کانتینر ابری چیست؟ تحولی در توسعه برنامه‌های کاربردی

کانتینرها فرایندهای توسعه برنامه‌های کاربردی را به‌طور چشمگیری متحول کرده‌اند.

در گذشته، برنامه‌هایی که روی ابر ساخته و مستقر می‌شدند، وابسته به سیستم‌عامل بودند؛ یعنی شما نمی‌توانستید برنامه کاربردی خود را از یک ابر یا ارائه‌دهنده سرویس ابری به دیگری منتقل کنید، حتی زمانی که آن را از راه دور میزبانی می‌کردید.

امروزه رایانش ابری با استفاده از کانتینرها به‌طور کامل روش‌های ذخیره‌سازی داده‌ها و اجرای برنامه‌ها را تغییر داده است. شما با استفاده از این فناوری می‌توانید از تکنولوژی‌های رایانش مدرن بدون صرف زمان برای نوشتن برنامه‌های کاربردی با کدهای سنگین، استفاده کنید.

برنامه‌های مبتنی‌بر کانتینر کارآمد، سبک و سازگار برای مهاجرت‌های آینده هستند. اگر می‌خواهید با کانتینرها، نحوه عملکردشان و مزایای استفاده از آن‌ها آشنا شوید، این مقاله برای شما نوشته شده است.

کانتینر چیست؟

کانتینرها واحدهای اجرایی نرم‌افزاری هستند که کد برنامه کاربردی را همراه با کتابخانه‌ها و وابستگی‌های آن بسته‌بندی می‌کنند. این بسته‌های سبک امکان اجرای کد در هر محیط محاسباتی اعم از کامپیوتر رومیزی، زیرساخت‌های سنتی فناوری اطلاعات یا زیرساخت ابری را فراهم می‌کنند.

کانتینرهای ابری از نوعی مجازی‌سازی سیستم‌عامل بهره می‌برند که در آن ویژگی‌های هسته سیستم‌عامل می‌توانند برای جداسازی فرایندها و کنترل میزان دسترسی آن‌ها به CPU، حافظه و دیسکی استفاده شوند. از جمله ویژگی‌های هسته سیستم‌عامل می‌توان به ویژگی Cgroups و فضاهای نام (Namespace) لینوکس، سیلوهای ویندوز (Windows silos) و اشیاء کاری (Job objects) اشاره کرد.

کانتینرها که نسبت به ماشین‌های مجازی (VM) ساده‌تر، قابل حمل‌تر و بهینه‌تر در مصرف منابع هستند، به واحدهای محاسباتی واقعی در برنامه‌های مدرن مبتنی‌بر ابر تبدیل شده‌اند. علاوه‌بر این، کانتینرها نقش حیاتی در زیرساخت‌های اساسی فناوری اطلاعات دارند که از تنظیمات محیط‌های چند ابری ترکیبی پشتیبانی می‌کنند. چنین محیط‌هایی شامل ترکیبی از مراکز داده داخلی، ابر خصوصی، ابر عمومی و استفاده از سرویس‌های چند ارائه‌دهنده خدمات ابری می‌شود.

طبق گزارشی از Business Research Insights، بازار جهانی فناوری کانتینر در سال 2021 با ارزشی برابر با 496.4 میلیون دلار برآورد شده و پیش‌بینی می‌شود تا سال 2031 با نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) برابر با 19.8 درصد به 3123.42 میلیون دلار برسد.

تفاوت کانتینرها و ماشین‌های مجازی

برای درک بهتر کانتینرهای ابری بهتر است به بررسی تفاوت کانتینر با یک ماشین مجازی سنتی بپردازیم که یک نمایش مجازی یا شبیه‌سازی یک کامپیوتر فیزیکی است. ماشین مجازی اغلب به عنوان مهمان (Guest) شناخته می‌شود، درحالی‌که به ماشین فیزیکی که ماشین مجازی (VM) روی آن اجرا می‌شود، میزبان (Host) می‌گویند.

