Containerization چیست؟ + مزایا و معایب مهم

Containerization چیست؟ Containerization یکی از فرایندهایی است که برای استقرار (Deployment) نرم‌افزار مورد استفاده قرار می‌گیرد. تا حالا برایتان پیش آمده که بخواهید یک نرم‌افزار را روی سیستم خودتان نصب کنید، اما به‌خاطر تنظیمات مختلف یا وابستگی‌های (Dependency) مختلف، انجامِ این کار برایتان سخت شده باشد؟ نمونه‌ی بارز آن را حتماً در نصب نسخه‌های مختلف .NET برای نرم‌افزارهای ویندوزی دیده‌اید. در این مطلب از بخش کانتینر ابری در بلاگ پارس‌پک به معرفی و کاربرد Containerization، مزایا و چالش‌هایش و همچنین مقایسه کانتینر (Container) و ماشین مجازی (Virtual machine) پرداخته‌ایم.

کاربرد Containerization

یکی از مهم‌ترین کاربردهای کانتینری کردن این است که شما می‌توانید نرم‌افزارتان را در هر محیطی اجرا کنید. در این روش، نرم‌افزار به همراه تمام فایل‌ها و کتابخانه‌هایی که برای اجرا در هر زیرساختی به آن‌ها نیاز دارد، بسته‌بندی (Bundle) می‌شود. این یک تعریف خیلی ساده و مختصر از کانتینری کردن است. با همین تعریف، می‌توان به این نتیجه رسید که Containerization تا چه اندازه می‌تواند روند توسعه‌ی نرم‌افزارها را ساده‌تر کند. به‌عنوان مثال، فرض کنید که شما یک برنامه دارید که نیاز به نسخه‌ی خاصی از پایتون (Python) و یک کتابخانه‌ی خاص دارد. اگر از کانتینرها در توسعه نرم‌افزار استفاده کنید، دیگر نیاز نیست که نگرانِ این باشید که نرم‌افزار روی چه سیستمی اجرا می‌شود؛ چون روی همه‌ی سیستم‌ها، همه چیز به‌صورت صحیح کار می‌کند.

Containerization مثل یک جعبه ابزار عمل می‌کند؛ به این صورت که تمام کتابخانه‌ها، فایل‌ها و تنظیماتی که برای اجرای صحیح نرم‌افزار نیاز دارید، داخل این جعبه قرار می‌گیرد و به این ترتیب شما می‌توانید نرم‌افزارتان را روی هر سیستم عاملی و در هر حالتی اجرا کنید.

۴ مورد از مزایای کانتینری کردن نرم‌افزار

این فرایند جز اجرا کردن نرم‌افزار در هر محیط، مزایای دیگری نیز دارد که در ادامه به مهم‌ترین آن‌ها می‌پردازیم:

۱- قابلیت حمل (Portability)

اولین و مهم‌ترین مزیت استفاده از Containerization‌ برای توسعه‌دهندگان، استفاده از نرم‌افزار در چندین محیط مختلف، بدون نیاز به بازنویسی کدهای برنامه است. به‌عبارت دیگر، توسعه نرم‌افزار با استفاده از کانتینرها به توسعه‌دهندگان این امکان را می‌دهد که یک بار یک نرم‌افزار را توسعه دهند و آن را رویِ چندین سیستم‌عامل اجرا یا deploy کنند.
به‌عنوان مثال، با این روش می‌توان از همان کانتینر، هم روی سیستم‌عامل ویندوز و هم روی سیستم‌عامل مک استفاده کرد. حتی می‌توان کدهای برنامه‌های قدیمی را با استفاده از کانتینرها برای دیپلوی شدن روی نسخه‌های مدرن، ارتقا داد.

۲- مقیاس‌پذیری (Scalability)

کانتینرها از جمله کامپوننت‌های (Component) نرم‌افزاری هستند که در اصطلاح هم سبک (Lightweight) هستند و هم کارایی بالایی دارند. به همین دلیل، یک ماشین مجازی می‌تواند یک برنامه که از Containerization استفاده کرده است را سریع‌تر اجرا کند؛ چرا که بر اساس اتوماسیون استقرار کانتینرها، اصولاً نیازی به بوت شدن (Boot) سیستم‌عامل ندارد.
به همین دلیل، توسعه دهندگان نرم‌افزارها در عمل می‌توانند چندین کانتینر را برای برنامه‌های مختلف، در یک دستگاه اضافه کنند. همچنین اگر چه کلاستر کانتینر از منابع محاسباتی یک سیستم‌عامل به‌صورت مشترک استفاده می‌کند، اما عملکرد یک کانتینر روی کانتینرهای دیگر تداخلی ایجاد نمی‌کند.

