Deployment-Technologien - eine Einführung
[HTML] https://delors.github.io/ds-containers/folien.de.md.html
[PDF] https://delors.github.io/ds-containers/folien.de.md.html.pdf
Bei der Erstellung der Unterlagen wurden KI Assistenten (insbesondere Claude aber ggf. auch ChatGPT, Ollama mit Gemma/LLama/Qwen oder OpenCode mit Kimi/Qwen/Deepseek...) unterstützend eingesetzt. Dies erfolgte insbesondere zur Unterstützung bei der Generierung von Grafiken (d. h. SVG Dateien), oder um sich Übersichtstabellen generieren zu lassen. Weiterhin wurde KI zur allgemeinen Qualitätssicherung eingesetzt. Inhalte, die ggf. von der KI vorgeschlagen wurden, wurden im Falle der Übernahme explizit validiert und angepasst.
Virtualisierung bezeichnet in der Informatik die Nachbildung eines Hard- oder Software-Objekts durch ein ähnliches Objekt vom selben Typ mit Hilfe einer Abstraktionsschicht.
Dadurch lassen sich virtuelle (d. h. nicht-physische) Geräte oder Dienste wie emulierte Hardware, Betriebssysteme, Datenspeicher oder Netzwerkressourcen erzeugen.
Dies erlaubt es etwa, Computer-Ressourcen (insbesondere im Server-Bereich) transparent zusammenzufassen oder aufzuteilen, oder ein Betriebssystem innerhalb eines anderen auszuführen. Dadurch können u. a. mehrere Betriebssysteme auf einem physischen Server oder „Host“ ausgeführt werden.
Abstraktion der Hardware
Isolation zwischen Anwendungen
Optimale Ressourcennutzung
Flexibilität bei der Bereitstellung
Bare-Metal Virtualisierung: Virtualisierung direkt auf der Hardware
Hosted Virtualisierung: Virtualisierung auf einem Host-Betriebssystem
Containervirtualisierung: Virtualisierung von Systemressourcen eines Betriebssystems; die Container teilen sich jedoch den Kernel des Host-Betriebssystems.
Anwendungsvirtualisierung: Ausführung einer Anwendung in einer exklusiven, teilweise oder vollständig isolierten virtuellen Umgebung.
Bei der Bare-Metal Virtualisierung (auch Type-1 Hypervisor) läuft die Virtualisierungsschicht direkt auf der Hardware, ohne ein Host-Betriebssystem.
Vorteile
Bessere Performance: Kein Overhead durch Host-OS
Höhere Sicherheit: Weniger Angriffsfläche
Direkter Hardware-Zugriff: Optimale Ressourcennutzung
Enterprise-fähig: Für produktive Umgebungen geeignet
Nachteile
Komplexität: Schwerer zu installieren und zu verwalten
Hardware-Abhängigkeit: Hardware-Unterstützung erforderlich
Kosten: ggf. Lizenzkosten für Hypervisor-Software
Beispiele für Bare-Metal Hypervisoren:
Xen
XenServer (zeitweise: Citrix Hypervisor)
KVM (Kernel-based Virtual Machine; Teil des Linux-Kernels)
Insbesondere Proxmox VE (KVM für VMs + LXC für Systemcontainer)[2]
VMware vSphere/ESXi
Microsoft Hyper-V (Server)
...
Bei der Hosted Virtualisierung (auch Type-2 Hypervisor) läuft die Virtualisierungsschicht als Anwendung auf einem Host-Betriebssystem.
