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Docker: Einführung in Container-Technologie und Anwendung

Docker hat in den letzten Jahren einen revolutionären Wandel in der Softwareentwicklung und -bereitstellung ermöglicht. Es hat die Art und Weise verändert, wie Anwendungen entwickelt, getestet und in Produktionsumgebungen bereitgestellt werden. Durch die Verwendung von Containern bietet Docker eine flexible, skalierbare und leichtgewichtige Lösung, die es Entwicklern und IT-Teams ermöglicht, Anwendungen konsistent und effizient bereitzustellen. In diesem Beitrag werden wir die Grundlagen von Docker, seine Vorteile und praktischen Anwendungsfälle erläutern.

Was ist Docker?

Docker ist eine Plattform zur Entwicklung, Ausführung und Verwaltung von Containern. Ein Container ist eine isolierte Umgebung, in der Anwendungen mit all ihren Abhängigkeiten (Bibliotheken, Konfigurationsdateien, Tools etc.) ausgeführt werden. Docker basiert auf der Technologie der Container-Virtualisierung und verwendet Konzepte wie Namespaces und Control Groups (Cgroups), die im Linux-Kernel integriert sind, um die Ressourcenisolierung und -verwaltung zu ermöglichen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen virtuellen Maschinen (VMs) teilt sich Docker den Kernel des Host-Betriebssystems, sodass die Container weniger Ressourcen benötigen und schneller ausgeführt werden können. Docker-Container sind portabel, leichtgewichtig und in der Lage, auf verschiedenen Plattformen konsistent zu laufen – sei es auf einem lokalen Computer, in der Cloud oder in einem Rechenzentrum.

Docker vs. Virtuelle Maschinen

Um den Unterschied zwischen Docker und traditionellen VMs besser zu verstehen, betrachten wir einige Schlüsselunterschiede:

Betriebssystem-Overhead: Virtuelle Maschinen erfordern für jede Instanz ein vollständiges Betriebssystem, was zu einem erheblichen Overhead führt. Docker-Container teilen sich den Kernel des Host-Betriebssystems, wodurch sie erheblich weniger Speicher und CPU-Ressourcen verbrauchen.
Portabilität: Ein Docker-Container enthält alles, was für die Ausführung einer Anwendung benötigt wird, unabhängig von der zugrunde liegenden Hardware oder Software. Dies macht Docker extrem portabel.
Startzeit: Während VMs oft mehrere Minuten benötigen, um hochzufahren, können Docker-Container in Sekunden gestartet werden.
Isolierung: VMs bieten eine starke Isolierung, da sie vollständig getrennte Betriebssysteme verwenden. Docker bietet auch eine gute Isolierung, aber da Container sich den Kernel teilen, ist die Isolierung auf Kernel-Ebene nicht so strikt wie bei VMs.

Grundkomponenten von Docker

Docker besteht aus mehreren grundlegenden Komponenten:

Docker Engine: Die Docker Engine ist das Herzstück von Docker. Sie besteht aus dem Docker Daemon, der für das Erstellen, Verwalten und Ausführen von Containern verantwortlich ist. Der Daemon läuft auf dem Host-System und führt Container-Befehle im Hintergrund aus.
Docker Image: Ein Docker Image ist eine unveränderliche Vorlage, die alles enthält, was eine Anwendung zum Laufen benötigt. Ein Image wird aus einer Reihe von Schichten erstellt und ist das Basisobjekt, aus dem ein Container gestartet wird. Images werden oft in öffentlichen oder privaten Docker Registries gespeichert und können von dort heruntergeladen werden.
Docker Container: Ein Docker Container ist eine laufende Instanz eines Images. Es handelt sich um eine isolierte Umgebung, die die Anwendung und alle notwendigen Ressourcen enthält.
Dockerfile: Ein Dockerfile ist eine Skriptdatei, die die Anweisungen zum Erstellen eines Docker-Images definiert. Es enthält eine Reihe von Befehlen, die das Basis-Image, Installationen und Konfigurationen für die Container-Umgebung festlegen.
Docker Hub: Docker Hub ist eine cloudbasierte Plattform, die Docker-Images speichert und teilt. Es bietet eine große Sammlung von öffentlich zugänglichen Images, die Entwickler verwenden oder anpassen können.

