داکر چیست؟ راهنمای مرجع کانتینری‌سازی و مدیریت زیرساخت مدرن

در دهه‌های گذشته، بزرگ‌ترین چالش تیم‌های توسعه و عملیات، ناهماهنگی محیط‌های اجرای نرم‌افزار بود؛ مشکلی که با جمله معروف «روی سیستم من کار می‌کرد!» شناخته می‌شد. با ظهور داکر (Docker) در سال ۲۰۱۳، این پارادایم به کلی تغییر کرد. داکر یک پلتفرم متن‌باز است که بر پایه تکنولوژی کانتینری‌سازی (Containerization) بنا شده و به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا اپلیکیشن خود را به همراه تمامی وابستگی‌ها، کتابخانه‌ها و فایل‌های تنظیمات، در یک بسته واحد و ایزوله به نام کانتینر (Container) بسته‌بندی کنند. این بسته در هر محیطی، از لپ‌تاپ شخصی گرفته تا سرورهای ابری و دیتاسنترهای عظیم، به شکلی کاملا یکسان اجرا می‌شود.

تکنولوژی داکر با حذف نیاز به سیستم‌عامل‌های کامل برای هر اپلیکیشن، بهره‌وری منابع سخت‌افزاری نظیر واحد پردازش مرکزی (CPU) و رم را به شکلی چشم‌گیر افزایش داده است. در واقع داکر با اشتراک‌گذاری هسته (Kernel) سیستم‌عامل میزبان، سرعت اجرا را به میلی‌ثانیه رسانده و مدیریت زیرساخت را در مقیاس‌های بزرگ ممکن ساخته است. امروزه داکر قلب تپنده معماری میکروسرویس‌ها (Microservices) و فرآیندهای استقرار مداوم (CI/CD) در شرکت‌های پیشرو تکنولوژی محسوب می‌شود.

تاریخچه داکر و سیر تحول مجازی‌سازی در لینوکس

پیش از بررسی دقیق‌تر داکر، باید به ریشه‌های آن در دنیای لینوکس نگاهی بیندازیم. داکر اولین ابزار کانتینری‌سازی نبود؛ پیش از آن تکنولوژی‌هایی مانند کانتینرهای لینوکس (LXC) وجود داشتند که از قابلیت‌های ایزولاسیون هسته استفاده می‌کردند. اما داکر با ساده‌سازی فرآیندها، معرفی مفهوم ایمیج‌های لایه‌بندی شده و ایجاد یک اکوسیستم استاندارد، توانست این تکنولوژی را عمومی کند. این ابزار توسط سالومون هیکس (Solomon Hykes) معرفی شد و در ابتدا به عنوان یک پروژه داخلی در شرکت دات‌کلاد (dotCloud) کلید خورد.

تکامل داکر زمانی سرعت گرفت که این پروژه از وابستگی به LXC خارج شد و موتور اختصاصی خود را با نام لیب‌کانتینر (Libcontainer) معرفی کرد. این تغییر به داکر اجازه داد تا مستقیما با قابلیت‌های امنیتی و مدیریتی هسته لینوکس تعامل برقرار کند. مدتی بعد، با همکاری غول‌های تکنولوژی، بنیاد پیشگامان کانتینر (Open Container Initiative) پایه‌گذاری شد تا استانداردهای این صنعت به صورت جهانی و یکپارچه تدوین شود. این تاریخچه نشان می‌دهد که داکر نتیجه سال‌ها تکامل در لایه سیستمی لینوکس و نیاز مبرم بازار به جابه‌جایی‌پذیری (Portability) بوده است.

تفاوت بنیادین داکر با ماشین مجازی (VM)

یکی از رایج‌ترین سوالات در حوزه هاستینگ این است که تفاوت ماشین مجازی (Virtual Machine) با داکر چیست؟ در مجازی‌سازی سنتی، ما از یک هایپروایزر (Hypervisor) برای ایجاد ماشین‌های مجازی استفاده می‌کنیم که هر کدام نیاز به یک سیستم‌عامل مهمان (Guest OS) دارند. این کار باعث هدررفت شدید منابع سخت‌افزاری و فضای دیسک می‌شود؛ چرا که برای اجرای یک اپلیکیشن ساده، باید چندین گیگابایت منابع صرف بالا آمدن یک سیستم‌عامل کامل شود.

