Что такое контейнеризация

В разработке программного обеспечения скорость и гибкость — ключевые факторы успеха. Важную роль в реализации этих факторов играют технологии виртуализации и контейнеризации. Причем контейнеризация как более легкая и эффективная альтернатива традиционной виртуализации завоевывает все большую популярность. 

В этой статье разберемся, что такое контейнеризация и как она трансформирует подходы к разработке и эксплуатации программного обеспечения.

Что такое контейнер

Контейнер представляет собой активный процесс, экземпляр образа, запущенный в изолированной среде. Эта изоляция обеспечивается за счет технологий виртуализации на уровне операционной системы, таких как namespaces (пространства имен) и cgroups в Linux. Namespace изолирует пространство имен — файловую систему, сеть, идентификаторы пользователей и процессов, создавая иллюзию собственной операционной системы для каждого контейнера. Cgroups ограничивают ресурсы, доступные контейнеру — CPU, память, дисковый ввод-вывод, предотвращая монополизацию ресурсов одним контейнером и обеспечивая стабильную работу всей системы. 

Таким образом, контейнер можно сравнить с виртуальной машиной, но значительно более легковесной и быстрой в развертывании, поскольку он не требует полной эмуляции аппаратного обеспечения.

Перечислю ключевые характеристики контейнера.

Изоляция. Контейнер изолирован от других контейнеров и от хост-системы. Это означает, что процессы внутри него не влияют на процессы за его пределами.

Переносимость. Контейнер может быть перенесен между разными средами без необходимости изменения конфигурации.

Масштабируемость. Контейнеры легко масштабируются, и благодаря этому можно быстро добавлять или удалять экземпляры приложения по мере необходимости.

Эффективность. Контейнеры используют меньше ресурсов, чем виртуальные машины, что позволяет запускать больше приложений на одном физическом сервере.

Типы контейнеров

Не все контейнеры одинаковы. Разные типы контейнеров предлагают разные подходы к изоляции, управлению ресурсами и оркестрации. 

Типы контейнеров для приложений

Контейнеры Docker

Docker, безусловно, является самым популярным типом контейнеров для приложений. Он основан на технологии контейнеризации ядра Linux и предоставляет простой и интуитивно понятный интерфейс для создания, развертывания и управления контейнерами. 

Docker использует образы, которые содержат все необходимое для запуска приложения, и позволяет легко обмениваться этими образами через Docker Hub или частные реестры. Благодаря зрелой экосистеме, обширной документации и активному сообществу, Docker фактически стал стандартом контейнеризации приложений. Он идеально подходит для микросервисной архитектуры, непрерывной интеграции, а также развертывания (CI/CD) и гибридного облака.

Контейнеры rkt (Rocket)

Rocket (rkt) был разработан CoreOS как альтернатива Docker, ориентированная на безопасность и простоту. В отличие от Docker, rkt не требует демона для управления контейнерами — это упрощает архитектуру и снижает потенциальную поверхность атаки. 

Rkt использует формат образов appc (Application Container Image) — более открытый и модульный, чем Docker. Хотя rkt не получил такой широкой популярности, он остается жизнеспособным вариантом для тех, у кого в приоритете безопасность и простота.

Контейнеры LXC/LXD

LXC (Linux Containers) и LXD — это системные контейнеры, которые предоставляют более полную виртуализацию операционной системы, чем Docker или rkt. Они позволяют запускать несколько операционных систем на одном хост-компьютере, обеспечивая более высокую степень изоляции и гибкости. LXC/LXD часто используются для консолидации серверов, создания тестовых сред и развертывания legacy-приложений, которые требуют полноценной операционной системы.

Контейнеры containerd

Containerd — это среда выполнения, разработанная Docker и переданная в Cloud Native Computing Foundation (CNCF). Она предоставляет базовые функции для управления жизненным циклом контейнеров, включая извлечение образов, запуск, остановку и удаление контейнеров. Является основой для многих других контейнерных технологий, включая Docker и Kubernetes.

