Повышение эффективности процессов разработки программного обеспечения: контейнерные технологии

Шейнман Веред ORCID: 0009-0003-5977-4211 независимый исследователь 3498838, Израиль, г. Хайфа, ул. Абба Хоши, 199 Sheinman Vered Independent researcher 199 Abba Hoshi Street, Haifa, Israel, 3498838 vered.sheinman@gmail.com Стариков Дмитрий Дмитриевич ORCID: 0009-0009-8788-709X студент; институт № 8 «Компьютерные науки и прикладная математика»; Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) 125993, Россия, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4 Starikov Dmitrii Dmitrievich Student; Institute No. 8 'Computer Science and Applied Mathematics'; Moscow Aviation Institute (National Research University) 125993, Russia, Moscow, Volokolamsk highway, 4 dd.starikov@gmail.com Тюменцев Денис Викторович ORCID: 0009-0003-5275-3223 независимый исследователь 670013, Россия, республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40В Tiumentsev Denis Viktorovich independent researcher 670013, Russia, Republic of Buryatia, Ulan-Ude, Klyuchevskaya str., 40B tyumencev_dv@rambler.ru

Вавилов Георгий Давидович ORCID: 0000-0002-5951-3201 студент; отделение радиотерапии; Национальный медицинский исследовательский центр имени академика Е.Н. Мешалкина 630055, Россия, г. Новосибирск, ул. Речкуновская, 15 Vavilov Georgiy Davidovich Student; Department of Radiotherapy; National Medical Research Center named after Academician E.N. Meshalkin 15 Rechkunovskaya str., Novosibirsk, 630055, Russia Frost20@narod.ru

Введение

Контейнерные технологии играют важную роль в разработке программного обеспечения (ПО), предоставляя эффективные решения для управления приложениями и инфраструктурой. В условиях роста сложности программных систем и стремительного темпа изменений в ИТ-индустрии контейнеризация обеспечивает необходимые инструменты для оптимизации процессов создания, тестирования и развертывания элементов ПО.

Контейнерные платформы, такие как Docker, а также системы оркестрации контейнеров, включая Kubernetes, стали стандартом в области разработки. Эти технологии позволяют изолировать приложения и их зависимости в независимые, легковесные среды, что способствует повышению гибкости и переносимости ПО между различными вычислительными средами. Это устраняет проблемы, связанные с несовместимостью конфигураций и инфраструктуры, и упрощает управление жизненным циклом программных продуктов. Цель данной статьи – проанализировать, каким образом использование контейнерных технологий способствует повышению эффективности процессов разработки ПО.

Основная часть. Понятие и особенности контейнеризации

Методология создания и развертывания программных приложений в изолированных средах называется контейнеризацией. Контейнеры предоставляют средства для упаковки ПО и всех его зависимостей в самодостаточные, изолированные от хост-системы единицы, что позволяет значительно упростить переносимость и воспроизводимость приложений между различными вычислительными платформами ^[1]. В отличие от традиционной виртуализации, контейнеры используют общее ядро операционной системы, обеспечивая при этом полную изоляцию процессов, файловой системы и сетевых ресурсов для каждого элемента.

Контейнеры используют механизмы изоляции, такие как cgroups и namespaces, которые позволяют ограничить доступ к ресурсам и создать изолированные пространства имен для процессов, сетевых интерфейсов и систем ^[2]. Это гарантирует, что файлы, работающие в контейнерах, не будут влиять друг на друга, обеспечивая высокий уровень безопасности и изоляции без необходимости в полноценной виртуализации.

Контейнеризация предоставляет множество преимуществ для разработки и эксплуатации ПО. Это различные аспекты работы с приложениями – от повышения гибкости до оптимизации использования ресурсов (таблица 1).

Таблица 1. Преимущества контейнеризации ^{[3, 4]}

Преимущества контейнеризации, представленные в таблице, подчеркивают ее важность для современного процесса разработки и эксплуатации ПО. Более эффективное использование ресурсов и быстрота развертывания способствуют оптимизации инфраструктуры и уменьшению затрат на поддержание приложений. В совокупности, это делает контейнеризацию мощным инструментом для ускорения инноваций и повышения общей эффективности в ИТ-индустрии.

Основные технологии и инструменты контейнеризации

Согласно онлайн-опросу, проведенному американской компанией Statista в 2024 году, одной из самых популярных и востребованных технологий для контейнеризации является Docker – о его использовании сообщили 59% разработчиков ^[5]. Он предоставляет средства для создания, управления и развертывания контейнеров, позволяя легко упаковывать программные продукты вместе с их зависимостями в стандартные контейнерные образы (рис.1).

Рисунок 1. Основные состояния контейнеров в Docker

Компоненты Docker включают Docker Engine, Docker Hub и Docker Compose ^[6]. Docker Engine является ключевым элементом платформы, отвечающим за создание и выполнение контейнеров и взаимодействие с операционной системой. Docker Hub представляет собой облачную платформу для хранения и распространения контейнерных образов. Она позволяет разработчикам делиться готовыми элементами ПО с другими пользователями, а также загружать необходимые продукты из общего хранилища. Docker Compose является инструментом, который упрощает работу с многоконтейнерными приложениями, предоставляя возможность описывать конфигурации в виде YAML-файлов и управлять процессами их запуска и взаимодействия.

