如何保存/同步多架构容器 Docker 镜像

前言

随着容器、芯片技术的进一步发展，以及绿色、节能、信创等方面的要求，多 CPU 架构的场景越来越常见。典型的应用场景包括：

信创：x86 服务器 + 鲲鹏 ARM 等信创服务器；
个人电脑：苹果 Mac M1 + Windows 电脑（或旧的 Intel 芯片苹果电脑）；
Edge：数据中心使用 x86 服务器，边缘 Edge 端使用低功耗的 arm 边缘设备（如树莓派等）。

容器云原生技术在这方面支持的是很好，但是实际使用中细节会有一些问题，举一个例子，就是：如何保存/同步多架构容器 Docker 镜像

本次先以将 Docker Hub 的镜像同步到本地镜像仓库为例说明。

词汇表

英文	中文	说明
multi-arch image	多架构镜像
variant	变体	不同变体指的如：redis 镜像的 `arm/v5` 和 `arm/v7` 两种变体
manifest	清单
manifest-list	清单（的）列表
layer	（镜像）层
image index	镜像索引	OCI 专有名词，含义和 manifest-list 相同
manifest digest	清单摘要

容器镜像如何支持多架构

一个多架构镜像（A multi-arch image）是一种容器镜像，它可以组合不同架构体系（如 amd64 和 arm）的变体（variants），有时还可以组合不同操作系统（如 windows 和 linux）的变体。运行支持多架构的镜像时，容器客户端会自动选择与你的 OS 和架构相匹配的镜像变体。

多架构镜像是基于镜像清单和清单列表实现的。

清单（Manifests）

每个容器镜像都由一个“清单”表示。清单是一个 JSON 文件，用于唯一标识镜像，并引用其层（layer）及其相应的大小。

hello-world Linux 镜像的基本清单类似于以下内容：

{
  "schemaVersion": 2,
  "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
  "config": {
      "mediaType": "application/vnd.docker.container.image.v1+json",
      "size": 1510,
      "digest": "sha256:fbf289e99eb9bca977dae136fbe2a82b6b7d4c372474c9235adc1741675f587e"
    },
  "layers": [
      {
        "mediaType": "application/vnd.docker.image.rootfs.diff.tar.gzip",
        "size": 977,
        "digest": "sha256:2c930d010525941c1d56ec53b97bd057a67ae1865eebf042686d2a2d18271ced"
      }
    ]
}

清单列表 (Manifest-lists)

多架构镜像的清单列表（通常称为 OCI 镜像的镜像索引）是镜像的集合（索引），您可以通过指定一个或多个镜像名称来创建一个。它包括有关每个镜像的详细信息，例如支持的操作系统和体系架构、大小和清单摘要 (manifest digest)。清单列表的使用方式与 docker pull 和 docker run 命令中的镜像名称相同。

docker CLI 使用 docker manifest命令管理清单和清单列表。

🐾 Warning:

目前，该命令 docker manifest 和子命令是实验性的。有关使用实验性命令的详细信息，请参阅 Docker 文档。

✍️笔者注：可能是因为实验性的原因，使用过程中有几个多架构镜像碰到了诡异的问题。

您可以使用该命令 docker manifest inspect 查看清单列表。以下是多架构镜像hello-world:latest 的输出，它有三个清单：两个用于 Linux 操作系统体系架构，一个用于 Windows 体系架构。

{
  "schemaVersion": 2,
  "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.list.v2+json",
  "manifests": [
    {
      "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
      "size": 524,
      "digest": "sha256:83c7f9c92844bbbb5d0a101b22f7c2a7949e40f8ea90c8b3bc396879d95e899a",
      "platform": {
        "architecture": "amd64",
        "os": "linux"
      }
    },
    {
      "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
      "size": 525,
      "digest": "sha256:873612c5503f3f1674f315c67089dee577d8cc6afc18565e0b4183ae355fb343",
      "platform": {
        "architecture": "arm64",
        "os": "linux"
      }
    },
    {
      "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
      "size": 1124,
      "digest": "sha256:b791ad98d505abb8c9618868fc43c74aa94d08f1d7afe37d19647c0030905cae",
      "platform": {
        "architecture": "amd64",
        "os": "windows",
        "os.version": "10.0.17763.1697"
      }
    }
  ]
}

