Что такое контейнеризация приложений и как это работает

Концепция контейнеризации и изоляции процессов существует уже давно, но появление в 2013 году Docker ускорило внедрение этой технологии. Gartner прогнозирует, что к 2022 году более 75% международных компаний будут использовать контейнерные приложения.

Контейнеризация – это форма виртуализации операционной системы, при которой приложения запускаются в изолированных пользовательских пространствах, называемых контейнерами, и все они используют одну и ту же общую операционную систему (ОС). По сути контейнер представляет собой полностью упакованную и портативную вычислительную среду:

Все, что необходимо приложению для запуска – библиотеки, конфигурационные файлы и зависимости – инкапсулируется и изолируется в контейнере.

Сам контейнер абстрагируется от хостовой ОС, имея лишь ограниченный доступ к базовым ресурсам – подобно легковесной виртуальной машине.

В результате контейнеризованное приложение может быть запущено на различных типах инфраструктуры: на пустых машинах, внутри ВМ, в облаке, без необходимости рефакторинга для каждой среды. При запуске не нужно настраивать отдельную гостевую ОС для каждого приложения, так как все они используют ядро одной операционной системы. Благодаря такой высокой эффективности, контейнеризация обычно используется для упаковки множества отдельных микросервисов, из которых состоят современные приложения.

Как работает контейнеризация?

Каждый контейнер представляет собой исполняемый пакет программного обеспечения, работающий поверх операционной системы хоста. Хост может одновременно поддерживать сотни и даже тысячи контейнеров. Все контейнеры запускают минимальные, изолированные от ресурсов процессы, к которым другие не имеют доступ.

Контейнеризованное приложение состоит из нескольких слоев:

В нижней части находится аппаратное обеспечение инфраструктуры: процессор, дисковое хранилище и сетевые интерфейсы.

Уровнем выше расположены операционная система хоста и ее ядро. Последнее выступает «мостом» между программным обеспечением операционной системы и аппаратным обеспечением базовой системы.

Движок контейнера и его гостевая ОС, характерные для используемой технологии контейнеризации, располагаются над операционной системой хоста.

В самом верху находятся файлы и библиотеки (bins/libs) для каждого приложения и самих приложений, работающие в своих изолированных пользовательских пространствах (контейнерах).

 

Cgroups и LXC

Контейнеризация в том виде, в каком мы ее знаем, развилась из cgroups (сокращение от control groups – контрольные группы), функции изоляции и контроля использования ресурсов в ядре Linux.

Cgroups стали контейнерами Linux (LXC) с более продвинутыми функциями изоляции компонентов «пространства имен», такими как таблицы маршрутизации и файловые системы. Контейнер LXC может выполнять такие функции:

  • монтирование файловой системы;

  • выполнение команд от имени root;

  • получение IP-адреса.

Он выполняет эти действия в своём личном пользовательском пространстве. Хотя контейнер LXC включает в себя специальные bins/libs для каждого приложения, он не упаковывает ядро операционной системы или какое-либо оборудование, что означает, что он очень лёгкий.

Docker и OCI

LXC послужил основой для создания Docker – технологии контейнеризации, запущенной в 2013 году, и быстро ставшей отраслевым стандартом. Docker вносит свой вклад в спецификации OCI (Open Container Initiative), которые определяют стандарты для форматов образов.

Один и тот же набор контейнеров можно запускать и масштабировать, независимо от того, находится ли пользователь в дистрибутиве Linux или Windows. Такая кроссплатформенная совместимость очень важна для современных цифровых рабочих пространств, в которых пользователи полагаются на несколько устройств, операционных систем и интерфейсов.

Контейнеризация и виртуализация – в чем разница?

Контейнеризация происходит на уровне ОС, при этом все контейнеры делят между собой одно ядро. В отличие от виртуализациис участием виртуальных машин:

ВМ запускается поверх гипервизора, который представляет собой специализированное оборудование, программное обеспечение или прошивку для работы ВМ на хостовой машине, например, сервере или ноутбуке.

С помощью гипервизора каждой ВМ назначаются не только необходимые bins/libs, но и виртуализированный аппаратный стек, включающий в себя процессоры, хранилища и сетевые адаптеры.

Для выполнения всех этих задач каждая ВМ полагается на полноценную гостевую ОС. Сам гипервизор может быть запущен из машинной ОС хоста или как bare-metal приложение.

Как и контейнеризация, традиционная виртуализация позволяет полностью изолировать приложения, чтобы они работали независимо друг от друга, используя реальные ресурсы из базовой инфраструктуры. Но разница между ними значительна:

Серьезные накладные расходы, так как все ВМ нуждаются в собственных гостевых ОС и виртуализированных ядрах, плюс потребность в дополнительном уровне (гипервизоре) между ними и хостом.

Гипервизор также может вызвать дополнительные проблемы с производительностью, особенно когда он работает под управлением ОС хоста, например, на Ubuntu.

Из-за высоких общих накладных расходов на ресурсы, хост-машина, которая могла бы работать с десятью или более контейнерами, с трудом справитляеся с поддержкой одной ВМ.