Контейнеры Podman

Podman — это инструмент, разработанный Red Hat. Он позволяет запускать контейнеры без Docker daemon, и это делает его более безопасным и простым в использовании. Podman совместим с образами Docker и использует те же команды, поэтому перейти на него легко.

Типы контейнеров для ОС

В отличие от контейнеров приложений, они обеспечивают виртуализацию на уровне операционной системы и позволяют запускать несколько изолированных экземпляров ОС на одном ядре. Таким образом, они создают более полную изоляцию, чем контейнеры приложений, и совместимы с разными дистрибутивами Linux или даже другими операционными системами на одном хост-компьютере.

Системные контейнеры (LXC/LXD)

Как упоминалось ранее, LXC (Linux Containers) и LXD — это системные контейнеры. Они используют возможности ядра Linux — например, cgroups и namespaces — для создания изолированных сред, в которых можно запускать полноценные операционные системы. LXC/LXD часто применяют для консолидации серверов, создания тестовых сред и развертывания приложений, требующих полноценной операционной системы.

Виртуальные машины

Хотя виртуальные машины технически не являются контейнерами, они обеспечивают аналогичную функциональность — запуск нескольких операционных систем на одном хост-компьютере. 

Виртуальные машины используют для эмуляции аппаратного обеспечения гипервизор. Благодаря этому можно запускать на одном сервере разные операционные системы, такие как Windows, macOS и Linux. 

ВМ предоставляют более высокую степень изоляции, чем контейнеры, но они также требуют больше ресурсов и имеют более высокую накладную стоимость.

FreeBSD Jails 

Это механизм виртуализации операционной системы, доступный во FreeBSD. Позволяет создавать изолированные среды, в которых можно запускать приложения и сервисы, ограничивая их доступ к определенным ресурсам и файловой системе.

Solaris Zones

Механизм, аналогичный Linux Containers и FreeBSD Jails, только для операционной системы Solaris. 

Выбор между контейнерами для приложений и контейнерами для ОС зависит от конкретных требований и целей. Первые идеально подходят для микросервисной архитектуры, CI/CD и развертывания приложений в облаке. Вторые обеспечивают более высокую степень изоляции и гибкости и часто используются для консолидации серверов, создания тестовых сред и развертывания legacy-приложений.

Что такое контейнеризация и зачем она нужна 

Контейнеризация — это технология, позволяющая упаковать приложение вместе со всем его окружением — кодом, системными библиотеками, зависимостями, настройками и runtime-средой — в один стандартизированный блок, называемый контейнером. Этот контейнер затем может быть запущен на любой платформе, поддерживающей контейнеризацию, будь то ноутбук разработчика, сервер в дата-центре или облачная инфраструктура.

Контейнеризация применяется на всех этапах жизненного цикла программного обеспечения — от разработки до эксплуатации — и предлагает целый ряд преимуществ.

1. Реализация микросервисной архитектуры. В рамках контейнеризации приложение разбивается на небольшие независимые сервисы, каждый из которых запускается в своем собственном контейнере. Это позволяет разрабатывать, развертывать и масштабировать сервисы независимо друг от друга и таким образом делать разработку гибче и быстрее.
2. Упрощение разработки и тестирования. Контейнеры позволяют создавать консистентную среду разработки, идентичную той, в которой приложение будет запущено в продакшене. Благодаря этому не возникает проблемы, когда все работает только на машине разработчика. А еще упрощается тестирование и снижается риск ошибок при развертывании.
3. Ускорение развертывания. Контейнеры легко переносить между средами, что значительно ускоряет процесс развертывания новых версий приложения.  Автоматизация сборки и развертывания контейнеров позволяют быстро выпускать обновления и исправления.
4. Эффективное использование ресурсов. Контейнеры используют ресурсы хоста эффективнее, чем традиционные виртуальные машины, поскольку они разделяют ядро операционной системы. Это позволяет запускать больше приложений на одном и том же оборудовании, снижая затраты на инфраструктуру.
5. Масштабируемость и отказоустойчивость. Контейнеры легко масштабировать при изменениях нагрузки. Они также могут быть автоматически перезапущены в случае сбоя, что повышает отказоустойчивость приложения.
6. Переносимость. Контейнеры могут быть запущены на любой платформе, поддерживающей контейнеризацию. Благодаря этому легко переносить приложения между различными средами вроде локальных серверов, облачных платформ и даже edge-устройств.