使用 `docker manifest` 保存多架构镜像

这里是将多架构的镜像推送到本地镜像仓库步骤：

标记每个特定于体系结构的镜像并将其推送到容器注册表。以下示例假定有两个 Linux 体系结构：arm64 和 amd64。

docker tag myimage:arm64 \
  192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:arm64

docker push 192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:arm64

docker tag myimage:amd64 \
  192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:amd64

docker push 192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:amd64

运行 docker manifest create 以创建清单列表，以将前面的镜像合并到多架构镜像中。

docker manifest create 192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:multi \
 192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:arm64 \
 192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:amd64

使用以下命令docker manifest push将清单推送到镜像仓库：

docker manifest push 192.168.2.23:5000/multi-arch-samples/myimage:multi

使用命令docker manifest inspect查看清单列表。上一节显示了命令输出的示例。

将多架构清单推送到镜像仓库后，使用多架构镜像的方式与处理单架构镜像的方式相同。例如，使用 docker pull 拉取镜像。

保存/同步多架构镜像实用脚本一 - 基于 `docker manifest`

场景一

已有多架构压缩包需要 load 压缩包并将多架构镜像上传到本地镜像仓库

以 K3s 为例，官方在 release 时已经发布了多架构的离线镜像压缩包，分别为：

k3s-airgap-images-amd64.tar.gz
k3s-airgap-images-arm.tar.gz
k3s-airgap-images-arm64.tar.gz
...

这些包已经下载好，并传到客户/用户的离线环境机器上。现在需要 load 压缩包并将多架构镜像上传到本地镜像仓库

大致步骤

docker load 压缩包
其中的镜像逐个打 tag, 改为 <本地镜像仓库地址>/.../...:<tag>-<arch>
push 镜像
以上步骤重复 3 遍，将 tag 带有-amd64 -arm -arm64的镜像都 push 到本地镜像仓库
镜像逐个 docker manifest create 以创建清单列表
使用以下命令docker manifest push将清单逐个推送到镜像仓库

完整脚本如下：

🐾 Warning:

由于本人能力有限，在使用 k3s v1.21.7+k3s1 版本的 8*3 个离线镜像做测试的时候，总是 5 个成功，另外 3 个出现 manifest list 的 arch 和 manifest 对不上的情况。不知道是我脚本问题还是 docker manifest 命令是实验性导致的。有经验的还请帮忙看看。谢谢~

#!/bin/bash
amd64_images="k3s-airgap-images-amd64.tar.gz"
arm64_images="k3s-airgap-images-arm64.tar.gz"
arm_images=""
list="k3s-images.txt"

usage() {
    echo "USAGE: $0 [--amd64-images k3s-airgap-images-amd64.tar.gz] [--arm64-images k3s-airgap-images-arm64.tar.gz] [---arm-images k3s-airgap-images-arm.tar.gz] --registry my.registry.com:5000"
    echo "  [-l|--image-list path] text file with list of images; one image per line."
    echo "  [-x|--amd64-images path] amd64 arch tar.gz generated by docker save."
    echo "  [-a|--arm64-images path] arm64 arch tar.gz generated by docker save."
    echo "  [---arm-images path] arm arch tar.gz generated by docker save."
    echo "  [-r|--registry registry:port] target private registry:port."
    echo "  [-h|--help] Usage message"
}

push_manifest() {
    export DOCKER_CLI_EXPERIMENTAL=enabled
    manifest_list=()
    for i_arch in "${arch_list[@]}"; do
        manifest_list+=("$1-${i_arch}")
    done

    echo "Preparing manifest $1, list[${arch_list[@]}]"
    docker manifest create "$1" "${manifest_list[@]}" --insecure
    docker manifest push "$1" --purge --insecure
}

