Зачем и как использовать контейнеры: разбираемся с Docker, Kubernetes и другими инструментами

Цитируя разработчиков Docker, «контейнер — это стандартная единица программного обеспечения, в которую упаковано приложение со всеми необходимыми для его работы зависимостями — кодом приложения, средой запуска, системными инструментами, библиотеками и настройками».

Контейнеры используются уже более десяти лет и на сегодняшний день примерно четверть компаний-лидеров в сфере IT задействуют контейнерные решения в продакшене, а ещё столько же, согласно опросам, планировали приступить к этому в 2019-м году.

На рынке существует немало решений, представляющих среды запуска контейнеров и оркестрации, таких как CoreOS rkt, LXC, OpenVZ, containerd, Apache Mesos и Docker Swarm. Однако более 4/5 контейнеров запускается в среде Docker, а для оркестрации более половины пользователей выбрали Kubernetes. Об этих системах мы и поговорим.

Чем полезны контейнеры

Легковесность, быстродействие и возможность работать на высоком уровне абстракции, делегируя проблемы с железом и ОС провайдеру, — это преимущества контейнеров, позволяющие снизить операционные расходы, связанные с разработкой и эксплуатацией приложений, делающих решения на их базе столь привлекательными для бизнеса.

Техническим же специалистам контейнеры прежде всего полюбились за возможность упаковать приложение вместе с его средой запуска, решая тем самым проблему зависимостей в разных окружениях. Например, различие версий языковых библиотек на ноутбуке разработчика и в последующих окружениях рано или поздно приведёт к сбоям, и нужно будет как минимум потратить время на их анализ, а как максимум — решать проблему проникших в продакшен багов. Использование контейнеров устраняет проблему «А на моей машине все работало! ¯\_(ツ)_/¯».

Также контейнеры позволяют сократить время разработки приложения и упрощают управление им в продакшене благодаря лёгкости в настройке и изменении конфигурации, возможности версионировать её вместе с кодом приложения и удобным инструментам оркестрирования, позволяющим быстро масштабировать инфраструктуру. Кроме того, фактическое отсутствие привязки контейнеров к хостинговой платформе даёт огромную гибкость при выборе или смене провайдера — вы можете запускать их без принципиальных отличий в конечном результате на личном компьютере, bare metal серверах и в облачных сервисах.

Чем контейнеры отличаются от виртуальных машин

Наиболее частым вопросом при выборе среды запуска приложения является вопрос о различии между контейнерами и виртуальными машинами — двумя самыми популярными опциями на текущий момент. Между ними есть принципиальная разница. Контейнер, в сущности, является ограниченным внутри ОС пространством, использующим для доступа к аппаратным ресурсам ядро host-системы. ВМ представляет собой машину целиком со всеми необходимыми для её работы устройствами. Из этого образуются отличия, имеющие практическое значение:

• Контейнеры требуют значительно меньше ресурсов для своей работы, что положительно сказывается на производительности и бюджете.
• Контейнеры можно запускать только в той же операционной системе, что стоит на host-системе — то есть запустить Windows-контейнер на host-системе с Linux не получится (на персональных устройствах это ограничение обходится с помощью технологии виртуализации). Однако это не относится к разным дистрибутивам одной и той же ОС, например Ubuntu и Alpine Linux.
• Контейнеры предоставляют меньшую степень изоляции, поскольку используют ядро host-системы, что потенциально создаёт бóльшие риски в эксплуатации при небрежном отношении к безопасности.

Основные принципы контейнеризации приложений

Для эффективной работы приложения в контейнерах недостаточно просто создать образ контейнера и запустить его. Нужно позаботиться о том, чтобы архитектура приложения и контейнера соответствовала базовым принципам контейнеризации, которые хорошо изложила компания RedHat.

1 контейнер — 1 сервис

Контейнер должен выполнять только одну функцию — не следует помещать в него все сущности, от которых зависит приложение. Следование этому принципу позволяет добиться большей переиспользуемости образов и, что самое главное, позволяет более тонко масштабировать приложение — узким местом вашего сервиса может оказаться только какая-то часть используемого стэка технологий, и разведение всех его частей по разным контейнерам позволит точечно увеличивать производительность вашего сервиса.

Неизменность образа

Все изменения внутри контейнера должны вноситься на стадии сборки образа — соблюдение этого принципа страхует вас от утраты данных при уничтожении контейнера. Неизменность контейнера также даёт возможность выполнять параллельные задачи в CI/CD системах — например, можно одновременно запустить разного рода тестирования, ускоряя тем самым процесс разработки продукта.

