任何曾經管理過幾十上百臺物理服務器的人都知道：確保所有服務器始終安裝最新安全更新，或者保證所有服務器的配置和狀態相一致，這始終是一件很難完成的任務。為了解決這個問題，系統管理員通常會使用 Puppet 、 Salt 等工具，或將應用程序部署到容器中。如果整個環境都能由你控制，這些當然都是很棒的方法，但如果你使用了類似 BCDR 一體機之類的設備（或者任何未部署在自己基礎架構內的一體機 / 服務器設施），這些方法往往就不怎么實用了。除此之外，替換系統內核、安裝大型系統升級，或安裝其他需要重啟的大型補丁，此時也無法適用這些方法。

當我們使用的 BCDR 設備面臨這些問題后，我們開始尋找其他更可行的方法，并且真的有所收獲。近兩年來，我們為超過 80,000 臺設備使用了這種方法，效果一直很穩定。本文我將談談我們是如何通過鏡像、回環設備（Loop device）以及大量和 Grub 有關的“魔法”解決這個問題的。如果對此話題感興趣，歡迎繼續閱讀下去。

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從頭到尾使用 Debian 軟件包？

我們的 BCDR 一體機始終運行了 Ubuntu，因此在更新軟件時，最自然的方法就是使用 Debian 軟件包。過去很長時間以來都是這樣做的：每兩周，我們會為 Ubuntu 10.04/12.04（沒錯，我知道你有疑問，請繼續讀下去?。嫿ㄋ璧陌l布，經過全面測試后將其正式部署出去。

很長時間以來這樣做完全沒問題，但這種做法有一些很明顯的不足之處：

第三方依賴項的更新：使用少量 Debian 軟件包，這容易讓人覺得只需要為自己的軟件負責，而不需要為一體機中運行的其他軟件負責。如果你只使用了自己的 datto.deb，但此時 Apache、Samba、libc 甚至 PHP 的更新管理工作其實同樣重要。鑒于我們作為 Datto，本身所銷售的就是完整的一體機，當然也就需要負責管理整個棧，尤其是第三方軟件的安全補丁等內容。

服務重啟動 / 重引導：對于一些需要重啟動服務甚至重引導計算機的大型更新，依賴項問題也會變得異常棘手。當然，Debian 軟件包自己就應該能處理服務重啟動問題，但實際上并非所有軟件包都能妥善搞定。并且一旦需要重引導（例如需要升級系統內核），還需要確保不會打斷重要的設備任務（例如備份、虛擬化……），此外還要保證設備最終能引導成功（這事情并不像你想的那么容易，下文將會詳細介紹?。?。

發行版升級：如果整個操作系統的版本需要升級，這才是最麻煩的地方。舉例來說，如果只使用 apt-get dist-upgrade 命令以及 reboot 命令將 Ubuntu 10.04 升級到 16.04，整個過程將變得漫長無比，并且很多時候可能會升級失?。ㄖ灰阌眠^ usedapt-get dist-upgrade，那么肯定會明白）。

數千個版本和狀態：在 Debian 的升級模型中，“設備”的實際行為其實和普通計算機無異：剛剛創建好鏡像并部署后，一切都是嶄新的，一切都可以正常運轉。但隨著鏡像越來越老，操作系統退化的問題就變得越嚴峻，導致不同設備的狀態產生巨大差異。能嚴重到什么程度？我們的設備（在切換到 KVM 前）曾經使用了 40 個不同版本的 VirtualBox、25 個不同的 ZFS 版本，以及超過 80 個不同的 Linux 內核！

其實，實際遇到的問題遠比上面列出的更多，不過這里就不拿更多問題來給大家添堵了?？焖匍_始介紹最有趣的內容：如何解決！

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使用鏡像，而非軟件包！

鑒于會遇到這么多問題，很明顯，我們需要用更好的解決方案來管理設備狀態和配置。產品中不同的設備配置 / 軟件包 / 版本數量不僅要降至最低，并且在每次升級時必需能保證能夠升級整個棧：不僅要能升級我們自己的軟件，還要能升級第三方軟件，甚至諸如 Libc 或系統內核等系統庫。