فناوری مجازی‌سازی امکان ایجاد ماشین‌های مجازی را فراهم می‌کند. یک هایپروایزر (که یک لایه نرم‌افزاری کوچک جهت مدیریت منابع است) منابع محاسباتی فیزیکی مانند پردازنده‌ها، حافظه و فضای ذخیره‌سازی را به هر ماشین مجازی تخصیص می‌دهد. هایپروایزرها با جداسازی ماشین‌های مجازی از یکدیگر، از تداخل آن‌ها با هم جلوگیری می‌کند. هر ماشین مجازی شامل یک سیستم‌عامل مهمان، یک نسخه مجازی از سخت‌افزاری که سیستم‌عامل برای اجرا به آن نیاز دارد، یک برنامه کاربردی و کتابخانه‌ها و وابستگی‌های مرتبط با آن می‌شود. VMware یکی از اولین شرکت‌هایی بود که فناوری مجازی‌سازی را مبتنی‌بر هایپروایزر توسعه داد و تجاری‌سازی کرد.

به‌جای مجازی‌سازی سخت‌افزار زیربنایی، فناوری کانتینر سیستم‌عامل (معمولا لینوکس) را مجازی‌سازی می‌کند، به‌طوری که هر کانتینر فقط شامل برنامه کاربردی و کتابخانه‌هایش، فایل‌های پیکربندی و وابستگی‌های آن است. نبود سیستم‌عامل مهمان باعث سبک شدن کانتینرها می‌شود و به همین دلیل کانتینرها سریع‌تر و قابل حمل‌تر از ماشین‌های مجازی هستند.

کانتینرها و ماشین‌های مجازی در تقابل با هم قرار ندارند. برای مثال، یک سازمان ممکن است با اجرای کانتینرها در ماشین‌های مجازی از مزایای هر دو فناوری برای افزایش ایزوله‌سازی و امنیت بهره ببرد و از ابزارهای نصب‌شده برای خودکارسازی، پشتیبان‌گیری و مانیتورینگ استفاده کند.

مزایای استفاده از کانتینرها در توسعه برنامه‌های کاربردی

مزیت اصلی کانتینرها، به‌ویژه در مقایسه با ماشین‌های مجازی، این است که کانتینرها سطحی از انتزاع (Abstraction) را ارائه می‌دهند که آن‌ها را سبک و قابل حمل می‌سازد. مزایای اصلی کانتینرها عبارت‌اند از:

سبک‌وزن بودن

کانتینرها از هسته سیستم‌عامل ماشین به‌صورت مشترک استفاده می‌کنند، بنابراین نیاز به یک نمونه کامل از سیستم‌عامل به‌ازای هر برنامه کاربردی را حذف کرده و فایل‌های کانتینر را کوچک و مصرف منابع را کم می‌کنند. کوچک بودن اندازه کانتینرها، به‌ویژه در مقایسه با ماشین مجازی، این امکان را به آن‌ها می‌دهد که به‌سرعت راه‌اندازی شوند و به‌خوبی از برنامه‌های کاربردی مبتنی‌بر ابر که به‌صورت افقی مقیاس‌پذیر هستند، پشتیبانی کنند.

قابل حمل (Portable) و مستقل از پلتفرم

کانتینرها تمامی وابستگی‌های لازم برای اجرای یک نرم‌افزار را به همراه خود دارند؛ یعنی نرم‌افزار می‌تواند یک بار نوشته شود و سپس بدون نیاز به پیکربندی مجدد در محیط‌های محاسباتی مختلف (مانند لپ‌تاپ، ابر و مراکز داده محلی) اجرا شود.

