کانتينرسازي نوعی مجازی‌سازی در سطح برنامه است که چندین نوع فضای کاربر ایزوله شده را روی یک هسته واحد ایجاد فراهم می‌کند. به این نمونه‌ها کانتینر می‌گویند. کانتینرها یک روش استاندارد بسته‌بندی کد برنامه، زمان اجرا، ابزارهای سیستم، کتابخانه‌های سیستم و پیکربندی در نمونه را ارئه می‌دهد. کانتینرها یک هسته (سیستم عامل) مشترک دارند که روی یک سخت‌افزار نصب شده است. تفاوت اصلی کانتینرها با ماشین‌های مجازی این هست که از سیستم عامل یا زیرساختی که روی آن اجرا می‌شوند جدا و انتزاع شده هستند. به بیان ساده‌تر یک کانتینر شامل کد برنامه و هر چیزی است که برای اجرای درست به آن نیاز دارد.
استقرار، سازماندهی، مدیریت، مقیاس‌بندی و شبکه‌سازی کانتینرها به صورت خودکار برای پشتیبانی برنامهها ارکستراسیون کانتینر گفته می‌شود که از طریق ابزار ارکستراسیون کانتینر انجام می‌شود و برای اجرای بارهای کاری و سرویس‌های کانتینری است. شرکت‌ها و سازمان‌هایی که نیاز به استقرار و مدیریت صدها یا هزاران کانتینر و host دارند، می‌توانند از ارکستراسیون کانتینر استفاده کنند. ارکستراسیون کانتینر می‌تواند در هر محیط که از کانتینرها استفاده می‌شود، مورد استفاده قرار گیرند که می‌توان برنامه یکسانی را در محیط‌های مختلف بدون نیاز به طراحی مجدد اجرا کرد. مدیریت چرخه عمر کانتینرها با ارکستراسیون همچنین از تیم DevOpsای که کانتینر را در گردش‌های کاری CI/CD ادغام می‌کند، پشتیبانی می‌کند. علاوه بر APIها و تیم DevOps، میکروسرویس‌های کانتینری پایه و اساس برنامه‌های ابری محلی هستند.
تقریبا هر برنامه‌ای که به تغییر و استقرار مجدد سریع و مکرر نیاز داشته باشد و برنامه‌هایی که از معماری میکروسرویس استفاده می‌کنند، برای کانتينرسازي مناسب و خوب است. میکروسرویس‌ها در کانتینرها سبب ساده‌سازی سرویس‌های ارکستراسیون، ذخیره‌سازی، شبکه‌سازی و امنیت می‌شود. کانتینرها در برنامه‌های مبتنی بر میکروسرویس یک واحد استقرار برنامه ایده‌آل و یک محیط استقرار مستقل و جامع می‌دهد. آن‌ها امکان اجرای چندین بخش از یک برنامه را به طور مستقل در میکروسرویس‌ها روی یک سخت‌افزار با کنترل بسیار بیشتر روی تک تک قطعات و چرخه‌های عمر، ممکن می‌سازد.
به دلیل آن که کانتینرها به صورت طبیعی سبک و بی‌دوام هستند و اجرای آن‌ها نیاز در محیط و محصول نهایی به تلاش زیادی نیاز دارد، به ویژه زمانی که با میکروسرویس همراه می‌شود که معمولا هر کدام در کانتینر خودشان اجرا می‌شوند. یک برنامه کانتینرسازی شده ممکن است به صدها یا هزاران کانتینر عملیاتی به ویژه در هنگام ساخت و راه‌اندازی یک سیستم بزرگ مقیاس تبدیل شود. در صورت مدیریت دستی پیچیدگی قابل توجهی را ایجاد می‌شود. ارکستراسیون کانتینر پیچیدگی توسعه و عملیات DevOps را قابل مدیریت می‌کند و راهی را برای خودکارسازی بیشر کارها ارائه می‌دهد که برای تیم‌های DevOps که با سرعت و چابکی بیشتری نسبت به تیم‌های نرم‌افزاری سنتی عمل می‌کنند، مناسب است.
ارکستراسیون کانتینر برای کار با کانتینرهای کلیدی مورد استفاده قرار می‌گیرد و دارای مزایایی برای سازمان‌ها و محیط‌های کانتینری خاص است که عبارتند از:
عملیات ساده شده: مهم‌ترین مزیت ارکستراسیون کانتینر است. کانتینرها دارای پیچیدگی زیادی هستند که بدون ارکستراسیون کانتینر برای مدیریت آن، به سرعت از کنترل خارج می‌شوند.
