有容云——窥探Docker中的Volume Plugin内幕

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本文根据有容云技术实施团队原创分享内容整理。对Docker技术感兴趣、或对本文中细节需继续探讨的朋友，欢迎加入我们参与讨论！

特别鸣谢中生代技术群分享支持。

注：本期分享由张朝潞原创，有容云整理发布，转载请注明出处

作者介绍：

张朝潞，有容云（Yourun Cloud）平台存储架构师。曾工作于UIT，华三，腾讯，专注分布式存储的研究和开发，对云计算存储解决方案方面有很深的技术造诣和行业理解。

本次交流将与大家分享Docker Volume plugin相关的内容。今日主题是窥探Docker中的Volume plugin内幕。

因为应用数据对安全，可用性，共享，性能等方面的要求和Root Image的要求完全不一样，所以Docker并不推荐采用Root Image的存储方式来存储应用数据，而是采用了Volume这样一个独立的数据访问接口。

应用通过Volume去访问相关的数据，Volume的实现和CoW的分层文件系统完全独立，通过Volume plugin机制可轻易驱动外部存储。

下面我们就围绕Volume Plugin  Introduction、Container and Volume、Docker Volume Plugin、自定义Volume Plugin四个方面来展开。

一. Volume Plugin Introduction

通过Volume机制，Docker可以轻易地将主机目录挂载到容器中；通过Docker的Volume Plugin机制，使Docker能够方便地整合第三方存储，为Docker提供Volume。

出处链接：https://github.com/docker/docker/blob/master/docs/extend/plugins.md

二. Container and Volume

1 .Container如何使用Volume？

   Volume机制可以使容器访问存储都使用统一的接口（文件接口），对于容器中的进程来说，Volume就是一个已挂载的目录，容器内进程使用该目录就与普通目录一样。

   Docker使用Container结构管理容器，Container结构中有map类型的MountPoints变量，用于存储Container中所有已挂载的Volume即是MountPoint结构，MountPoint结构保存挂载目录和Volume结构的基本信息，并且管理目录的权限控制、挂载传播方式等特性。

Volume是个interface，Docker实现两种Volume：①基于主机文件系统。②基于Volume Plugin。

Container中的Volume

2.基于主机文件系统提供Volume

    容器启动：docker run -i -v /data  ubuntu:latest /bin/bash

容器内看到的挂载信息：

/etc/resolv.conf、/etc/hostname和/etc/hosts三个文件是为了解决每个Container都拥有自己的Hostname和DNS配置，使用了bind mount将主机的文件，挂载到Container内部。/data也是使用了同样的方式将主机的目录挂载到Container中。下面是主机挂载到Container的文件：

查看/dev/disk/by-uuid/88f22c9e-9d5d-4c7e-8984-eba8446361e6是链接文件指向/dev/sda2，这是主机的根目录文件系统。

3 .Container中的Volume

容器启动：

docker run -i -v cvol1:/data –volume-driver=convoy ubuntu:latest /bin/bash

将volume： dockervol挂载到容器目录/data

    容器内看到的挂载信息：

此时挂载卷信息：

三. Docker Volume Plugin

1. Docker Volume Plugin框架

Docker volume框架

1.) Docker Daemon对Volume的管理

Docker Daemon中的Volume

如上图，Docker Daemon结构中有个成员Volumes，类型是VolumeStore类型，包含一组管理Volume的函数：Create、Remove、List、Get、Refs ...。通过两个变量，管理Container和Volume的关系。

• names : map结构，Key是Volume的name，value是实现Volume接口的结构对象。存储该Daemon内所有的Volume。
• ReFS: map结构，key是volume的name，value是string数组保存引用该Volume的Container ID。

Docker Daemon通过Volumes变量，就可以管理所有的Volume，提供如下命令：

2.) docker volume 管理

基于本地文件系统的volume框架

Docker提供两个接口Volume和Driver，所有提供给Docker使用的Volume必须实现Volume接口。后端驱动需要实现Driver接口。Driver是对提供出去的Volume进行管理。目前Docker实现了两种Volume &Driver。

 ① 基于本地文件系统的Volume

可以在执行Docker create或Docker run时，通过-v参数将主机的目录作为容器的数据卷。这部分功能便是基于本地文件系统的volume管理。上图中蓝色部分LocalVolume和Root。这两个结构就是对主机目录和文件进行管理，具体的对应关系如下图：

从上图可以看出，基于本地文件系统的卷管理，Driver便是卷的根目录/var/lib/docker/volumes。一个卷就是根目录下的一个子目录。

 ② 适配Plugin的Volume

    Docker为了支持第三方存储方案，在1.8版本引入Volume Plugin机制，Volume Adapter和Volume Driver Adapter分别实现了接口Volume和Driver接口，用于表示由Plugin提供的Volume和Plugin driver。在下一小节详细描述。