در مقابل، کانتینرهای داکر سیستم‌عامل اختصاصی ندارند. آن‌ها مستقیما روی هسته سیستم‌عامل میزبان اجرا می‌شوند و از قابلیت‌های ایزولاسیون سطح هسته استفاده می‌کنند. این تفاوت ساختاری منجر به برتری‌های زیر شده است:

• حجم‌بسیار‌کم: یک کانتینر داکر معمولا چند مگابایت حجم دارد، در حالی که یک ماشین مجازی چندین گیگابایت فضا اشغال می‌کند.
• سرعت‌بالا: بوت شدن یک ماشین مجازی ممکن است چندین دقیقه طول بکشد، اما کانتینرهای داکر در کمتر از یک ثانیه آماده به کار می‌شوند.
• بهره‌وری‌منابع: به دلیل اشتراک هسته سیستم‌عامل، شما می‌توانید صدها کانتینر را روی سروری اجرا کنید که شاید تنها توان اجرای ۱۰ ماشین مجازی را داشته باشد. این موضوع برای شرکت‌های هاستینگ به معنای سودآوری بیشتر از سخت‌افزار است.

کالبدشکافی معماری داکر و اجزای اصلی آن

معماری داکر بر پایه مدل کلاینت-سرور (Client-Server) استوار است. برای درک عمیق این سیستم، باید با اجزای اصلی آن آشنا شویم که هر کدام وظیفه‌ای تخصصی را در چرخه حیات کانتینر بر عهده دارند.

داکر انجین (Docker Engine)

این بخش قلب اصلی داکر است که روی سیستم میزبان نصب می‌شود. داکر انجین شامل یک دیمون (Daemon) پس‌زمینه به نام dockerd، یک رابط برنامه‌نویسی کاربردی (API) استاندارد برای ارتباط و یک کلاینت خط فرمان (CLI) است که دستورات کاربر را به موتور اجرایی منتقل می‌کند.

داکر ایمیج (Docker Image)

ایمیج‌ها در واقع قالب‌های فقط‌خواندنی (Read-only) هستند که شامل کدهای اپلیکیشن، کتابخانه‌ها و تنظیمات می‌شوند. ایمیج‌ها به صورت لایه‌بندی شده ساخته می‌شوند که این کار باعث صرفه‌جویی در فضا و سرعت در دانلود می‌شود. هر لایه تنها تغییرات نسبت به لایه قبلی را ذخیره می‌کند؛ بنابراین اگر چندین ایمیج از یک لایه مشترک (مثل Ubuntu) استفاده کنند، آن لایه تنها یک بار روی دیسک ذخیره می‌شود.

داکر رجیستری (Docker Registry)

رجیستری محلی برای ذخیره و اشتراک‌گذاری ایمیج‌ها است. داکر هاب (Docker Hub) بزرگ‌ترین رجیستری عمومی دنیاست که هزاران ایمیج آماده از دیتابیس‌ها، وب‌سرورها و سیستم‌عامل‌ها را در اختیار کاربران قرار می‌دهد تا نیازی به ساخت همه‌چیز از صفر نباشد. سازمان‌ها نیز می‌توانند رجیستری‌های خصوصی خود را برای حفظ امنیت کدهایشان راه‌اندازی کنند.

لایه‌های سیستمی و ایزولاسیون در داکر

امنیت و ایزولاسیون در داکر از طریق دو قابلیت کلیدی در هسته لینوکس تامین می‌شود: نِیم‌اسپیس‌ها (Namespaces) و گروه‌های کنترل (Control Groups). نیم‌اسپیس‌ها باعث می‌شوند که هر کانتینر دید محدودی به سیستم داشته باشد؛ به طوری که هر کانتینر تصور می‌کند کارت شبکه، پردازش‌ها و فایل سیستم اختصاصی خود را دارد و به سایر کانتینرها یا سیستم میزبان دسترسی ندارد.

از سوی دیگر، گروه‌های کنترل یا همان cgroups، وظیفه مدیریت و محدودسازی منابع سخت‌افزاری را بر عهده دارند. این قابلیت به مدیر سرور اجازه می‌دهد تا به طور دقیق تعیین کند که هر کانتینر حداکثر از چه میزان توان پردازنده یا حافظه موقت (RAM) استفاده کند. این سطح از کنترل در محیط‌های هاستینگ اشتراکی و سرورهای اختصاصی، از بروز پدیده همسایه مزاحم (Noisy Neighbor) جلوگیری کرده و پایداری کل زیرساخت را تضمین می‌کند.