پشتیبانی از توسعه و معماری مدرن

کانتینرها به‌دلیل ترکیب قابلیت حمل و سازگاری استقرار در پلتفرم‌ها و اندازه کوچک، برای توسعه و الگوهای کاربردی مدرن —مانند توسعه و عملیات (DevOps)، بدون سرور (Serverless) و میکروسرویس‌ها— بسیار مناسب‌اند که با استفاده از استقرار مداوم کد در اندازه‌های کوچک ساخته می‌شوند.

استفاده بهینه‌تر

کانتینرها مانند ماشین‌های مجازی، به توسعه‌دهندگان و اپراتورها اجازه می‌دهند که از CPU و حافظه ماشین‌های فیزیکی بهره‌وری بیشتری داشته باشند. کانتینرها با معماری میکروسرویس، حتی یک قدم فراتر از ماشین‌های مجازی می‌روند؛ به این صورت که اجزای برنامه کاربردی می‌توانند به‌طور جداگانه استقرار یافته و مقیاس‌بندی شوند. به همین دلیل کانتینرها یک جایگزین جذاب برای افزایش مقیاس در یک برنامه کاربردی یکپارچه نیز به شمار می‌روند.

کاهش زمان عرضه محصول یا سرویس به بازار

کانتینرها کمتر به منابع سیستم وابسته هستند که باعث می‌شود مدیریت و استقرارشان نسبت به ماشین‌های مجازی سریع‌تر باشد. این ویژگی به صرفه‌جویی زمان و هزینه در استقرار برنامه‌های کاربردی و بهینه‌سازی زمان عرضه به بازار کمک می‌کند.

کاربرد کانتینرها

کانتینرها یک مکانیزم بسته‌بندی منطقی ارائه می‌دهند که در آن برنامه‌های کاربردی می‌توانند از محیطی که در آن اجرا می‌شوند، انتزاع شوند. این جداسازی به برنامه‌های مبتنی‌بر کانتینر اجازه می‌دهد که به‌راحتی و به‌صورت مداوم مستقر شوند؛ بدون توجه به اینکه محیط هدف یک مرکز داده خصوصی، ابر عمومی یا حتی لپ‌تاپ شخصی توسعه‌دهنده باشد.