Тем не менее, запуск нескольких ВМ на относительно мощном оборудовании все еще является распространенной практикой при разработке и развертывании приложений. Цифровые рабочие среды обычно поддерживают как виртуализацию, так и контейнеризацию для достижения общей цели – сделать приложения как можно более доступными и масштабируемыми.

3i4NnULQr6nxR5tyLVN7L8-650-80.jpg

Преимущества контейнеризации

Контейнерные приложения легко доставляются пользователям в цифровой среде. В частности, контейнеризация приложения на основе микросервисов, имеет больше преимуществ, начиная от гибкости при разработке ПО и заканчивая более удобным контролем расходов.

Гибкая, ориентированная на DevOps разработка программного обеспечения

По сравнению с ВМ, контейнеры проще настраивать, независимо от того, использует команда UNIX-подобную ОС или Windows. Инструменты для разработчиков универсальны и просты в использовании, что позволяет быстро разрабатывать, упаковывать и внедрять контейнеризированные приложения в различных операционных системах. Инженеры и команды DevOps могут применять технологии контейнеризации для ускорения рабочих процессов.

Сокращение накладных расходов и экономия затрат по сравнению с ВМ

Контейнер не требует полноценной гостевой операционной системы или гипервизора. Это позволяет не только сократить время загрузки, но и уменьшить объем памяти и, как правило, повысить производительность. Также сокращаются расходы на сервер и лицензирование, которые в противном случае были бы направлены на поддержку развертывания нескольких ВМ. Таким образом, контейнеры позволяют повысить эффективность и рентабельность сервера.

Портативность во всех рабочих пространствах

Каждый контейнер абстрагируется от хостовой операционной системы и будет работать одинаково в любом месте. Соответственно, его можно записать для одной хостовой среды, а затем портировать и развернуть в другой, при условии, что новый хост поддерживает соответствующие контейнерные технологии и операционные системы. Контейнеры для Linux составляют большую часть всех развернутых контейнеров и могут быть портированы на различные ОС на базе Linux, независимо от того, находятся ли они on-premise или в облаке. На Windows контейнеры для Linux можно легко запускать в виртуальной машине Linux VM или через изоляцию Hyper-V.

Простое управление с помощью оркестровки

Оркестровка контейнеров с помощью такого решения, как Kubernetes, делает управление контейнерными приложениями и сервисами более практичным. Используя Kubernetes, можно автоматизировать развертывание и откат, организовать систему хранения данных, выполнить балансировку нагрузки и перезагрузить вышедшие из строя контейнеры. Kubernetesсовместим со многими контейнерными движками, в том числе Docker и OCI.

Контейнеризация приложений и сервисов

Контейнер поддерживает практически любые типы приложений, которые в прошлом традиционно виртуализировались или запускались на машине. Некоторые системы особенно хорошо подходят для контейнеризации, среди них:

Микросервисы: архитектура микросервисов может быть эффективно сконфигурирована как набор контейнеров, работающих в тандеме, и разворачиваться и выводиться из эксплуатации по мере необходимости.

Веб-серверы: для запуска веб-сервера внутри контейнера требуется всего нескольких вводов командной строки, плюс это избавляет от необходимости запускать сервер непосредственно на хосте.

Базы данных: элементы базы данных могут быть контейнеризированы, и каждое приложение получает свою собственную специализированную базу данных, вместо подключения всех к единой.

Контейнеры внутри ВМ: контейнеры запускаются внутри ВМ, как правило, для максимальной загруженности оборудования, взаимодействия с определенными службами в ВМ или повышения безопасности.

Контейнеризация, микросервисы и оркестровка

Микросервисы, входящие в состав приложения, могут быть упакованы в контейнеры и управляться на масштабируемой облачной инфраструктуре. Основные преимущества контейнеризации микросервисов включают минимальные накладные расходы, независимое масштабирование и простое управление с помощью Kubernetes.

Kubernetes – платформа контейнерной оркестрации с открытым исходным кодом, разработанная Google. Предназначена для развертывания, масштабирования и управления контейнерными приложениями.

И хотя это не единственное решение, Kubernetes стала общепринятым стандартом контейнерной оркестрации. Функционал демонстрирует, на что должен быть способен современный инструмент оркестрации:

- экспонировать контейнеры по имени DNS или IP-адресу.

- управлять балансировкой нагрузки и распределением трафика для контейнеров.

- автоматически монтировать локальные и облачные хранилища.

- выделять определенные ресурсы процессора и оперативной памяти для контейнеров, а затем помещать их на узлы.

- заменять или уничтожать проблемные контейнеры без ущерба для производительности приложений.

Cloud4Y предлагает воспользоваться возможностями в облаке. Kubernetes-as-a-Service (Kubernetes-как-сервис) — это облачный подход к оркестрации контейнеров. Решение позволяет автоматизировать процессы управления, масштабирования, изменения, обновления и удаления контейнеров Kubernetes. С его помощью легко развернуть платформу автоматизации, создавать и работать в Kubernetes кластерах, вести разработку в надежной вычислительной среде.