Container (Docker, Podman und co)

Bereits 1979 konnten schon sehr einfache Prozessisolationen mittels chroot auf UNIX V7 Systemen ermöglicht werden. Die Prozessisolationen von 1979 sind jedoch nicht vergleichbar mit den Isolationen heutiger Container Technologien wie Docker, Podman und co. Im Jahr 2000 erschien FreeBSD Jail als die erste Technologie für Container. Mit FreeBSD Jail ließen sich damals bereits Ressourcen virtualisieren und Netzwerkschnittstellen mit separaten IP-Adressen bestücken.

In den folgenden Jahren erschienen verschiedene weitere Softwares, welche einen ähnlichen Ansatz verfolgten. Durch eine Initiative von Google, mit dem Ziel für eine Technik zur Ressourcenbegrenzung von einzelner virtueller Instanzen, welche in den Linux-Kernel mit integriert wurde, entstand 2008 LXC. Mit den damals innovative Schnittstellen, welche von LXC mit geliefert wurden, konnten Entwickler:innen mit verschiedenen Programmiersprachen wie Python, Ruby und Java LXC um ihre Bedürfnisse erweitern, was letztlich zur großen Beliebtheit von LXC führte. Im  März 2013 wurde Docker auf Grundlage von LXC veröffentlicht. Mit der Gründung der Open Container Initiative (OCI) im Jahr 2015, welche sich zum Ziel gesetzt hatte, einen offenen Standard im Umgang und der Entwicklung von Containern, verlagerte sich der Fokus von Docker von LXC weg und somit wurde die Bibliothek libcontainers entwickelt. Diese ist mit allen gängigen Betriebssystemen und Container Runtimes kompatibel. 

Mehr zu LXC: LXC 

Mehr zu Docker: Docker (Software) 

Die grundlegende Motivation hinter Container Technologien wurde 1979 bereits mit einfachen Mechanismen, dem chroot, ermöglicht. Der Gedanke bzw der Wunsch war es Prozesse in einer separaten Dateisystemumgebung auszuführen ohne dass andere Prozesse mit diesen interagieren konnten. Das Ziel war ganz klar die Erzeugung von Prozess-Isolationen und  Verbesserungen der Sicherheiten. Aus diesem Konzept entstanden in den 2000er Jahren Linux Namespaces und Control Groups (cgroups), welche Prozesse effizienter isolieren und die Ressourcennutzung verbessert. Diese Techniken bilden die Grundlage der heutigen Container Technologien.

Mit der Zeit etablierten sich weitere Motivationen auf Container Technologien zu setzen.

"It works on my machine"

Sprüche wie diese stellen ein fundamentales Problem in der Zusammenarbeit und dem Release-Management von Softwares dar. Mit Virtuellen Maschinen haben die entwickelnden Personen die Möglichkeit ihre Umgebungen so zu konfigurieren wie sie es benötigen. Gerade hierbei kann es schnell dazu kommen, dass jemand eine andere Version einer wichtigen Bibliothek installiert hat und somit kann es dazu kommen, dass die Software nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert.

Um solche Situationen zu unterbinden, dass verschiedene Betriebssysteme, Bibliotheksversionen oder andere Abhängigkeiten aktiv Einfluss auf die Entwicklung haben, bestand der Wunsch nach System übergreifender Konsistenz. Mit heutigen Containern lassen sich einfach standardisierte Umgebungen schaffen, welche alle benötigten Abhängigkeiten, wie bestimmte Bibliotheken oder ähnliches, gekapselt enthalten und dies somit überall gleich ausführbar macht.