Installation von Docker

Die Installation von Docker ist auf gängigen Linux-Distributionen wie Ubuntu oder Debian relativ einfach. Hier ein Beispiel für die Installation auf Ubuntu:

Docker-Repository hinzufügen:

sudo apt update
sudo apt install apt-transport-https ca-certificates curl software-properties-common
curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo apt-key add -
sudo add-apt-repository "deb [arch=amd64] https://download.docker.com/linux/ubuntu $(lsb_release -cs) stable"

Docker installieren:

sudo apt update
sudo apt install docker-ce

Docker-Dienst starten:

sudo systemctl start docker
sudo systemctl enable docker

Nach der Installation kann man die Funktionalität von Docker überprüfen, indem man den folgenden Befehl ausführt:

sudo docker run hello-world

Dieser Befehl startet einen kleinen Container, der eine Nachricht auf der Konsole ausgibt.

Docker Workflow: Vom Dockerfile zum Container

Der typische Docker-Workflow besteht aus dem Erstellen eines Dockerfiles, dem Erstellen eines Images und dem Starten eines Containers. Hier ein Beispiel, wie eine einfache Webanwendung in einem Docker-Container verpackt werden kann.

Dockerfile erstellen:
Wir erstellen ein Dockerfile für eine einfache Node.js-Anwendung.

# Basis-Image
FROM node:14

# Arbeitsverzeichnis festlegen
WORKDIR /app

# Kopiere package.json und installiere Abhängigkeiten
COPY package.json /app
RUN npm install

# Kopiere den Quellcode
COPY . /app

# Applikation starten
CMD ["node", "app.js"]

# Port freigeben
EXPOSE 3000

Image bauen:
Um ein Image aus diesem Dockerfile zu erstellen, verwendet man den folgenden Befehl:

docker build -t mein-node-app .

Dieser Befehl erstellt ein Image namens mein-node-app.

Container starten:
Um einen Container basierend auf dem erstellten Image zu starten, verwendet man:

docker run -p 3000:3000 mein-node-app

Dieser Befehl startet die Anwendung im Container und stellt sie auf Port 3000 des Hosts zur Verfügung.

Docker Compose

Docker Compose ist ein weiteres mächtiges Werkzeug, das Docker bietet. Es ermöglicht das Orchestrieren mehrerer Container, die zusammenarbeiten, z.B. eine Webanwendung, eine Datenbank und ein Caching-System. Compose verwendet eine YAML-Datei (docker-compose.yml), um die Dienste zu definieren.

Ein Beispiel für eine docker-compose.yml-Datei für eine Node.js-Anwendung mit einer MongoDB-Datenbank:

version: '3'
services:
  app:
    build: .
    ports:
      - "3000:3000"
    links:
      - mongo
  mongo:
    image: mongo
    ports:
      - "27017:27017"

Mit dem Befehl docker-compose up werden beide Container (die Anwendung und die MongoDB) gestartet und miteinander verbunden.

Vorteile von Docker

Portabilität: Docker-Container laufen überall, wo Docker installiert ist – auf lokalen Maschinen, Servern oder in der Cloud. Dies ermöglicht die Entwicklung und Bereitstellung in konsistenten Umgebungen.
Leichtgewichtig: Da Docker keine vollständigen Betriebssysteme wie virtuelle Maschinen benötigt, sind Docker-Container viel ressourcenschonender.
Schnelle Bereitstellung: Docker-Container können in Sekundenschnelle gestartet und gestoppt werden, was eine flexible und dynamische Skalierung ermöglicht.
Sicherheit: Docker bietet durch Container-Isolierung und Sicherheitsmechanismen wie Namespaces und Cgroups eine starke Sicherheitsschicht.
Modularität: Anwendungen können in kleinere, unabhängige Dienste aufgeteilt werden (Microservices), die einzeln entwickelt, getestet und skaliert werden können.

Fazit

Docker hat die Softwareentwicklung und -bereitstellung grundlegend verändert, indem es eine konsistente, leichtgewichtige und portable Lösung zur Virtualisierung auf Betriebssystemebene bietet. Mit Docker können Entwickler sicherstellen, dass Anwendungen unabhängig von der Umgebung funktionieren, während gleichzeitig die Effizienz und Skalierbarkeit maximiert wird. Ob für die lokale Entwicklung, die Testautomatisierung oder den Einsatz in groß angelegten Produktionsumgebungen – Docker bietet für fast jeden Anwendungsfall eine flexible Lösung.