1. میکروسرویس‌ها: کانتینرها به‌دلیل وزن کم و اندازه کوچک برای معماری‌های میکروسرویس مناسب هستند؛ در معماری میکروسرویس، برنامه‌های کاربردی از چندین سرویس کوچک‌تر با وابستگی که به‌طور مستقل قابل استقرارند، ساخته شده‌اند.
2. توسعه و عملیات (DevOps): ترکیب میکروسرویس‌ها به‌عنوان یک معماری و کانتینرها به‌عنوان یک پلتفرم، پایه و اساس مشترکی برای بسیاری از تیم‌های توسعه و عملیات است که از متدولوژی‌های توسعه و عملیات (DevOps) استفاده می‌کنند. به‌عنوان مثال، کانتینرها از خطوط لوله (Pipelines) توسعه و عملیات شامل پیاده‌سازی یکپارچه و استقرار مداوم (CI/CD) پشتیبانی می‌کنند.
3. ابر ترکیبی و چندابری: ازآنجایی‌که کانتینرها می‌توانند به‌طور یکسان در هر جایی —لپ‌تاپ‌ها، محیط‌های داخلی و محیط‌های ابری— اجرا شوند، یک معماری زیربنایی ایده‌آل برای سناریوهای ابر ترکیبی (Hybrid cloud) و چندابری (Multicloud) هستند. در این رویکردها، سازمان‌ها در ترکیبی از چندین ابر عمومی به همراه مراکز داده خود فعالیت می‌کنند.
4. مهاجرت و مدرن‌سازی برنامه‌های کاربردی: یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای مدرن‌سازی برنامه‌های کاربردی، کانتینری کردن برنامه‌های کاربردی در آماده‌سازی برای مهاجرت ابری است.
5. بارهای کاری هوش مصنوعی و یادگیری ماشین: کانتینری‌سازی (یعنی تصاویر داکر (Docker) که با کوبرنتیز (Kubernetes) هماهنگ می‌شوند) به‌سرعت امکان ایجاد خطوط لوله توسعه و عملیات را برای استقرار برنامه‌های هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشین (ML) در محیط‌های رایانش ابری فراهم می‌کند. درباره نقش هوش مصنوعی در رایانش ابری بیشتر بخوانید.
6. هوش مصنوعی مولد: کانتینرها همچنین یک روش کارآمد برای استقرار و مدیریت مدل‌های بزرگ زبان (Large Language Models – LLM) مرتبط با هوش مصنوعی مولد‌ (Generative AI) ارائه می‌دهند. این مدل‌ها در صورت استفاده با ابزارهای ارکستراسیون، قابلیت حمل و مقیاس‌پذیری را فراهم می‌کنند. علاوه‌بر این، تغییرات ایجادشده در LLM می‌توانند به‌سرعت در یک تصویر کانتینر جدید، بسته‌بندی شوند و توسعه و آزمایش را تسریع کنند.
7. توسعه چابک: کانتینرها به توسعه‌دهندگان شما اجازه می‌دهند بدون نگرانی درباره وابستگی‌ها و محیط‌ها با سرعت بیشتری حرکت کنند.
8. عملیات کارآمد: کانتینرها به‌دلیل وزن سبک به شما اجازه می‌دهند تا فقط از منابع محاسباتی مورد نیاز خود استفاده کنید. این ویژگی به اجرای کارآمد برنامه‌های کاربردی شما کمک می‌کند.
9. اجرا در هر مکان: کانتینرها قادر به اجرا در تقریبا هر مکانی هستند. هر جا که بخواهید نرم‌افزار خود را اجرا کنید، می‌توانید از کانتینرها استفاده کنید.

کانتینری‌سازی چیست؟

کانتینرها به فناوری کانتینر‌سازی (Containerization) وابسته هستند که به بسته‌بندی کد نرم‌افزار همراه با سیستم‌عامل و متغیرهای محیطی مرتبط، فایل‌های پیکربندی، کتابخانه‌ها و وابستگی‌های نرم‌افزاری آن اشاره دارد.

نتیجه فرایند کانتینری‌سازی یک تصویر (Image) کانتینر است که روی یک پلتفرم کانتینر اجرا می‌شود. تصویر کانتینر نشان‌دهنده داده‌های باینری است که یک برنامه کاربردی و تمام وابستگی‌های نرم‌افزاری آن را در بر می‌گیرد.

کانتینری‌سازی به برنامه‌های کاربردی این امکان را می‌دهد که یک بار نوشته شوند و در هر جایی اجرا شوند. این امر باعث قابلیت حمل (Portability)، تسریع در فرایند توسعه، جلوگیری از وابستگی به فروشنده‌های ابری و موارد دیگر می‌شود.

داکر و دوران مدرن کانتینر

بیشتر توسعه‌دهندگان سال 2013 را به‌عنوان آغاز دوران مدرن کانتینرها با معرفی داکر (Docker) می‌دانند. در پاسخ به سوال داکر چیست، باید بگوییم: داکر یک پلتفرم نرم‌افزاری متن‌باز برای کانتینر‌سازی است که به‌عنوان یک PaaS (پلتفرم به‌عنوان سرویس) عمل می‌کند. توسعه‌دهندگان با استفاده از داکر می‌توانند به ایجاد، اجرا، به‌روزرسانی و مدیریت کانتینرها بپردازند.

داکر از هسته لینوکس (مؤلفه اصلی سیستم‌عامل) و ویژگی‌های هسته (مانند Cgroups و فضای نام یا همان Namespaces) برای جداسازی فرایندها استفاده می‌کند، به‌گونه‌ای که بتوانند به‌طور مستقل اجرا شوند. این پلتفرم نرم‌افزاری به‌طور اساسی یک برنامه کاربردی و وابستگی‌های آن را می‌گیرد و آن‌ها را به یک کانتینر مجازی تبدیل می‌کند که می‌تواند روی همه سیستم‌عامل‌ها اجرا شود.

