Как устроен Docker® и почему он популярен

Docker — это как чемодан для программы. Вместо того чтобы устанавливать приложение и все его зависимости на каждом компьютере отдельно, вы упаковываете всё необходимое в контейнер. Этот контейнер можно запустить на любом сервере, и программа будет работать одинаково — независимо от того, какая ОС установлена на хосте или какие библиотеки там уже есть.

До появления Docker разработчики часто сталкивались с проблемой: приложение отлично работало на локальной машине, но отказывалось запускаться на сервере из‑за различий в версиях библиотек или настройках системы. Docker решил эту проблему, создав стандартизированный способ упаковки и запуска приложений.

В статье расскажем, как Docker устроен изнутри, какие компоненты входят в его состав, как создавать контейнеры и управлять ими. Разберём основные команды для работы с платформой, рассмотрим системы оркестрации и обсудим современные альтернативы Docker.

Что такое Docker

Docker — платформа для контейнеризации приложений. Контейнеризация — упаковка программы со всеми её зависимостями в изолированную среду, собственно, контейнер. В отличие от виртуальной машины, которая эмулирует целый компьютер с отдельной ОС, контейнер использует ядро хост‑системы и изолирует только процессы приложения.

Контейнер включает в себя код приложения, системные библиотеки, переменные окружения и конфигурационные файлы — всё, что нужно для работы программы. При этом он весит в разы меньше виртуальной машины и запускается за секунды.

Ключевые особенности контейнеров делают их удобным инструментом для современной разработки. Контейнеры легковесные — занимают от десятка до сотен мегабайт, в то время как виртуальная машина требует гигабайты. Они изолированы друг от друга: падение одного контейнера не затрагивает остальные. При этом контейнеры переносимы — один и тот же образ запустится одинаково на ноутбуке разработчика, тестовом сервере и в продакшн‑окружении.

Преимущества использования Docker

Docker предоставляет набор преимуществ, которые упрощают разработку и эксплуатацию приложений. Главное из них — портативность. Контейнер с приложением, как мы уже сказали, запускается одинаково в любом окружении: на локальном компьютере, в дата‑центре или облаке. Это избавляет от классической проблемы «у меня работает, а на сервере нет».

Скорость развёртывания — ещё одно важное преимущество. Запуск контейнера занимает секунды, поскольку не требуется загрузка ОС. Это ускоряет процессы тестирования и выпуска новых версий. Команда может выкатывать обновления несколько раз в день без длительных простоев.

Эффективное использование ресурсов достигается за счёт того, что контейнеры делят общее ядро ОС. На одном сервере можно запустить десятки контейнеров там, где поместилось бы всего несколько виртуальных машин. Это снижает затраты на инфраструктуру.

Изоляция приложений обеспечивает безопасность и стабильность. Каждый контейнер работает в своём пространстве имён, не имея доступа к процессам других контейнеров. Если одно приложение даст сбой, остальные продолжат работать.

Docker также упрощает масштабирование. При росте нагрузки можно быстро запустить дополнительные экземпляры контейнера и распределить между ними трафик. Когда нагрузка спадёт, лишние контейнеры легко остановить.

Основные компоненты Docker

Архитектура Docker состоит из нескольких ключевых компонентов, которые работают вместе для создания и управления контейнерами.

Эти компоненты формируют экосистему Docker, где каждый элемент выполняет свою роль в процессе контейнеризации приложений.

Как устроен образ Docker

Образ Docker — это набор слоёв файловой системы, наложенных друг на друга. Каждый слой содержит изменения относительно предыдущего: установленные пакеты, скопированные файлы или изменённые настройки. Слои доступны только для чтения — это гарантирует их неизменность.

Базовый слой обычно содержит минимальную ОС — например, Alpine Linux размером всего 5 МБ или Ubuntu^®. На него накладываются дополнительные слои: установка языка программирования, добавление библиотек, копирование кода приложения. Каждая инструкция в Dockerfile создаёт новый слой.