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前提要求

隨后我們開始確定這個解決方案的前提要求，其實這些要求并不多：

所有設備沿用相同的升級路徑，并且只存在一個升級路徑。

所有設備均可通過這種方式升級（哪怕操作系統盤較小的老設備）。

從一個版本切換到另一個版本的過程必需滿足原子性要求（或盡可能滿足這種要求）。（如果升級失?。┠軌蚧貪L到上一個版本。而這些要求還暗含了一個最重要的前提條件：不能繼續使用基于軟件包的升級方法了，并且（從字里行間也能體會到）在升級過程中重引導一體機，這是可以接受的。

這些都是很大膽的念頭。我們確實做出了一個重大決定！

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那么鏡像到底是什么？

為了減少配置的數量，我們決定不再將我們的軟件及其所有依賴項看作不同個體，而是將所有這一切組合成一個統一的可交付物：鏡像。

那么鏡像到底是什么？鏡像（在我們的環境中）是指一種 EXT4 文件系統，其中包含了引導和運行 BCDR 一體機所需的一切，例如：

Ubuntu 基礎操作系統（內核、系統庫……）

必需的第三方工具和庫（Apache、KVM、ZFS……）

Datto 設備軟件（我們的營銷團隊將其稱之為 IRIS）

下圖就顯示了一個這種鏡像所包含的內容：

我們對這種想法非常激動，因為通過使用鏡像，只需要一個數字，也就是鏡像的版本號（例如上圖中的“415”）就可以定義所安裝的每個軟件的具體版本。再也不用針對多種 ZFS 版本測試我們的軟件，更不用暗自祈禱我們的軟件能兼容所有 KVM 版本。太棒了！

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基于鏡像的升級

做出所有這些重要決定后，我們依然需要通過某種方法來構建、分發，并在設備上引導這些鏡像。具體怎么做呢？

構建鏡像

通常來說，每次標記了一個新的發布（或發布候選）后，我們會自動構建鏡像：每次在 Git 中推送標簽后，一個 CI 工作進程會開始構建鏡像。構建過程本身也挺有趣，不過已經超出了本文的范圍，但為了不吊大家胃口，下文將簡單介紹這個過程：

我們首先會為自己的軟件構建 Debian 軟件包，并將其發布至一個 Debian 倉庫。隨后使用 aptly （參閱“Datto packages”一圖）為這個 Debian 倉庫創建快照，同時還會定期對一個上游 Ubuntu 倉庫（“Upstream packages”）執行類似操作。隨后使用 debootstrap 創建一個 Ubuntu 基準系統，并將我們的所有軟件及其依賴項安裝到一個 Chroot 中。一旦完成這些操作，會對其創建 Tar 歸檔并 Rsync 到我們自己的鏡像服務器。在鏡像服務器上，我們會提取出 Tarball 并 Rsync 給最新鏡像，這個最新鏡像位于一個格式化為 EXT4 文件系統的 ZFS 卷（zvol）中。在將所有未使用的 EXT4 塊歸零后，會對包含該文件系統的 zvol 創建最終快照。

因此在鏡像服務器上可以看到類似下圖所示的內容：

上述 zvol 包含了我們 BCDR 一體機的 EXT4 文件系統。這就是一個鏡像，也是我們唯一需要交付的東西。它可以作為一個整體進行測試，一旦通過了 QA 流程，就可以分發到客戶的 BCDR 設備中了。

分發鏡像

在成功構建鏡像后，又該如何將其從我們的數據中心發送給超過 8 萬臺設備？很簡單，我們使用了 ZFS send/recv ！

我們的所有設備都具備 ZFS 池，其中存儲了設備的鏡像備份，并且之前我們就在大量使用 ZFS send/recv 為這些備份提供離場保存能力。而此時只不過是換種方向使用這種技術。

我們是這樣做的：需要升級時，會讓一部設備通過 HTTPS 下載 ZFS sendfile diff（之前曾經嘗試過直接通過 SSH 使用 ZFS send/recv，但這種方式無法進行緩存）：

從上圖中可以看到，通常并不需要下載完整鏡像，因為設備以前就升級過，已經在本地池中保存了鏡像的一個版本。這就很棒了：通過這種技術，我們可以進行差異化的操作系統升級，也就是說，設備只需要下載鏡像中有變化的塊。

