Что такое контейнеризация и зачем она нужна в разработке приложений

Сама по себе технология контейнеризации появилась достаточно давно. В 1990-х и 2000-х интерес к ней начал нарастать, например, тогда ее начали использовать такие компании как Oracle и IBM. Однако широкую популярность контейнеризация приобрела в 2013 году с запуском Docker — платформы с открытым исходным кодом для быстрой сборки, отладки и развертывания контейнерных приложений.

Ключевое преимущество контейнеризации в том, что она позволяет абстрагировать приложения от операционной системы хоста. Это делает их автономными и легко переносимыми. А еще пригодными для запуска в любой среде: на локальных устройствах, в облаке или на виртуальных серверах. 

В числе ключевых особенностей технологии контейнеризации можно выделить:

• Изолированный запуск. Внутри каждого контейнера находятся все нужные для работы объекты: файлы, библиотеки, программы и их настройки. Даже если в нем используются версии программ, отличные от установленных на сервере, это не приводит к конфликтам. 

• Независимость контейнеров друг от друга. Если в одном контейнере произойдет сбой, это не повлияет на работу других контейнеров, работающих в той же среде.

• Использование функций ядра операционной системы. Контейнеры заимствуют ресурсы операционной системы (ОС), а также ее технологии для поддержания изоляции. Поэтому контейнеры, работая параллельно на одной и той же операционной системе, остаются легковесными. 

• Компактность. Контейнеры используют ровно тот объем ресурсов, который необходим для работы приложения. А также вовлекают в работу только необходимые ПО и зависимости — это делает их легкими и экономичными.

• Гибкость. С технологией контейнеризации можно создавать программы, которые работают в разных окружениях. Например, это удобно, когда нужно перенести программу с компьютера в облако или из облака в облако. Использование контейнеров упрощают такие процессы и помогают избежать технических ошибок.

Технологию контейнеризации можно использовать только для подготовки к сборке приложения — для этого подойдет базовый образ контейнера. А еще для запуска ПО — в этом случае понадобится запускаемый контейнер. 

1. Базовый образ. Разработчик создает образ контейнера самостоятельно или скачивает его из официального репозитория. Далее он используется для подготовки окружения: необходимого ПО, библиотек и прочего, необходимого для работы приложения. Этот вариант служит для подготовки к сборке приложения, но не имеет функционала для запуска.

2. Запускаемый контейнер — это контейнер, который использует базовый образ, помещает в себя исполняемый код и запускает работу приложения. Этот вариант выполняет конкретную задачу и используется как приложение.

Сильно упростить задачу запуска контейнерного приложения можно с помощью готовых облачных решений. Например, сервис Evolution Container Apps от Cloud.ru позволяет разрабатывать и запускать контейнеры без необходимости управлять собственной инфраструктурой.

Виртуализация и контейнеризация — похожие технологии, позволяющие создавать на устройствах виртуальные копии других операционных систем. В чем же между ними разница? 

Виртуальная машина (ВМ) позволяет абстрагировать работу с инфраструктурой на уровне физического оборудования. То есть она представляет собой виртуальный компьютер, который использует выделенные ресурсы реального компьютера. 

Контейнеры — это абстракции на уровне приложения, которые объединяют внутри себя зависимости и код. Они делят одну операционную систему хоста, но обеспечивают изоляцию на уровне процессов и файловой системы. 

Таким образом, обе эти технологии запускают приложения, но по-разному:

Если вам нужно выбрать между виртуализацией и контейнеризацией проекта, в первую очередь следует учесть ключевые задачи проекта. 

Виртуальные машины подходят для:

• монолитных приложений, которые требуют всех ресурсов или полных привилегий на уровне ОС, особенно если приложение не оптимизировано для контейнеризации;

• приложений, которым требуется поддержка специализированных операционных систем или к ним предъявляются высокие требования в части обеспечения безопасности между средами — ВМ обеспечит большую изоляцию, потому что работает с собственной ОС;

• реализации технологий обеспечения хранения данных, например, базы данных (но не для обработки данных).

Контейнеризацию проекта следует предпочесть:

• при работе с микросервисами: в этом случае приложения состоят из множества небольших автономных компонентов, которые можно масштабировать и обновлять независимо друг от друга;

• при организации процессов непрерывной разработки и развертывания (CI/CD) приложений;

• в том случае, когда приложению необходимо обеспечить быстрое развертывание и масштабирование, а также гарантировать его простую переносимость;

• при реализации гибких разработок: контейнерное приложение проще и быстрее запускается и подходит для настройки автоматического масштабирования.

Также использовать контейнеры и ВМ вполне возможно вместе. Они могут работать в одной среде обработки данных или даже на одном сервере. Эти технологии не заменяют, а дополняют друг друга.

Если контейнеров становится много — десятки или даже сотни — управлять ими непросто. И тут на помощь приходят оркестраторы — специальные решения для координации работы с контейнерами в облачной или физической производственной среде. 

Оркестратор позволяет забыть о ручной настройке и управлении каждым контейнером. Он автоматически контролирует их работу, запускает или останавливает при необходимости, распределяет ресурсы и соединяет контейнеры в одну сеть. Это помогает экономно использовать память и запускать контейнерные приложения на нескольких серверах одновременно. 

Есть разные типы оркестраторов контейнеров. Некоторые из них легки в использовании, но предлагают меньше функций. Другие чуть сложнее и требуют от разработчика достаточно высоких навыков в программировании и работе с сетевой архитектурой. 

