Contenitori. Subhraveti, D. Containers Beyond the Hype. AppOrbit, 2015.

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1 Luca Cabibbo Architettura dei Sistemi Software dispensa asw640 marzo 2017 Containers are much faster to provision than full-fat virtual machines. Sam Newman 1 - Fonti Subhraveti, D. Containers Beyond the Hype. AppOrbit, Newman, S. Building Microservices: Designing Fine-grained Systems. O Reilly, Chapter 6, Deployment LXC (Linux Containers) Docker 2

2 - Obiettivi e argomenti Obiettivi introdurre la virtualizzazione basata su contenitore e i contenitori confrontare contenitori e macchine virtuali Argomenti dalla virtualizzazione ai contenitori contenitori contenitori LXC contenitori Docker discussione 3 * Dalla virtualizzazione ai contenitori La virtualizzazione di sistema (o virtualizzazione dell hardware) fornisce una o più VM ciascuna VM è un computer virtuale ciò che viene virtualizzato è l hardware del computer in ciascuna VM è poi possibile installare un OS completo ed eseguire applicazioni e servizi VM OS (libraries) OS (kernel) OS (libraries) OS (kernel) virtualizing software (hypervisor) host operating system hardware 4

3 Virtualizzazione basata su contenitore Invece, la virtualizzazione basata su contenitore (containerbased virtualization) chiamata anche OS-level virtualization fornisce uno o più contenitori (container, chiamati anche lightweight container) ciascun contenitore è una macchina che virtualizza sia l hardware di un computer che il kernel di un OS che corrisponde al kernel dell OS host in ciascun contenitore è poi possibile installare un OS (compatibile con quel kernel) ed eseguire applicazioni e servizi Nota terminologica: i contenitori (container) di cui si parla in questa dispensa sono una nozione sostanzialmente diversa dallo stile architetturale Container usato per gli ambienti di esecuzione per componenti ( server) 5 Virtualizzazione basata su contenitore Nella virtualizzazione basata su contenitore ciascun contenitore è un computer dotato di un kernel di OS virtuale (che corrisponde al kernel dell OS host) in ciascun contenitore è poi possibile installare un OS (compatibile con quel kernel) ed eseguire applicazioni e servizi container OS (libs) OS (libs) OS (libraries) virtualizing software (container engine) host operating system hardware 6

4 VM e contenitori a confronto Detto in altro modo una VM (a sinistra) espone un interfaccia che è quella dell hardware di un computer un contenitore (a destra) espone un interfaccia che è quella del kernel di un OS l interfaccia delle chiamate di sistema del kernel containerized OS container VM 7 VM e contenitori a confronto Attenzione però un istanza di VM (a sinistra) di solito comprende anche l OS e le applicazioni che vi sono installate in modo analogo, un istanza di contenitore (a destra) comprende anche le librerie dell OS e le applicazioni che vi sono installate attenzione: talvolta i termini contenitore e istanza di contenitore sono usati come sinonimi VM OS (libraries) OS (kernel) container OS (libs) 8

5 VM e contenitori a confronto La virtualizzazione di sistema è molto flessibile poiché ogni VM ha un proprio OS completo e delle proprie applicazioni ma questa flessibilità non è sempre richiesta ogni contenitore è comunque in grado di consentire l esecuzione delle proprie applicazioni anche senza avere un proprio OS completo e indipendente da quello dell host inoltre la flessibilità della virtualizzazione di sistema richiede comunque un prezzo da pagare infatti una VM (rispetto ad un contenitore) richiede una quantità di risorse maggiori sul sistema host come l occupazione di memoria e del disco può introdurre un overhead di esecuzione maggiore ad es., in caso di compiti con un I/O intensivo richiede un tempo maggiore per l avvio e per il riavvio, in caso di fallimento 9 VM e contenitori a confronto I contenitori hanno vantaggi e svantaggi complementari a quelli della virtualizzazione di sistema i contenitori sono adatti quando è accettabile che l OS dei contenitori sia compatibile con quello dell host (che di solito è un OS Unix o Linux) i contenitori richiedono poche risorse nel sistema host le librerie di sistema di un installazione Linux minimale (Busybox) su Docker richiedono circa 1.1MB le librerie di sistema di Ubuntu server richiedono invece circa 188MB 10

