Контейнеры Windows Server 2016, работающие от Docker Engine

Необходимо понимать, что Windows Server 2016 не может запускать контейнеры Linux в формате Docker, а только контейнеры Windows. Зачем? Поскольку для Linux-контейнеров требуются API-интерфейсы Linux из ядра-хозяина, а для контейнеров Windows Server требуются API-интерфейсы Windows для ядра Windows-хоста.

Однако процесс управления контейнерами Linux и Windows строго идентичен. Следующая схема описывает платформу Docker:

Платформа Docker

Ниже приведен краткий обзор жаргонов Windows Containers с их значением:

• Container Host: физическая или виртуальная компьютерная система, настроенная с использованием функции Windows Containers
• Container Image: Изображение контейнера содержит базовую операционную систему, приложение и все зависимости приложения, которые необходимы для быстрого развертывания контейнера.
• Container OS Image: Изображение операционной системы контейнера — это среда операционной системы.
• Container Registry: изображения контейнеров хранятся в реестре контейнеров и могут быть загружены по требованию. Это место, где публикуются изображения контейнеров. Реестр может быть удаленным или локальным.
• Docker Engine: Это ядро ​​платформы Docker. Облегченное время выполнения контейнера, которое создает и запускает ваш контейнер.
• Docker file: файлы Docker используются разработчиками для создания и автоматизации создания изображений контейнеров. С файлом Docker демон Docker может автоматически создавать образ контейнера.

Docker предоставляет центральный репозиторий, называемый Docker Hub ( https://hub.docker.com/ ), общедоступный реестр контейнерных приложений, поддерживаемый Docker. Контейнерные изображения могут быть опубликованы непосредственно в этом репозитории для совместного использования с сообществом Docker. На Docker Hub уже много изображений. Например:

Вы можете запустить частный репозиторий локально. Посредством этого URL-адреса Microsoft имеет собственный публичный и официальный репозиторий: https://hub.docker.com/u/microsoft/

Контейнеры Windows на практике

Перед развертыванием контейнеров Windows вы должны подготовить свою среду с некоторыми предварительными условиями. Для этого вы можете использовать физическую или виртуальную машину, это зависит от вас. В нашем случае мы будем использовать виртуальную машину со следующими характеристиками:

• Система под управлением Windows Server 2016 (или Windows 10). Это самая важная предпосылка. Советуем вам работать с версией Datacenter из-за лицензирования (больше информации в конце статьи). Вы можете использовать Windows Server Core для своего контейнера, а не версию Windows, которая включает полный пользовательский интерфейс.
• Разрешения администратора на хосте контейнера
• Минимальное свободное пространство для хранения изображений и сценариев развертывания
• Ваш сервер должен быть современным

Хорошо, давайте начнем с установки функции Windows Containers на хосте контейнера. Для выполнения этой задачи запустите следующую команду PowerShell:

Windows контейнеры и Docker

Начиная с Windows Server 2016 в операционной системе от Microsoft включена нативная поддержка контейнеров. Это не Linux контейнеры, это контейнеры, которые работают на Windows, и запускают Windows внутри себя.

Данный факт является результатом присоединения Microsoft к Open Container Initiative (OCI). Контейнеры в Windows позволяют запускать приложения, которые изолированы от остальной части системы в переносимых контейнерах. Эти контейнеры включают в себя все, чтобы ваше приложение было полностью функциональным. Так же как это произошло с Linux, Microsoft надеется, что контейнеры изменят характер поставки программного обеспечения для пользователей и в Windows.

Контейнеры являлись основой вычислений в Linux в течение целого ряда лет. Google, например, уже очень давно использует решения, основанные на контейнерах по всей своей империи, чтобы предоставлять распределенные приложения не только своим сотрудникам, но и своим пользователям по всему миру.

Тем не менее, Google не был долгое время одинок в своем увлечении контейнерными вычислениями. В какой-то момент из ниоткуда появился Docker, который в отличии от Google стандартизировал процессы доставки контейнеров, а также управления ими. Более того, Docker развивался сообществом энтузиастов в мире открытого исходного кода, что сделало его простым и очень популярным решением. С развитием проекта Docker буквально у каждого желающего появилась возможность получить скорость, гибкость и простоту управления программным обеспечением и инфраструктурой, которую предоставляют контейнеры.

