Docker (eBook)

1 Was Container sind und warum man sie nutzt

Container ändern die Art und Weise, wie wir Software entwickeln, verteilen und laufen lassen, grundlegend. Entwickler können Software lokal bauen, weil sie wissen, dass sie auch woanders genauso laufen wird – sei es ein Rack in der ITAbteilung, der Laptop eines Anwenders oder ein Cluster in der Cloud. Administratoren können sich auf die Netzwerke, Ressourcen und die Uptime konzentrieren und müssen weniger Zeit mit dem Konfigurieren von Umgebungen und dem Kampf mit Systemabhängigkeiten verbringen. Der Einsatz von Containern wächst in der gesamten Branche mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit – von den kleinsten Startups bis hin zu großen Unternehmen. Entwickler und Administratoren sollten davon ausgehen, dass sie innerhalb der nächsten Jahre Container regelmäßig einsetzen werden.

Container sind eine Verkapselung einer Anwendung und ihrer Abhängigkeiten. Auf den ersten Blick scheint das nur eine abgespeckte Version einer virtuellen Maschine (VM) zu sein – wie eine VM findet sich in einem Container eine isolierte Instanz eines Betriebssystems (Operating System, OS), mit dem wir Anwendungen laufen lassen können.

Container haben aber eine Reihe von Vorteilen, durch die Anwendungsfälle möglich werden, welche mit klassischen VMs schwierig oder unmöglich zu realisieren wären:

• Container teilen sich Ressourcen mit dem Host-Betriebssystem, wodurch sie um eine wesentliche Größenordnung effizienter sind als virtuelle Maschinen. Container können im Bruchteil einer Sekunde gestartet und gestoppt werden. Anwendungen, die in Containern laufen, verursachen wenig bis gar keinen Overhead im Vergleich zu Anwendungen, die direkt auf dem Host-Betriebs-system gestartet werden.

• Die Portierbarkeit von Containern besitzt das Potenzial, eine ganze Klasse von Bugs auszumerzen, die durch subtile Änderungen in der Laufzeitumgebung entstehen – sie könnte sogar die seit Anbeginn der Softwareentwicklung bestehende Litanei der Entwickler »Aber bei mir auf dem Rechner lief es doch!« beenden.

• Die leichtgewichtige Natur von Containern sorgt dafür, dass Entwickler dutzende davon zur gleichen Zeit laufen lassen können, wodurch das Emulieren eines produktiv nutzbaren, verteilten Systems möglich wird. Administratoren können viel mehr Container auf einer einzelnen Host-Maschine laufen lassen, als dies mit VMs möglich wäre.

• Container haben zudem Vorteile für Endanwender und Entwickler außerhalb des Bereitstellens in der Cloud. Benutzer können komplexe Anwendungen herunterladen und laufen lassen, ohne sich Stunden mit Konfiguration und Installation herumzuschlagen oder über die Änderungen Sorgen machen zu müssen, die am System notwendig wären. Umgekehrt brauchen sich die Entwickler solcher Anwendungen nicht mehr um solche Unterschiede in den Benutzerumgebungen und um eventuelle Abhängigkeiten Gedanken machen.

Wichtiger ist noch, dass sich die grundlegenden Ziele von VMs und Containern unterscheiden – eine VM ist dafür gedacht, eine fremde Umgebung vollständig zu emulieren, während ein Container Anwendungen portabel und in sich abgeschlossen macht.

1.1 Container versus VMs

Obwohl Container und VMs auf den ersten Blick sehr ähnlich wirken, gibt es einige wichtige Unterschiede, die sich am einfachsten über ein Schaubild aufzeigen lassen.

Abb. 1–1 Drei VMs laufen auf einem Host.

In Abbildung 1–1 sind drei Anwendungen zu sehen, die auf einem Host in getrennten VMs laufen. Der Hypervisor1 wird dazu benötigt, VMs zu erstellen und laufen zu lassen, den Zugriff auf das zugrunde liegende Betriebssystem und die Hardware zu steuern und bei Bedarf Systemaufrufe umzusetzen. Jede VM erfordert eine vollständige Kopie des Betriebssystems für sich, dazu die gewünschte Anwendung und alle Bibliotheken, die dafür notwendig sind.

Abb. 1–2 Drei Container laufen auf einem Host.

Im Gegensatz dazu sehen Sie in Abbildung 1–2, wie die gleichen drei Anwendungen in einem containerisierten System laufen könnten. Anders als bei VMs wird der Kernel des Host2 von den laufenden Containern gemeinsam genutzt. Sie sind also immer darauf beschränkt, den gleichen Kernel zu nutzen wie der Host. Die Anwendungen Y und Z verwenden die gleichen Bibliotheken, und sie müssen dafür keine identischen Kopien davon haben, sondern können auf die gleichen Dateien zugreifen. Die Container Engine ist für das Starten und Stoppen von Containern genauso verantwortlich wie der Hypervisor bei einer VM. Aber Prozesse, die innerhalb von Containern laufen, entsprechen nativen Prozessen auf dem Host, und es kommt kein Overhead durch die Ausführung des Hypervisors hinzu.