داکرفایل (Dockerfile)؛ زیرساخت به عنوان کد

یکی از قدرتمندترین بخش‌های داکر، امکان تعریف زیرساخت به عنوان کد (Infrastructure as Code) است. با استفاده از یک فایل متنی ساده به نام داکرفایل، شما به داکر می‌گویید که ایمیج شما باید شامل چه سیستم‌عاملی باشد، چه پکیج‌هایی روی آن نصب شود و چه دستوراتی در هنگام اجرا صادر گردد.

این فایل به تیم‌های فنی اجازه می‌دهد تا کل محیط اجرای پروژه را نسخه‌بندی (Versioning) کنند. این یعنی اگر تغییری در تنظیمات سرور نیاز باشد، به جای انجام دستی روی سرور، در داکرفایل ثبت شده و به صورت خودکار در تمامی محیط‌های توسعه، تست و عملیات اعمال می‌شود. برای مدیریت چندین کانتینر به صورت هم‌زمان، ابزار دیگری به نام داکر کامپوز (Docker Compose) استفاده می‌شود که اجازه می‌دهد کل یک پشته نرم‌افزاری (Stack) شامل دیتابیس، وب‌سرور و کش را با یک دستور واحد اجرا یا متوقف کنید.

مزایای داکر برای کسب‌وکارهای میزبانی وب

استفاده از داکر در لایه زیرساخت، مزایای اقتصادی و فنی متعددی برای ارائه دهندگان خدمات هاستینگ و دیتاسنترها به همراه دارد.

• توسعه‌سریع: ایجاد محیط‌های جدید برای مشتریان تنها چند ثانیه زمان می‌برد که این موضوع باعث بهبود تجربه کاربری و سرعت در تحویل سرویس می‌شود.
• بهره‌وری‌سخت‌افزار: به دلیل ماهیت سبک کانتینرها، می‌توان تعداد بسیار بیشتری سرویس را روی یک سرور فیزیکی واحد میزبانی کرد که مستقیماً هزینه‌های دیتاسنتر را کاهش می‌دهد.
• امنیت‌ارتقایافته: ایزوله بودن کانتینرها باعث می‌شود که نفوذ به یک وب‌سایت، منجر به دسترسی مهاجم به سایر وب‌سایت‌ها یا هسته اصلی سرور نشود.
• مهاجرت‌آسان: انتقال سرویس‌ها بین سرورهای مختلف بدون هیچ‌گونه تغییر در تنظیمات داخلی اپلیکیشن انجام می‌شود؛ چرا که تمام وابستگی‌ها درون ایمیج داکر بسته‌بندی شده‌اند.

آینده زیرساخت با داکر و کوبرنتیز

داکر مسیر را برای ابزارهای ارکستراسیون (Orchestration) هموار کرد. وقتی تعداد کانتینرها در یک دیتاسنتر به صدها یا هزاران عدد می‌رسد، مدیریت دستی آن‌ها غیرممکن است. اینجاست که ابزارهایی مانند کوبرنتیز (Kubernetes) وارد عمل می‌شوند تا وظیفه مدیریت خودکار، مقیاس‌پذیری (Scaling) و بازسازی کانتینرهای آسیب‌دیده را بر عهده بگیرند. کوبرنتیز در واقع نقش مغز متفکر را ایفا می‌کند که کانتینرهای داکر را در خوشه‌های بزرگی از سرورها توزیع و مدیریت می‌کند.

در نهایت، داکر چیزی فراتر از یک نرم‌افزار است؛ داکر یک فرهنگ جدید در دنیای فناوری اطلاعات ایجاد کرده است که مرز بین برنامه‌نویسی و مدیریت سیستم را کمرنگ کرده و سرعت نوآوری را به شدت افزایش داده است. برای هر کسی که در حوزه میزبانی وب و زیرساخت فعالیت می‌کند، تسلط بر داکر نه یک انتخاب، بلکه یک ضرورت فنی در بازارهای رقابتی امروز محسوب می‌شود.