這是一種雙贏的結果，因為不會過多占用客戶網絡帶寬，而我們自己的數據中心也可以節約一筆帶寬費用。

下載好的鏡像會被導入本地 ZFS 池。這對于下一次升級很必要（可以確保只需要下載有變化的內容）：

引導鏡像

拿到鏡像后，如何引導至這個新的文件系統？如果我們構建的每個鏡像版本都是全新操作系統，又該如何從一個版本引導至下一個版本？

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ZFS-on-root、A/B 分區和 A/B 文件夾

毫無疑問，這些問題的答案并不只有一種。我們可以通過多種方法使用鏡像生成可引導的系統，因此需要多次實驗找出一種最佳方法。

這個過程也很有趣，因此我準備簡要介紹每種方法，以及最終未選擇這些方法的原因：

ZFS-on-root 和 A/B 數據集：我們的鏡像備份操作中大量使用了 ZFS，因此一開始很自然就覺得也可以將 ZFS 用作一體機的根文件系統。為此可以將 BCDR 一體機的鏡像作為一個 ZFS 數據集（而非上文提到的 zvol）來進行分發，對其進行克隆并直接引導至 ZFS 的克隆副本。由于 Grub 的新版本已經可以支持讀取 ZFS，此外還提供了 ZFS initramfs 模塊，ZFS-on-root 絕對是可行的。如果要從一個鏡像升級到下一個（例如從一個 ZFS 數據集升級到下一個），只需要更新 Grub 的配置并重引導就行。這種方式可以正常起效，但因為引導至 ZFS，這是一種比較新的做法，我們認為其成熟度還不足以滿足我們產品的需求。不予考慮。

簡單的 A/B 分區：有些一體機和手機會使用兩個分區，其中一個包含當前系統，另一個包含下一個系統。這種思路也很簡單：下載新鏡像，將其 Rsync 到不活躍分區，更新 Grub，然后重引導。然而這種做法的問題在于，我們的有些設備不具備額外創建一個分區所需的存儲空間（或者至少需要重建分區）。我們在實驗中嘗試過在首次重引導過程中，從 initramfs 內部將活躍根分區拆分為兩個并且成功了（挺酷的對吧），但考慮到這將要用于我們的主要產品，該方法風險太大。不予考慮。

引導至 A/B 目錄：由于一些設備缺乏備用分區，我們還實驗過將鏡像的兩個副本保存到根分區中的兩個文件夾中（例如一個 /images/412 和一個 /images/415），隨后修改 initramfs 引導至 /images/415，而非引導至 /。不管你信不信，雖然聽起來挺瘋狂，但這樣做竟然也成功了，并且整個方法也超級簡單，只要對 initramfs 進行少量修改：mount --bind /images/415 /root 改成這樣就行。一切都可以正常運轉，不過很多 Linux 工具（df、mount……）會因為根目錄不是 / 而遇到一些問題，所以這個方法也不予考慮。

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循環往復，這就夠了！

在嘗試過用多種方法引導鏡像后，我們最終采取的做法似乎感覺有些無趣。不過無趣也是好事對吧！

我們發現，如果要引導一個鏡像，最簡單可靠的方法是利用 Grub 的回環引導（Loopback booting）機制，并配合 initramfs 對 Loop 的支持（請參閱 loop=…參數）：

眾所周知，Grub 是種引導加載器（Boot loader）。它的責任是加載初始的 RAM 磁盤和內核。為此，Grub 內置了對很多文件系統的讀取能力，并能通過 loopback 命令支持稍后將要提到的“文件系統中的文件系統”。loopback 命令可在根分區找到鏡像文件并對其進行環回（Loop），這樣就可以照常使用 linux 和 initrd 命令找到內核和 RAM 磁盤。例如我們在設備 grub.cfg 文件中（通過 /etc/grub.d 中的鉤子）生成的菜單項范例如下所示：

在這個例子中，Grub 首先會通過 search 以及 UUID 尋找根分區（就像對常規安裝的 Ubuntu 做的那樣）。隨后會發現根分區中的鏡像文件 /images/415.0.img，最后找到鏡像中的內核（(loop)/vmlinuz）和 RAM 磁盤（(loop)/initrd.img）。