تاب‌آوری: ابزار ارکستراسیون کانتینر می‌توانند به صورت خودکار یک کانتینر یا خوشه را راه‌اندازی یا مقیاس‌بندی کنند و تاب‌آوری را افزایش می‌دهد.
امنیت افزوده شده: رویکرد خودکار ارکستراسیون کانتینر با کاهش یا حذف احتمال خطای انسانی به امنیت و ایمنی برنامه‌های کانتینری کمک می‌کند.
تحویل مداوم و DevOps: زمانی که برنامه از چندین برنامه با رابط مشخصی بین آن‌ها تشکیل شده است، برای بروزرسانی یک کانتینر، ارزیابی تاثیر و بازگشت به نسخه قدیمی یا چرخش بروزرسانی در کانتینرهای مشابه یک موضوع کم خطر و درست است. با داشتن چندین کانتینر که قابلیت یکسانی را ارائه می‌دهند، ارتقا هر کانتینر می‌تواند بدون تاثیر منفی بر سرویس انجام شود.
مقیاس‌پذیری: با طراحی یک برنامه ساخته شده از چند نمونه کانتینر، افزودن کانتینرهای بیشتر سبب مقیاس‌بندی ظرفیت و توان عملیاتی می‌شود. همچنین زمانی که تقاضا کاهش می‌یابد، می‌توان کانتینرها را حذف کرد. چارچوب ارکستراسیون مقیاس‌بندی الاستیک را ساده‌تر می‌کند.
انزوا: هر کانتینر روی یک host مستقل و ایزوله از دیگر hostها اجرا می‌شود. تجهیزات می‌توانند به صورت هم‌زمان توسعه، پشتیبانی، تست و نسخه‌های برنامه را host کنند. حتی نسخه‌های مختلف ابزارها، زبان‌ها، پایگاه‌های داده و کتابخانه‌ها بدون هیچ خطر و تاثیری روی محیط‌های دیگر اجرا می‌شوند.
دسترس پذیری بالا: با اجرای چندین کانتینر، در برنامه افزونگی ایجاد می‌شود. اگر یکی از کانتینرها خراب شوند، کانتینرهای مشابه باقی مانده سرویس را ارائه می‌دهند. با برخی از خودکارسازی‌ها می‌توان کانتینرهای خراب شده را به صورت خودکار بازسازی کرد و ظرفیت کامل و افزونگی را بازیابی کرد.
کمبود معیارهای امنیتی: کانتینرها، جداسازی سبکی از سیستم عامل host و کانتینرها را در سیستم یکسانی را ایجاد می‌کند که منجر به امنیت کمتر و ضعیف‌تری در مقایسه با ماشین مجازی می‌گردد.
اجرا روی یک سیستم عامل: هنگامی که به یک سیستم عامل نیاز هست، استفاده از کانتینر مفید است ولی زمانی که نیاز به استفاده از چندین سیستم عامل است، استفاده از کانتینر یک نکته منفی است. می‌توان نسخه قبلی سیستم عامل یکسانی را با استفاده از ماشین مجازی سبک‌تری اجرا کرد.
ذخیره‌سازی داده: ذخیره‌سازی داده برای ماشین‌های مجازی آسان است ولی برای کانتینرها دارای پیچیدگی است. طراحی کانتینر به دلیل از بین رفتن اطلاعات آن‌ها است. زمانی که یک کانتینر خاموش می شود، داده‌های آن برای همیشه ناپدید می‌شوند مگر آن که در جای دیگری ذخیره شده باشند.
نظارت: نظارت کانتینرها از نظر عملکرد و امنیت خیلی مهم است. محیط ابری پیچیده است بنابراین به نظارت عمیق امنیتی نیاز هست.
ارکستراسیون کانتینر برای خودکارسازی و مدیریت وظایفی مورد استفاده قرار می‌گیرند که عبارتند از:
قابل حمل بودن: یکی از بزرگ‌ترین مزایای کانتینرها این هست که برای اجرا در هر محیطی ساخته شده‌اند که سبب می‌شود بارهای کانتینری بین پلتفرم‌های ابری مختلف به آسانی جا به جا شوند. همچنین بهره‌وری توسعه‌دهندگان را افزایش می‌دهد زیرا می‌توان کد را به گونه‌ای نوشت که زمانی که روی محیط‌های مختلف از ماشین محلی تا یک سرور داخلی برای یک ابر عمومی مستقر می‌شود، بدون نگرانی اجرا شود.