6 * In generale, ogni contenitore ( istanza di contenitore ) viene usato per eseguire una o più applicazioni specifiche (o servizi) lo scopo principale di un contenitore (container o lightweight container) è definire l ambiente di esecuzione virtuale richiesto da un insieme specifico di applicazioni come una VM, un contenitore può contenere tutte le librerie di sistema, il middleware, le risorse e tutti i pezzi di software necessari per eseguire le sue applicazioni mantenendo comunque un isolamento (in termini di processi, diritti, file, ecc.) dal sistema host e dagli altri contenitori diversamente dalle VM, i contenitori non richiedono un hypervisor sull host non contengono tutto l OS con una riduzione delle dimensioni, del carico e dell overhead richiedono un OS compatibile con quello dell host 11 e applicazioni Lo scopo principale di un contenitore è contenere tutto ciò che serve per eseguire una o più applicazioni (o servizi) il contenitore ha lo scopo di disaccoppiare quell applicazione dal sistema host sottostante risolvendo tutte le sue dipendenze, ovvero eliminando ogni dipendenza verso il sistema host queste dipendenze comprendono, ad es., librerie di sistema e middleware che devono essere installati e configurati nel contenitore insieme all applicazione di interesse in questo modo il contenitore è un ambiente completo, autonomo e standardizzato di esecuzione per l applicazione la contenitorizzazione garantisce che l applicazione (nel suo contenitore) possa essere rilasciata ed eseguita in modo coerente in una varietà di piattaforme, sia on premise che sul cloud inoltre fornisce un disaccoppiamento sufficiente a consentire la migrazione live di applicazioni/contenitori 12

7 Tipi di contenitori Ci sono due tipologie principali di contenitori in corrispondenza a due tipologie principali di tecnologie per contenitori contenitori pensati per essere usati come un OS (OS container) in cui vengono eseguiti più applicazioni o servizi ad es., un contenitore LXC per eseguire un intero stack LAMP contenitori pensati per contenere ed eseguire una singola applicazione o servizio ( container) ad es., un contenitore Docker per eseguire solo un server web Nginx 13 * LXC I contenitori sono nati nel contesto dei sistemi operativi UNIX e Linux esistono diverse tecnologie per contenitori ad es., LXC, OpenVZ per Linux, Solaris Containers per Solaris, FreeBSD jail per FreeBSD in questa sezione ci concentriamo sui contenitori LXC per Linux Intuitizioni nel kernel Linux, ogni processo può generare altri processi, in modo gerarchico (con una struttura ad albero) un contenitore è un sottoalbero dell intero albero dei processi del sistema a cui sono associate delle risorse (come CPU, memoria e disco) e che viene mantenuto isolato dagli altri contenitori (con le loro risorse) l OS di un contenitore può essere diverso dall OS dell host ma il kernel deve essere lo stesso ad es., Ubuntu sull host e CentOS in un contenitore 14

8 LXC LXC (Linux Containers) è un insieme di strumenti semplici ma basati su un API potente per creare e gestire contenitori (ovvero, degli ambienti Linux virtuali, isolati tra loro) in una singola macchina Linux (reale o virtuale) LXC consente, tramite l OS host, di creare ed eseguire contenitori con le loro applicazioni ciascun contenitore ha un proprio OS ma non un proprio kernel i contenitori sono isolati sia dall OS host che tra di loro in pratica, i contenitori si comportano come macchine indipendenti i contenitori sono simili per funzionalità alle VM la differenza più importante è che i contenitori sono controllati direttamente dal kernel dell OS host senza la necessità di un hypervisor 15 LXC Ciascun contenitore ha un proprio OS ma non un proprio kernel l OS di un contenitore può essere diverso dall OS dell host ma il kernel deve essere lo stesso Ubuntu CentOS 7 LXC Linux OS (e.g., Ubuntu 14.04) hardware 16

9 LXC LXC combina alcune funzionalità del kernel Linux per fornire l astrazione dei contenitori che sono ambienti di esecuzione isolati per le applicazioni in particolare, le caratteristiche principali su cui si basa LXC sono i control group e i namespace 17 Control group I cgroup sono una caratteristica del kernel Linux per isolare, limitare e misurare l uso di risorse assegnate a un gruppo di processi un control group (cgroup) è un gruppo di processi di solito una collezione gerarchica di processi, che ha radice in un certo processo e comprende tutti i suoi figli (e discendenti) correnti e futuri a cui sono associati dei parametri e/o dei limiti nell uso di risorse (come CPU, memoria, rete, file system, ) ad es., per assegnare al gruppo di processi una certa quota di CPU, memoria di sistema e banda di rete 18

10 Namespace I namespace ( spazio dei nomi ) sono una caratteristica correlata ai cgroup ogni namespace rappresenta una collezione autocontenuta di risorse le risorse richieste da un gruppo di processi a cui sono dati dei nomi virtuali, disaccoppiati dalle loro identità esterne, che poi vengono mappati su delle risorse reali per risorse si intendono, in particolare, identificatori dei processi e degli utenti, risorse di rete, il nome dell host, file nel file system e la comunicazione interprocesso i namespace consentono di disaccoppiare un gruppo di processi dalle risorse reali che gli verranno assegnate evitando possibili conflitti nei nomi e inconsistenze nei riferimenti in pratica, i namespace consentono di separare le risorse di gruppi di processi differenti in modo tale che un gruppo non possa vedere le risorse di altri gruppi 19 e VM a confronto Alcuni benefici dei contenitori (LXC o simili) anche in relazione alla virtualizzazione di sistema i contenitori (LXC) offrono degli ambienti di esecuzione che sono adeguati per molte applicazioni ovvero, un ambiente di esecuzione simile a una distribuzione Linux standard, con un certo livello di controllo e isolamento delle risorse i contenitori sono più leggeri delle VM, poiché condividono il kernel dell host le prestazioni sono quasi native grazie al basso overhead richiesto dall esecuzione dei contenitori i contenitori richiedono una quantità minore di risorse come l occupazione di memoria e del disco è possibile una maggior densità di contenitori per host i contenitori possono essere creati e avviati più velocemente 20

