docker registry 迁移至 harbor

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Registry

Docker Distribution

Docker Distribution 是第一个是实现了打包、发布、存储和镜像分发的工具，起到 Docker registry 的作用。（目前 Distribution 已经捐赠给了 CNCF）。其中 Docker Distribution 中的 spec 规范 后来也就成为了 OCI distribution-spec 规范。可以认为 Docker Distribution 实现了大部分 OCI 镜像分发的规范，二者在很大程度上也是兼容的。 OCI 的指导思想是先有工业界的实践，再将这些实践总结成技术规范，因此尽管 OCI 的 distribution-spec 规范还没有正式发布（目前版本是v1.0.0-rc1），但以 Docker Distribution 作为基础的镜像仓库已经成为普遍采用的方案，Docker registry HTTP API V2 也就成为了事实上的标准。

Harbor

Harbor 也是采用了 Docker Distribution （docker registry）作为后端镜像存储服务，在 Harbor 2.0 之前的版本，镜像相关的功能大部分是由 Docker Distribution 来处理，镜像和 OCI 等制品的元数据是 harbor 组件从 docker registry 中提取出来的；Harbor 在 2.0 版本之后，镜像等 OCI 制品相关的元数据由 Harbor 自己来维护，而且元数据是在 PUSH 这些制品时写入到 harbor 的数据库中的。也正因得益于此，Harbor 不再仅仅是个用来存储和管理镜像的服务，而一个云原生仓库服务，能够存储和管理符合 OCI 规范的 Helm Chart、CNAB、OPA Bundle 等多种 Artifact 。

docker registry to harbor

好了，扯了这么多没用的概念，回到本文要解决的问题：如何将 docker registry 中的镜像迁移至 harbor？

假如内网环境中有两台机器，一台机器上运行着 docker registry，域名假设为 registry.k8s.li 。另一台机器运行着 harbor，假设域名为 harbor.k8s.li。现在 docker registry 中存放了五千个镜像。harbor 是刚刚部署的，里面还没有镜像。在磁盘和网络没有限制的情况下，如何高效地将 docker registry 中的镜像迁移到 harbor 中呢？

获取 registry 所有镜像的列表

首先在迁移之前我们要拉清单，获取一份 docker registry 中镜像的列表，这样我们才能保证迁移后没有镜像丢失。根据木子在 深入浅出容器镜像的一生🤔 文章中提到的 registry 的存储目录结构。在 registry 存储目录中，每个镜像的 tag 都是由 current/index 这个文件指向该 tag 镜像的 manifests 文件的，由此我们可以通过遍历 registry 存储目录中 current/index 文件的方式来得到所有镜像的 tag，由此得到该 registry 中所有镜像的列表。注意，这样只能得到有 tag 的镜像，其他没 tag 的镜像无法获取到。

可通过如下命令在 registry 存储目录下获取镜像列表：

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# 首先进入到 registry 存储的主目录下
cd  /var/lib/registry
find docker -type d -name "current" | sed 's|docker/registry/v2/repositories/||g;s|/_manifests/tags/|:|g;s|/current||g' > images.list

harbor 创建 project

对于新部署的 harbor 来说，上面只会有一个默认的 library 的 project，需要手动在 harbor 上创建 docker registry 中对应的 project。docker registry 中镜像的 project 就是 registry 存储目录中 repositories 下的目录名。

得到了镜像列表，以及在 harbor 上完成了对应 project 的创建，我们就可以做正式的迁移工作啦。根据不同的场景，可使用如下几种方案：

方案一：docker retag

方案一可能是大多数人首先想到的办法，也是最简单粗暴的方法。就是在一台机器上使用 docker pull 下 docker registry 中的所有镜像，然后再 docker retag 一下，再 docker push 到 harbor 中。

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# 假设其中的一个镜像为 library/alpine:latest

docker pull registry.k8s.li/library/alpine:latest

docker tag registry.k8s.li/library/alpine:latest harbor.k8s.li/library/alpine:latest

docker push harbor.k8s.li/library/alpine:latest

如果你之前读过木子曾经写过的 深入浅出容器镜像的一生🤔 和 镜像搬运工 skopeo 初体验 并且已经在日常生活中使用 skopeo ，你一定会很觉着这个方案很蠢，因为 docker pull –> docker tag –> docker pull 的过程中会对镜像的 layer 进行解压缩。对于只是将镜像从一个 registry 复制到另一个 registry 来说，这些 docker 在这些过程中做了很多无用功。详细的原理可以翻看一下刚提到的两篇文章，在此就不再赘述。