Встроенная в Docker система оркестрации контейнеровназывается Docker Swarm ^[7]. Она обеспечивает простую интеграцию с существующими Docker-средами и позволяет распределять контейнеры между несколькими узлами, поддерживая балансировку нагрузки и автоматическое восстановление.

Kubernetes – это система оркестрации контейнеров с открытым исходным кодом, предназначенная для автоматизации процессов развертывания, управления и масштабирования программных продуктов, построенных на контейнерах. Она разработана для эффективной работы с крупными распределенными системами и предлагает мощные инструменты для управления большим числом контейнеров в различных вычислительных окружениях ^[8]. Это делает Kubernetes незаменимым инструментом для компаний, стремящихся к высокому уровню автоматизации и гибкости в разработке ПО (рис.2).

Рисунок 2. Архитектура системы Kubernetes

Разработчики и операторы взаимодействуют с системой через API сервер для управления контейнерными приложениями. Рабочие узлы содержат поды (Pod), которые представляют собой группы контейнеров, а также компоненты для мониторинга и управления – Kubelet, cAdvisor и Kube-Proxy. Узлы связаны через сетевые плагины, обеспечивающие взаимодействие контейнеров в кластере.

Согласно исследованиям Statista, в 2023 году 38% разработчиков отмечали повышение производительности, доступности и отказоустойчивости систем как главное преимущество Kubernetes. Ключевые возможности технологии включают автоматическое масштабирование, оркестрацию сетей и хранилищ, автовосстановление и балансировку нагрузки ^[9]. Автоматическое масштабирование позволяет системе динамически изменять количество контейнеров в зависимости от текущей нагрузки на приложение, что способствует эффективному использованию ресурсов. Оркестрация сетей и хранилищ обеспечивает управляемое взаимодействие между контейнерами и предоставляет доступ к внешним хранилищам данных, упрощая работу с распределенными файлами. Функция автовосстановления автоматически перезапускает или заменяет контейнеры в случае их выхода из строя, поддерживая бесперебойную работу системы. Балансировка нагрузки распределяет входящий трафик между контейнерами, что позволяет достичь оптимальной производительности продуктов, даже при высокой нагрузке.

OpenShift –это платформа контейнеризации, основанная на Kubernetes. Она предоставляет дополнительные инструменты для управления безопасностью, разработкой и эксплуатацией файлов в контейнерах (рис.3).

Рисунок 3. Схема OpenShift

OpenShift ориентирован на корпоративный сегмент и включает средства для разработки приложений ^[10]. Пользователь инициирует резервное копирование через команду, которая взаимодействует с Kubernetes API. Контроллер резервного копирования управляет процессом, сохраняя конфигурации в хранилище и загружая данные в облачный провайдер с созданием снимков дисков. Технология предлагает улучшенные механизмы управления безопасностью контейнеров и процессами аутентификации, а также интеграцию с CI/CD (непрерывной интеграцией и развертыванием), что делает ее эффективным инструментом для крупных организаций с комплексными требованиями к инфраструктуре.

CRI-O – это проект с открытым исходным кодом, специально разработанный для использования с Kubernetes. Он предоставляет минималистичную, но эффективную среду выполнения контейнеров, что позволяет Kubernetes напрямую управлять контейнерами без необходимости использования более сложных решений, таких как Docker (рис.4)

Рисунок 4. Сравнение взаимодействия Kubernetes с контейнерами через dockershim и cri-containerd

На схеме показаны два различных подхода взаимодействия Kubernetes с контейнерами. В первом случае используется dockershim – промежуточный слой, который позволяет Kubernetes взаимодействовать с контейнерами через Docker. В этой архитектуре Kubernetes с помощью компонента Kubelet отправляет команды через интерфейс CRI (Container Runtime Interface) к Docker, который управляет контейнерами через низкоуровневый компонент containerd. Контейнеры создаются и управляются Docker, что добавляет лишний уровень абстракции.

Во втором подходе используется CRI-O. В этом случае Kubelet взаимодействует напрямую с CRI-O через тот же интерфейс CRI, что исключает необходимость использования Docker. Вместо этого CRI-O напрямую управляет контейнерами через containerd, что упрощает архитектуру, улучшает производительность и устраняет избыточные слои. CRI-O сосредоточен на минимизации функциональности для выполнения только тех задач, которые необходимы для работы с Kubernetes. Это делает его более легковесной и эффективной альтернативой для Kubernetes-кластеров ^[11].

Podman – это инструмент с открытым исходным кодом, обладающий функциональностью, схожей с Docker, но с некоторым отличием: Podman не требует наличия фонового процесса для управления контейнерами. Это делает его более безопасной альтернативой Docker, особенно в средах с повышенными требованиями к безопасности (рис.5)

Рисунок 5. Сравнение архитектуры Docker и Podman

Podman интегрируется с другими инструментами, такими как Buildah для создания контейнерных образов и Skopeo для их управления, что делает его надежным инструментом для работы с контейнерами в средах с высокими требованиями к безопасности.