Docker революция стала настолько значительной, что даже Microsoft присоединился к этой инициативе в первую очередь за счет поддержки Docker и Linux в Azure, а теперь и за счет интеграции этой технологии в Windows Server 2016. Самое интересное это то, что контейнеры Windows Server не основаны на Linux, это нечто совершенно новое. Windows контейнеры — это контейнеры, которые работают в Windows и запускают Windows внутри себя.

Причем Microsoft настолько серьезно стала относится к контейнерам, что сейчас активно участвует в Open Container Initiative (OCI), пытаясь перетягивать одеяло на себя так, как будто бы она сама придумала эту технологию.

Контейнер в Windows имеет много общего с его аналогом в Linux. Оба обеспечивают изолированную среду для запуска приложений. И там и там контейнеры используют передовые технологии изоляции для обеспечения портативной, но одновременно ограниченной среды, которая включает в себя практически все, чтобы приложение могло быть полностью функциональным.

Контейнер очень похож на виртуальную машину (ВМ) и часто рассматривается как отдельный тип виртуализации, но это два совершенно разные понятия. Да, каждый работает под управлением операционной системы (ОС), предоставляет внутри себя локальную файловую систему и может быть доступен по сети так же как физический компьютер. Тем не менее, при использовании ВМ вы имеете дело с полной и независимой ОС вместе с виртуальными драйверами устройств, управлением памятью и другими компонентами, которые добавляют к накладные расходы.

Контейнер переиспользует большее количество общих ресурсов хост-системы нежели виртуальная машина, а значит, он более легкий, быстрее разворачивается и проще масштабируется между различными датацентрами. Таким образом, контейнер может предложить более эффективный механизм для инкапсулирования приложения, обеспечивая ему при этом необходимые интерфейсы хост-системы — все из этого приводит к более эффективному использованию ресурсов и улучшению переносимости приложений.

Microsoft планирует предложить два типа контейнеров в Windows Server 2016: контейнер Windows Server и Hyper-V контейнер. Оба типа функционируют одинаковым образом, и могут быть созданы и управляются одинаково. Там, где они различаются — это в уровне изоляции, который каждый из них обеспечивает.

Контейнер Windows Server разделяет ядро с ОС работает на хост-машине, что означает, что все контейнеры, работающие на этой машине, разделяют одно и то же ядро. В то же время, каждый контейнер поддерживает свой собственный вид на операционную систему, реестр, файловую систему, IP-адреса и другие компоненты, сочетая это с изоляцией, предоставляемой каждому контейнеру при помощи процессов, пространства имен и технологий управления ресурсами.

Контейнер Windows Server хорошо подходит для ситуаций, в которых и основная ОС, и приложения в контейнерах лежат в пределах той же зоны доверия, например для приложений, которые охватывают несколько контейнеров или образуют общую службу. Тем не менее, контейнеры Windows Server обсуждаются в связи с их зависимостью от процесса обновления ОС хост-системы, который может осложнить обслуживание и препятствовать процессам. Например, патч примененный к хосту может сломать приложение, работающее в контейнере. Что еще более важно, в таких ситуациях, как многопользовательские среды, модель разделяемого ядра может раскрыть систему для уязвимостей приложений и кросс-контейнерных атак.

Hyper-V контейнер решает эти проблемы, предоставляя виртуальную машину, в которой нужно запустить контейнер Windows. При таком подходе контейнер больше не разделяет ядро хост-машины и не имеет зависимости от патчей ОС этой машины. Конечно, такой подход означает некоторую потерю скорости и эффективности упаковки, которые вы получаете с обычным контейнером в Windows Server, но взамен вы получаете более изолированную и безопасную среду.

Вне зависимости от типа контейнера, который вы используете, теперь у вас есть возможность использовать контейнеры с такими технологиями Windows как .NET или PowerShell, что не было возможно раньше. Контейнер для Windows предоставляет все необходимое для обеспечения работы приложения на любом компьютере под управлением Windows Server 2016, давая вам тот уровень переносимости, который был не доступен на протяжении большей части истории Windows. Вы можете создавать свои контейнеры локально, делать их доступными процессов для тестирования и контроля качества, а затем отправить их в команде, занимающейся продуктивом, без необходимости беспокоиться о сложных установках и конфигурациях на каждом шаге этого пути.

