项目功能说明书

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介绍

背景介绍

在使用docker等工具时，用户一般从镜像仓库运行docker pull，从镜像仓库拉取镜像到本地，再创建容器使用。但是，在某些特殊场景下，如镜像过大，网络连接不佳，或者处于无网络环境时，我们不会使用镜像仓库，而是通过docker save+docker load（或者isula-build save+isula-build load）的方式导入镜像。这两条命令中，前者会将本机上已存在的镜像打包为归档文件tar，后者会以有效的归档文件tar作为输入，将镜像导入本机。

需要注意到，很多镜像都存在相同的基础组件，因此也会共享数个相同的层。这是因为在image制作时，它们都由相同的image加工而来。

在功能上，我们一般可以将image中的层进行简单的分类：提供操作系统的os（如ubuntu、openeuler），所依赖的运行组件lib（如Python、JDK），以及实现具体功能的app，一般情况下，这三类将会由底层到上层依次排布，且较上的类必须依赖下层的类。

因此，在这种场景下，我们可以使用一种办法来减少镜像体积并分类归档：我们可以将每个image都分为数个分割子集，os、lib、app或更多，然后将其分别压缩并归档。这样的话，重复的分割子集将会只保存一次，能够大大节省储存空间。

产出描述

基于以上目标，我们构建了layer_sword，用于解决这个问题。

这是一款镜像分割归档工具，用户可以将有效docker等镜像归档文件tar作为输入，并分割成多个压缩子集tar.gz。

除此之外，layer_sword也支持将分割后的子集合并为等效归档文件tar，用于导入有效镜像。

软件特色

• 任意分割：用户可以将归档文件分割为2、3、4......层，任意合理的分割方式软件都可以处理
• 配置文件：用户可以通过命令行参数或配置文件两种方式来指定分割方式
• 自动推导：所有分割层数中，允许最多一个-1项，软件会自动计算实际分割层数
• 自检查：分割后的子集，只需要放在同一个目录下，程序就可以自动完成检查及合并，无需额外的配置文件

安装教程

安装说明

1. 从源码编译时，可以先clone项目到本地，移动到项目文件夹下，运行Cargo run --bin layer_sword --release构建项目，可执行文件是自动生成的release文件夹下的layer_sword.exe（Windows）或layer_sword（Linux）
2. 也可以使用随项目提供的可执行文件layer_sword.exe（Windows）或layer_sword（Linux）直接运行

使用流程

1. 准备好本机上的镜像，或者使用docker pull [mirror name]或类似命令拉取镜像
2. 使用docker save -o [mirror.tar] [mirror name]或类似命令将指定镜像保存成tar归档文件
3. 利用layer_sword split命令对tar归档文件进行分割，并对获得的压缩子集分别进行对应归档
4. 利用layer_sword merge命令对tar.gz分割子集进行合并，获得等效原始tar归档文件
5. 使用docker load -i [mirror.tar]或类似命令将tar归档文件进行导入

使用教程

命令介绍

split子命令

参数	简称	取值	描述	强制
--config	-c	<FILE>	从用户指定的配置文件获得分割信息	和[name && layers]二选一
--names	-n	<STR, STR...>	指定分割各子集名称	和[config]二选一
--layers	-l	<INT, INT...>	指定分割各子集含有层数量	和[config]二选一
--target	-t	<FILE>	指定镜像归档文件路径	是
--output	-o	<DIRECTORY>	指定的子集输出路径	否，默认值./out
--work	-w	<DIRECTORY>	指定的工作临时文件夹	否，默认值./tmp
--level	-v	0-9, none, fast, best	指定分割子集压缩等级，越大压缩率越高	否，默认值6
--quiet	-q	无	启用时，程序静默运行，不输出信息

merge子命令

参数	简称	取值	描述	强制
--target	-t	<DIRECTORY>	指定分割子集所在文件夹路径	是
--output	-o	<DIRECTORY>	指定的子集输出路径	否，默认值./out
--work	-w	<DIRECTORY>	指定的工作临时文件夹	否，默认值./tmp
--quiet	-q	无	启用时，程序静默运行，不输出信息

配置文件

配置文件为json格式，需求names和layers两个数组条目，与split子命令中的同名参数等效。

典型的配置文件内容如下：

{
    "names": [
        "os", 
        "lib", 
        "app"
    ], 
    "layers": [
        1, 
        -1, 
        1
    ]
}

