Docker

Docker - Isolierung von Anwendungen durch Container-Virtualisierung

Beschreibung

Schlanke Frorm der Virtualisierungen

Prozesse laufen auf dem Kernel des Host-Betriebssystems
Abschottung durch
- cgroups
- namespaces
- …

Linzenz

Docker ist freie Software

Realisierung von Containern

Linux-Techniken

Schnittstellen, um auf Virtualisierungsfunktionen des Linux-Kernels zuzugreifen.

Cgroups
Namespaces
Anfänglich LXC-Schnittstelle des Linux-Kernels
Mittlerweile eine eigene Programmierschnittstelle namens libcontainer
Als Speicher-Backend verwendet Docker das Overlay-Dateisystem aufs
- seit Version 0.8 wird auch btrfs unterstützt

Begriffe

Begriff	Beschreibung
Volume	Container-Volume ermöglichrn es, dass Daten erhalten bleiben, auch wenn ein Docker-Container gelöscht wird. Volumes sind auch eine praktische Möglichkeit, Daten zwischen dem Host und dem Container auszutauschen.
Image	Ein Docker-Image ist eine schreibgeschützte Vorlage, die von der Docker-Engine benutzt wird, um einen Container zu erzeugen. Speicherabbild eines Containers Das Image selbst besteht aus mehreren Layern, die schreibgeschützt sind und somit nicht verändert werden können Ein Image ist portabel, kann in Repositories gespeichert und mit anderen Nutzern geteilt werden Aus einem Image können immer mehrere Container gestartet werden
Container	Docker-Container sind isolierte Ausführungseinheiten für Anwendungen und ihre Abhängigkeiten Aktive Instanz eines Images Der Container wird also gerade ausgeführt und ist beschäftigt Sobald der Container kein Programm ausführt oder mit seinem Auftrag fertig ist, wird der Container automatisch beendet
Layer	Teil eines Images und enthält einen Befehl oder eine Datei, die dem Image hinzugefügt wurde Anhand der Layer kann die ganze Historie des Images nachvollzogen werden
Dockerfile	Beschreibung zur Erstellung eines Docker-Container Textdatei, die mit verschiedenen Befehlen ein Image beschreibt werden bei der Ausführung abgearbeitet und für jeden Befehl wird ein einzelner Layer angelegt
Repository	Satz gleichnamiger Images mit verschiedenen Tags, zumeist Versionen
Registry	Verwaltung von Repositories (Docker Hub, Artifactory, ...)

Bibliotheken

Begriff	Beschreibung
libcontainer	Schnittstelle zu den Grundfunktionen von Docker
libswarm	Schnittstelle, um Docker-Container zu steuern
libchan	Einfache („light weighted“) Kommunikation zwischen Prozessteilen und Prozessen

Aufbau und Funktionen

„Build, Ship and Run Any App, Anywhere“

Unter diesem Motto bewirbt die quelloffene Container-Plattform Docker eine flexible, ressourcensparende Alternative zur Emulation von Hardware-Komponenten auf Basis virtueller Maschinen (VMs)

Während die klassische Hardware-Virtualisierung darauf beruht, mehrere Gastsysteme auf einem gemeinsamen Host-System zu starten, werden Anwendungen bei Docker mithilfe von Containern als isolierte Prozesse auf ein und demselben System ausgeführt
Man spricht bei der containerbasierten Server-Virtualisierung daher auch von einer Operating-System-Level-Virtualisierung

Der Vorteil containerbasierter Virtualisierung liegt somit darin, dass sich Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen isoliert voneinander ausführen lassen, ohne dass dafür der Overhead eines separaten Gastsystems in Kauf genommen werden muss

Zusätzlich können Anwendungen mit Container plattformübergreifend und in unterschiedlichen Infrastrukturen eingesetzt werden, ohne dass diese an die Hard- oder Software-Konfigurationen des Hostsystems angepasst werden müssen

Docker ist das bekannteste Software-Projekt, das Anwendern und Anwenderinnen eine auf Containern basierende Virtualisierungstechnologie zur Verfügung stellt

Die quelloffene Plattform setzt dabei auf drei grundlegende Komponenten: Um Container auszuführen, brauchen Anwender lediglich die Docker-Engine sowie spezielle Docker-Images, die sich über das Docker-Hub beziehen oder selbst erstellen lassen

