Эффективная контейнеризация приложений: практические рекомендации и инструменты

Что такое контейнеризация и зачем она нужна?

Контейнеризация — это метод развертывания ПО, когда программы запускаются отдельно от центральной ОС (операционной системы). Программа упаковывается в контейнер, который включает в себя всё необходимое для её работы: код, зависимости, библиотеки и настройки. Это делает её автономной и способной работать на любой платформе.

Независимость от настроек ОС делает контейнеры приложений слабо чувствительными к ошибкам при переносе в другую вычислительную среду.

Контейнеризация использует механизмы программирования, похожие на улучшенную реализацию механизма chroot в Unix-системах.

Преимущества в разработке

Основные преимущества использования containers при построении инфраструктуры:

• Продуктивное развертывание без конфликтов, что приводит к быстрой загрузке и высокой вычислительной мощности.
• Высокая скорость развертывания, что ускоряет запуск и масштабирование.
• Изоляция процессов внутри контейнеров улучшает безопасность, предотвращая нежелательное взаимодействие и снижая риски безопасности.
• Локализация ошибок и независимость, что упрощает выявление сбоев.
• Перераспределение ресурсов. Ограничение памяти, центрального процессора, локального хранилища помогает правильно распределять ресурсы в соответствии с нагрузкой и установленными пределами.

Основные технологии

Docker как основа

Технология контейнеризации Docker появилась как современная альтернатива традиционной виртуализации ОС, предоставляя возможность упаковать приложения вместе с их зависимостями в единые «капсулы» — контейнеры. Платформа Docker помогает автоматизировать создание, доставку и настройку программного обеспечения

Разработчикам больше не нужно думать о том, сможет ли функционировать программа в определенной среде, будут ли там необходимые опции для тестирования.

Приложение вместе с его зависимостями и процессами просто упаковывается в контейнер Docker, который можно запустить на любой операционной системе, поддерживающей Docker.

Различия между виртуализацией и контейнеризацией

Понятия контейнеризации и виртуализации часто путают из-за схожести в механизме — оба используются для развертывания приложений. Разница в подходе.

Виртуальная машина (ВМ) — это эмуляция физического компьютера, которая запускается на хостовой операционной системе (ОС) и имеет свою собственную гостевую ОС, библиотеки и приложения. По сути, ВМ предоставляет полностью изолированную вычислительную среду, что позволяет запускать несколько различных ОС на одном физическом устройстве. Однако виртуальные машины имеют некоторые недостатки:

• Тяжесть и медлительность: Виртуальные машины требуют значительных ресурсов для запуска и могут быть медлительными из-за избыточности виртуализированных аппаратных компонентов.
• Неоднородные вычислительные среды: Поскольку каждая ВМ имеет свою ОС, они создают разнообразные среды, которые могут усложнять управление и развертывание.

Контейнеры используют ядро одной хостовой ОС и создают изолированные среды для приложений, которые разделяют ту же самую ОС. Это делает контейнеры намного легче и быстрее в запуске по сравнению с виртуальными машинами. Основные преимущества контейнеров включают:

• Мгновенный запуск и легкость. Контейнеры используют меньше ресурсов и запускаются почти мгновенно, поскольку не требуют виртуализации всего аппаратного и программного стека.
• Однородные вычислительные среды. Контейнеры создают однородные вычислительные среды, что упрощает развертывание и управление приложениями.
• Высокая плотность. На одном компьютере можно запустить множество контейнеров, что делает их идеальными для масштабируемых и плотных вычислительных задач.

Лучшие практики

Правильная структура контейнеров и управление зависимостями

Передовые практики современной разработки рекомендуют использовать containers инструменты для сохранения правильной структуры. Важно понимать, что технология довольно сложная, совершить ошибку может даже опытный программист. Разберем лучшие практики:

• Один контейнер = один сервис. Чтобы избежать путаницы с зависимостями, каждый выполняет лишь одну функцию.
• Неизменность образа. Изменения в контейнерах следует вносить на стадии сборки образа, чтобы избежать потери данных при уничтожении контейнера. Соблюдение принципа неизменности помогает гарантировать стабильность и консистентность окружения.
• Утилизируемость. Контейнеры должны быть легко заменяемыми без остановки обслуживания. Это необходимо для поддержания высокой доступности приложений
• Ротация. Планируйте ротацию контейнеров как неотъемлемую часть разработки. Это позволяет быстро заменить вышедшие из строя контейнеры новыми без прерывания работы приложения.
• Отчетность. Важно получать логи и метрики для отслеживания состояния запущенных программ в контейнерах. Это помогает обнаруживать и устранять проблемы.
• Управляемость. Приложение должно иметь способность управляться контролирующим его процессом.
• Самодостаточность. Образ с программой должен содержать все необходимые зависимости для работы.

Минимизация размеров контейнеров

В разработке и тестировании использование containers-инструментов — популярное решение. Размер образов будущих контейнеров, передаваемых по Сети, может достигать нескольких Гб. Особенно это важно для приложений, работающих в условиях ограниченной оперативной памяти, таких как IoT-устройства.

