Einheit 12: Virtualisierung & Container Technologien

Ziele und Kompetenzen

  • Vorteile von Virtualisierung und Containern verstehen

  • Containerisierung kennen lernen und eigene Container erstellen und starten können

Motivation

Die Idee hinter Containern

Es gibt verschiedene Möglichkeiten umfangreiche Anwendungen zu installieren. Wir betrachten hier einige Möglichkeiten eine solche Anwendung zu installieren.

Intuitives Vorgehen

  • Alle Dienste, Server-Komponenten und z-B- Datenbanken werden auf einer Maschine installieren

  • Vorteile:

    • einfache Installation

    • einfache Kommunikation unter den Diensten

    • zunächst einfache Verwaltung und Wartung, da nur ein System verwaltet wird

  • Nachteile:

    • Ăśber die Zeit immer schwerer wartbar, da Ă„nderungen am System nur noch schwer nachvollziehbar bzw. reproduzierbar sind

Fortgeschrittenes Modell

  • Alle Dienste, Server-Komponenten und Datenbanken werden auf unterschiedlichen Servern installiert

  • Hier benötigt man unter Umständen sehr viel Hardware, die am Ende des Tages nicht ausgelastet wird aber in Anschaffung und Unterhalt teuer ist.

  • Lösung: Alle Dienste, Server-Komponenten und Datenbanken werden in virtuellen Maschinen (VM) installiert.

  • Konkret wĂĽrde dies z.B. bedeuten:

    • eine virtuelle Maschine fĂĽr die Datenbank

    • eine virtuelle Maschine fĂĽr das Backend

    • eine virtuelle Maschine fĂĽr den Web Server

    • eine virtuelle Maschine fĂĽr das Monitoring

  • Vorteile:

    • Die VMs sind voneinander unabhängig

    • Ein Problem in einer virtuellen Maschine beeinflusst nicht die anderen Maschinen

    • Von den VMs lassen sich Backups erstellen und bei Bedarf wiedr einspielen

  • Nachteile:

    • Es mĂĽssen (sehr) viele (virtuelle) Maschinen gewartet und ĂĽberwacht werden (Betriebssystem-Updates, Software-Update)

    • Erhöhter Ressourcenverbrauch, da virtuelle Maschinen exklusiv Hardware in Anspruch nehme

Wie funktioniert eine virtuelle Maschine?

  • Eine virtuelle Maschine simuliert eine vollständige Hardware, auf der ein vollwertiges Betriebssystem installiert wird

  • Einer solche virtuelle Maschine werden dedizierte Ressourcen des Host-Systems zugewiesen

    • CPU bzw. Kerne

    • Hauptspeicher

    • Festplattenplatz

  • Probleme:

    • Die Ressourcen stehen weder dem Host-System, noch den anderen virtuellen Maschinen zur VerfĂĽgung

    • Die virtuelle Maschine bringt ihren ganz eigenen Hardware Abstraction Layer und simuliert die ganze Hardware

Container Modell

  • Dienste, Server-Komponenten und Datenbanken werden in kleinen, isolierten Einheiten (aka Containern) betrieben

z.B.

  • Container fĂĽr Front-End

  • Je ein Container pro Service

  • Je ein Container pro Datenbank

Vorteile

  • Leichtgewichtig

  • Unabhängig

  • Konfigurierbar

Nachteile

  • Verwaltung von sehr vielen Container erfordert eine Lösung (Stichwort Kubernetes)

Container Grundlagen

Wie funktionieren Container?

  • Private Sichten (Container) bilden isolierte User-Space-Instanzen fĂĽr verschiedene Anwendungen

  • Hardware-Virtualisierung, Isolation und API (Betriebssystem-Kernel, vgl. Betriebssysteme aus SEB2) werden kontrolliert

  • Keine Virtualisierung des Betriebssystems, sondern eine Art der »User-Space-Virtualisierung« auf Basis von Kernel Features.

Was ist ein Container von Julia Evans

Beispiel einer Software in Containern

Automatisierung mit Containern

  • Mit Container-Technologie lässt sich sehr viel (alles) automatisieren

  • Stichwort: GitLab CI/CD (später mehr dazu)

  • Stichwort: Infrastructure as Code (IaS)

  • Werkzeuge: Ansible, Salt, Puppet, Vagrant, GitLab CI/CD, GitHub Actions..

Container können...