while [[ $# -gt 0 ]]; do
    key="$1"
    case $key in
    -r | --registry)
        reg="$2"
        shift # past argument
        shift # past value
        ;;
    -l | --image-list)
        list="$2"
        shift # past argument
        shift # past value
        ;;
    -x | --amd64-images)
        amd64_images="$2"
        shift # past argument
        shift # past value
        ;;
    -a | --arm64-images)
        arm64_images="$2"
        shift # past argument
        shift # past value
        ;;
    --arm-images)
        arm_images="$2"
        shift # past argument
        shift # past value
        ;;
    -h | --help)
        help="true"
        shift
        ;;
    *)
        usage
        exit 1
        ;;
    esac
done

if [[ -z $reg ]]; then
    usage
    exit 1
fi

if [[ $help ]]; then
    usage
    exit 0
fi

arch_list=()
if [[ -n "${amd64_images}" ]]; then
    arch_list+=("amd64")
fi
if [[ -n "${arm64_images}" ]]; then
    arch_list+=("arm64")
fi
if [[ -n "${arm_images}" ]]; then
    arch_list+=("arm")
fi

image_list=()
while IFS= read -r i; do
    [ -z "${i}" ] && continue
    image_list+=("${i}")
done <"${list}"

for arch in "${arch_list[@]}"; do
    [ -z "${arch}" ] && continue

    case $arch in
    amd64)
        docker load --input ${amd64_images}
        ;;
    arm64)
        docker load --input ${arm64_images}
        ;;
    arm)
        docker load --input ${arm_images}
        ;;
    esac

    for i in "${image_list[@]}"; do
        [ -z "${i}" ] && continue

        case $i in
        */*)
            image_name="${reg}/${i}"
            ;;
        *)
            image_name="${reg}/library/${i}"
            ;;
        esac

        docker tag "${i}" "${image_name}-${arch}"
        docker rmi -f "${i}"
        docker push "${image_name}-${arch}"
    done
done

for i in "${image_list[@]}"; do
    [ -z "${i}" ] && continue

    case $i in
    */*)
        image_name="${reg}/${i}"
        ;;
    *)
        image_name="${reg}/library/${i}"
        ;;
    esac
    push_manifest "${image_name}"
done

使用方法：

./load-images-multi-arch.sh --registry 192.168.2.23:5000 --arm-images k3s-airgap-images-arm.tar.gz

日志输出如下：

$ ./load-images-multi-arch.sh --registry 192.168.2.23:5000 --arm_images k3s-airgap-images-arm.tar.gz
# docker load 镜像第一轮，是 amd64 架构的
67f770da229b: Loading layer [==================================================>]   1.45MB/1.45MB
Loaded image: rancher/library-busybox:1.32.1
...

# 打 tag 并 delete 原 tag 镜像，并 push
Untagged: rancher/coredns-coredns:1.8.3
The push refers to repository [192.168.2.23:5000/rancher/coredns-coredns]
85c53e1bd74e: Pushed
225df95e717c: Pushed
1.8.3-amd64: digest: sha256:db4f1c57978d7372b50f416d1058beb60cebff9a0d5b8bee02bfe70302e1cb2f size: 739
...

# docker load 镜像第二轮，是 arm64 架构的
...
32626eb1fe89: Loading layer [==================================================>]  526.8kB/526.8kB
Loaded image: rancher/pause:3.1

...
Untagged: rancher/pause:3.1
The push refers to repository [192.168.2.23:5000/rancher/pause]
32626eb1fe89: Pushed
3.1-arm64: digest: sha256:2aac966ece8906a535395f92bb25f0e8e21dac737df75b381e8f9bdd3ed56528 size: 527

# docker load 镜像第二轮，是 arm 架构的
8e322dc9c333: Loading layer [==================================================>]  5.045MB/5.045MB
efed3cfd1b26: Loading layer [==================================================>]  1.623MB/1.623MB
a46153382f22: Loading layer [==================================================>]  3.584kB/3.584kB
Loaded image: rancher/klipper-lb:v0.3.4
...