情景示例

layer_sword split -n os,lib,app -l 1,3,1 -t base.tar

将base.tar镜像归档文件自底向上分为os、lib和app三个压缩子集，分别含有1层、3层、1层layer。临时工作目录为当前目录下的tmp文件夹（默认），输出文件在当前目录下的out文件夹（默认）。

layer_sword split -n os,lib -l 1,-1 -t base.tar -s -w work

将base.tar镜像归档文件自底向上分为os和lib两个压缩子集，前者含有1层layer，后者含有剩余所有层layer。除此之外，运行过程中不输出提示信息。临时工作目录为当前目录下的work文件夹（用户指定），输出文件在当前目录下的out文件夹（默认）。

layer_sword split -c config.json -t base.tar -o splits

将base.tar镜像归档文件根据config.json配置文件中的信息分割为压缩子集。临时工作目录为当前目录下的tmp文件夹（默认），输出文件在当前目录下的splits文件夹（用户指定）。

layer_sword merge -t splits

将splits文件夹下所有的分割子集合并为等效镜像归档文件。临时工作目录为当前目录下的tmp文件夹（默认），输出文件在当前目录下的splits文件夹（用户指定）。

技术细节

排序方案

layer_sword进行分割时，将用以下方案进行自排序：

每个分割子集中的split_config.json文件会记录当前序列号index，越低为越底层的子集，越高为越上层的子集，其中：

$index\in[0, len(splits)-1]$

验证方案

layer_sword进行分割时，将用以下方案进行自验证：

1. 每个分割子集tar.gz文件的备注中，会记录内部tar文件的sha256

2. 每个分割子集中的split_config.json文件会记录父级id和层叠id

   父级id计算方式如下

   $parrent_id=sha256(parrent_layer_file)$

   层叠id计算方式如下

   $stack_id(0)= sha256(""+"\n"+"")$

   $stack_id(i) = sha256(stack_id(i-1)+"\n"+sha256(parrent_layer_file))$

分割子集合并时，会验证以上所有id，以确认子集不存在错误

一致性方案

1. 在tar压缩方案中，压缩文件内部文件元数据（如时间）将会影响压缩文件哈希，为了消除这种影响，执行压缩时将会忽略所有文件元数据。
2. 在tar压缩方案中，压缩文件内部文件顺序将会影响压缩文件哈希。相应的，由于不同平台中默认文件读取顺序不一致，程序将在读取所有文件后，进行排序再压缩。

拓展方案

关于项目中分割验证方案和检查方案，我们提供了抽象接口用于未来可能的拓展，具体方案如下：

分割合并中的验证方案由dominator文件夹中的控制器文件BaseDominator提供，如果需要构建新的Xdominator，用户可以在其中创建新的控制器文件，在其中：

1. 定义配置类Xconfig，对其impl Config trait并重写所有方法
2. 定义控制类XDominator，对其impl Split trait并重写pack_tar_with_config方法用于配置文件的生成和打包tar，再impl Merge trait并重写check_with_config方法用于配置文件的验证和init_config方法用于配置类对象Xconfig的初始化

镜像文件的检查方案由inspector文件夹中的检查器BaseInspector提供，如果需要构建新的XInspector，用户可以在其中创建新的检查器文件，在其中：

1. 定义检查类XInspector，对其impl Inspect trait并重写所有局部检查方法inspect_route，inspect_config，inspect_layer，inspect_manifest，用于实现各个检查过程

完成新的拓展类构建后，在client.rs中的pick_dominator_and_inspector函数里，将新构建的拓展类用Box指针作为返回值，并调整返回不同控制器和检查器的逻辑。

备注

功能完成度

功能	项目要求	完成程度
支持docker	√	√
支持isulad	√	√
支持isula-build	√	√
完整性校验	√	√
有效输入校验	√	√
原生rust	√	√
配置文件启动		√
自校验和自排序		√
自动推导		√
任意分割		√

软件架构

layer_sword软件中，根目录下src目录为源码集合，tests目录为测试项目集合，Cargo.toml和Cargo.lock(自动生成)为Cargo项目构建描述文件。

源码描述

文件名	描述
main.rs	rust主程序入口，用于提供用户项相关功能
lib.rs	rust库入口，用于供单元测试项调用相关功能
client.rs	命令行组件，用于解析命令和发起功能调用
split.rs	完成分割操作的相关函数
merge.rs	完成合并操作的相关函数
inspector.rs	完成镜像完整性检查的相关函数
util.rs	工具类函数
errors.rs	自定义错误类型集合