那么为了追求高效，肯定不会使用 docker retag 这么蠢的办法啦，下面就讲一下方案二：

方案二：skopeo

在 镜像搬运工 skopeo 初体验 中介绍过可以使用 skopeo copy 直接从一个 registry 中复制镜像原始 blobs 到另一个 registry 中，在此期间不会涉及镜像 layer 解压缩操作。至于性能和耗时，比使用 docker 的方式高到不知道哪里去了😂。

  • 使用 skopeo copy
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skopeo copy --insecure-policy --src-tls-verify=false --dest-tls-verify=false --src docker://registry.k8s.li/library/alpine:latest docker://harbor.k8s.li/library/alpine:latest
  • 使用 skopeo sync
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skopeo sync --insecure-policy --src-tls-verify=false --dest-tls-verify=false --src docker --dest docker registry.k8s.li/library/alpine:latest harbor.k8s.li/library/alpine:latest

但还有没有更好的办法？要知道无论是 docker 和 skopeo 本质上都是通过 registry 的 HTTP API 下载和上传镜像的，在这过程中还是多了不少 HTTP 请求的，如果走的是 HTTPS 的话，还涉及了 HTTPS 加密和解密的过程，这期间也是做了很多无用功的。那么还有没有更好的办法？

方案三：迁移存储目录

文章开篇提到 harbor 的后端镜像存储也是使用的 docker registry，对于一个 registry 来说，只要是使用的是 Docker Distribution V2 ，它后端的存储目录结构都是长得一摸一样的。那为何不直接将 registry 的存储目录打包复制并解压到 harbor 的 registry 存储目录呢？这样又能保证所有的镜像都迁移过去，不会落下任何一个。

对于 harbor 1.x 版本来讲，将 docker registry 的存储目录直接迁移到 harbor 的 registry 存储目录，然后删除 harbor 的 redis 数据（因为 harbor 的 redis 缓存了镜像的元数据信息），重启 harbor 就完事儿了。重启 harbor 之后，harbor 会调用后端的 registry 去提取镜像的元数据信息并存储到 redis 中。这样就完成了迁移的工作。

在 docker registry 机器上备份 registry 存储目录

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# 切换到 docker registry 的存储目录
cd  /var/lib/registry

# 注意，进行备份时无需进行压缩，因为 registry 中镜像的 layer 都是压缩过的
tar -cpf docker.tar docker

备份完成之后将 docker.tar scp 到 harbor 机器上，然后在 harbor 机器上恢复 registry 存储目录

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# 切换到 harbor 的存储目录
cd /data/harbor

# 将备份的 docker 目录解压到 harbor 的 registry 目录下，目录层级一定要对应好
tar -xpf docker.tar -C ./registry

# 删除 harbor 的 regis 数据，重启 harbor 后会重建 redis 数据。
rm -f redis/dump.rdb

# 切换到 harbor 的安装目录重启 harbor
cd /opt/harbor
docker-compose restart

这样迁移之后可能会遇到无法往 harbor push 镜像的问题。因为 docker registry 容器内 registry 存储目录的所属和所属组为 root ，而 harbor registry 容器内 registry 存储目录的所属和所属组为 10000:10000 ,二者权限并不相同，会导致 harbor 无法 push 镜像。因此在迁移完成之后需要修改一下 harbor registry 目录的所属和所属组。

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# 切换到 harbor 的存储目录
cd /data/harbor

# 修改 registry 存储目录的所属和所属组为 10000
chown -R 10000:10000 ./registry

方案四：

对于 harbor 2.x 来讲，由于 harbor 强化了 Artifact 的元数据管理能力，即元数据要在 push 或者 sync 到 harbor 时写入到 harbor 自身的数据库中。在 harbor 看来只要数据库中没有这个 Artifact 的 manifest 信息或者没有这一层 layer 的信息，harbor 都会认为该 Artifact 或者 layer 不存在，返回 404 的错误。按照方案三直接而将 docker registry 存储目录解压到 harbor 的 registry 存储目录的方法行不通的。因为是将镜像解压到 registry 存储中的，虽然在 harbor 的 registry 容器看来是有镜像的，但因为 harbor 的数据库中没有镜像，harbor 就会认为没有镜像。那么现在看来只能通过方案二使用 skopeo 将镜像一个一个地 push 到 harbor 中了。