Утилизируемость контейнеров

Этот принцип являет собой яркий пример современной концепции «Обращайся с инфраструктурой как со скотом, не как с питомцами». Это значит, что любой контейнер может быть в любой момент уничтожен и заменён на другой без остановки обслуживания. Конфигурация контейнера в виде его образа сущностно отделена от непосредственно выполняющего работу экземпляра контейнера, что позволяет «пускать под нож» экземпляры, когда потребуется — при сбое проверки состояния контейнера, масштабировании на понижение и т. д. Соответствие этому принципу означает, что выход контейнеров из строя не должен быть новостью для вашего приложения: ротация контейнеров должна стать одним из требований к разработке.

Отчётность

Контейнер должен иметь точки проверки состояния его готовности (readiness probe) и жизнеспособности (liveness probe), предоставлять логи для отслеживания состояния запущенного в нём приложения.

Управляемость

Приложение в контейнере должно иметь возможность взаимодействовать с контролирующим его процессом — например для корректного завершения своей работы по команде извне. Это позволит аккуратно закрывать транзакции, препятствуя потере пользовательских данных в результате остановки или уничтожения контейнера.

Самодостаточность

Образ с приложением должен обладать всеми необходимыми зависимостями для работы — библиотеками, конфигами и прочим. Сервисы же к этим зависимостям не относятся, иначе это противоречило бы принципу «1 контейнер — 1 сервис». Связность контейнеров, зависящих друг от друга, можно определить с помощью инструментов оркестрирования, о чём будет рассказано ниже.

Лимитирование ресурсов

К лучшим практикам эксплуатации контейнеров относится настройка ресурсных лимитов (CPU и RAM): следование этой практике позволяет сохранять внимательное отношение к экономии ресурсов и вовремя реагировать на их избыточное потребление.

Docker

Когда мы говорим о контейнерах в современных IT-системах, прежде всего мы подразумеваем Docker — open-source-технологию, благодаря своей популярности ставшую в IT синонимом слова «контейнер».

Основные сущности Docker

Dockerfile

Текстовый файл, используемый для создания образа контейнера. Содержит в себе ссылку на базовый образ, служащий отправной точкой при формировании нового образа и набор инструкций для сборки, таких как установка зависимостей, компиляция приложения и копирование конфигов. Также он содержит точку входа в контейнер — команду, выполняемую при его запуске.

Image

Готовая файловая система, сформированная по инструкциям из Dockerfile и служащая прообразом для запускаемых контейнеров.

Instance

Запущенный экземпляр образа, минимальная единица деплоя в Docker.

Volume

Подключаемая к контейнерам файловая система, не являющаяся их неотъемлемой частью и существующая независимо от образа. С помощью объектов Volume решается проблема сохранности данных, записанных в процессе работы контейнеров в локальной файловой системе после их уничтожения.

Registry

Репозиторий, используемый для хранения Docker-образов. Registry может быть как публичным, так и приватным, защищённым механизмом аутентификации.

Процесс разработки в среде Docker

Типичный процесс разработки в среде Docker выглядит следующим образом: разработчики устанавливают на свои машины Docker, загружают собранный заранее образ с установленной средой сборки и выполнения приложения, а затем запускают контейнер командой, которая также пробросит в него директорию с исходниками. Для установки Docker не требуется особого железа — он может быть установлен на вполне заурядной машине. Однако у него имеются ограничения по версиям ОС — Windows 7 64bit или выше для ПК с поддержкой Hyper-V, macOS Sierra 10.12 для устройств от Apple и версией ядра 3.10 для систем с Linux. Контейнеры Docker являются родной технологией для ОС Linux и запускаются на других с помощью виртуальных машин под её управлением.

Инструкции по установке Docker на разных платформах: Windows, Mac, Linux Ubuntu.

Чтобы запустить ваш первый контейнер на Docker, после его установки введите в командной строке docker run hello-world — эта команда загрузит образ hello-world с Docker hub’а (публично доступный Docker registry), создаст контейнер, используя этот образ, и выдаст приветственную фразу:

Hello from Docker!This message shows that your installation appears to be working correctly....

Оркестрирование контейнеров: Kubernetes

Оркестрирование — это в высокой степени автоматизированный процесс управления связанными сущностями, такими как группы виртуальных машин или контейнеров.
Kubernetes (также встречается в виде акронима K8s) — это совокупность сервисов, реализующих контейнерный кластер и его оркестрирование. Kubernetes не заменяет Docker — он серьёзно расширяет его возможности, упрощая управление развертыванием, сетевой маршрутизацией, расходом ресурсов, балансировкой нагрузки и отказоустойчивостью запускаемых приложений.