توسعه برنامه: کانتینرها می‌توانند به سرعت استقرار و توسعه برنامهها شامل تغییرات یا بروزرسانی‌ها در طول زمان است که این موضوع در میکروسرویس‌های کانتینری صادق است و رویکردی برای معماری نرم‌افزار است که مستلزم شکستن راه حل بزرگتر به بخش‌های کوچکتر است. مؤلفه‌های گسسته (میکروسرویس‌ها) می‌توانند به طور مستقل مستقر، بروزرسانی یا منزوی شوند، بدون آن که نیاز به بروزرسانی یا استقرار مجدد کل برنامه باشد.
بهره‌وری و بهینه‌سازی منابع: کانتینرها سبک و بی‌دوام هستند، بنابراین منابع کمتری را مصرف می‌کنند. مثلا می‌توانند کانتینرهای زیادی را روی یک ماشین اجرا کنند.
سبک بودن: کانتینرها نسبت به ماشین‌های مجازی، فضای کمتری را روی سرور اشغال می‌کنند و معمولا در چند ثانیه راه‌اندازی می‌شوند.
قابلیت ارتجاعی: کانتینرها قابلیت ارتجاع زیادی دارند به تخصیص مقدار مشخصی از منابع نیاز ندارند که به این معنی هست که کانتینرها می‌توانند استفاده پویاتر و مؤثرتر از منابع سرور داشته باشند. هنگامی که تقاضا برای کانتینر کاهش می‌یابد، منابع اضافی برای استفاده توسط سایر کانتینرها آزاد می‌شوند.
تراکم: تراکم به تعداد اشیایی که یک سرور فیزیکی می‌تواند در یک زمان اجرا کند، اشاره می‌کند. کانتينرسازي امکان ایجاد محیط‌های متراکم را فراهم می‌کند که در آن منابع سرور host به طور کامل استفاده می‌شوند. اما بیش از حد مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. در مقایسه با مجازی‌سازی سنتی، کانتينرسازی برای محیط‌های متراکم‌تری را ایجاد می‌کند زیرا کانتینرها نیازی به host بودن سیستم عامل خود ندارند.
کارایی: زمانی که فشار منبع بالا هست، عملکرد برنامهها با کانتینرها بهتر از هایپروایزرها هست. زیرا با مجازی‌سازی سنتی، سیستم عامل مهمان باید نیازهای حافظه خود را برطرف کند RAM با ارزش زیاد را از host دور کند.
بهره‌وری تعمیر و نگهداری: با فقط یک هسته سیستم عامل، بروزرسانی‌ها یا اتصال در سطح سیستم عامل باید فقط یک بار انجام شود تا تغییرات روی همه کانتینرها اعمال شود و اثر بگذارد که عملیات، تعمیر و نگهداری سرورها را کارآمدتر می‌سازد.
در این بخش دو مورد از ابزارهای پرکاربرد و منبع باز در حوزه ارکستراسیون کانتینر معرفی و بررسی می‌گردند و ویژگی‌های هر کدام بیان می‌شوند.
یک پلتفرم ارکستراسیون منبع باز و خارج از جعبه است که از اعلان خودکار و پیکربندی پشتیبانی می‌کند و رایج‌ترین ارکستراسیون کانتینری است. دارای زمانبندی و مدیریت منابع عالی برای استقرار کانتینرها با کارآمدی و دسترس‌پذیری بالا است. دارای مقیاس‌بندی و بارگذاری متعادل خودکار است. با بهبود گردش کار و به حداکثر رساندن بهره‌وری سبب انعطاف‌پذیری و سهولت استفاده می‌گردد. این ابزار دارای ویژگی‌هایی مانند کشف سرویس، ارکستراسیون ذخیره‌سازی، عرضه و عقبگرد به صورت خودکار، خود درمانی، اجرای دسته‌ای است. دارای کتابخانه بزرگی از قابلیت‌های توسعه یافته در جوامع سراسر جهان است که سبب ایجاد قابلیت مدیریت میکروسرویس می‌شود. این ابزار شامل 4 مؤلفه اصلی است که عبارتند از:
گره: یک نود مسئول اجرای بارهای کاری کانتینر است و می‌تواند به صورت فیزیکی یا مجازی باشد. این به عنوان host برای زمان اجرای کانتینر عمل می‌کند و ارتباط بین کانتینرها و سرویس‌های Kubernetes را برقرار می‌کند.
خوشه: یک مجموعه از گره‌هایی است که منابع را به اشتراک می‌گذارند و برنامه‌های کانتینر را اجرا می‌کنند.