Механизмы изоляции контейнеров

Изоляция контейнеров — это ключевой принцип, обеспечивающий их безопасность, стабильность и независимость. Она достигается с помощью следующих механизмов ядра операционной системы Linux.

Пространства имен (namespaces). Этот механизм позволяет изолировать разные аспекты работы приложения, такие как процессы (PID), сеть (Network), файловая система (Mount), имена хостов (UTS), межпроцессное взаимодействие (IPC) и идентификаторы пользователей и групп (User). Каждый контейнер имеет свое собственное изолированное пространство имен для этих ресурсов, что делает его невидимым для других контейнеров и хостовой системы.

Контрольные группы (cgroups). Cgroups ограничивают и контролируют ресурсы, которые может использовать контейнер — процессорное время, память, ввод-вывод и пропускную способность сети. Это спасает от ситуации, в которой один контейнер может монополизировать ресурсы хоста и привести к замедлению или сбою других контейнеров.

Файловые системы на основе слоев (Layered File Systems). Для эффективного использования дискового пространства и быстрого развертывания контейнеры часто используют слоистые файловые системы вроде OverlayFS. Каждый слой представляет собой read-only образ, в котором есть изменения по сравнению с предыдущим слоем. При запуске контейнера создается writable-слой поверх read-only слоев, где хранятся изменения, внесенные приложением во время работы. Это позволяет быстро создавать новые контейнеры на основе существующих образов, совместно использовать общие компоненты и легко откатывать изменения.

SELinux/AppArmor. Эти механизмы предоставляют дополнительный уровень безопасности, определяя политики доступа к ресурсам для контейнеров. Они позволяют ограничить действия, которые может выполнять контейнер, даже если он был скомпрометирован. Таким образом снижается риск распространения угроз на хостовую систему и другие контейнеры.

Контейнеризация vs виртуализация

Несмотря на то, что обе технологии преследуют схожие цели, они имеют принципиальные различия в архитектуре и подходах. Каждая из них лучше справляется с определенными сценариями.

Виртуализация позволяет запускать несколько операционных систем на одном физическом сервере. Для этого используется гипервизор — специальный софт, который эмулирует аппаратное обеспечение, необходимое для каждой гостевой ОС. Гипервизор может быть либо установлен непосредственно на «голый металл» сервера (bare-metal гипервизор — например, VMware ESXi, Citrix XenServer), либо работать поверх существующей операционной системы (hosted-гипервизор — например, VMware Workstation, VirtualBox).

Каждая виртуальная машина содержит полную копию операционной системы, библиотеки, приложения и все необходимые зависимости. Это обеспечивает изоляцию между ВМ — одновременно и преимущество, и недостаток. С одной стороны, полная изоляция повышает безопасность и позволяет запускать приложения, требующие разные версии операционных систем или конфликтующие зависимости. С другой стороны, каждая ВМ потребляет значительные ресурсы — процессорное время, память, дисковое пространство. Это приводит к дополнительным расходам и снижению плотности размещения приложений на сервере.

Контейнеризация, напротив, не эмулирует аппаратное обеспечение и не требует запуска полной операционной системы для каждого приложения. Вместо этого контейнеры используют ядро хост-операционной системы и предоставляют изолированное пространство для запуска приложений и их зависимостей. Каждый контейнер содержит только те библиотеки и компоненты, которые необходимы для работы конкретного приложения.
Для наглядности предлагаю рассмотреть ключевые различия между виртуализацией и контейнеризацией в таблице.