Vorteile
Einfache Installation: Wie normale Software
Flexibilität: Verschiedene Gast-Betriebssysteme möglich (über Hardwarearchitekturgrenzen hinweg nur mittels Emulation, z. B. QEMU)
Entwicklungsumgebung: Ideal für Tests und Entwicklung
Benutzerfreundlich: Grafische Oberflächen verfügbar
Nachteile
Performance-Overhead: Host-OS verbraucht Ressourcen
Sicherheitsrisiken: Host-OS als zusätzliche Angriffsfläche
Begrenzte Skalierbarkeit: Weniger VMs pro Host möglich
Beispiele für Hosted Hypervisoren:
QEMU (Open Source - kann Virtualisierung und Emulation)[3]
(UTM.app erlaubt auf macOS eine einfache Nutzung von QEMU.)
VMware Workstation
Oracle VirtualBox
Parallels Desktop
...
Technische Grundlagen (Linux)
Namespaces: Isolation von Nutzern, Prozessen, Netzwerk, Dateisystem
Control Groups (cgroups): Ressourcenbeschränkung (CPU, Speicher, ...)
Union File Systems: Effiziente Speicherung von Layern (keine Isolation, sondern Speicherung)
Technische Grundlagen von Containern unter Linux
Isolieren unterschiedliche Systemressourcen, sodass Prozesse in einem Container „ihre eigene Welt“ sehen: Jeder Container hat seine eigenen Benutzer und Gruppen und sieht nur seine eigenen Prozesse. Prozesse aus anderen Containern oder dem Host sind unsichtbar. Container haben eigene Netzwerkschnittstellen, IP-Adressen und Ports und können z. B. auf Port 80 lauschen, ohne Host oder andere Container zu stören. Weiterhin hat jeder Container eine eigene Sicht auf das Dateisystem. Ein Container kann sein Root-Dateisystem haben, ohne den Host oder andere Container zu verändern.
Regeln und beschränken die Ressourcennutzung, um fairen Zugriff zu gewährleisten: insbesondere CPU-Zeit, Speicherbenutzung und Block-I/O. (Netzwerkbandbreite wird nicht direkt über cgroups begrenzt, sondern z. B. mit tc; cgroups dienen dabei nur der Klassifizierung der Pakete.)
Ermöglichen effiziente, schichtweise Speicherung, da zum Beispiel das Basis-Image + Container-spezifische Änderungen als separate Layer gespeichert werden.
Systemcontainer vs. Anwendungscontainer
Enthalten ein komplettes Linux-Userland inkl. eigenem Init-System und werden ähnlich wie eine (leichtgewichtige) VM betrieben und verwaltet.
Enthalten nur eine Anwendung mit ihren Abhängigkeiten; typischerweise läuft genau ein (Haupt-)Prozess pro Container.
Virtuelle Maschinen
Vollständige Isolation
Verschiedene Betriebssysteme möglich
Hohe Sicherheit
Hoher Ressourcenverbrauch
Langsame Startzeiten
Komplexe Verwaltung
Weniger portabel
Container
Schneller Start
Geringer Ressourcenverbrauch
Hohe Portabilität
Einfache Skalierung
Weniger Isolation
Gleicher Kernel-Typ erforderlich (Linux-Container benötigen einen Linux-Kernel)
Sicherheitsrisiken bei Root-Zugriff
Docker ist eine Open-Source-Plattform zur Entwicklung, Bereitstellung und Verwaltung von containerisierten Anwendungen.
Docker-Komponenten
Docker Engine: Runtime für Container
Docker Images: Vorlagen für Container
Docker Containers: Laufende Instanzen
Docker Compose: Definition und Start von Multi-Container-Anwendungen (auf einem Host)
Docker-Architektur
Docker Daemon: Hintergrundprozess, der Images lädt sowie Container verwaltet und steuert
Docker Client: Kommandozeilen-Tool zum Interagieren mit dem Daemon.
Docker Registry: Dienst, der Image-Repositories speichert und bereitstellt
Docker Hub: Öffentliche Registry
Ein Docker-Image ist eine unveränderliche Vorlage, die alle notwendigen Komponenten für eine Anwendung enthält.