Далее рассмотрим наиболее популярные оркестраторы, которые чаще всего используются для работы с современными контейнерными приложениями.

Docker Swarm — платформа оркестровки контейнеров с открытым исходным кодом, созданная и поддерживаемая компанией Docker. Она позволяет объединять несколько Docker-хостов в единый кластер и автоматически управлять запуском и масштабированием контейнеров. Поддерживается на Windows, macOS и Linux.

Kubernetes (K8s) — один из самых популярных и мощных оркестраторов с открытым исходным кодом, созданный Google в 2014 году. Он эффективен в работе даже с большими кластерами контейнеров и обеспечивает их бесперебойное функционирование. Поддерживает как декларативную конфигурацию, так и автоматизацию для масштабирования и управления контейнерами. 

Запускать кластеры Kubernetes можно как на виртуальных, так и на физических серверах — чаще всего для этого используются Linux или UNIX-серверы. А для запуска Kubernetes в облаке можно воспользоваться готовыми решениями от провайдеров. Например, Cloud.ru предлагает своим пользователям сервис Evolution Managed Kubernetes. Он помогает управлять кластерами Kubernetes, автоматически настраивает и поддерживает контейнерную инфраструктуру, упрощает запуск приложений и позволяет легко масштабировать их на облачных ресурсах.

OpenShift Container Platform — это решение компании RedHat на базе Kubernetes с дополнительными инструментами для управления контейнерами. Оно подходит для локальной и облачной эксплуатации и облегчает разработку, запуск и управление как контейнерными, так и традиционными приложениями. OpenShift поддерживает автоматизацию в разных средах: физических, виртуальных и облачных, но работает только на RedHat Linux.

Отметим, что в небольших проектах с несколькими контейнерами использовать оркестратор необязательно. Ведь чтобы его настроить и обслуживать, потребуются квалифицированные специалисты и дополнительные расходы на оборудование при росте нагрузки. Однако при подключении к более масштабным проектам оркестратор незаменим.

Одна из главных проблем безопасности контейнеров — сложность их структуры. При работе с ними недостаточно защитить основную систему. Нужно настроить контейнеры так, чтобы они имели строго определенные права доступа и были правильно изолированы друг от друга.

Обычные инструменты мониторинга не всегда могут анализировать действия контейнеров в сети. Чтобы быстро исправлять проблемы и предотвращать утечки, важно видеть, что происходит внутри контейнеров.

При работе с контейнерами важно помнить, что они могут быть не полностью изолированы и это может позволить вредоносному коду получить доступ к памяти сервера через сеть.

Чтобы снизить риски безопасности контейнерных приложений, следует:

• использовать только надежные образы контейнеров без уязвимостей, регулярно обновлять их и проверять на наличие угроз;

• следовать принципу наименьших привилегий, стараться не использовать root-доступ и обеспечить изоляцию компонентов;

• ограничить доступ к контейнерам, используя ролевую модель и инструменты для управления доступом к секретной информации;

• использовать сетевые политики и межсетевые экраны для разделения и контроля сетевого трафика между контейнерами;

• автоматизировать сканирование на уязвимости, чтобы вовремя находить и устранять потенциальные угрозы;

• удалять из образов контейнеров неиспользуемое ПО и компоненты, чтобы уменьшить риски и повысить производительность;

• собирать контейнеры так, чтобы они общались через защищенные каналы;

• обеспечить контейнерам надежную аутентификацию и регулярный аудит реестров, чтобы предотвратить несанкционированный доступ и возможное заражение образов.

Рассмотрим, где могут применяться контейнеры.

Многоконтейнерные приложения. Современные приложения часто состоят из нескольких компонентов: баз данных, веб-серверов и других сервисов. Использование контейнеров позволяет разбить их на отдельные единицы, каждая из которых работает независимо и в изоляции. Так проще управлять приложением: отдельно обновлять, расширять и тестировать каждый контейнер, не воздействуя на остальные. 

Автоматизация CI/CD-процессов. В этом случае контейнеры помогают создать автоматизированную среду для разработки, тестирования и запуска приложений, исключая ошибки из-за разных настроек. С их помощью можно быстрее разрабатывать, проверять и внедрять обновления приложений. Например, каждый новый коммит в репозиторий автоматически приводит к созданию нового контейнера с обновленной версией приложения, который затем автоматически тестируется. Если тесты проходят успешно, контейнер развертывается на сервере.

Развертывание в разных средах. Контейнеры позволяют приложениям работать одинаково хорошо в любой среде: на локальных серверах, виртуальных машинах или в облаке. То есть созданный на лэптопе разработчика код будет работать одинаково как в среде тестирования, так и в производственной среде.

• Контейнеризация позволяет запускать приложение с необходимым набором зависимостей на любой операционной системе изолированно от нее.

• Контейнер — это автономное пространство для работы приложения. Он создается на основе шаблона, содержащего все необходимые файлы. Каждый контейнер можно обновлять или изменять отдельно, не затрагивая остальные. 

• Если контейнеров много, ими проще управлять с помощью оркестратора.

• Контейнеры проще и легче виртуальных машин. Они работают на ядре ОС хоста, что ускоряет их настройку. Но это делает их менее изолированными и зависимыми от сервера ОС.

• Контейнеры подходят для разработки и запуска быстро масштабируемых приложений, но не для тех, которым нужны специфические операционные системы, отличные от серверной.