Контейнеры в Windows Server 2016

В эпоху развития облачных и мобильных технологий приложения задают ритм для инноваций. Контейнеры и связанная с ними экосистема позволяют создавать сервисы нового поколения. До недавнего времени контейнеры были вещью из мира Linux. Но с выходом Windows Server 2016 ситуация изменилась — технологии контейнеризации стремительно ворвались в мир Windows.

Согласно «Википедии», контейнеризация — это система виртуализации на уровне ОС, позволяющая создавать несколько изолированных экземпляров операционной системы на одном узле. Каждый контейнер, в отличие от виртуальной машины, имеет собственное пространство процессов и сетевой стек, но при этом все контейнеры в рамках хоста используют один и тот же экземпляр ядра операционной системы.

По сути, контейнер — это изолированная среда, где приложение может работать, не оказывая воздействия на остальную систему и не подвергаясь при этом воздействию с ее стороны. Контейнеры — это альтернатива привычной виртуализации, когда для создания изолированной среды не требуется эмулировать виртуальное оборудование. Контейнеры создаются за секунды, в отличие от минут для виртуальной машины, поэтому они нашли широкое применение в веб-сервисах с широкими границами масштабируемости.

Контейнеры как технология существуют еще с 80-х годов, то есть они возникли еще до привычных нам виртуальных машин. В 2000-е появились первые коммерческие продукты для организации контейнеров на Linux и Unix (Virtuozzo, HP-UX Containers), а в 2008 году появилась нативная поддержка контейнеризации в ядре Linux (LXC).

В последние годы контейнеры обрели новую популярность с появлением таких продуктов, как Docker и Apache Mesos, которые сделали работу с контейнерами проще, удобнее, расширили границы масштабируемости систем, а также позволили шире применять контейнеры в Enterprise-системах за счёт мощных возможностей управления.

Год назад компания Microsoft сделала первый серьёзный шаг в мир контейнеров, запустив Azure Container Service — облачный сервис контейнеризации на базе Docker Swarm и DC/OS (Apache Mesos). Этот сервис позволяет тысячам заказчиков по всему миру эффективно развёртывать масштабные решения с использованием контейнеров популярных форматов Docker и Mesos на базе ОС Linux.

Концепция контейнеров долгое время оставалась вещью из мира Linux (ну или Unix). Многие разработчики, пишущие на .NET или под SQL Server, кусали локти и завидовали своим коллегам по цеху из мира Linux, которые могли эффективно использовать контейнеры для целей Dev/Test, а потом так же быстро и эффективно переносить контейнеры в продуктивную среду. Windows Server 2016 меняет эту парадигму: теперь контейнеры доступны и для мира Windows, причём сразу в двух лицах — в виде контейнеров Windows Server и в виде контейнеров Hyper-V. Причём Windows Server для контейнеризации использует одну из самых популярных систем в индустрии — Docker.

Кстати, Microsoft идёт по пути скрещивания этих двух по сути параллельных продуктов — Azure Container Service и Windows Server Containers (и да, прошу их не путать). В данный момент идёт раннее тестирование Windows Server Containers в Azure Container Service, записаться можно вот здесь. Так что в будущем Azure Container Service сможет работать не только с контейнерами Linux, но и с контейнерами на базе Windows Server.

Типы контейнеров Windows

Контейнеры в Windows Server 2016 создаются из специальных шаблонов в формате Docker. Вы можете создавать свои шаблоны или воспользоваться богатым выбором из библиотеки Docker Hub. Подключение к контейнеру производится через командную строку, так как собственной графической оболочки контейнер не имеет. Контейнер не нужно патчить или обслуживать — вы просто создаёте новый шаблон контейнера и разворачиваете из него новые контейнеры вместо старого за секунды.

Контейнеры в Windows Server 2016 делятся на два типа:

Контейнеры Windows Server — обеспечивают изоляцию приложений благодаря изоляции процессов и пространств имен. Контейнер Windows Server использует одно ядро ОС совместно с хостом, на котором он работает, и всеми остальными контейнерами на этом узле.

Контейнеры Hyper-V — открывают более широкие возможности изоляции по сравнению с контейнерами Windows Server, так как каждый контейнер запускается в виртуальной машине со специальной легковесной версией ОС. В этой конфигурации каждый контейнер использует свою копию ядра, изолированную от других контейнеров, но при этом он обладает характеристиками обычного контейнера (быстрое развёртывание, использование библиотеки шаблонов Docker, stateless, мощные возможности по управлению).