هماهنگ‌سازی کانتینر با کوبرنتیز

مدیریت صدها هزار کانتینر در یک سیستم می‌تواند بسیار پیچیده و غیرممکن شود. در چنین شرایطی به یک راه‌حل مدیریت هماهنگ‌سازی (Orchestration) نیاز است. هماهنگ‌سازی کانتینر به شرکت‌ها این امکان را می‌دهد که حجم زیادی از کانتینرها را در طول عمرشان مدیریت کنند، شامل:

• تامین
• افزونگی (Redundancy)
• نظارت بر سلامت
• تخصیص منابع
• مقیاس‌بندی و تعادل بار
• جابه‌جایی بین میزبان‌های فیزیکی

درحالی‌که پلتفرم‌های دیگری نیز برای هماهنگ‌سازی کانتینر وجود دارند (مانند Apache Mesos، Nomad، Docker Swarm)، کوبرنتیز به استاندارد صنعت تبدیل شده است.

معماری کوبرنتیز شامل خوشه‌هایی (Cluster) است که به کانتینرها اجازه می‌دهند در چندین ماشین و محیط اجرا شوند. هر خوشه معمولاً شامل گره‌های کارگر و گره‌های کنترل است. گره‌های کارگر برنامه‌های کانتینری‌شده را اجرا می‌کنند و گره‌های کنترل مدیریت کلاستر را بر عهده دارند. برای آشنایی بیشتر با کاربردی‌ترین پلتفرم هماهنگ‌سازی کانتینر مقاله جامع کوبرنتیز چیست را مطالعه کنید.

کانتینر به‌عنوان سرویس (CaaS) چیست؟

کانتینر به‌عنوان سرویس (CaaS) یک سرویس رایانش ابری است که به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا برنامه‌های کانتینری‌شده را مدیریت و مستقر کنند. این سرویس دسترسی به راه‌حل‌های ابری قابل حمل و مقیاس‌پذیر را برای انواع کسب‌وکارهای کوچک، متوسط و بزرگ فراهم می‌آورد.

CaaS یک پلتفرم ابری ارائه می‌دهد که کاربران می‌توانند در آن فرایندهای مجازی‌سازی مبتنی‌بر کانتینر و مدیریت کانتینرها را ساده‌سازی کنند. ارائه‌دهندگان CaaS مجموعه‌ای از ویژگی‌ها را در اختیار کاربران قرار می‌دهند که شامل زمان‌های اجرای (Runtime) کانتینر، لایه‌های هماهنگ‌سازی و مدیریت ذخیره‌سازی پایدار می‌شود.

سرویس CaaS نیز مانند زیرساخت به‌عنوان سرویس (IaaS)، پلتفرم به‌عنوان سرویس (PaaS) و نرم‌افزار به‌عنوان سرویس (SaaS)، از طریق مدل قیمت‌گذاری پرداخت به ازای مصرف (Pay As You Go) توسط ارائه‌دهندگان خدمات ابری ارائه می‌شود. از جمله ارائه‌دهندگان برتر CaaS می‌توانیم به AWS، Google Cloud Services، IBM Cloud®، Microsoft Azure) اشاره کنیم. این مدل قیمت‌گذاری به کاربران اجازه می‌دهد فقط برای خدماتی که استفاده می‌کنند، هزینه بپردازند.

تامین امنیت کانتینر در محیط‌های ابری

ازآنجایی‌که کانتینرها نقش مهمی در توسعه و استقرار نرم‌افزار در محیط‌های ابری ترکیبی دارند، سازمان‌ها باید از محافظت بارهای کاری مبتنی‌بر کانتینر در برابر تهدیدهای امنیتی خارجی و داخلی مطمئن شوند.