但对于某些特定的场景下，不能像方案二那样拥有一个 docker registry 的 HTTP 服务，只有一个 docker registry 的压缩包，这如何将 docker registry 的存储目录中的镜像迁移到 harbor 2.0 中呢？

在 镜像搬运工 skopeo 初体验 中提到过 skopeo 支持的镜像格式有如下几种：

IMAGE NAMES example
containers-storage: containers-storage:
dir: dir:/PATH
docker:// docker://k8s.gcr.io/kube-apiserver:v1.17.5
docker-daemon: docker-daemon:alpine:latest
docker-archive: docker-archive:alpine.tar (docker save)
oci: oci:alpine:latest

需要注意的是，这几种镜像的名字，对应着镜像存在的方式，不同存在的方式对镜像的 layer 处理的方式也不一样，比如 docker:// 这种方式是存在 registry 上的；docker-daemon: 是存在本地 docker pull 下来的；再比如 docker-archive 是通过 docker save 出来的镜像；而 dir: 是镜像以文件夹的形式保存的。同一个镜像有这几种存在的方式就像水有气体、液体、固体一样。可以这样去理解，他们表述的都是同一个镜像，只不过是存在的方式不一样而已。

既然镜像是存放在 registry 存储目录里的，那么使用 dir 的形式直接从文件系统读取镜像，理论上来讲会比方案二要好一些。虽然 skopeo 支持 dir 格式的镜像，但 skopeo 目前并不支持直接使用 registry 的存储目录，所以还是需要想办法将 docker registry 存储目录里的每一个镜像转换成 skopeo dir 的形式。

skopeo dir

那么先来看一下 skopeo dir 是什么样子的？

为了方便测试方案的可行性，先使用 skopeo 命令先从 docker hub 上拉取一个镜像，并保存为 dir，命令如下：

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skopeo copy docker://alpine:latest dir:./alpine

使用 tree 命令查看一下 alpine 文件夹的目录结构，如下：

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╭─root@sg-02 /var/lib/registry
╰─# tree -h alpine
alpine
├── [2.7M]  4c0d98bf9879488e0407f897d9dd4bf758555a78e39675e72b5124ccf12c2580
├── [1.4K]  e50c909a8df2b7c8b92a6e8730e210ebe98e5082871e66edd8ef4d90838cbd25
├── [ 528]  manifest.json
└── [  33]  version

0 directories, 4 files
╭─root@sg-02 /var/lib/registry
╰─# file alpine/e50c909a8df2b7c8b92a6e8730e210ebe98e5082871e66edd8ef4d90838cbd25
alpine/e50c909a8df2b7c8b92a6e8730e210ebe98e5082871e66edd8ef4d90838cbd25: ASCII text, with very long lines, with no line terminators

╭─root@sg-02 /var/lib/registry
╰─# file alpine/4c0d98bf9879488e0407f897d9dd4bf758555a78e39675e72b5124ccf12c2580
alpine/4c0d98bf9879488e0407f897d9dd4bf758555a78e39675e72b5124ccf12c2580: gzip compressed data

从文件名和大小以及文件的内省我们可以判断出，manifest 文件对应的就是镜像的 manifests 文件；类型为 ASCII text 的文件正是镜像的 image config 文件，里面包含着镜像的元数据信息。而另一个 gzip compressed data 文件不就是经过 gzip 压缩过的镜像 layer 嘛。看一下 manifest 文件的内容也再次印证了这个结论：