Image-Eigenschaften
Layered Architecture: Images bestehen aus mehreren Layern
Immutable: Images können nicht verändert werden
Portable: Funktionieren auf verschiedenen Systemen
Versioned: Verschiedene Versionen eines Images möglich
Container-Lifecycle
Created: Container aus Image erstellt (docker create)
Running: Container läuft (docker start; docker run = create + start)
Paused: Prozesse angehalten (docker pause)
Exited: Container gestoppt (docker stop)
Removed: Container gelöscht (docker rm)
docker pull <image> - Image herunterladen
docker images - Alle Images anzeigen
docker build -t <name> . - Image erstellen
docker rmi <image> - Image löschen
docker run <image> - Container erzeugen und starten
docker ps - Laufende Container anzeigen
docker stop <container> - Container stoppen
docker rm <container> - Container löschen
docker logs <container> - Container-Logs anzeigen
docker logs -f <container> - Container-Logs fortlaufend verfolgen
docker exec -it <container> /bin/sh - Shell im Container öffnen
Container-Orchestrierung ist die Automatisierung der Bereitstellung, Verwaltung, Skalierung und Vernetzung von Container-Anwendungen.
Gegenstand der Orchestrierung:
Deployment: Automatische Bereitstellung von Containern
Scaling: Dynamische Skalierung basierend auf Last
Load Balancing: Verteilung der Anfragen
Service Discovery: Auffinden von Services
Health Monitoring: Überwachung der Container-Gesundheit
Rolling Updates: Updates ohne Downtime
Open Source, ursprünglich von Google, heute Cloud Native Computing Foundation (CNCF)
De-facto-Standard für Container-Orchestrierung
Umfangreiche Features
Große Community
Komplexe Einrichtung
Native Docker-Lösung
Einfache Einrichtung
Weniger Features als Kubernetes
Gut für kleinere Projekte
Einfache Verwaltung
Nur noch Bugfixes
Ein einzelnes Binary
Nicht nur Container (auch VMs, Java-Anwendungen, ...)
Hochskalierbar
Einfacher als Kubernetes
Weniger verbreitet
Docker-basiertes Deployment einer Web-Anwendung
Entwicklung und Deployment einer einfachen Web-Anwendung mit Docker.
Docker-Installation prüfen
Einfache Web-Anwendung erstellen
Dockerfile erstellen
Docker-Image bauen
Container starten und testen
Docker Compose für Multi-Container-Setup (optional)
Multi-Container-Anwendung starten (optional)
Schritt 1: Docker-Installation prüfen
1# Docker-Version prüfen2docker --version34# Docker-Status prüfen5docker info67# Ersten Container testen8docker run hello-world
Schritt 2: Web-Anwendung erstellen (index.html)
1<!DOCTYPE html>2<html lang="de">3<head>4<meta charset="utf-8">5<title>Docker Demo App</title>6</head>7<body>8<h2>Willkommen zur Docker-Demo!</h2>9<p>Diese Anwendung läuft in einem Docker-Container.</p>10<p>Aktuelle Zeit: <span id="time"></span></p>11<script>12document.getElementById('time').textContent =13new Date().toLocaleString();14</script>15</body>16</html>
Schritt 3: Dockerfile erstellen
1# Basis-Image verwenden (Alpine-Linux mit einem vorinstallierten nginx)2FROM nginx:alpine34# Arbeitsverzeichnis innerhalb des Containers setzen5WORKDIR /usr/share/nginx/html67# HTML-Datei kopieren (kopiert lokale Datei in den Container relativ zum WORKDIR)8COPY index.html .910# Port 80 freigeben11EXPOSE 801213# Nginx im Vordergrund starten (da sich der Container sonst sofort beendet)14CMD ["nginx", "-g", "daemon off;"]
Schritt 4: Docker-Image bauen
1# Image bauen mit dem Tag "webapp-demo"2docker build -t webapp-demo .34# Images anzeigen5docker images67# Image-Details anzeigen8docker inspect webapp-demo