۳- خطاپذیری (Fault Tolerance)

استفاده از Containerization به تیم‌های توسعه این امکان را می‌دهد تا اپلیکیشن‌هایی بسازند که در اصطلاح، مقاوم به خطا (Fault-Tolerant) هستند. این تیم‌های معمولاً از استقرار کانتینرها در سرورهای ابری برای اجرای میکروسرویس‌ها (Microservices) استفاده می‌کنند. از آن‌جا که میکروسرویس‌های کانتینری در فضاهای کاربری ایزوله کار می‌کنند، اگر حتی یکی از این کانتینرها هم با مشکل ایجاد شود، روی عملکرد سایر کانتینرها اثر نمی‌گذارد.

۴- چابکی (Agility)

با توجه به این‌که برنامه‌های تولید شده با استفاده از Containerization در محیط‌های محاسباتی ایزوله اجرا می‌شوند، توسعه‌دهندگان این امکان را دارند تا کُدهای برنامه را بدون تداخل با سیستم‌عامل، سخت‌افزار و یا سایر سرویس‌های برنامه، عیب‌یابی و تغییر دهند.

۴ مورد از مهم‌ترین چالش‌های کانتینری کردن

اگر چه مزایای کانتینری کردن نرم‌افزارها آن‌قدر مهم است که توسعه‌دهندگان تمایل زیادی به استفاده از آن دارند، اما به هر حال هیچ تکنولوژی و فرایندی هم بدونِ چالش نیست. مهم‌ترین چالش‌های این کار را در ادامه توضیح می‌دهیم:

۱- یادگیری ابزارهای جدید

یکی از اولین چالش‌‌های اجرای کانتینر، یادگیری ابزارها و مفاهیم جدید است. به‌عنوان مثال، شما ابتدا می‌بایست مفاهیم مجازی‌سازی و سیستم‌های کانتینری را یاد بگیرید. سپس با ابزارهایی مثل Docker و Kubernetes آشنایی پیدا کنید.

۲- امنیت کانتینرها

امنیت در انجام کانتینر همیشه یکی از دغدغه‌های توسعه‌دهندگان است. اگر چه Containerization به شما این امکان را می‌دهد که برنامه‌ها را به‌صورت ایزوله اجرا کنید. با این وجود درصورت عدم انجام صحیح تنظیمات امنیتی، امکان دسترسی افراد مختلف به اطلاعات حساس نرم‌افزارها، وجود دارد.

۳- هماهنگی بینِ کانتینرهای مختلف

هماهنگی بین کانتینرهای مختلف روی یک ماشین، یکی دیگر از چالش‌های اجرای کانتینر در نرم‌افزارها است. به‌عنوان مثال، فرض کنید که یک وب‌اپلیکیشن دارید که از یک کانتینر برای پایگاه داده و از یک کانتینر دیگر برای سرور وب استفاده می‌کند. در صورتی‌که کانتینرها به‌صورت صحیح پیکربندی (Configuration) نشده باشند، این امکان وجود دارد که سرور وب نتواند به اطلاعات پایگاه داده دسترسی پیدا کند. این موضوع می‌تواند باعث اختلال در عملکرد برنامه شود.

۴- تفاوت در نحوه‌ی دیباگ کردن

چالش دیگر برای توسعه‌دهندگان در روند Containerization نرم‌افزارها، مسئله‌ی دیباگ (Debug) کُدها است. به‌طور کلی، روند دیباگ کردن کدها در حالت سنتی، کاملاً متفاوت با حالتی است که از اتوماسیون استقرار کانتینرها استفاده می‌کنید.
به‌عنوان مثال، فرض کنید که نرم‌افزار شما در محیط لوکال (Local)، کاملاً درست کار می‌کند؛ اما وقتی آن را داخل کانتینر قرار می‌دهید، با مشکل مواجه می‌شود. در این حالت باید به بررسی مشکلات مربوط به نسخه‌ کتابخانه‌ها یا تنظیمات کانتینر بپردازید.