Характеристика	Виртуализация	Контейнеризация
Уровень изоляции	Полная изоляция операционной системы	Изоляция на уровне процессов
Ресурсоемкость	Высокая	Низкая
Запуск	Долгий (загрузка ОС)	Быстрый
Образ	Полный образ операционной системы	Содержит только необходимые зависимости
Управление	Сложное (требует управления каждой ВМ)	Более простое (централизованное управление)
Примеры	VMware ESXi, VirtualBox, Hyper-V	Docker, Kubernetes, Podman

Подходящие сценарии

Виртуализация	Контейнеризация
– Запуск приложений, требующих разные операционные системы или при конфликтующих зависимостях – Запуск устаревших приложений, которые не могут быть легко перенесены в контейнеры – Обеспечение высокой степени безопасности и изоляции (например, для запуска ненадежного кода) – Развертывание сложных монолитных приложений, требующих значительных ресурсов	– Развертывание микросервисной архитектуры, где каждое приложение является небольшим независимым компонентом – Ускорение разработки и развертывания приложений (DevOps) – Масштабирование приложений в облачной среде – Эффективное использование ресурсов и повышение плотности размещения приложений на сервере – Создание переносимых и воспроизводимых сред разработки и тестирования

Однако в последнее время заметна тенденция к конвергенции виртуализации и контейнеризации. Например, появились решения, позволяющие запускать контейнеры внутри виртуальных машин. Это позволяет получить преимущества обеих технологий — высокую изоляцию и легковесность.

В будущем можно ожидать развития обеих технологий, а также появления новых подходов к изоляции и управлению приложениями. Важно понимать преимущества и недостатки каждой технологии, чтобы выбрать подходящее решение для конкретной задачи. Технологии контейнеризации продолжают развиваться, упрощая развертывание и управление приложениями в различных средах — от локальных серверов до облачных платформ. Виртуализация же остается востребованной в сценариях, где требуется полная изоляция и поддержка устаревших приложений.

Контейнеризация для Windows

Обычно когда речь заходит о контейнеризации, в первую очередь подразумеваются Linux-системы и Docker. Однако корпорация Microsoft также активно развивает технологии контейнеризации для Windows, предоставляя разработчикам новые возможности для создания и развертывания приложений.

Microsoft предлагает два типа контейнеров для Windows.

• Windows Server Containers. Разделяет ядро операционной системы хоста с другими контейнерами. Они обеспечивают высокую плотность размещения и производительность, но требуют, чтобы все контейнеры использовали одинаковую версию ядра Windows. Это может быть ограничением, если приложения требуют разных версий операционной системы или библиотек.
• Hyper-V Isolation. Использует облегченную виртуальную машину Hyper-V. Каждый контейнер имеет собственное изолированное ядро операционной системы, что обеспечивает более высокий уровень изоляции и позволяет запускать контейнеры с разными версиями Windows. Однако Hyper-V Isolation требует больше ресурсов, чем Windows Server Containers.

Для работы с контейнерами в Windows существует ряд инструментов и технологий.

• Docker. Самая популярная платформа контейнеризации поддерживается и в Windows. Docker позволяет создавать, управлять и развертывать контейнеры с использованием Dockerfiles.
• Kubernetes. Это система оркестрации контейнеров, которая автоматизирует развертывание, масштабирование и управление контейнерными приложениями. 
• Windows Subsystem for Linux (WSL). Позволяет запускать Linux-дистрибутивы непосредственно на Windows и использовать Linux-ориентированные инструменты для контейнеризации.
• PowerShell. Мощный инструмент для автоматизации задач в Windows, который также можно использовать для управления контейнерами.

Контейнеризация для Windows — это зрелая и перспективная технология, предлагающая ряд преимуществ для разработчиков, IT-специалистов и бизнеса.  Microsoft продолжает активно развивать контейнерные технологии, улучшая интеграцию с Kubernetes и Docker и оптимизируя производительность. В будущем можно ожидать появления новых инструментов и технологий, упрощающих процесс разработки, развертывания и управления контейнерными приложениями. 

Многоконтейнерные приложения и оркестрация

Многоконтейнерные приложения представляют собой архитектуру, в которой приложение разделено на несколько независимых, но взаимосвязанных контейнеров. Каждый контейнер инкапсулирует один компонент или микросервис приложения вместе со всеми его зависимостями — библиотеками, исполняемыми файлами и конфигурационными файлами. Эти контейнеры развертываются и управляются как единое целое, что обеспечивает гибкость, масштабируемость и отказоустойчивость.