Effizienz im Vergleich zu virtuellen Maschinen (VMs)

Gerne wird an dieser Stelle argumentieren, das könnte man mit entsprechenden virtuellen Maschinen, wie Virtualbox, VMWare, Vagrant und co, ebenfalls ermöglichen. Dies ist auch soweit korrekt. Jedoch reduzieren Container, im Gegensatz zur einer klassischen VM, die Ressourcenbenutzung auf dem Betriebssystem erheblich. Während virtuelle Maschinen die Ressourcen gerne mehrfach abbilden, um entsprechend sich selbst zu isolieren, so arbeitet ein Container deutlich “leichtgewichtigter”. Eine virtuelle Maschine benötigt, damit diese im allgemeinen funktionieren kann immer ein Betriebssystem mit einem funktionierendem Kernel. Ein Container übersetzt die entsprechenden Sys-Calls per Container Runtime an den Kernel des Host Betriebssystem und benötigt somit kein eigenes Betriebssystem. Das heißt Container und Host teilen sich den selben Kernel.

Dies führt dazu, dass der Container deutlich weniger Ressourcen Overhead (CPU, RAM) erzeugt und deutlich effizienter arbeitet. Durch den geringeren Ressourcen Overhead und der Implementation der Container, lassen sich einfach und effizient mehrere Container auf der selben physischen Hardware betreiben und dem entsprechend skalieren.

Dank der geringere Größe kann der Container, je nach Konfiguration und Image, in wenigen Sekunden starten. Eine VM benötigt zu meist Minuten. Solche schnellen Iterationsgeschwindigkeiten sind für Betrieb mit variablen Skalierungen enorm wichtig.

Skalierbarkeit und Automatisierung

Mit der Entstehung des Cloud-Computing entstand die Notwendigkeit Anwendungen dynamisch skalieren zu können. Dank der enormen Iterationsgeschwindigkeit und der effizienten Ressourcenverwaltung von Containern, haben sich Container als das Medium für ein skalierten Betrieb von Anwendungen etabliert. Im Jahr 2015 erschien, durch die Initiative von Google, das Container-Orchestrierungstool Kubernetes. Kubernetes bietet durch seine Ansätze die perfekte Möglichkeit Anwendungen im großen Stil zu betreiben und automatisch zu verwalten.  

In den darauf folgenden Jahren gab es verschiedene “Bastel”-Ansätze ebenfalls VM’s in eine Kubernetes Cluster zu betreiben. Diese haben sich jedoch nicht durchgesetzt.

Dank der enormen Möglichkeit an Automatisierungen entstanden verschiedene Ansätze den Release-Zyklus zu optimieren und dedizierte Entwicklungsstände bereitzustellen. Solche Konzepte lassen sich nahtlos in eine CI/CD-Pipeline integrieren.

Container-Technologien haben sich als unverzichtbares Werkzeug in der modernen IT-Infrastruktur etabliert. Ihre Entwicklung begann mit einfachen Prozessisolationen und hat sich bis zu hochentwickelten Orchestrierungslösungen wie Kubernetes weiterentwickelt. Die Vorteile liegen auf der Hand: Container bieten eine effiziente, plattformunabhängige und skalierbare Möglichkeit zur Bereitstellung und Verwaltung von Anwendungen.

Durch die Reduzierung von Ressourcen-Overhead im Vergleich zu virtuellen Maschinen ermöglichen Container eine optimierte Nutzung der Hardware und eine schnellere Bereitstellung von Software. Dies verbessert nicht nur die Entwicklung und das Testing, sondern erleichtert auch den Betrieb und die Automatisierung großer Anwendungen in der Cloud oder auf Edge-Geräten.

Dank offener Standards, wie sie von der Open Container Initiative (OCI) definiert wurden, sind Container plattformübergreifend einsetzbar und sorgen für Konsistenz zwischen Entwicklungs-, Test- und Produktionsumgebungen.

Ob für Microservices, Cloud-Computing, Edge-Computing oder KI-Anwendungen – Container sind die Grundlage für eine zukunftssichere, flexible und automatisierte IT-Landschaft. Ihr Einfluss wird weiter wachsen, da sie Unternehmen helfen, effizienter, sicherer und agiler zu arbeiten.