لایه‌های Containerization

برای اینکه با نحوه‌ی کار کانتینریزیشن آشنا شویم، باید نگاهی دقیق‌تر به اجزای مختلف آن بیندازیم و ببینیم که این اجزا چطور از سخت‌افزار تا اپلیکیشن کانتینری در کنار هم قرار می‌گیرند و یک سیستم را تشکیل می‌دهند:

۱- زیرساخت سخت‌افزاری

هر اپلیکیشنی به منابع سخت‌افزاری نیاز دارد. این اولین لایه از Containerization است. این منابع می‌تواند از یک لپ‌تاپ شخصی شروع شود یا حتی برای پروژه‌های بزرگ‌تر، در دیتاسنترهای ابری توزیع شود. بدون این منابع سخت‌افزاری، کانتینرها امکان کار کردن ندارند.

۲- سیستم عامل میزبان

لایه‌ی بعدی که روی سخت‌افزار قرار می‌گیرد، سیستم عامل میزبان است. این سیستم عامل می‌تواند ویندوز، لینوکس و یا هر سیستم عامل دیگری باشد که یا روی کامپیوتر شما اجرا شده و یا به‌صورت کامل توسط یک ارائه دهنده‌ی خدمات ابری، مدیریت می‌شود.

۳- موتور کانتینر

اینجا است که ماجرا جالب می‌شود: موتور کانتینر روی سیستم عامل میزبان اجرا می‌شود و منابع را برای اپلیکیشن‌های کانتینری، مجازی‌سازی می‌کند. ساده‌ترین مثال از این لایه، اجرای Docker روی کامپیوتر شخصی شما است.

۴- اپلیکیشن‌های کانتینری

اپلیکیشن‌های کانتینری واحدهایی از کد هستند که شامل تمامی کتابخانه‌ها، فایل‌های باینری و تنظیماتی می‌شوند که اپلیکیشن برای اجرا به آن‌ها نیاز دارد. این اپلیکیشن‌ها به‌صورت یک فرایند ایزوله در فضای کاربری (User Space)، یعنی جایی خارج از هسته‌ی سیستم عامل، اجرا می‌شوند.

مقایسه کانتینر و ماشین مجازی

کانتینرها و ماشین‌های مجازی، هر دو ابزارهایی هستند که به توسعه‌دهنده این امکان را می‌دهند که برنامه‌های خود را به‌صورت کاملاً ایزوله اجرا کنند. اما با این حال تفاوت‌های مهمی هم با هم دارند. در ادامه در مورد این تفاوت‌ها توضیح داده‌ایم:

۱- ساختار و نحوه‌ی اجرا

ساختار کلی ماشین‌های مجازی، به‌طور کلی با Containerization متفاوت است. در واقع ماشین مجازی، رفتار یک سیستم‌عامل را به‌صورت کامل شبیه‌سازی می‌کند. این یعنی ماشین‌های مجازی، علاوه بر سیستم‌عامل، کتابخانه‌ها و همچنین برنامه‌های مختلف را روی خودشان دارند. اما کانتینرها فقط خود برنامه و وابستگی‌های (Dependency) مربوط به آن را بسته‌بندی و با سیستم‌عامل میزبان به اشتراک می‌گذارند.
برای درک عمیق‌تر این موضوع، فرض کنید که دو برنامه دارید که یکی روی ویندوز (Windows) و دیگری روی لینوکس (Linux) اجرا می‌شود. ماشین مجازی به شما این امکان را می‌دهد تا دو سیستم‌عامل مختلف روی سیستم خودتان داشته باشید و از این طریق هر دو نرم‌افزار را اجرا کنید؛ اما با کانتینر، شما از یک سیستم‌عامل میزبان (مثلاً لینوکس) استفاده می‌کنید و هر برنامه را بدون اینکه نیاز به سیستم‌عامل دیگری داشته باشید، به‌صورت ایزوله داخل کانتینر اجرا می‌کنید.

۲- تفاوت در منابع موردنیاز

ماشین‌های مجازی به طور کلی یک سیستم‌عامل را به‌صورت کامل شبیه‌سازی می‌کنند؛ به همین دلیل هم نیاز به منابع سخت‌افزاری بیشتری دارند. اما کانتینرها سبک‌تر هستند. در واقع کانتینرها فقط نیازمندی‌های خود نرم‌افزار را دربرمی‌گیرند؛ در نتیجه، به منابع کمتری نیاز دارند.