  • 镜像的 config 字段对应的正是 e50c909a8df2，而文件类型正是 image.v1+json 文本文件。
  • 镜像的 layer 字段对应的也正是 4c0d98bf9879 而文件类型正是 .tar.gzip gzip 压缩文件。
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alpine/4c0d98bf9879488e0407f897d9dd4bf758555a78e39675e72b5124ccf12c2580: gzip compressed data
╭─root@sg-02 /var/lib/registry
╰─# cat alpine/manifest.json
{
   "schemaVersion": 2,
   "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
   "config": {
      "mediaType": "application/vnd.docker.container.image.v1+json",
      "size": 1471,
      "digest": "sha256:e50c909a8df2b7c8b92a6e8730e210ebe98e5082871e66edd8ef4d90838cbd25"
   },
   "layers": [
      {
         "mediaType": "application/vnd.docker.image.rootfs.diff.tar.gzip",
         "size": 2811321,
         "digest": "sha256:4c0d98bf9879488e0407f897d9dd4bf758555a78e39675e72b5124ccf12c2580"
      }
   ]
}

从 registry 存储目录中捞镜像出来

接下来到本文的较为精彩的地方了。如何从 registry 存储里的 捞 镜像出来，转换成 skopeo 所支持的 dir 格式。

  • 首先要得到镜像的 manifests 文件，从 manifests 文件中可以得到该镜像的所有 blob 文件。例如对于 registry 存储目录中的 library/alpine:latest 镜像来讲，它在 registry 中是这样存放的：
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╭─root@sg-02 /var/lib/registry/docker/registry/v2
╰─# tree
.
├── blobs
│   └── sha256
│       ├── 21
│       │   └── 21c83c5242199776c232920ddb58cfa2a46b17e42ed831ca9001c8dbc532d22d
│       │       └── data
│       ├── a1
│       │   └── a143f3ba578f79e2c7b3022c488e6e12a35836cd4a6eb9e363d7f3a07d848590
│       │       └── data
│       └── be
│           └── be4e4bea2c2e15b403bb321562e78ea84b501fb41497472e91ecb41504e8a27c
│               └── data
└── repositories
    └── library
        └── alpine
            ├── _layers
            │   └── sha256
            │       ├── 21c83c5242199776c232920ddb58cfa2a46b17e42ed831ca9001c8dbc532d22d
            │       │   └── link
            │       └── be4e4bea2c2e15b403bb321562e78ea84b501fb41497472e91ecb41504e8a27c
            │           └── link
            ├── _manifests
            │   ├── revisions
            │   │   └── sha256
            │   │       └── a143f3ba578f79e2c7b3022c488e6e12a35836cd4a6eb9e363d7f3a07d848590
            │   │           └── link
            │   └── tags
            │       └── latest
            │           ├── current
            │           │   └── link
            │           └── index
            │               └── sha256
            │                   └── a143f3ba578f79e2c7b3022c488e6e12a35836cd4a6eb9e363d7f3a07d848590
            │                       └── link
            └── _uploads

26 directories, 8 files
  1. 通过 repositories/library/alpine/_manifests/tags/latest/current/link 文件得到 alpine 镜像 lasts 这个 tag 的 manifests 文件的 sha256 值，然后根据这个 sha256 值去 blobs 找到镜像的 manifests 文件;
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╭─root@sg-02 /var/lib/registry/docker/registry/v2/repositories/library/alpine/_manifests/tags/latest/current/
╰─# cat link
sha256:39eda93d15866957feaee28f8fc5adb545276a64147445c64992ef69804dbf01#
  1. 根据 current/link 文件中的 sha256 值在 blobs 目录下找到与之对应的文件，blobs 目录下对应的 manifests 文件为 blobs/sha256/39/39eda93d15866957feaee28f8fc5adb545276a64147445c64992ef69804dbf01/data;
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╭─root@sg-02 /var/lib/registry/docker/registry/v2/repositories/library/alpine/_manifests/tags/latest/current
╰─# cat /var/lib/registry/docker/registry/v2/blobs/sha256/39/39eda93d15866957feaee28f8fc5adb545276a64147445c64992ef69804dbf01/data
{
   "schemaVersion": 2,
   "mediaType": "application/vnd.docker.distribution.manifest.v2+json",
   "config": {
      "mediaType": "application/vnd.docker.container.image.v1+json",
      "size": 1507,
      "digest": "sha256:f70734b6a266dcb5f44c383274821207885b549b75c8e119404917a61335981a"
   },
   "layers": [
      {
         "mediaType": "application/vnd.docker.image.rootfs.diff.tar.gzip",
         "size": 2813316,
         "digest": "sha256:cbdbe7a5bc2a134ca8ec91be58565ec07d037386d1f1d8385412d224deafca08"
      }
   ]
}
  1. 使用正则匹配，过滤出 manifests 文件中的所有 sha256 值，这些 sha256 值就对应着 blobs 目录下的 image config 文件和 image layer 文件;
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╭─root@sg-02 /var/lib/registry/docker/registry/v2/repositories/library/alpine/_manifests/tags/latest/current
╰─# grep -Eo "\b[a-f0-9]{64}\b" /var/lib/registry/docker/registry/v2/blobs/sha256/39/39eda93d15866957feaee28f8fc5adb545276a64147445c64992ef69804dbf01/data
f70734b6a266dcb5f44c383274821207885b549b75c8e119404917a61335981a
cbdbe7a5bc2a134ca8ec91be58565ec07d037386d1f1d8385412d224deafca08
  1. 根据 manifests 文件就可以得到 blobs 目录中镜像的所有 layer 和 image config 文件，然后将这些文件拼成一个 dir 格式的镜像，在这里使用 cp 的方式将镜像从 registry 存储目录里复制出来，过程如下：
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# 首先创建一个文件夹，为了保留镜像的 name 和 tag，文件夹的名称就对应的是 NAME:TAG
╭─root@sg-02 /var/lib/registry/docker
╰─# mkdir -p skopeo/library/alpine:latest