整個過程異常簡單，但同時卻非?？幔阂龑Ъ虞d器竟然能這樣做，這一點讓我大為驚奇。

當 Grub 找到內核和初始 RAM 磁盤后，會將 RAM 磁盤載入內存（震驚?。?，隨后掛載根文件系統，最后將控制權轉交給 init 進程。

在 Ubuntu 中，initramfs-tools 軟件包提供了創建和修改初始 RAM 磁盤的工具。幸虧該軟件包已經可以支持回環引導機制，因此一般來說除了需要在內核行傳遞 loop= 參數，其他什么都不用做。如果設置了該參數，initramfs 會用回環的方式，使用 mount -o loop（參閱源代碼）將根文件系統加載至鏡像?？紤]到代碼中有一條相當嚇人的 FIXME 消息（# FIXME This has no error checking），我們認為最好能提高它的彈性，為其增加錯誤處理和 fsck 能力。不過大部分情況下，使用 initramfs 都可以順利引導并且不顯示任何信息。

就是這樣，一個簡單的解決方案，洋洋灑灑寫了這么多。

這種方法在實踐中用起來是這樣的。如圖所示，該設備的根文件系統位于 /dev/loop0，該回環設備在 initramfs 中設置而來，指向了一個鏡像文件：

本例中，鏡像是位于根分區（如 /dev/sda1）下的 /images/412.0.img。請注意，如果鏡像中存在空的 /host 文件夾，initramfs 會將根分區掛載在這里：

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鏡像間的升級

我們已經可以構建、分發并引導鏡像。如果將這一切結合在一起就會發現，從一個鏡像到下一個鏡像的升級其實一點也不難：

清理老鏡像，下載新鏡像，導入到池，導出到鏡像文件。

將配置從當前鏡像遷移到下一個鏡像。

更新 Grub 以指向新鏡像。

重引導。

我們所做的就是這樣。為此還開發了一個名為 upgradectl 的工具：

upgradectl 通?？捎晌覀兊暮炄脒M程遠程觸發：在設備正常運轉的過程中，它可以下載并導出鏡像（第 1 步），借此在后臺為升級過程做準備。需要進行升級時（通常是夜間的設備閑置時段），實際的升級過程將非?？焖俚赝瓿?，因為只需要遷移配置，更新 Grub 并重引導（第 2-4 步）即可。一般來說，升級過程中的設備停機時間約為 5-10 分鐘，并且這主要取決于重引導所需的時間（大型設備可能需要更久，因為需要 IPMI/BMC 初始化）。

當然，這一過程中也有數不勝數的問題和邊緣案例需要考慮：聽起來確實簡單，但想要做對其實并不容易，尤其是考慮到我們現有的 8 萬臺一體機中，有些在生產環境中連續運轉已經有超過 7 年時間了。

但這也造就了一些有趣的挑戰：我們已經將數千臺設備從 Ubuntu 12.04（甚至 10.04）直接升級至 Ubuntu 16.04。如果升級過程因為某些原因失敗，會通過一些邏輯來處理老鏡像的回滾。我們處理了完整的操作系統盤、有故障的硬件（磁盤、IPMI、RAM……）、配置為 RAID 的操作系統盤以及 Grub 無法向其中寫入的問題，當然還有 ZFS 池出錯、Linux 進程掛起（D 狀態）、重引導掛起等各種問題。

但是你猜怎樣：這一切都是值得的。這就好像結束了一場為期 7 年的寒冬之后進行的春季大掃除。我們讓這些設備重新煥發了生機，并且這樣的工作還將繼續，每兩周進行一次！

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總結

本文介紹了如何將 BCDR 一體機的部署流程由基于 Debian 軟件包的方法改為基于鏡像的方法。此外還介紹了構建、分發鏡像的方法，以及如何使用 Grub 的 loopback 機制引導鏡像的做法。

雖然這種基于鏡像的升級方法的誕生有我的全程參與，但這其中最讓人激動的一點在于：借助這種機制，我們甚至可以在不同內核，以及不同的操作系統大版本之間切換。每次發布升級后，我們都可以有效地引導至一個全新操作系統，這意味著系統不會隨著時間的延長而退化，所有手工改動都會被消除，甚至從技術上來看，還可以在愿意的情況下切換使用不同的 Linux 發行版。

并且這一切都是在后臺進行的，完全無需用戶介入，對用戶來說完全透明：每兩周對 8 萬個操作系統進行升級，這該有多酷??！

責任編輯：中山網站建設
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