基于本地文件系统的Volume框架中，全局变量drivers保存了所有注册到Docker Daemon的Driver。Docker Daemon需要对Volume进行管理操作时，通过GetDriver函数从drivers变量中获取指定名称的Driver，通过Driver可以通过Create，Remove，List，Get对Driver中Volume进行管理。通过Get函数获取Volume结构，可以对卷进行管理操作：Name，DriverName，Path，Mount，Unmount。

3 .) docker plugin 实现原理

Volume Plugin实现原理

① Docker Plugin机制

     上一节已经说过Docker针对Volume Plugin实现了两个适配类型Volume Driver Adapter和Volume Adapter。

• Volume Driver Adapter : 实现Driver接口，用于抽象各种Plugin的驱动，该类型可以适配所有符合规范的Volume Plugin，对Plugin进行管理。
• Volume Adapter :  实现Volume接口，用于抽象所有Plugin提供的Volume，该类型可以适配所有符合规范的Volume Plugin提供的类型，对Volume进行管理。

     通过抽象，对于Plugin和其提供的Volume，Docker Daemon结构和Container结构使用上述两个适配类型，对Plugin和Volume进行管理和使用。  

上述两个类型都有一个Volume Driver Proxy结构变量proxy，用于与Plugin进行通信。Volume Driver Proxy结构实现了与plugin通信的接口volume Driver，提供Create、Remove、Path、Mount、Unmount、List、Get接口与通信。Volume Driver Proxy结构的client变量，使用这个变量与Plugin Daemon进行通信。client变量是Plugin结构中的Client变量是Client结构类型，包含了http.Client类型对象。

    上图中左下方，Plugins结构类型的全局变量Storage保存所有被Docker Daemon发现的Plugin结构，Plugin结构代表外部插件。

    ② Docker Plugin的发现过程

Docker Daemon通过Unix域套接字与Plugin Daemon进行通信。所以Plugin需要让Docker Daemon知道Plugin的Unix域套接字文件的路径。再执行命令：docker run ... -v volumename:/data --volume-driver=convoy

发现步骤：

• Docker Daemon首先会在/run/docker/plugins搜索对应的套接字文件，套接字文件名必须和Volume Driver名一致，如上述命令，便是搜索convoy.sock。
• 如果上一步搜索不到，则到/etc/docker/plugins和/usr/lib/docker/plugins两个目录搜索spec或json文件。文件中指定套接字文件的URL。如：unix:///var/run/convoy/convoy.sock 。
• 根据前面两步发现的Unix域套接字URL，构建Plugin对象，并将新建对象加入到全局变量storage的Plugins字段中。     

    ③ Docker Volume Plugin的使用

    执行docker run命令时，指定参数--volume-driver=convoy。Docker Daemon会先从storage.plugins中寻找Plugin结构，如果没有找到，就发起②的发现流程。找到则直接使用Client构建volume Driver Proxy。

    ④ Docker Daemon与Plugin Daemon通信的API

    前面已经提到过，Docker Daemon和Plugin Daemon基于Unix域套接字，使用Restful API进行通信，下面是详细的API：

• Plugin.Activate : 发送一个请求到Plugin，Plugin返回其类型，如convoy就返回Volume Driver。相当于Docker和Plugin Daemon直接的连接建立的握手报文。
• VolumeDriver.Create : 创建一个卷，Docker会发送卷名称和参数发送给插件，卷插件会根据Docker发送过来的参数创建一个卷，并和这个卷名称关联。
• VolumeDriver.Mount : 挂载一个卷到本机，Docker会把卷名称和参数发送给参数。插件会返回一个本地路径给Docker，这个路径就是卷所在的位置。Docker在创建容器的时候，会将这个路径挂载到容器中。
• VolumeDriver.Path : 一个卷创建成功后，Docker会调用Path API来获取这个卷的路径，随后Docker通过调用Mount API，让插件将这个卷挂载到本机。
• VolumeDriver.Unmount : 当容器退出时，Docker daemon会发送Umount API给插件，通知插件这个卷不再被使用，插件可以对该卷做些清理工作（比如引用计数减一，不同的插件行为不同）。
• VolumeDriver.Remove : 删掉特定的卷时调用，当运行"docker rm -v"命令时，Docker会调用该API发送请求给插件。
• VolumeDriver.List :  执行docker volume ls命令时，会向plugin发送该请求，获取volume list。
• VolumeDriver.Get :  获取Plugin Volume的详细信息。

四. 自定义Volume Plugin

为了方便实现Volume Plugin，Docker提供go-plugins-helper包（https://github.com/docker/go-plugins-helpers），提供基础的功能，仅仅需要实现一个接口volume.Driver，并启动http server便可。

例子：GlusterFS就是使用这个包，基于GlusterFS提供Volume。https://github.com/calavera/docker-volume-glusterfs

关于Docker存储方面的内容，我们之前分享过一篇叫《Docker容器对存储的定义（Volume 与 Volume Plugin） 》的文章，感兴趣的朋友可以关注有容云搜索下。好的，我们今天的分享先告一个段落，谢谢大家！

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