کنترل‌کننده‌های تکراری: عوامل هوشمندی هستند که مسئول زمانبندی و تخصیص منابع بین کانتینرها هستند.
برچسب‌ها: برچسب‌هایی هستند که سرویس Kubernetes با استفاده از آن‌ها کانتینرهایی که عضو یک pod هستند را شناسایی می‌کند.
یک ابزار کاملا یکپارچه، پرکاربرد و منبع باز ارکستراسیون کانتینر برای اجرا و بسته‌بندی برنامهها به عنوان کانتینر، استقرار آن‌ها و مکان‌یابی imageهای کانتینر از hostهای دیگر است. این ابزار به جای ماشین مجازی در سازمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. شامل گروهی از ماشین‌های فیزیکی و مجازی است که برای اجرای برنامه‌های داکر با هم کار می‌کنند. فعالیت‌های شلوغ را مدیریت می‌کند و به مدیریت عملیات کانتینرهای مستقر روی ماشین‌های host کمک می‌کند، تعادل بار مناسب را تضمین می‌کند، به صورت پیش فرض دارای ایمنی است، دارای بروزرسانی چرخشی است و از طریق ایجاد و حذف انجام دهنده وظایف برای کمک به نگهداری یک حالت مطلوب خوشه مقیاس‌بندی مناسب را تضمین می‌کند. دارای دو مؤلفه اصلی است:
گره مدیر: گره‌های مدیر وظایف را به گره‌های worker اختصاص می‌دهند. یک رهبر بر اساس الگوریتمی انتخاب می‌شود و تمام تصمیمات هماهنگی وظایف و مدیریت ازدحام را انجام می‌دهد.
گره worker: وظایف را از گره مدیر دریافت می‌کند و آن‌ها را اجرا می‌کند.
ویژگی‌های داکر عبارتند از:
یکی از چالش‌های داکر این هست که روی ماشین‌های مجازی در خارج از پلتفرم لینوکس مانند ویندوز و مک اجرا می‌شود. همچنین در هنگام انتقال کانتینرها به فضای ذخیره‌سازی دارای مشکلاتی است.
در این بخش دو مورد از شرکت‌های ایرانی فعال درحوزه کانتینر و محصولات آن‌ها در زمینه کانتینر معرفی می‌گردد.
شرکت هم روش
شرکت هم روش پلتفرم ابری ساخت، استقرار و اجرای برنامه‌های کانتینری به نام دارکوب را ارائه می‌دهد که بستر ابری استقرار نرم‌افزار را برای کسب و کارها فراهم می‌کند. این محصول امکان ارائه خدماتی مانند انواع پایگاه داده‌های مدیریت شده سیستم مانیتورینگ، سیستم لاگ و پشتیبان‌گیری را در این بستر برای مشتریان فراهم می‌کند. با استفاده از این محصول می‌توان سریع و آسان از مزایا و امکانات کوبرنیتز استفاده کرد. در عین سادگی می‌توان از امکانات پیشرفته و قوی کوبرنیتز به صورت گسترده و راحت استفاده کرد. خدمات یکپارچه ابری این شرکت امکانات لازم برای اجرای کامل چرخه DevOps را به سادگی و به صورت خودکار در محیط کوبرنتز ارائه می‌کند.
شرکت سبز سیستم
شرکت سبز سیستم محصول کوبیت را به منظور ایجاد سرورهای مجازی ابری و تست و استقرار برنامهها ارائه می‌دهد. مجموعه سامانه‌های نرم‌افزاری و زیرساخت‌های ابری کوبیت که شرکت سبز سیستم ارائه می‌دهد عبارتند از:
مزایا و ویژگی‌های محصول شرکت سبز سیستم به صورت مقابل هستند:
در این مقاله ابتدا در بخش اول به معرفی و بررسی کانتینرسازی در حوزه معماری نرم‌افزار و بهبود توسعه نرم‌افزار پرداخته شد و سپس در بخش دوم دو مورد از ابزارهای مورد نیاز برای ایجاد کانتینرسازی، توسعه و بهبود نرم‌افزار و رفع مشکلات موجود معرفی شدند و در پایان نیز دو مورد از شرکت‌های ایرانی فعال در حوزه ارائه خدمات مربوط به کانتینرسازی و کوبرنیتز به همراه محصولاتی که ارائه می‌دهند معرفی و بیان گردید.
«این مطلب، بخشی از تمرینهای درس معماری نرم‌افزار در دانشگاه شهیدبهشتی است»