کانتینرها می‌توانند در هر مکانی مستقر شوند که این امر سطوح جدیدی از حمله را در اطراف محیط‌های مبتنی‌بر کانتینر ایجاد می‌کند. حوزه‌های آسیب‌پذیر امنیتی شامل تصاویر کانتینر، ثبت‌نام‌های تصویر، زمان‌های اجرای کانتینر، پلتفرم‌های هماهنگ‌سازی کانتینر و سیستم‌عامل‌های میزبان می‌شود.

برای شروع، سازمان‌ها باید امنیت کانتینرها را با سیاست‌های امنیتی و استراتژی کلی خود ادغام کنند. این استراتژی‌ها باید شامل بهترین شیوه‌های امنیتی به همراه ابزارهای نرم‌افزاری امنیت ابری باشد. این رویکرد جامع باید به‌گونه‌ای طراحی شود که از برنامه‌های کاربردی کانتینری و زیرساخت زیربنایی آن‌ها در طول کل چرخه عمر کانتینر محافظت کند.

بهترین شیوه‌های امنیتی شامل موارد زیر است:

• استراتژی Zero-Trust: این استراتژی فرض می‌کند که امنیت یک شبکه پیچیده همیشه در معرض تهدیدهای خارجی و داخلی است.
• رویکرد DevSecOps: این رویکرد یک شیوه توسعه نرم‌افزار است که ادغام شیوه‌های امنیتی را در هر مرحله از چرخه عمر توسعه نرم‌افزار (از طراحی اولیه تا ادغام، تست، تحویل و استقرار) خودکار می‌کند.

سازمان‌ها همچنین باید از ابزارهای امنیتی مناسب کانتینر برای کاهش خطرات استفاده کنند. راه‌حل‌های امنیتی خودکار شامل مدیریت پیکربندی، کنترل دسترسی، اسکن برای بدافزار یا حملات سایبری، تقسیم‌بندی شبکه، نظارت و موارد دیگر می‌شود.

علاوه‌بر این، ابزارهای نرم‌افزاری برای اطمینان از تطبیق بارهای کاری مبتنی‌بر کانتینر با استانداردهای مقرراتی مانند GDPR (قانون محافظت از داده‌های عمومی)، HIPAA (قانون قابلیت انتقال و مسئولیت پذیری بیمه سلامت) و… نیز در دسترس هستند.

سوالات متداول

کانتینر در ابر چیست؟

کانتینرها بسته‌هایی از نرم‌افزار هستند که تمام عناصر لازم برای اجرا در هر محیطی را در بر می‌گیرند. کانتینرها سیستم‌عامل را مجازی می‌کنند و در هر مکانی ،از یک مرکز داده خصوصی گرفته تا ابر عمومی یا حتی روی لپ‌تاپ شخصی یک توسعه‌دهنده، اجرا می‌شوند.

تفاوت کانتینر و ماشین مجازی چیست؟

ماشین‌های مجازی از طریق هایپروایزر به سخت‌افزار یک ماشین فیزیکی دسترسی دارند. هایپروایزر یک لایه انتزاعی ایجاد می‌کند که اجازه دسترسی به CPU، حافظه و فضای ذخیره‌سازی را به کاربر می‌دهد. از سوی دیگر، کانتینرها نشان‌دهنده یک بسته نرم‌افزاری شامل یک فایل اجرایی با وابستگی‌های مورد نیاز برای اجرا است.

آیا داکر یک کانتینر است؟

خیر؛ داکر یک کانتینر نیست؛ بلکه یک پلتفرم مبتنی‌بر کانتینر است که به توسعه‌دهندگان امکان ایجاد، اجرا، به‌روزرسانی و مدیریت کانتینرها را می‌دهد.

منابع: Google Cloud | IBM