# 复制镜像的 manifest 文件
╭─root@sg-02 /var/lib/registry/docker
╰─# cp /var/lib/registry/docker/registry/v2/blobs/sha256/39/39eda93d15866957feaee28f8fc5adb545276a64147445c64992ef69804dbf01/data skopeo/library/alpine:latest/manifest

# 复制镜像的 blob 文件
# cp /var/lib/registry/docker/registry/v2/blobs/sha256/f7/f70734b6a266dcb5f44c383274821207885b549b75c8e119404917a61335981a/data skopeo/library/alpine:latest/f70734b6a266dcb5f44c383274821207885b549b75c8e119404917a61335981a
# cp /var/lib/registry/docker/registry/v2/blobs/sha256/cb/cbdbe7a5bc2a134ca8ec91be58565ec07d037386d1f1d8385412d224deafca08/data skopeo/library/alpine:latest/cbdbe7a5bc2a134ca8ec91be58565ec07d037386d1f1d8385412d224deafca08

最终得到的镜像格式如下：

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╭─root@sg-02 /var/lib/registry/docker
╰─# tree skopeo/library/alpine:latest
skopeo/library/alpine:latest
├── cbdbe7a5bc2a134ca8ec91be58565ec07d037386d1f1d8385412d224deafca08
├── f70734b6a266dcb5f44c383274821207885b549b75c8e119404917a61335981a
└── manifest

0 directories, 3 files

和上面的 skopeo copy 出来的 dir 文件夹对比一下，除了一个无关紧要的 version 文件，其他的都一摸一样。

  1. 再优化一下，将步骤 4 中的 cp 操作修改成硬链接操作，能极大减少磁盘的 IO 操作。需要注意：硬链接文件不能跨分区，所以要和 registry 存储目录在同一个分区下才行。
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╭─root@sg-02 /var/lib/registry/docker
╰─# ln /var/lib/registry/docker/registry/v2/blobs/sha256/39/39eda93d15866957feaee28f8fc5adb545276a64147445c64992ef69804dbf01/data skopeo/library/alpine:latest/manifest
# ln /var/lib/registry/docker/registry/v2/blobs/sha256/f7/f70734b6a266dcb5f44c383274821207885b549b75c8e119404917a61335981a/data skopeo/library/alpine:latest/f70734b6a266dcb5f44c383274821207885b549b75c8e119404917a61335981a
# ln /var/lib/registry/docker/registry/v2/blobs/sha256/cb/cbdbe7a5bc2a134ca8ec91be58565ec07d037386d1f1d8385412d224deafca08/data skopeo/library/alpine:latest/cbdbe7a5bc2a134ca8ec91be58565ec07d037386d1f1d8385412d224deafca08
╭─root@sg-02 /var/lib/registry/docker
╰─# tree skopeo/library/alpine:latest
skopeo/library/alpine:latest
├── cbdbe7a5bc2a134ca8ec91be58565ec07d037386d1f1d8385412d224deafca08
├── f70734b6a266dcb5f44c383274821207885b549b75c8e119404917a61335981a
└── manifest

