將映象轉換為使用最新的映象清單規範。

或者也可以這樣升級：

可以透過更新 Dockerfile 中的 FROM 語句來重新 build 映象。如果您的映象清單過期了，那麼從 Dockerfile 中的 from 語句中提取的映象也有可能過期。

OCI 格式

OCI 格式是基於 Docker Image Manifest Version 2 Schema 2 格式的容器映象規範。該規範定義瞭如何建立 OCI Image(通常由構建系統完成)，並輸出映象清單、檔案系統(映象層)序列化和映象配置。下面簡要拿映象清單做一個和 Docker 的對比說明，更多就不詳細展開了。

映象索引（Image Index）

映象索引（Image Index）相當於 OCI 映像中的清單列表（Manifest List）。

與清單列表一樣，映象索引清單指的是多個映象清單。映象索引對多平臺映象很有用。

示例映象索引：

{
  "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"
      }
    }
  ],
  "annotations": {
    "com.example.key1": "value1",
    "com.example.key2": "value2"
  }
}

映象清單

示例映象清單：

{
  "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": "sha256:9834876dcfb05cb167a5c24953eba58c4ac89b1adf57f28f2f9d09af107ee8f0"
    },
    {
      "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"
  }
}

映象格式差別總結

首先是 Docker V1 映象，這是非常老舊且已經棄用的映象格式，是 Docker 剛出來的時候，沒有考慮多架構多平臺（如：x86 和 arm 映象），所以通常 Docker V1 映象只有 x86 平臺的映象。⚠️ 注意：請不要再使用，如果使用，請儘快升級到 Docker Image Manifest V2 Schema 2 或 OCI 格式

然後是 Docker Image Manifest V2 Schema 1，這個是過過渡形態的格式，相容 Docker V1 和 Docker Image Manifest V2 使得它更為複雜，它的作用也僅僅是為了過渡而非長期使用。⚠️ 注意：請不要再使用，如果使用，請儘快升級到 Docker Image Manifest V2 Schema 2 或 OCI 格式

最後是 Docker Image Manifest V2 Schema 2 和 OCI 格式，OCI 主要參考的就是 Docker Image Manifest V2 Schema 2 格式，二者是相容的，這也就回答了上文所說的：「Docker 映象仍然可以使用嗎？-- 是的，可以使用。」

但是二者在媒體型別（Media Type）、壓縮方式等細節上存在不同，部分舉例如：

清單（manifest）上：
- Docker Image Manifest V2 Schema 2 的 Media Type 是："application/vnd.docker.distribution.manifest.list.v2+json"，
- 而 OCI 是："application/vnd.oci.image.manifest.v1+json"
每一層映象層上：
- Docker Image Manifest V2 Schema 2 的 Media Type 是："application/vnd.docker.image.rootfs.diff.tar.gzip"
- OCI 的 Media Type 是：application/vnd.oci.image.layer.v1.tar+gzip 或 application/vnd.oci.image.layer.v1.tar 等型別。

也正是因為這些差異，最終導致即使是完全相同的映象，二者的 digest、映象大小不盡相同。

所以這也正好解釋了「那為什麼發現 Docker 映象和 Containerd 映象存在不相容情況？」

「不能被 docker 使用？」 - 可能是 docker 版本過低導致的；
「docker push 不能覆蓋？」- 因為即使是完全相同的映象，二者的 digest、映象大小不盡相同。所以無法覆蓋。

我的建議

針對映象，因為 OCI 主要參考了 Docker Image Manifest V2 Schema 2，而 Docker Image Manifest V2 Schema 2 是 OCI 的一種實現。所以 Docker 較新版本生成的映象，containerd 和 CRI-O 都能夠提取這些映象並執行它們。

兩種辦法都可以：

映象構建方式保持不變，仍然是採用 Docker 構建映象（注意 Docker 版本要較新，確保構建的映象是：Docker Image Manifest V2 Schema 2 格式）
變更映象構建工具，不再使用 Docker，而是使用可以構建 OCI 格式的映象構建工具。

具體您可以視實際情況進行選擇。

三人行, 必有我師; 知識共享, 天下為公. 本文由東風微鳴技術部落格 EWhisper.cn 編寫.

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K8S 1.20 棄用 Docker 評估之 Docker 和 OCI 映象格式的差別

背景

Docker 映象仍然可以使用嗎？

那為什麼發現 Docker 映象和 Containerd 映象存在不相容情況？

Docker 和 OCI 映象格式的差別？

Docker V1 映象

Docker V2 映象簡介

Docker Image Manifest V2 Schema 1

Docker Image Manifest V2 Schema 2

清單列表（Manifest List）

映象清單

如何將 Docker V1 或 Manifest V2 Schema 1 升級到：Docker Image Manifest V2 Schema 2 ？

OCI 格式

映象索引（Image Index）

映象清單

映象格式差別總結

我的建議

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