Основные сущности, которыми оперирует Kubernetes

Node (master и slave)

Узлы, из которых состоит кластер Kubernetes. Master-нода осуществляет контроль над кластером через планировщик и менеджер контроллеров, обеспечивает интерфейс взаимодействия с пользователями посредством API-сервера и содержит хранилище etcd, где находится конфигурация кластера, статусы его объектов и метаданные. Slave-нода предназначена исключительно для запуска контейнеров, для этого на ней установлены два сервиса Kubernetes — сетевой маршрутизатор и агент планировщика.

Namespace

Структурный объект, позволяющий разграничивать ресурсы кластера между пользователями и командами.

Pod

Минимальная единица развёртывания в Kubernetes, группа из одного или более контейнеров, собранных для совместного деплоя на ноде. Группировать контейнеры разного вида в Pod имеет смысл, когда они зависят друг от друга и потому должны быть запущены на одной ноде, чтобы сократить время отклика при их взаимодействии. Пример — контейнеры с веб-приложением и кэширующим его сервисом.

ReplicaSet

Объект, описывающий и контролирующий соответствие запущенного на кластере количества реплик Pod’ов. Установка количества реплик больше одной требуется для повышения отказоустойчивости и масштабирования приложения. Общепринято создавать ReplicaSet с помощью Deployment.

Deployment

Объект, декларативно описывающий Pod’ы, количество реплик и стратегию их замены при обновлении параметров.

StatefulSet

Действует по тому же принципу, что и ReplicaSet, однако дополнительно позволяет описывать и сохранять при перезапуске уникальный сетевой адрес Pod’ов или их дисковое хранилище.

DaemonSet

Объект, обеспечивающий контроль за тем, что на каждой ноде (или нескольких выбранных) будет запущено по экземпляру указанного Pod’а.

Job и CronJob

Объекты, запускающие соответственно однократно и регулярно по расписанию указанный Pod и отслеживающие результат завершения его работы.

Label и Selector

Метки, позволяющие маркировать ресурсы и тем самым упрощать групповые манипуляции, связанные с ними.

Service

Инструмент для публикации приложения в качестве сетевого сервиса, в том числе реализующий балансировку нагрузки между Pod’ами приложения.

Если сравнить объекты Docker и Kubernetes, то станет понятна разница в задачах, решаемых этими инструментами: можно сказать, что Docker управляет контейнерами, в то время как Kubernetes управляет самим Docker.

Управление конфигурацией (Configuration/Complexity Management)

Развитие IT-систем ведёт ко всё большему их усложнению, и это порождает проблемы управления — даже на небольшом количестве серверов или контейнеров ручное управление приложением превращает практически любое изменение конфигурации в трудовой подвиг, а на десятках или сотнях делает его абсолютно невозможным. К счастью, новые проблемы ведут и к новым решениям — в этом разделе мы расскажем о некоторых инструментах управления конфигурацией (configuration management) или, как ещё принято говорить, управления сложностью (complexity management). Они используются для установки, управления и обновления приложений Kubernetes: например, с их помощью можно описать приложение, состоящее из фронтенда, бэкенда и всех необходимых для их работы сервисов, таких как объекты Kubernetes, контейнеры с веб-серверами, базами данных, серверами очередей и т. д.

Перечисленные в этом разделе инструменты обладают обширными сообществами и множеством готовых пользовательских конфигураций, что поможет сэкономить массу времени при начальной настройке сервисов, переиспользуя и адаптируя уже написанный другими пользователями код.

Kustomize

Благодаря популярности у пользователей и своей простоте, начиная с версии Kubernetes 1.14, Kustomize является встроенным инструментом управления конфигурацией. Для описания приложений использует чистый язык разметки YAML без возможности шаблонизации и использования параметров, что является одновременно его сильной и слабой сторонами, упрощая процесс настройки и вместе с тем сильно его ограничивая.

Ansible

Многофункциональный инструмент, для которого конфигурация Kubernetes-приложений — лишь одно из великого множества применений, реализованная с помощью специального модуля интеграции. Например, Ansible может быть использован для настройки виртуальных машин, развертывания облачной инфраструктуры, выполнения бэкапов и т.д. Его универсальность позволяет решать разнообразные задачи, связанные с IT-проектами, одним инструментом – но ценой меньшей функциональности в отношении управления конфигурацией приложений Kubernetes. Для описания использует YAML и язык шаблонов Jinja2.