测试描述

文件名	测试名	描述
test_util.rs	test_string_sha256	测试字符串哈希函数
[单元测试，测试工具函数输出]	test_file_sha256	测试文件哈希函数
	test_stack_id	测试层叠哈希函数
test_flow.rs	test_init_path	测试工作目录路径初始化
[集成测试，测试工作流]	test_inspect	测试镜像文件完整性检查
	test_split_layer	测试分割功能
	test_deduction	测试自动推导分割层数
	test_split_four_layer	测试分割为4层
	test_split_two_layer	测试分割为2层
	test_merge	测试合并功能
	test_compress_best	测试压缩到best级别
test_cmd.rs	test_split_basic	测试基本压缩命令
[集成测试，测试命令行控制]	test_split_negatives	测试带自动推导的压缩命令
	test_split_config	测试用配置文件的压缩命令
	test_merge_basic	测试基本合并命令
test_err.rs	test_blank	测试空命令错误
[集成测试，测试错误处理]	test_split_conflict	测试冲突命令错误
	test_split_no_info	测试无分割信息错误
	test_split_no_target	测试无分割目标错误
	test_merge_no_target	测试无合并目标错误
	test_split_bad_extension	测试分割目标错误后缀
	test_split_bad_info	测试分割信息错误

覆盖率测试

82%（利用tarpaulin检测）

INFO cargo_tarpaulin::report: Coverage Results:
|| Uncovered Lines:
|| src/client.rs: 21-22, 25, 41-45, 47, 57-58, 62-63, 67-68, 76, 79, 81, 93-94, 98, 101, 107, 111, 115-118, 133-134, 141-142, 149-150, 165-167, 182-184, 188-190, 324-326, 343-344, 352, 369-372, 398-399
|| src/dominator/base.rs: 34-35, 37-38, 44, 51-52, 82-84, 87-89
|| src/errors.rs: 77-80, 82-85, 107, 122-124, 144, 159-160, 162-163, 187-188, 190-191
|| src/inspector/base.rs: 30, 34-36, 53-55, 68, 70, 72, 87-88, 91, 96-98, 106-108, 116-117, 123-125, 138-140, 156-157, 159-161, 177-180, 185-186, 193-194, 197-198, 204, 207-208, 219-220, 227-229, 234-236, 243-245, 252-254, 259-261, 268-270, 276, 278, 282-285
|| src/inspector.rs: 44
|| src/main.rs: 15-19
|| src/merge.rs: 23-25, 50, 56-58, 77, 94, 123-125, 136, 141, 162, 165
|| src/split.rs: 30-32, 37-39, 50, 56-59, 89, 111, 146-147, 183, 197, 201, 205, 208-209
|| src/util.rs: 50, 62, 171-172, 204-205, 212-215, 251-252, 254
|| src/validator.rs: 25, 52
|| tests/common.rs: 9
|| tests/test_err.rs: 22, 48, 73, 98, 122, 148, 175
|| Tested/Total Lines:
|| src/client.rs: 153/208
|| src/dominator/base.rs: 58/71
|| src/errors.rs: 10/31
|| src/inspector/base.rs: 115/186
|| src/inspector.rs: 11/12
|| src/main.rs: 0/5
|| src/merge.rs: 102/118
|| src/split.rs: 111/132
|| src/util.rs: 117/130
|| src/validator.rs: 12/14
|| tests/common.rs: 9/10
|| tests/test_cmd.rs: 64/64
|| tests/test_err.rs: 82/89
|| tests/test_flow.rs: 207/207
|| tests/test_util.rs: 7/7
||
82.40% coverage, 1058/1284 lines covered

压力测试

我们选取了来自英伟达的镜像nvcr.io/nvidia/tensorrt:21.02-py3，这个镜像是人工智能模型推理加速工具tensorRT的官方镜像，有5.7GB的大小和43的层数，非常适合测试layer_sword对于超大镜像的处理性能。测试运行时，采用了最常见的os、lib、app分别为1，-1，1层的分割方案。

split测试

压缩等级	别名	耗时	处理速度
0	none	3m4.5s	31.64MB/s
1	fast	2m31.8s	38.45MB/s
6	default	6m32.2s	14.88MB/s
9	best	9m27.9s	10.27MB/s

merge测试

其中大小为split分割后所有分割子集的文件大小之和

来源	大小	压缩率	耗时	处理速度
none	5.8G	101.8%	1m47.8s	55.09MB/s
fast	3.3G	57.9%	2m28.6s	22.74MB/s
default	3.0G	52.6%	2m23.9	21.35MB/s
best	3.0G	52.6%	2m24.8	21.22MB/s