Принципы работы контейнера Windows

Когда вы начнете использовать контейнеры, то заметите, что они во многом похожи на виртуальные машины. Контейнер работает под управлением операционной системы и содержит файловую систему, к нему можно получить сетевой доступ, что напоминает физический или виртуальный компьютер. При этом у контейнеров и виртуальных машин совершенно разные технология и принцип работы.

При создании контейнеров Windows и последующей работе с ними пригодятся перечисленные ниже основные понятия.

Узел контейнера. Физический или виртуальный компьютер под управлением Windows Server 2016, настроенный для работы с контейнерами Windows. На хосте работают один или несколько контейнеров Windows.

Образ контейнера. По мере того как в файловую систему или реестр контейнера вносятся изменения (например, при установке программного обеспечения), они регистрируются в «песочнице». Во многих случаях может потребоваться зарегистрировать это состояние, чтобы применить внесенные изменения при создании новых контейнеров. В этом и заключается суть образа: после остановки работы контейнера можно либо отключить «песочницу», либо преобразовать ее в новый образ контейнера. Предположим, вы развернули контейнер в образе Windows Server Core. Затем вы устанавливаете в этот контейнер MySQL. Создание нового образа на базе этого контейнера будет происходить аналогично его развертыванию. Этот образ будет содержать только внесенные изменения (MySQL) и при этом работать в виде слоя поверх образа ОС контейнера.

«Песочница». После запуска контейнера все операции записи (изменения файловой системы и реестра либо установка программного обеспечения) регистрируются на уровне «песочницы».

Образ ОС контейнера. Контейнеры развертываются из образов. Образ ОС контейнера — это первый из возможного множества слоев образа, составляющих контейнер. Этот образ представляет собой среду операционной системы. Образ ОС контейнера постоянный, его невозможно изменить.

Репозиторий контейнера. При каждом создании образа контейнера этот образ и его зависимости сохраняются в локальном репозитории. Эти образы можно использовать повторно много раз на узле контейнера. Образы контейнеров также можно хранить в открытом или закрытом реестре (например, Docker Hub), чтобы использовать на многих других узлах контейнеров.

Использование контейнеров Windows

Образ Docker можно создать где угодно, начиная с компьютера разработчика и заканчивая тестовыми и рабочими компьютерами. К тому же его развертывание в любой среде будет выполнено одинаково и за считанные секунды. Благодаря этому появилась развитая и расширяющаяся экосистема приложений, запакованных в контейнеры Docker. При этом в общедоступных репозиториях Docker Hub открытого реестра контейнерных приложений, который Docker обслуживает, в настоящее время опубликовано более 180 000 приложений.

Когда вы упаковываете приложение, образ содержит только само приложение и компоненты, необходимые для его запуска. При необходимости на базе этого образа создаются контейнеры. Кроме того, образ можно создать на основе другого образа, что еще более ускоряет рабочий процесс. Один и тот же образ могут использовать несколько контейнеров, что ускорит их запуск и снизит количество необходимых для этого ресурсов. Например, с помощью контейнеров можно выполнить развертывание микросервисов для распределенных приложений, а также отдельное быстрое масштабирование каждого сервиса.

Так как контейнер содержит все необходимое для запуска приложения, он отличается высокой переносимостью и может запускаться на любом компьютере под управлением Windows Server 2016. Можно создать и протестировать контейнер локально, а затем развернуть его образ на сервере поставщика услуг, а также в частном или общедоступном облаке компании. Адаптивность контейнеров позволяет использовать современные модели разработки приложений в крупномасштабных виртуализированных и облачных средах.

Контейнеры позволяют масштабировать веб-сервисы эффективнее, так как новые экземпляры стартуют в разы быстрее, чем виртуальные машины (плюс виртуальной машине, в отличие от контейнера, еще нужно время на provisioning).

Также контейнеры значительно менее требовательны к оперативной памяти, нежели виртуальные машины.

С помощью контейнеров разработчики могут создать приложение на любом языке. Такие полностью переносимые приложения можно запускать где угодно (на ноутбуке, настольном компьютере, сервере, в частном или публичном облаке) без необходимости изменения кода.

Если вам интересна тема контейнеров в Windows Server 2016, рекомендуем прочитать официальную документацию, статью Марка Руссиновича и посмотреть доклад по теме с конференции Microsoft Ignite.