Jsonnet

Также как и Ansible, Jsonnet не является чем-то специфичным для Kubernetes, однако многие знакомы с ним именно благодаря K8s. Jsonnet описывает объекты с помощью расширенного JSON, включающего комментарии, текстовые блоки, параметры, переменные, условные включения и функции. Очень мощный и гибкий инструмент.

Helm

Пакетный менеджер приложений Kubernetes. Этот инструмент описывает приложения в виде декларативных диаграмм (charts), создающихся с помощью языка разметки YAML и шаблонов Golang. Helm обладает широкой базой готовых диаграмм, даёт возможность версионировать конфигурации и переключаться между версиями релизов, т. е. откатывать конфигурацию. Из всех приведенных здесь инструментов является наиболее функциональным в отношении управления приложениями Kubernetes и одновременно обладает наиболее сложным способом описания конфигурации из-за шаблонов Golang, весьма требователен к пользовательским навыкам.

В этой статье перечислены лишь те инструменты, что наиболее заслуживают внимания по нашему мнению. Помимо них существует ещё с добрый десяток решений для задач управления конфигурацией в Kubernetes: такие как Kapitan, Ksonnet, Replicated Ship и т. д. При выборе менеджера управления конфигурацией мы рекомендуем определиться с требованиями, предъявляемыми к нему, и руководствоваться принципом разумной достаточности, не используя без нужды излишне сложный инструмент – хорошим путем будет начать с чего-то простого, дополнительно задействуя более мощный инструмент, когда возникнет необходимость.

Платформы для хостинга контейнеров

Одним из основных моментов при выводе в продакшен контейнерного приложения является выбор того, где же в конечном счёте это приложение будет запущено. В этой части статьи мы постараемся помочь вам, описав два основных на сегодняшний день варианта, их сильные и слабые стороны.

Своё железо (bare metal)

Этот подход можно назвать консервативным — выбрав его, вы покупаете или арендуете серверы, нанимаете специалистов и строите свой собственный кластер. Очевидные его плюсы — тонкая настройка, возможность полного контроля над инфраструктурой и, как следствие, превосходящая производительность с более высокой отдачей от бюджета в долгой перспективе. Из минусов можно отметить большие финансовые (в том числе капитальные) и временные затраты на конфигурацию и поддержку, а также зависимость от специалистов по её поддержке. Как правило, этот вариант выбирают компании, имеющие выверенные долгосрочные планы, уже обеспеченные солидным бюджетом.

Облачные решения (SaaS)

Крупные облачные провайдеры предоставляют своим клиентам сервисы для запуска контейнеров — готовые среды, обёрнутые удобным интерфейсом управления. Построенные по такому принципу решения называются Software as a Service (SaaS). Они не требуют никаких капитальных затрат, поскольку вся инфраструктура арендуется, а конфигурация создаётся в минимальном объёме, относящемуся исключительно к запускаемому приложению. Сами же кластеры настраиваются провайдером по указанному пользователем небольшому объему параметров. SaaS-решения — оптимальный вариант для стартап-компаний, небольших и развивающихся проектов. Самым большим минусом этого решения можно назвать повышенную в сравнении с bare metal стоимость при условии многолетнего использования.

Тремя наиболее популярными облачными платформами на сегодня являются Amazon Web Services, Microsoft Azure и Google Cloud. Все три провайдера имеют доступный в виде сервиса Kubernetes, и все три из них предлагают пробный период пользования сервисами, выдавая депозит на сумму 200–300 $. Чтобы оценить удобство и качество облачных решений и сравнить друг с другом их поставщиков, вам даже не придется тратить свои деньги.

Заключение

Ещё недавно не смолкали дебаты на тему оправданности использования контейнеров в продакшене, то и дело были слышны обвинения в их ненадежности. Однако время не стоит на месте, индустрия оценила их перспективность, сделала свой выбор, и инвестиции в контейнерные решения потекли широкой рекой, с каждым днем делая решения на их базе всё удобнее и привлекательнее. На сегодняшний день примитивную настройку кластера и деплой приложений в него можно выполнить используя один лишь веб-интерфейс, предварительно прочитав несколько страниц документации — настолько это стало просто. А их низкая по сравнению с виртуальными машинами стоимость откусывает у ВМ всё большую долю рынка, забирая то, что не требует для своей работы специфики устройства ВМ. Безусловно, контейнеры зарекомендовали себя как жизне- и конкурентоспособное решение, сокращающее время вывода продукта на рынок, стоимость его разработки и эксплуатации.