Motivation

Vereinfachte Bereitstellung von Anwendungen

Container, die alle nötigen Pakete enthalten leicht als Dateien transportieren und installieren lassen
Geringerer Overhead durch geteilten Host-Kernel
Schnelle Start- und Stopzeiten
Hohe Dichte isolierter Instanzen pro Host
Prozess- und Abhängigkeitsisolation (Namespaces, cgroups)
Reproduzierbare Laufzeitumgebungen durch unveränderliche Images
Portabilität über unterschiedliche Hosts und Plattformen
Feingranulares Ressourcen- und Zugriffsmanagement
Vereinfachtes Lebenszyklus-Management

Container gewährleisten

Trennung und Verwaltung der auf einem Rechner genutzten Ressourcen

Code
Laufzeitmodul
Systemwerkzeuge
Systembibliotheken
alles was auf einem Rechner installiert werden kann

Container

Sandbox-Prozess

Ein Container ist ein Sandbox-Prozess, der auf einem Host-Computer ausgeführt wird und von allen anderen auf diesem Host-Computer ausgeführten Prozessen isoliert ist

Diese Isolierung nutzt Kernel-Namespaces und cgroups, Funktionen, die es in Linux schon seit langem gibt
Docker macht diese Funktionen zugänglich und einfach zu verwenden
Ein ist Container eine lauffähige Instanz eines Images

Container werden über die Docker-API oder die Befehlszeilenschnittstelle

erstellt
gestartet
angehalten
verschoben
gelöscht

Er kann auf lokalen oder virtuellen Maschinen ausgeführt oder in der Cloud bereitgestellt werden

Er ist portabel (und kann auf jedem Betriebssystem ausgeführt werden)
Er ist von anderen Containern isoliert und führt seine eigene Software, Binärdateien, Konfigurationen usw

Erweiterte Form von chroot

Das Dateisystem wird aus einem Image bereitgestellt
Allerdings bietet der Container eine zusätzliche Isolation, die mit chroot nicht möglich ist

Siehe auch

Container

Bereitstellung

Image oder Dockerfile

Fertige Images
Dockerfiles
- Anweisungen zum Erzeugen eines Images (Dockerfiles ) im Projekt verteilen
- Dockerfiles können gut in Projekt-Repositoies bereitgestellt werden

Fertige Images

DockerHub bietet fertige Images

Ein solches gestartetes Image nennt sich dann Container und enthält beispielsweise Dateien, die in den Container gemountet oder kopiert werden
Man kann auch eigene Images bauen, indem man eine entsprechende Konfiguration (Dockerfile) schreibt
Jeder Befehl bei der Erstellung eines Images erzeugt einen neuen Layer, die sich dadurch mehrere Images teilen können

In der Konfiguration einer Gitlab-CI-Pipeline kann man mit image ein Docker-Image angeben, welches dann in der Pipeline genutzt wird

Docker Images

Ähnlich wie virtuelle Maschinen basieren Docker-Container auf Images

Schreibgeschützte Vorlage

Dieses isolierte Dateisystem wird von einem Image bereitgestellt, und das Image muss alles enthalten, was zur Ausführung einer Anwendung erforderlich ist - alle Abhängigkeiten, Konfigurationen, Skripte, Binärdateien und so weiter.

Portables Abbild eines Containers

Als wird ein Docker-Image in Form einer Textdatei beschrieben – man spricht von einem Dockerfile

Soll ein Container auf einem System gestartet werden, wird zunächst ein Paket mit dem jeweiligen Image geladen – sofern dieses nicht lokal vorliegt
Das geladene Image stellt das für die Laufzeit benötigte Dateisystem inklusive aller Parameter bereit
Ein Container kann als laufender Prozess eines Images betrachtet werden

Siehe auch

Images selbst definieren

Docker-Engine

Mit Docker-Befehlen können Anwenderinnen und Anwender Software-Container direkt aus dem Terminal starten, stoppen und verwalten

Die Ansprache des Daemon erfolgt über das Kommando dockerund Anweisungen wie build (erstelle), pull (lade herunter) oder run (starte)
Client und Server können sich dabei auf dem gleichen System befinden
Alternativ steht Anwendern die Möglichkeit offen, einen Docker-Daemon auf einem anderen System anzusprechen
Je nachdem, welche Art von Verbindung aufgebaut werden soll, erfolgt die Kommunikation zwischen Client und Server über die REST-API, über UNIX-Sockets oder eine Netzwerkschnittstelle