  • Unabhängig voneinander gewartet und aktualisiert werden

  • Können in unterschiedlichen Versionen betrieben werden

  • Beeinflussen sich nicht gegenseitig

Container 101

  • Container enthalten eine Software und alle Abhängigkeiten

  • Gestartet wird ein Container aus einem Abbild (engl. image)

  • Container verhalten sich auf allen Maschinen gleich (Entwickler-Maschine, Server, Cloud-Anbieter, ...)

  • FĂĽr die Software sieht der Container aus wie eine eigene Maschine

  • Die Software weiĂź nicht, dass sie in einem Container steckt

  • Wird ein Container gelöscht, werden keine Konfigurationsreste auf dem Host / dem Betriebssystem hinterlassen

Daumenregel: Ein Dienst pro Container

Möglichkeiten mit Containern

Beispiel Microservices

Alles auf einer Maschine oder jeder Dienst in einem eigenen Container?

  • Container können ĂĽber verschiedene Maschinen verteilt werden

Container und Netzwerke

Container können über eigene Netzwerke miteinander kommunizieren

Nutzung von Standard-Ports in Containern

Reverse Proxy

Ein Reverse Proxy löst dabei so manche Probleme einzelner Maschinen...

Container Umgebungen

Docker Compose

Um mehrere Container zu orchestrieren kann Composegenutzt werden:

version: '3'
services:  my_db:
    image: postgres:9-alpine
    environment:
      POSTGRES_DB: mydb
      POSTGRES_PASSWORD: topsecret
      POSTGRES_USER: user1
volumes:
  - db-data:/var/lib/postgresql/data
restart: always
networks:
  - my_network

  • Eine Konfigurationsdatei: docker-compose.yml

  • Container werden mit docker-compose up gestartet

  • Container werden mit docker-compose down gestoppt

Vorsicht bei fertigen Images

  • Am Beispiel des postgres-Images

  • Was steckt in dem Image?

  • Wirklich nur die Datenbank?

  • Vielleicht ein BitCoin Miner?

  • Vielleicht ein SpamBot?

  • Vielleicht ein Skript das alles DB-Einträge an jemanden ĂĽbermittelt?

  • Beim offiziellen Image weniger kritisch

Image erstellen

Wie bekommt man Software in einen Container?

  • Docker installieren (Linux, Windows, macOS)

    • Variante 2: Eigenes Image »bauen«, Container starten

FROM alpine
RUN apk --no-cache add inotify-tools jq openssl util-linux bash
COPY dumpcerts.sh /dumpcerts.sh
RUN chmod +x /dumpcerts.sh
COPY entrypoint.sh /entrypoint.sh
ENTRYPOINT [ "/entrypoint.sh" ]

  • In einem File, z.B. Dockerfile

Aufgabe

  1. Docker installieren

    1. Docker Desktop (Windows, Mac, Linux): https://www.docker.com/products/docker-desktop/

    2. Install Docker Engines: https://docs.docker.com/engine/install/

  2. Erstellen Sie ein Dockerfile auf Basis dessen Sie ein Image erstellen werden.

  3. Installieren Sie in Ihrem Image nginx als Webserver. Hinweis: Nutzen Sie hierfĂĽr nicht das nginx Image.

  4. Erstellen Sie eine Default-Seite (index.html), die von Ihrem Webserver standardmäßig angezeigt wird.

  5. Die index.html Datei soll auf Ihrem Host System vorliegen und via Volume oder Bind Mount innerhalb des Containers bereitgestellt werden.

  6. Stellen Sie sicher, dass nginx mit dem Starten des Containers startet.

  7. Routen Sie den Port 8080 auf den Port 80 Ihres Containers und öffnen Sie die Datei vom Browser Ihres Hostsystems via (http://localhost:8080/index.html)

  8. Ă„ndern Sie die Datei auf dem Host-System und laden Sie die Datei neu im Browser.

  9. Erstellen Sie eine README.TXT und notieren Sie die Zeile wie der Container ĂĽber die Kommandozeile gebaut und gestartet werden kann.

Bewertungskriterien

  • Das Image wird auf Basis des bereitgestellten Dockerfile und der README.TXT erstellt und der Container gestartet.

  • Die bereitgestellte index.html wird via http://localhost:8080 abgefragt.

  • Im Anschluss wird die index.html auf dem Host-System verändert und neu im Browser geladen, die Ă„nderungen sollen sich hierbei widerspiegeln.

Referenzen

[1] c't wissen Docker DOCKER – Komplexe Software einfach einrichten, Heise Medien GmbH, 2019

[2] Offizielle Docker Dokumentation: https://docs.docker.com/

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