Согласно исследованию, проведенному в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) в сотрудничестве с американским производителем ПО Red Hat, технология Podman адаптирована для использования в области высокопроизводительных вычислений (HPC). Podman предлагает такие преимущества, как возможность запуска контейнеров без привилегий root, что повышает уровень безопасности, а также возможность сборки контейнерных образов непосредственно на узлах суперкомпьютера Perlmutter ^[12]. Результаты тестирования различных режимов работы Podman, включая podman-exec и Podman container-per-process, продемонстрировали производительность, сопоставимую с непосредственным использованием аппаратных ресурсов, что делает Podman перспективным инструментом для использования.

Применение контейнеров на различных этапах разработки ПО

Контейнеризация предоставляет разработчикам возможность эффективно управлять программными системами на всех стадиях их жизненного цикла – от разработки до эксплуатации. Контейнеры помогают создавать изолированные среды, которые можно быстро развертывать и тестировать, что особенно важно для крупных компаний ^[13].

На этапе разработки контейнеры используются для создания стандартизированных сред, которые обеспечивают одинаковую работу приложения на различных устройствах. Например, американская компания Google использует контейнеризацию для разработки своих сервисов, включая Google Search и Gmail ^[14]. Контейнеры позволяют разработчикам создавать приложения в идентичных продуктивным средах, что исключает проблемы, связанные с различиями в конфигурации операционных систем и библиотек. Это существенно упрощает процесс написания кода и его последующее тестирование. Google Cloud предоставляет экосистему, необходимую для более быстрой разработки и внедрения ПО без ущерба для безопасности. Согласно отчетам, 98 % клиентов компаний, которые используют инструменты Google для контейнеризации, развертывают приложение с первой попытки менее чем за 5 минут.

Тестирование ПО – это важнейший этап разработки, на котором контейнерные технологии позволяют создавать изолированные и воспроизводимые тестовые среды. В американском стриминговом сервисе Netflix контейнеры играют ключевую роль в ускорении тестирования и улучшении качества новых версий приложений и сервисов. Для этих целей Netflix использует Docker и Kubernetes ^[15]. С помощью Docker компания создает контейнеры, в которых изолируются различные версии приложений, что позволяет проводить тестирование в идентичных средах, избегая проблем, связанных с различиями в конфигурации. Kubernetes помогает Netflix масштабировать тестовые среды для имитации различных сценариев работы потокового сервиса под разными уровнями нагрузки. Это позволяет тестировать производительность и устойчивость приложений к высоким нагрузкам, быстрее выявлять потенциальные ошибки и снижать риски, связанные с обновлениями приложений.

Российская компания «Яндекс» применяет контейнеризацию на этапе тестирования для проверки новых функциональных возможностей своих продуктов. Для этих целей Яндекс использует такие инструменты, как Docker и Kubernetes. Docker позволяет создавать изолированные контейнеры, в которых разрабатываются и тестируются отдельные компоненты сервисов ^[16]. Эти контейнеры помогают воспроизводить тестовые среды, идентичные реальным, что снижает вероятность возникновения ошибок.

Kubernetes используется для автоматизации развертывания контейнеров и управления ими на кластерах серверов. Это позволяет Яндексу масштабировать тестовые окружения и проводить нагрузочные тесты для проверки производительности новых функций под разными уровнями нагрузки. Благодаря такой интеграции Docker и Kubernetes, компания может параллельно тестировать множество версий своих продуктов, что ускоряет цикл разработки и снижает риски внедрения обновлений в рабочие среды.

На этапе развертывания и эксплуатации ПО контейнеризация предоставляет значительные преимущества, обеспечивая гибкость и масштабируемость приложений. Примером этого может служить практика American Express (США), которая активно использует контейнеризацию в процессах разработки и эксплуатации ПО ^[17]. Компания применяет Docker и Kubernetes для автоматизации развертывания финансовых сервисов, что позволяет им гибко масштабировать приложения в зависимости от изменяющихся требований и нагрузки на систему.

После развертывания контейнеры продолжают играть важную роль в эксплуатации и масштабировании ПО, обеспечивая автоматическое управление ресурсами и гибкость в изменении конфигураций.

Заключение

Контейнерные технологии способствуют повышению эффективности разработки ПО за счет изоляции приложений и их зависимостей, что облегчает переносимость между различными средами. Это позволяет устранить проблемы совместимости, ускоряя процессы разработки, тестирования и развертывания. Использование контейнеров оптимизирует распределение ресурсов, снижая нагрузку на инфраструктуру и улучшая масштабируемость программных продуктов. Такие платформы, как Docker и Kubernetes, обеспечивают автоматизацию и гибкость управления файлами, что сокращает время на внедрение новых функций и минимизирует затраты на поддержание инфраструктуры.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Вклад авторов. Все авторы внесли равный вклад в написание настоящей статьи.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Funding. The study had no sponsorship.

Authors contributions. All authors contributed equally to this article.

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.