Komponenten

Zusammenspiel der Docker-Komponenten

Beispiel

docker build
docker pull
docker run

docker build

Das Kommando docker build weist den Docker-Daemon an, ein Image zu erstellen (gepunktete Linie)

Dazu muss ein entsprechendes Dockerfile vorliegen

Soll das Image nicht selbst erstellt, sondern aus einem Repository im Docker-Hub geladen werden, kommt das Kommando docker pull zum Einsatz (gestrichelte Linie)

Wird der Docker-Daemon via docker run angewiesen, einen Container zu starten, prüft das Hintergrundprogramm zunächst, ob das entsprechende Container-Image lokal vorliegt
Ist dies der Fall, wird der Container ausgeführt (durchgezogene Linie)
Kann der Daemon das Image nicht finden, leitet dieser automatisch ein Pulling aus dem Repository ein

Betriebssysteme

Virtualisierung mit Linux

Docker auf die Virtualisierung mit Linux ausgerichtet

Docker-Technologie benötigt einen Linux-Kernel

Container und Virtuelle Maschinen

Varianten

Hardware
Betriebssystem
- Linux, FreeBSD, macOS, Windows, …
Virtualisierung

Herkömmliche Virtualisierung

~~Im rechten Bild~~ wird eine herkömmliche Virtualisierung mit virtuellen Maschinen (VM) dargestellt

Dabei wird in der VM ein komplettes Betriebssystem (das "Gast-Betriebssystem") installiert und darin läuft dann die gewünschte Anwendung
Die Virtualisierung (VirtualBox, VMware, ...) läuft dabei als Anwendung auf dem Host-Betriebssystem und stellt dem Gast-Betriebssystem in der VM einen Rechner mit CPU, RAM, zur Verfügung und übersetzt die Systemaufrufe in der VM in die entsprechenden Aufrufe im Host-Betriebssystem
Dies benötigt in der Regel entsprechende Ressourcen: Durch das komplette Betriebssystem in der VM ist eine VM (die als Datei im Filesystem des Host-Betriebssystems liegt) oft mehrere 10GB groß
Für die Übersetzung werden zusätzlich Hardwareressourcen benötigt, d. h. hier gehen CPU-Zyklen und RAM "verloren"
Das Starten einer VM dauert entsprechend lange, da hier ein komplettes Betriebssystem hochgefahren werden muss
Dafür sind die Prozesse in einer VM relativ stark vom Host-Betriebssystem abgekapselt, so dass man hier von einer "Sandbox" sprechen kann: Viren o.ä
können nicht so leicht aus einer VM "ausbrechen" und auf das Host-Betriebssystem zugreifen (quasi nur über Lücken im Gast-Betriebssystem kombiniert mit Lücken in der Virtualisierungssoftware)

Virtualisierung auf Containerbasis

~~Im linken Bild~~ ist eine schlanke Virtualisierung auf Containerbasis dargestellt

Die Anwendungen laufen direkt als Prozesse im Host-Betriebssystem, ein Gast-Betriebssystem ist nicht notwendig
Durch den geschickten Einsatz von namespaces und cgroups und anderen in Linux und FreeBSD verfügbaren Techniken werden die Prozesse abgeschottet, d. h. der im Container laufende Prozess "sieht" die anderen Prozesse des Hosts nicht
Die Erstellung und Steuerung der Container übernimmt hier beispielsweise Docker
Die Container sind dabei auch wieder Dateien im Host-Filesystem
Dadurch benötigen Container wesentlich weniger Platz als herkömmliche VMs, der Start einer Anwendung geht deutlich schneller und die Hardwareressourcen (CPU, RAM, ...) werden effizient genutzt
Nachteilig ist, dass hier in der Regel ein Linux-Host benötigt wird (für Windows wird mittlerweile der Linux-Layer (WSL) genutzt; für macOS wurde bisher eine Linux-VM im Hintergrund hochgefahren, mittlerweile wird aber eine eigene schlanke Virtualisierung eingesetzt)
Außerdem steht im Container üblicherweise kein graphisches Benutzerinterface zur Verfügung
Da die Prozesse direkt im Host-Betriebssystem laufen, stellen Container keine Sicherheitsschicht ("Sandboxen") dar!

In allen Fällen muss die Hardwarearchitektur beachtet werden: Auf einer Intel-Maschine können normalerweise keine VMs/Container basierend auf ARM-Architektur ausgeführt werden und umgekehrt

Anhang

Siehe auch

Kategorien

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Weblinks