Schritt 5: Container starten und testen
1# Container mit dem Namen "webapp-container" im Hintergrund (-d) starten2docker run -d -p 8080:80 --name webapp-container webapp-demo34# Container-Status prüfen5docker ps67# In Browser testen: http://localhost:808089# Container-Logs anzeigen10docker logs webapp-container1112# Container stoppen13docker stop webapp-container1415# Container (nicht Container-Image) löschen16docker rm webapp-container
Schritt 6: Docker Compose für Multi-Container (docker-compose.yml)
1# Nur zur Illustration: Die statische Web-Anwendung nutzt die DB nicht.2services:3web:4build: .5ports: ["8080:80"]6depends_on: [db]7environment: [DB_HOST=db]89db:10image: postgres:1711environment:12POSTGRES_DB: demo13POSTGRES_USER: demo14# Nur für die Demo! Echte Passwörter gehören in Secrets.15POSTGRES_PASSWORD: demo12316volumes: [postgres_data:/var/lib/postgresql/data] # persistent1718volumes:19postgres_data:
Schritt 7: Anwendung (bestehend aus mehreren Containern) starten
1# Multi-Container-Setup starten2docker compose up -d34# Status prüfen5docker compose ps67# Logs anzeigen8docker compose logs910# Setup stoppen11docker compose down
Virtualisierung ermöglicht effiziente Nutzung von Hardware-Ressourcen
Container bieten eine leichtgewichtige Alternative zu VMs
Docker ist die verbreitetste Container-Plattform (Standard ist das OCI-Format)
Orchestrierung automatisiert das Management von Container-Anwendungen
Multi-Container-Setups ermöglichen komplexe Anwendungsarchitekturen
Image-Erstellung
Non-Root User für Sicherheit
Layer-Caching optimieren
Multi-Stage Builds und .dockerignore nutzen
Feste Image-Tags statt latest verwenden
Container-Management
Health Checks implementieren
Resource Limits setzen
Logging konfigurieren
Backup-Strategien für Volumes
Sicherheit
Minimale Images verwenden
Secrets nicht im Image speichern
Netzwerke der Container gezielt trennen
Regelmäßige Aktualisierungen durchführen
Die Container-Technologie entwickelt sich weiter:
Serverless Container (AWS Fargate, Azure Container Instances)
WebAssembly (WASM) als Alternative zu Containern
Edge Computing mit Container-Technologie
GitOps für automatisiertes Deployment
Service Mesh für Microservice-Kommunikation
Webserver im Docker Container
Loggen Sie sich auf dem Server ein und versuchen Sie alle Schritte nachzuvollziehen, die notwendig sind, um ein Docker-Image mit Nginx zu bauen und danach zu starten. Orientieren Sie sich an dem Beispiel aus den Vorlesungsfolien, aber nutzen Sie eine eigene index.html.
Stellen Sie sicher, dass Ihr Server läuft, indem Sie die Webseite aufrufen.
Verfolgen Sie das Log (docker logs -f), um die Zugriffe auf Ihre Webseite zu sehen.
Node.js Server im Container laufen lassen
Kopieren Sie die Ressourcen (player.html, admin.html, game.js, package.json) auf Ihren Server in ein neu angelegtes Verzeichnis
Ihr Docker-Image soll node.js und alle Ressourcen enthalten.
D. h. Ihr Dockerfile muss eine Referenz auf ein entsprechendes Image mit node.js enthalten und die Ressourcen in das Image kopieren.
Passen Sie das Dockerfile so an, dass beim Bauen des Docker-Images die benötigten Bibliotheken mit installiert werden. Sie müssen dafür den Befehl npm install --omit=dev während des Bauens mit Hilfe von RUN im Dockerfile ausführen.
Passen Sie den Kommandozeilenbefehl (CMD) im Dockerfile so an, dass der Node Server passend gestartet wird.