Untagged: rancher/coredns-coredns:1.8.3
The push refers to repository [192.168.2.23:5000/rancher/coredns-coredns]
9f4a0b0fd8b2: Pushed
225df95e717c: Layer already exists
1.8.3-arm: digest: sha256:dfc241eae22da74dd378535b69d7927f897acf48424cdcb90991b33f412cb7ae size: 739

# docker manifest create
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/coredns-coredns:1.8.3, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/coredns-coredns:1.8.3
sha256:dc76fece93e42f05e7013e159097a0d426734fd268467f242d5b155dd49b0221
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/klipper-helm:v0.6.6-build20211022, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/klipper-helm:v0.6.6-build20211022
sha256:e1c6842554ea37e66443cfab9a2422231bf8390b4c69711a74eb4cccde9d3dba
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/klipper-lb:v0.3.4, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/klipper-lb:v0.3.4
sha256:98842bae8630a2aab1a94960185e152745ecf16ca69cf1eefdb53848cbc41063
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/library-busybox:1.32.1, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/library-busybox:1.32.1
sha256:0b93c11bfd89ee5c971deaf9f312d115b2e1d797f79a7f68a266baecfb09a99f
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/library-traefik:2.4.8, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/library-traefik:2.4.8
sha256:58464dda10504d271a17855541ed8d31a787ea25eb751ecce90e14256f23eb24
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/local-path-provisioner:v0.0.19, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/local-path-provisioner:v0.0.19
sha256:0c797ef85540a4934ea84a9471f4f5a10c93f749ee668d92527361c61bbe98c3
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/metrics-server:v0.3.6, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/metrics-server:v0.3.6
sha256:742595f61320bcaead987c5aafc3eb64b9a9151edb02b9e4d27f8abcae26d92e
Preparing manifest 192.168.2.23:5000/rancher/pause:3.1, list[amd64 arm64 arm]
Created manifest list 192.168.2.23:5000/rancher/pause:3.1
sha256:f3ef3cbaf2ea466a0c2a2cf3db0d9fbc30f4c24e57a79603aa0fa8999d4813b0

Skopeo 简介

Skopeo 简介 - K8S 1.20 弃用 Docker 评估之 Docker CLI 的替代产品 - 东风微鸣技术博客 (ewhisper.cn)

最近 Skopeo 版本更新到了 v1.8, 最近的版本增加了一些与多架构有关的 flags, 使得通过 skopeo 进行多架构镜像的保存/同步更为方便。

📝 Notes:

目前关于多架构，只有 3 个选项，3 个选项都没有选择源镜像多个架构的其中几个的能力，但正在开发中。具体见这个 Issue: feature: Support list of archs for sync command · Issue #1694 · containers/skopeo (github.com)

以下是一些相关 flags:

skopeo
- --override-arch <arch>: 使用 arch 代替机器的架构来选择镜像。
- --override-os <os>: 使用 os 代替机器的 OS 来选择镜像。
- --override-variant <variant>: 使用 variant 运行的架构的变体来选择镜像。（不同变体指的如：redis 镜像的 arm/v5 和 arm/v7 两种变体）
skopeo copy
- --all, -a: 如果 source-image 引用的是一个镜像列表，那么不要只复制与当前操作系统和体系架构匹配的镜像（取决于全局的--override-os、--override-arch和--override-variant选项的使用），而是尝试复制列表中的所有镜像，以及列表本身。
- --multi-arch: 如果源镜像引用多架构镜像，则控制要复制的内容。默认设置是system。
  - system: 仅复制与系统架构匹配的镜像
  - all: 复制完整的多架构镜像
  - index-only: 仅复制镜像索引 (image index).(index-only选项通常会失败，除非目标中已经存在每个架构所引用的镜像，或者目标注册中心支持稀疏索引。)
skopeo sync
- --all, -a: 同上

📝 Notes:

根据 skopeo copy --multi-arch index-only 的描述，场景一还有一种实现就是：

docker manifest 之前的步骤，维持原状
将 docker manifest create 和 docker manifest push 替换为 skopeo copy --multi-arch index-only

保存/同步多架构镜像实用脚本二 - 基于 `skopeo copy`

场景二

直接从 docker.io 同步镜像到本地镜像仓库

以 K3s 某一版本为例，镜像列表为：

rancher/coredns-coredns:1.8.3
rancher/klipper-helm:v0.6.6-build20211022
rancher/klipper-lb:v0.3.4
rancher/library-busybox:1.32.1
rancher/library-traefik:2.4.8
rancher/local-path-provisioner:v0.0.19
rancher/metrics-server:v0.3.6
rancher/pause:3.1