11 e VM a confronto Alcune limitazioni dei contenitori (LXC o simili) anche in relazione alla virtualizzazione di sistema i contenitori non sono una soluzione di virtualizzazione completa l OS di un contenitore deve essere compatibile con l OS dell host attualmente i contenitori sono una soluzione solo per OS Linux e Unix ma non per Windows o Mac OS inoltre, non è possibile, ad es., eseguire Solaris in un contenitore Linux i contenitori non offrono un isolamento completo la sicurezza dipende dal sistema host LXC offre degli strumenti per la gestione dei contenitori sulla base di un API potente ma questa API non è semplice da utilizzare questo ha limitato la diffusione di LXC 21 * Docker Docker è una piattaforma per contenitori per costruire, rilasciare ed eseguire delle applicazioni distribuite in modo veloce, scalabile e semplice Docker fornisce i benefici dei contenitori ma sulla base di una interfaccia applicativa semplice e di un insieme di strumenti che consentono di evitare molte difficoltà legate all uso dei contenitori 22

12 Storia La piattaforma Docker (2013) è stata inizialmente costruita sopra ai contenitori LXC (2008) LXC offre un insieme di funzionalità del kernel di basso livello e spesso difficili da usare direttamente Docker si basa su queste fondamenta per offrire un insieme di strumenti di alto livello e funzionalità più potenti e più semplici da usare Docker è stato un successo immediato ed è utilizzato in produzione da molte aziende poche tecnologie hanno visto un tasso di adozione simile i benefici principali di Docker sono leggerezza, efficienza, semplicità, velocità di provisioning, possibilità di rilascio su una varietà di piattaforme 23 Portabilità Una delle caratteristiche principali di Docker è la portabilità infatti Docker definisce ed è basato su un formato di rilascio portabile per impacchettare un applicazione con le sue dipendenze in una singola entità (un contenitore, appunto) questo formato consente di eseguire l applicazione su OS Linux differenti sostenendo, ad es., la portabilità dall ambiente di test a quello di produzione, indipendentemente dalla distribuzione Linux utilizzata prima di Docker, questa portabilità non era mai garantita pertanto, un contenitore con la sua applicazione può essere trasferito ed eseguito su ogni macchina abilitata a Docker sia on premise che sul cloud 24

13 Altre caratteristiche Altre caratteristiche principali di Docker è ottimizzato per il rilascio di applicazioni o servizi individuali e non per il rilascio di VM, né di VM leggere, come sono i contenitori LXC una delle raccomandazioni di Docker è infatti di eseguire un solo processo per contenitore fornisce strumenti per l assemblaggio di contenitori in modo semplice e automatizzato supporta il versioning e il riuso di immagini e componenti gestisce un registry (Docker Hub) per la condivisione di immagini utili alcune delle quali sono gestite in modo ufficiale supporta la composizione e l orchestrazione di contenitori l ecosistema di strumenti per Docker è molto interessante 25 * Discussione Sia i contenitori che la virtualizzazione di sistema hanno i loro vantaggi e svantaggi la virtualizzazione di sistema offre un isolamento e una generalità maggiore ma al prezzo di un overhead maggiore, poiché ciascuna VM deve eseguire il proprio kernel e OS completo, e per le molte indirezioni i contenitori offrono un isolamento minore ma con un overhead minore, dunque con un miglioramento nelle prestazioni e nell uso delle risorse Pertanto, si può dire che contenitori e virtualizzazione di sistema sono complementari ciascuna tecnologia offre dei vantaggi che potrebbero essere utili in situazioni specifiche 26

14 Discussione È limitativo pensare ai contenitori solo come a una forma leggera di virtualizzazione infatti, i contenitori stanno cambiando in modo significativo il modo in cui i sistemi software distribuiti vengono rilasciati e mandati in esecuzione così come anche il modo in cui vengono progettati e sviluppati l adozione dei contenitori richiede un cambiamento nell architettura del software molto maggiore di quello richiesto dall adozione della virtualizzazione di sistema inoltre, l adozione dei contenitori è così rapida, che nel giro di pochi anni ci si attende un uso regolare dei contenitori (in un qualche modo) in molti sistemi software 27