Инструкции оболочки содержат информацию о приложениях внутри. При помощи средств отладки ОС можно вычислить, какие файлы допустимо исключить из оболочки без потери функционирования приложения. Именно таким способом работает, например, инструмент chainsaw.

Автоматизация развертывания

Автоматизация помогает ускорить и упростить процесс развертывания, обеспечивает взаимодействие и надежность. Инструменты и подходы, такие как Docker Kubernetes, Terraform и другие, помогают обеспечить стабильную работу множества приложений в рамках больших инфраструктур.

Docker Compose применяют в программировании производственной среды, локальной разработке и тестировании, а Kubernetes используют для управления кластерами Docker-containers на производственных серверах.

Оркестрация

Что такое системы оркестрации контейнеров?

Когда контейнеров становится слишком много, управлять ими и координировать работу помогают системы оркестрации (orchestration). Это программное обеспечение, которое избавляет от ручной настройки и конфигурации. ПО является посредником при взаимодействии разработчика с инфраструктурой. Оркестраторы самостоятельно мониторят работоспособность containers, выделяют им ресурсы, включают и отключают, оптимизируют память.

Обзор популярных оркестраторов

Docker Swarm — несложный оркестратор (orchestrator), который объединяет несколько хостов в последовательный кластер. Недостаток — ограниченный функционал.

Kubernetes — стандарт современной оркестровке на Ubuntu, CentOS и других ОС Linux с открытым исходным кодом. Группирует оболочки, уравновешивает нагрузку, но сложнее в настройке, чем Docker Swarm.

Nomad — гибкий оркестратор для переноса изменений containers и неконтейнерных программй и независимого управления. Nomad поддерживает экосистему HashiCorp и подходит для проектов типа machine learning.

Лучшие практики оркестрации для масштабируемости и отказоустойчивости

Практики оркестрации помогают разрабатывать надежные программы, а также оперативно выявлять и решать ошибки.

1. Рабочие процессы должны быть способны справляться с разным уровнем нагрузок и оперативно адаптироваться к меняющимся требованиям.
2. Необходимо обеспечить безотказность в orchestration процессах.
3. Важно поддерживать высокую доступность и надежность, чтобы исключить простои в производстве.
4. Мониторинг, тестирование и улучшение. Проблемы важно выявлять до того, как они негативно повлияют на бизнес-процессы.
5. Координирование конфликтов.

Допустим, веб-приложение из нескольких микросервисов требуется развернуть с использованием Kubernetes. Этапы работы будут включать: установку и настройку Kubernetes, создание Docker-образа для каждого микросервиса, создание манифестов Kubernetes, перенос изменений микросервисов с помощью команды kubectl apply:

«`
 kubectl apply -f my-service.yaml
«`

Создаются ресурсы Kubernetes в соответствии с вашими манифестами. Теперь нужно проверить состояние командой kubectl get.

«`
 kubectl get pods
 kubectl get services
«` 

Для масштабирования развертывания можно применить kubectl scale:

«`
 kubectl scale deployment my-service —replicas=3
«` 

Результат — три экземпляра микросервиса с высокой отказоустойчивостью.

Примеры и кейсы использования контейнеризации

Как крупные компании используют контейнеризацию для оптимизации процессов

Контейнеры помогают компаниям ускорить разработку, сэкономить ресурсы, поэтому уже много лет эти решения внедряют российские и зарубежные IT-компании для модернизации устаревших программ, оптимизации инфраструктуры и быстрого продвижения инноваций на рынок.

Containers облегчают совместную работу команд, внедрение методологий непрерывной интеграции и переноса изменений (CI/CD), соответствуют практикам DevOps и Agile.

Преимущества и недостатки на практике

Преимущества:

• Наличие необходимых зависимостей, переносимость и гибкость помогают легко развернуть отлаженное приложение на другом компьютере.
• Снижение времени программирования, тестирования, а также затрат на сервер и лицензирование.
• Компактность благодаря отсутствию образа ОС.
• Эффективность и изоляция ошибок. Эти свойства помогают быстрее развертывать, находить ошибки и не влиять на работу других оболочек.

• Недостатки:

• Для запуска нескольких приложений на одном хост-сервере потребуется создать столько же контейнеров.
• Ресурсы хост-системы делятся на всех, что приводит к ограничению доступности.
• Сложности в управлении вызывают необходимость применения оркестраторов (Kubernetes или Docker Swarm) для автоматизации.
• Безопасность. Возможны уязвимости безопасности, особенно при запуске с привилегиями root.

Почему контейнеризация — это будущее разработки и развертывания приложений

Контейнеризация — важная технология для развертывания, масштабируемости, экономической выгоды программ и повышения продуктивности ИТ-команд. Гибкость и удобство обслуживания методологии помогает быстрее перейти к архитектуре микросервисов.

Однако важно не уходить в крайности и не применять технологию контейнеризации без необходимости. Перед внедрением контейнеров важно оценить потребности проекта и использовать их там, где это действительно принесет пользу.