۳- سرعت راه‌اندازی

کانتینرها سرعت راه‌اندازی بیشتری نسبت به ماشین‌های مجازی دارند. دلیل این امر، آن است که ماشین‌های مجازی باید کل سیستم‌عامل را بوت کنند تا برنامه‌ها اجرا شوند؛ به همین دلیل، به زمان بیشتری برای راه‌اندازی نیاز دارند. اما کانتینرها با توجه به عدم نیاز به بوت کردن سیستم‌عامل، راه‌اندازی خیلی سریع‌تری دارند.
به‌عنوان مثال اگر از ماشین مجازی ویندوز برای اجرای یک نرم‌افزار استفاده کنید، باید کل سیستم‌عامل به‌صورت کامل بوت (boot) شود؛ تا امکان استفاده از نرم‌افزار را داشته باشید. اما اگر نرم‌افزار موردنیازتان با استفاده از اصول پایه کانتینری کردن ساخته‌ شده‌باشد، خیلی سریع لود می‌شود.

۴- تفاوت در سطح ایزولاسیون

یکی دیگر از مواردی که در مقایسه کانتینر و ماشین مجازی می‌توان به آن اشاره کرد، مسئله‌ سطح ایزولاسیون است. هر ماشین مجازی، به‌صورت کامل از بقیه‌ی ماشین‌ها، جدا است. یعنی هر کدام سیستم‌عامل مختلفی دارند. این سیستم عامل‌ها اصولاً ارتباطی به یکدیگر ندارند. اگر چه که کانتینرها هم سطحی از ایزولاسیون را انجام می‌دهند، اما با توجه به اینکه همه‌ی آن‌ها از یک سیستم‌عامل استفاده می‌کنند، سطح جداسازی کمتری نسبت به ماشین‌های مجازی دارند.
فرضاً اگر دو نرم‌افزار داشته باشید که یکی از آن‌ها نیاز به دسترسی به داده‌های حساس دارد، با استفاده از ماشین‌های مجازی به‌جای Containerization، نگرانی کمتری بابت دسترسی غیرمجاز به فایل‌ها دارید. دلیل این امر هم آن است که با کمک ماشین‌های مجازی، هر برنامه روی یک سیستم‌عامل مجزا اجرا می‌شود.

جمع‌بندی

Containerization یا کانتینری کردن، یکی از مفاهیم کلیدی دنیای توسعه‌ی نرم‌افزارها است. این ویژگی به توسعه‌دهندگان امکان اجرای نرم‌افزارها روی هر سیستم‌عاملی را تنها با انجام یک بار کُدنویسی، می‌دهد. در این مقاله به معرفی همه نکات مهم و ضروری در این رابطه پرداختیم.

سؤالات متداول

Containerization چیست؟

Containerization یا کانتینری کردن نرم‌افزارها، فرایندی است که در آن خود نرم‌افزار به همراه تمام وابستگی‌ها (Dependency) آن، با یکدیگر Bundle شده و به این ترتیب، امکان اجرای آن در تمام محیط‌ها و سیستم‌ عامل‌ها فراهم می‌شود.

آیا امنیت در کانتینری کردن، نسبت به ماشین مجازی کمتر است؟

اگر چه ماشین‌های مجازی امکان استفاده از سیستم‌های کاملاً ایزوله را به کاربران می‌دهند و امنیت بیشتری نسبت به کانتینرها دارند؛ اما با استفاده از تنظیمات امنیتی صحیح، ملاحظات امنیتی در کانتینرها را نیز افزایش داد.

مهم‌ترین مزایای کانتینری کردن نرم‌افزارها چیست؟

قابلیت اجرای نرم‌افزار در هر محیط و سیستم‌عامل، صرفه‌جویی در منابع و همچنین مقیاس‌پذیری، از جمله مهم‌ترین مزایای کانتینری کردن نرم‌افزارها است.

مهم‌ترین چالش‌های کانتینری کردن چیست؟

نیاز به یادگیری ابزارها و مفاهیم جدید، نیاز به اعمال تنظیمات امنیتی دقیق‌تر، تفاوت در نحوه‌ی دیباگینگ و همچنین برخی مشکلات در هماهنگی میان کانتینرهای مختلف، از جمله مهم‌ترین چالش های کانتینری کردن نرم‌افزارها است.