Слоистая архитектура даёт несколько преимуществ. Docker кеширует слои и переиспользует их между разными образами. Если десять приложений используют Node.js версии 20, слой с этой версией будет храниться только один раз. При обновлении образа пересобираются только изменённые слои — это ускоряет процесс сборки.

Когда контейнер запускается из образа, Docker создаёт поверх всех слоёв ещё один — для записи. В этом слое сохраняются все изменения, сделанные во время работы контейнера: созданные файлы, изменённые конфигурации, логи. Исходный образ при этом остаётся неизменным, что позволяет запускать множество контейнеров из одного образа.

У каждого образа есть уникальный идентификатор — хеш SHA256, который вычисляется на основе содержимого всех слоёв. Это гарантирует, что образ не был изменён, и позволяет точно воспроизвести окружение приложения.

Создание образа Docker

Существует два основных способа создать Docker‑образ: через Dockerfile или коммитом изменений из работающего контейнера. Dockerfile — предпочтительный метод, поскольку он документирует процесс сборки и позволяет воспроизвести его.

Dockerfile начинается с указания базового образа командой FROM. Затем следуют инструкции: COPY копирует файлы из локальной системы в образ, RUN выполняет команды внутри образа, CMD задаёт команду по умолчанию при запуске контейнера.

Пример простого Dockerfile для Node.js приложения:

FROM node:20-alpine
WORKDIR /app
COPY package*.json ./
RUN npm install
COPY . .
CMD ["node", "server.js"]

Для сборки образа используется команда docker build -t myapp:1.0 ., где флаг -t задаёт имя и тег образа. Docker последовательно выполняет инструкции, создавая после каждой новый слой. Если сборка прерывается, при повторном запуске Docker использует кешированные слои до места изменения.

Важно оптимизировать Dockerfile для эффективного использования кеша. Инструкции, которые редко меняются, размещают в начале файла. Например, установка системных пакетов идёт раньше копирования кода приложения, поскольку код меняется чаще.

После сборки образ можно отправить в реестр командой docker push myapp:1.0. Это позволит другим разработчикам или серверам скачать и запустить приложение командой docker run myapp:1.0.

Справка по основным командам Docker

У Docker есть набор команд для управления контейнерами, образами и другими ресурсами. Вот основные из них, сгруппированные по назначению. Мы собрали основные их них и сгруппировали по назначению в таблицу.

Эти команды охватывают большинство повседневных задач при работе с Docker. Для более сложных сценариев можно комбинировать команды или использовать Docker Compose для управления многоконтейнерными приложениями.

Сервисы для работы с контейнерами

Экосистема Docker включает множество сервисов, которые упрощают работу с контейнерами в продакшн‑окружении. Рассмотрим ключевые решения, включая сервисы нашей платформы:

• Yandex Container Registry — наш управляемый реестр Docker‑образов. Сервис автоматически реплицирует образы между зонами доступности, обеспечивая их сохранность. Интеграция с другими сервисами Yandex Cloud позволяет настроить автоматическую сборку образов при изменении кода и развёртывание в Kubernetes^®. Поддерживаются образы как для Linux, так и для Windows.
• Yandex Serverless Containers позволяет запускать контейнеры без управления серверами. Пользователь загружает образ, а платформа автоматически выделяет ресурсы при поступлении запросов и масштабирует приложение. Оплата взимается только за время работы контейнера — это делает решение экономичным для нерегулярных нагрузок или микросервисов.
• Docker Compose входит в стандартную поставку Docker и предназначен для управления многоконтейнерными приложениями. В файле docker‑compose.yml описывается структура приложения: какие сервисы запустить, как их связать между собой, какие тома и сети создать. Одной командой docker‑compose up можно развернуть полноценное окружение из базы данных, веб‑сервера и кеша.

version: '3'
services:
web:
    build: .
    ports:
    - "80:3000"
    depends_on:
    - db
db:
    image: postgres:15
    environment:
    POSTGRES_PASSWORD: secret
    volumes:
    - db_data:/var/lib/postgresql/data
volumes:
db_data:

Docker Compose подходит для локальной разработки и тестирования, но для продакшн‑окружений с десятками контейнеров требуются более мощные системы оркестрации.