Sowohl VMs wie auch Container können genutzt werden, um Anwendungen von anderen Anwendungen zu isolieren, die auf dem gleichen Host laufen. VMs haben durch den Hypervisor eine weitgehendere Isolation, und es handelt sich bei ihnen um eine vertraute und durch Erfahrung gehärtete Technologie. Container sind verglichen damit recht neu, und viele Firmen scheuen sich, den Isolations-Features von Containern zu trauen, bevor diese ihr Können gezeigt haben. Aus diesem Grund findet man häufig Hybridsysteme mit Containern, die innerhalb von VMs laufen, um die Vorteile beider Technologien vereinen zu können.

1.2 Docker und Container

Container sind ein altes Konzept. Schon seit Jahrzehnten gibt es in UNIX-Systemen den Befehl chroot, der eine einfache Form der Dateisystem-Isolation bietet. Seit 1998 gibt es in FreeBSD das Jail-Tool, welches das chroot-Sandboxing auf Prozesse erweitert. Solaris Zones boten 2001 eine recht vollständige Technologie zum Containerisieren, aber diese war auf Solaris OS beschränkt. Ebenfalls 2001 veröffentlichte Parallels Inc. (damals noch SWsoft) die kommerzielle Container-technologie Virtuozzo für Linux, deren Kern später (im Jahr 2005) als Open Source unter dem Namen OpenVZ bereitgestellt wurde.3 Dann startete Google die Entwicklung von CGroups für den Linux-Kernel und begann damit, seine Infrastruktur in Container zu verlagern. Das Linux Containers Project (LXC) wurde 2008 initiiert, und in ihm wurden (unter anderem) CGroups, Kernel-Namensräume und die chroot-Technologie zusammengeführt, um eine vollständige Containerisierungslösung zu bieten. 2013 lieferte Docker schließlich die fehlenden Teile für das Containerisierungspuzzle, und die Technologie begann, den Mainstream zu erreichen.

Docker nahm die bestehende Linux-Containertechnologie auf und verpackte und erweiterte sie in vielerlei Hinsicht – vor allem durch portable Images und eine benutzerfreundliche Schnittstelle –, um eine vollständige Lösung für das Erstellen und Verteilen von Containern zu schaffen. Die Docker-Plattform besteht vereinfacht gesagt aus zwei getrennten Komponenten: der Docker Engine, die für das Erstellen und Ausführen von Containern verantwortlich ist, sowie dem Docker Hub, einem Cloud Service, um Container-Images zu verteilen.

Die Docker Engine bietet eine schnelle und bequeme Schnittstelle für das Ausführen von Containern. Zuvor waren für das Laufenlassen eines Containers mit einer Technologie wie LXC umfangreiches Wissen und viel manuelle Arbeit nötig. Auf dem Docker Hub finden sich unglaublich viele frei verfügbare Container-Images zum Herunterladen, so dass Anwender schnell loslegen können und es vermeiden, Arbeit doppelt zu erledigen, die andere schon gemacht hatten. Zu weiteren Tools, die von Docker entwickelt wurden, gehören der Clustering Manager Swarm, die GUI Kitematic für die Arbeit mit Containern und das Befehlszeilentool Machine für die Erzeugung von Docker Hosts.

Durch das Bereitstellen der Docker Engine als Open Source konnte Docker eine große Community aufbauen und auf deren Hilfe bei Bugfixes und Verbesserungen zählen. Das massive Wachstum von Docker hat dazu geführt, dass es ein De-facto-Standard wurde, und das wiederum sorgte für Druck aus der Branche, einen unabhängigen, formalen Standard für die Runtime und das Format der Container zu entwickeln. 2015 schließlich wurde dafür die Open Container Initiative4 gegründet – eine Initiative, die von Docker, Microsoft, CoreOS und vielen weiteren wichtigen Gruppen und Firmen unterstützt wird. Ihre Mission ist das Entwickeln solch eines Standards. Das Containerformat und die Runtime von Docker dienen dabei als Ausgangsbasis Seit der Version 1.11 basiert die Docker Engine auf dem RunC-Kern, der eine Implementierung des Open-Container-Standards ist.

Die wachsende Verbreitung von Containern geht vor allem auf Entwickler zurück, die nun erstmals Tools zur Verfügung hatten, um Container effektiv zu nutzen. Die kurze Startzeit von Docker-Containern hat für die Entwickler einen hohen Stellenwert, weil sie natürlich schnelle und iterative Entwicklungszyklen bevorzugen, in denen sie die Ergebnisse von Codeänderungen möglichst direkt sehen können. Die Portierbarkeits- und Isolationsgarantien von Containern vereinfachen die Zusammenarbeit mit anderen Entwicklern und Administratoren: Entwickler können sicher sein, dass ihr Code in allen Umgebungen laufen wird, während sich die Administratoren auf das Hosten und Orchestrieren von Containern konzentrieren können, statt sich mit dem Code herumschlagen, der darin läuft.

Die Änderungen, die Docker angestoßen hat, sorgen für eine deutlich unterschiedliche Art und Weise, wie...