0 directories, 3 files

然后使用 skopeo copy 或者 skopeo sync 将捞出来的镜像 push 到 harbor

  • 使用 skopeo copy
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skopeo copy  --insecure-policy --src-tls-verify=false --dest-tls-verify=false \
dir:skopeo/library/alpine:latest docker://harbor.k8s.li/library/alpine:latest
  • 使用 skopeo sync

需要注意的是，skopeo sync 的方式是同步 project 级别的，镜像的 name 和 tag 就对应的是目录的名称

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skopeo sync --insecure-policy --src-tls-verify=false --dest-tls-verify=false \
--src dir --dest docker skopeo/library/ harbor.k8s.li/library/

实现脚本

大叫一声 shell 大法好！😂

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#!/bin/bash
REGISTRY_DOMAIN="harbor.k8s.li"
REGISTRY_PATH="/var/lib/registry"

# 切换到 registry 存储主目录下
cd ${REGISTRY_PATH}

gen_skopeo_dir() {
   # 定义 registry 存储的 blob 目录 和 repositories 目录，方便后面使用
    BLOB_DIR="docker/registry/v2/blobs/sha256"
    REPO_DIR="docker/registry/v2/repositories"
    # 定义生成 skopeo 目录
    SKOPEO_DIR="docker/skopeo"
    # 通过 find 出 current 文件夹可以得到所有带 tag 的镜像，因为一个 tag 对应一个 current 目录
    for image in $(find ${REPO_DIR} -type d -name "current"); do
        # 根据镜像的 tag 提取镜像的名字
        name=$(echo ${image} | awk -F '/' '{print $5"/"$6":"$9}')
        link=$(cat ${image}/link | sed 's/sha256://')
        mfs="${BLOB_DIR}/${link:0:2}/${link}/data"
        # 创建镜像的硬链接需要的目录
        mkdir -p "${SKOPEO_DIR}/${name}"
        # 硬链接镜像的 manifests 文件到目录的 manifest 文件
        ln ${mfs} ${SKOPEO_DIR}/${name}/manifest.json
        # 使用正则匹配出所有的 sha256 值，然后排序去重
        layers=$(grep -Eo "\b[a-f0-9]{64}\b" ${mfs} | sort -n | uniq)
        for layer in ${layers}; do
          # 硬链接 registry 存储目录里的镜像 layer 和 images config 到镜像的 dir 目录
            ln ${BLOB_DIR}/${layer:0:2}/${layer}/data ${SKOPEO_DIR}/${name}/${layer}
        done
    done
}

sync_image() {
    # 使用 skopeo sync 将 dir 格式的镜像同步到 harbor
    for project in $(ls ${SKOPEO_DIR}); do
        skopeo sync --insecure-policy --src-tls-verify=false --dest-tls-verify=false \
        --src dir --dest docker ${SKOPEO_DIR}/${project} ${REGISTRY_DOMAIN}/${project}
    done
}

gen_skopeo_dir
sync_image

其实魔改一下 skopeo 的源码也是可以无缝支持 registry 存储目录的，目前正在研究中😃

对比

方法 适用范围 缺点
一 docker retag 两个 registry 之间同步镜像
二 skopeo 两个 registry 之间同步镜像
三 解压目录 registry 存储目录到另一个 registry harbor 1.x
四 skopeo dir registry 存储目录到另一个 registry 适用于 harbor 2.x

对比总结一下以上几种方案：

  • 方案一：上手成本低，适用于镜像数量比较多少，无需安装 skopeo 的情况，缺点是性能较差；
  • 方案二：适用于两个 registry 之间同步复制镜像，如将 docker hub 中的一些公共镜像复制到公司内网的镜像仓库中。
  • 方案三：适用于镜像仓库之间进行迁移，性能是所有方案里最好的，需要额外注意的是如果目的镜像仓库是 harbor 2.x，是无法使用这种方式的。
  • 方案四：是方案三的妥协版，为了适配 harbor 2.0 ，因为需要重新将镜像 push 到 harbor ，所以性能上要比方案三差一些。

参考