Оркестрация

Когда количество контейнеров растёт, управлять ими вручную становится сложно. Системы оркестрации автоматизируют развёртывание, масштабирование и управление контейнерами на кластере серверов:

• Docker Swarm — встроенная в Docker система оркестрации. Она объединяет несколько Docker‑хостов в единый кластер, который выглядит как один логический хост. Swarm автоматически распределяет контейнеры по узлам кластера, перезапускает упавшие сервисы и обеспечивает балансировку нагрузки. Настройка Swarm занимает минуты — это делает его хорошим выбором для небольших проектов.
• Kubernetes — индустриальный стандарт оркестрации контейнеров. В отличие от Swarm, Kubernetes предоставляет богатый набор возможностей: автоматическое масштабирование на основе метрик, постепенное обновление приложений с откатом при ошибках, управление секретами и конфигурациями, сложные схемы сетевого взаимодействия.

В Kubernetes контейнеры группируются в поды — минимальные единицы развёртывания. Поды объединяются в сервисы для балансировки нагрузки. Деплойменты управляют жизненным циклом подов, обеспечивая нужное количество реплик и обновления без простоев.

Для управления кластерами Kubernetes^® в экосистеме Yandex Cloud мы предлагаем Yandex Managed Service for Kubernetes^®. Сервис упрощает обслуживание кластеров: обновление всех компонентов инфраструктуры кластера на стороне провайдера. А также позволяет создавать высокодоступные и безопасные инсталляции Kubernetes^®.

Выбор между Docker Swarm и Kubernetes зависит от масштаба проекта. Для нескольких контейнеров достаточно Swarm или даже Docker Compose. Когда счёт идёт на десятки и сотни контейнеров, Kubernetes становится необходимостью.

Ограничения и недостатки Docker

Несмотря на популярность, у Docker есть ряд ограничений, которые важно учитывать при проектировании инфраструктуры:

• Общее ядро ОС — главное отличие контейнеров от виртуальных машин. Все контейнеры на хосте используют одно ядро Linux — это создаёт потенциальные риски безопасности. Уязвимость в ядре может затронуть все контейнеры. Для критически важных приложений с высокими требованиями к изоляции виртуальные машины остаются более безопасным выбором.
• Зависимость от Linux ограничивает возможности запуска контейнеров. Linux‑контейнеры не работают нативно на Windows или macOS — требуется промежуточный слой виртуализации. Это добавляет накладные расходы и усложняет отладку. Windows‑контейнеры существуют, но экосистема вокруг них значительно меньше.
• Сложность управления данными возникает из‑за эфемерной природы контейнеров. По умолчанию все данные внутри контейнера исчезают при его удалении. Использование томов решает проблему, но требует дополнительного планирования и настройки. Для stateful‑приложений, таких как базы данных, контейнеризация создаёт дополнительные сложности.
• Накладные расходы на сеть могут быть заметны для приложений с интенсивным сетевым взаимодействием. Виртуальные сети Docker добавляют дополнительный уровень абстракции — это может влиять на производительность. Для высоконагруженных систем требуется тщательная настройка сетевой подсистемы.
• Необходимость в новых компетенциях — ещё один фактор. Переход на контейнеры требует от команды изучения новых инструментов и подходов. DevOps‑практики, которые естественны для контейнеров, могут потребовать серьёзной перестройки процессов в традиционных IT‑отделах.

Понимание этих ограничений поможет принять взвешенное решение о внедрении Docker и правильно спроектировать архитектуру приложений.

Альтернативы и будущее Docker

Экосистема контейнеризации активно развивается, появляются новые инструменты и подходы.

Docker остаётся важной частью экосистемы контейнеризации, но уже не единственным игроком. Разнообразие инструментов позволяет выбрать оптимальное решение для конкретных задач. При этом стандарты Open Container Initiative обеспечивают совместимость между разными платформами — образ, собранный в Docker, запустится в Podman или containerd.