这里直接基于镜像搬运工 skopeo 提供的脚本做修改，修改后如下：

📝 Notes:

因为较新版本的 skopeo 才有上面说的一系列 flags, 我的 Ubuntu apt 安装的 skopeo 还停留在 v1.5 版本，没有上述功能。所以直接通过 docker run 方式运行除此之外还添加了 --multi-arch all 选项。

#!/bin/bash
GREEN_COL="\\033[32;1m"
RED_COL="\\033[1;31m"
NORMAL_COL="\\033[0;39m"
SOURCE_REGISTRY=$1
TARGET_REGISTRY=$2
IMAGES_LIST_FILE=$3
: ${IMAGES_LIST_FILE:="k3s-images.txt"}
: ${TARGET_REGISTRY:="192.168.2.23:5000"}
: ${SOURCE_REGISTRY:="docker.io"}

set -eo pipefail

CURRENT_NUM=0
ALL_IMAGES="$(sed -n '/#/d;s/:/:/p' ${IMAGES_LIST_FILE} | sort -u)"
TOTAL_NUMS=$(echo "${ALL_IMAGES}" | wc -l)

skopeo_copy() {
    if docker run -it quay.io/skopeo/stable:latest copy --insecure-policy --src-tls-verify=false --dest-tls-verify=false \
        --src-creds caseycui:xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx --multi-arch all --override-os linux -q docker://$1 docker://$2; then
        echo -e "$GREEN_COL Progress: ${CURRENT_NUM}/${TOTAL_NUMS} sync $1 to $2 successful $NORMAL_COL"
    else
        echo -e "$RED_COL Progress: ${CURRENT_NUM}/${TOTAL_NUMS} sync $1 to $2 failed $NORMAL_COL"
        exit 2
    fi
}

for image in ${ALL_IMAGES}; do
    let CURRENT_N192.168.2.23:5000UM=${CURRENT_NUM}+1
    skopeo_copy ${SOURCE_REGISTRY}/${image} ${TARGET_REGISTRY}/${image}
done

运行效果如下：

$ bash sync.sh
 Progress: 1/8 sync docker.io/rancher/coredns-coredns:1.8.3 to 192.168.2.23:5000/rancher/coredns-coredns:1.8.3 successful
 Progress: 2/8 sync docker.io/rancher/klipper-helm:v0.6.6-build20211022 to 192.168.2.23:5000/rancher/klipper-helm:v0.6.6-build20211022 successful
 Progress: 3/8 sync docker.io/rancher/klipper-lb:v0.3.4 to 192.168.2.23:5000/rancher/klipper-lb:v0.3.4 successful
 Progress: 4/8 sync docker.io/rancher/library-busybox:1.32.1 to 192.168.2.23:5000/rancher/library-busybox:1.32.1 successful
 Progress: 5/8 sync docker.io/rancher/library-traefik:2.4.8 to 192.168.2.23:5000/rancher/library-traefik:2.4.8 successful
 Progress: 6/8 sync docker.io/rancher/local-path-provisioner:v0.0.19 to 192.168.2.23:5000/rancher/local-path-provisioner:v0.0.19 successful
 Progress: 7/8 sync docker.io/rancher/metrics-server:v0.3.6 to 192.168.2.23:5000/rancher/metrics-server:v0.3.6 successful
 Progress: 8/8 sync docker.io/rancher/pause:3.1 to 192.168.2.23:5000/rancher/pause:3.1 successful

最终效果

最终本地的镜像效果如下：

Docker Registry 中的多架构镜像

🎉🎉🎉

📚️ Reference

K8S 1.20 弃用 Docker 评估之 Docker 和 OCI 镜像格式的差别 - 东风微鸣技术博客 (ewhisper.cn)
[Skopeo 简介 - K8S 1.20 弃用 Docker 评估之 Docker CLI 的替代产品 - 东风微鸣技术博客 (ewhisper.cn)](<https://ewhisper.cn/posts/36509/#Skopeo-%20 简介>)
docker manifest | Docker Documentation
containers/skopeo: Work with remote images registries - retrieving information, images, signing content (github.com)
Multi-architecture images in your registry - Azure Container Registry | Microsoft Docs
镜像搬运工 skopeo