Рассмотрим пример многоконтейнерного приложения, состоящего из следующих компонентов.

• Веб-сервер (nginx) — обслуживает статический контент и перенаправляет запросы к прикладному серверу.
• Прикладной сервер (Flask) — обрабатывает запросы от пользователей и взаимодействует с базой данных.
• База данных (PostgreSQL) — хранит данные приложения.

Каждый из этих компонентов запустится в отдельном контейнере. Docker Compose может быть использован для определения структуры приложения и запуска всех контейнеров одной командой. Веб-сервер будет перенаправлять запросы к прикладному серверу, который будет взаимодействовать с базой данных для получения и сохранения данных.

Управлять многоконтейнерными приложениями бывает сложно, особенно при масштабировании и развертывании в производственной среде. Для упрощения этой задачи используют инструменты оркестрации. 

Оркестрация контейнеров — это процесс автоматизации управления жизненным циклом контейнерных приложений. Она включает в себя следующие задачи.

1. Развертывание. Автоматическое развертывание контейнеров на разных узлах кластера.
2. Масштабирование. Автоматическое увеличение или уменьшение количества контейнеров в зависимости от нагрузки.
3. Управление ресурсами. Оптимальное распределение ресурсов кластера между контейнерами.
4. Мониторинг. Непрерывный мониторинг состояния контейнеров и автоматическое восстановление в случае сбоев.
5. Обновление. Безопасное автоматическое обновление контейнеров без простоя приложений.
6. Балансировка нагрузки. Распределение трафика между контейнерами для обеспечения высокой доступности.
7. Управление конфигурацией. Централизованное управление конфигурацией контейнеров.

Инструменты оркестрации

На рынке существует несколько популярных инструментов оркестрации контейнеров, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. 

Docker Compose. Это инструмент определения и запуска многоконтейнерных приложений. Он использует YAML-файл для описания структуры приложения, включая определение контейнеров, сетей и томов. Docker Compose позволяет запустить все контейнеры приложения одной командой.

Kubernetes. Платформа для автоматизации развертывания, масштабирования и управления контейнерными приложениями. Kubernetes предоставляет широкие возможности для управления жизненным циклом контейнеров, включая автоматическое восстановление после сбоев, масштабирование на основе нагрузки и развертывание обновлений без простоя. Благодаря Managed Kubernetes, Selectel предлагает отказоустойчивые и автомасштабируемые Kubernetes кластеры, которые упрощают процесс развертывания, масштабирования и обслуживания контейнерной инфраструктуры.

Docker Swarm. Cистема оркестрации контейнеров, встроенная в Docker. Позволяет создавать кластер из нескольких Docker-хостов и управлять контейнерами на этом кластере. Docker Swarm проще в настройке и использовании, чем Kubernetes, но предоставляет меньше возможностей.

Apache Mesos. Платформа для управления кластерами, которая может использоваться для оркестрации контейнеров. Mesos является гибким и масштабируемым решением, но требует более сложной настройки, чем Kubernetes и Swarm.

Использование контейнеризации и оркестрации позволяет создавать современные, отказоустойчивые и легко масштабируемые приложения. Однако работа с ними также сопряжена с некоторыми вызовами.

• Сложность управления. Управление множеством контейнеров требует использования инструментов оркестрации, таких как Kubernetes. С ними нужно уметь работать. Необходимо правильно настроить сети, хранилища и другие ресурсы для корректной работы приложения.
• Сложность отладки. Отладка многоконтейнерных приложений может быть сложной, так как необходимо отслеживать взаимодействие между различными контейнерами. Использование инструментов логирования и мониторинга может помочь в решении этой задачи.
• Безопасность. Требует внимания к разным аспектам, таким как изоляция контейнеров, управление доступом и защита от вредоносного кода.

Контейнеризация — мощный инструмент. Она обеспечивает гибкость, масштабируемость и эффективность, необходимые для успешной разработки и развертывания приложений. Если захотите углубиться, вот другие материалы по этой теме.