コンテナ化とは

エンタープライズ デベロッパーにとっての共通の課題は、ローカルのノートパソコンからステージング サーバー、本番環境インフラストラクチャまで、さまざまな環境で確実に一貫してアプリケーションを実行できるようにすることです。コンテナ化は、この問題を直接解決するオペレーティング システムの仮想化の一種です。コンテナ化とは、アプリケーションとそのすべての依存関係(ライブラリや構成ファイルなど)を、コンテナと呼ばれる単一の隔離された実行可能ユニットにパッケージ化する方法です。このアプローチでは、一貫した環境が提供されるため、開発環境で動作するものが本番環境でも動作することが保証されます。

GKE を使用したアプリのコンテナ化とオーケストレーション

コンテナ化の定義

コンテナ化は、アプリケーションのコードを、実行に必要なすべてのファイルとライブラリとともにバンドルするソフトウェア デプロイ プロセスです。

この自己完結型のパッケージ、つまり「コンテナ」は、独自のゲスト オペレーティング システムを必要としないため、軽量でポータブルです。独自の隔離されたユーザー空間で稼働しながら、ホスト オペレーティング システムのカーネルを共有します。この隔離により、複数のコンテナを単一のホストで実行できます。コンテナごとに独自の依存関係のセットがあり、コンテナ間の競合を心配する必要はありません。

コンテナ化アーキテクチャ

コンテナ化された環境は、基盤となるハードウェアから始まり、アプリケーション自体まで続く階層化されたアーキテクチャを備えています。

  • インフラストラクチャ: これは基本レイヤであり、CPU、メモリ、ストレージ、ネットワーキング リソースを提供する物理サーバーまたは仮想マシンで構成されます。
  • ホスト オペレーティング システム: インフラストラクチャの上に位置するのがホスト OS(Linux など)です。この OS のカーネルは、ホスト上で実行されるすべてのコンテナで共有される重要なコンポーネントです。
  • コンテナ エンジン: これは、Google Kubernetes Engine(GKE)などのコンテナ化を可能にするソフトウェアです。エンジンは、指示に従ってコンテナの作成、実行、管理を行います。
  • アプリケーション レイヤ(コンテナ): 最上部にはコンテナ自体があります。各コンテナにはアプリケーションのバイナリとライブラリが含まれますが、ホスト OS のカーネルは共有されます。これにより、従来の仮想マシンよりも軽量で効率的になります。

コンテナ化の仕組み

コンテナ化の開発は、論理的な手順に従って、アプリケーションをソースコードから実行中の隔離されたインスタンスに移行します。

ステップ 1: 環境を定義する

このプロセスは、開発者がファイルを作成することから始まります(一般的な選択肢は Dockerfile です)。このファイルは、アプリケーションの環境を構築するためのレシピまたは一連の指示として機能します。これは、以下を含む、必要なすべてのものを指定します。

  • 開始するベースイメージ(例: 特定のバージョンの Debian、Python 3.9 などの言語固有のランタイム)
  • アプリケーションのソースコードをイメージにコピーするコマンド
  • 必要なパッケージ、ライブラリ、その他の依存関係をインストールする手順
  • コンテナの起動時に実行するコマンド
  • 開始するベースイメージ(例: 特定のバージョンの Debian、Python 3.9 などの言語固有のランタイム)
  • アプリケーションのソースコードをイメージにコピーするコマンド
  • 必要なパッケージ、ライブラリ、その他の依存関係をインストールする手順
  • コンテナの起動時に実行するコマンド

ステップ 1: コンテナ イメージを作成する

デベロッパーは、ファイル内の手順に従って、コマンドを使用してコンテナ イメージを作成します。このイメージは、静的で不変のポータブルなファイルであり、アプリケーションの自己完結型のブループリントとして機能します。アプリケーション コードとそのすべての依存関係を、単一の階層化されたパッケージにカプセル化します。イメージは、オブジェクト指向プログラミングのクラスのようなもので、実行するインスタンスを作成するテンプレートです。

ステップ 3: イメージをレジストリに保存して配布する

ビルドが完了すると、コンテナ イメージがコンテナ レジストリに push されます。レジストリは、イメージを保存および管理するための中央リポジトリです。企業での使用には、Google の Artifact Registry のような安全な非公開レジストリが不可欠です。イメージをレジストリに保存すると、チーム間での共有やバージョン管理が簡単になり、本番環境のどのサーバーからでもアクセスできるようになります。

ステップ 4: コンテナを実行する

最後のステップは、イメージの実行インスタンス(コンテナ自体)を作成することです。コマンドがコンテナ エンジンに送信され、レジストリから特定のイメージが実行されます。エンジンは、ホスト オペレーティング システムのカーネルを使用して、以下のことを行います。

  • 名前空間などのカーネル機能を使用して、コンテナの隔離された環境を作成します。これにより、コンテナは専用のネットワーク スタック、プロセスツリー、ファイル システムビューを持つことになり、独自の OS で実行されていると認識します。
  • cgroup を使用して CPU やメモリなどのリソースを割り当て、制限することで、1 つのコンテナがホストのリソースを独占できないようにします。
  • 元のファイルで定義された起動コマンドを実行し、隔離されたサンドボックス内でアプリケーションを稼働させます。
  • 名前空間などのカーネル機能を使用して、コンテナの隔離された環境を作成します。これにより、コンテナは専用のネットワーク スタック、プロセスツリー、ファイル システムビューを持つことになり、独自の OS で実行されていると認識します。
  • cgroup を使用して CPU やメモリなどのリソースを割り当て、制限することで、1 つのコンテナがホストのリソースを独占できないようにします。
  • 元のファイルで定義された起動コマンドを実行し、隔離されたサンドボックス内でアプリケーションを稼働させます。

クラウド コンピューティングにおけるコンテナ化

コンテナ化は、最新のクラウド コンピューティングの基盤となるテクノロジーであり、幅広いアーキテクチャ パターンを可能にします。

コンセプト

コンテナ化の説明と役割

コンテナ化は、マイクロサービス アーキテクチャの理想的なデプロイモデルです。各コンテナに単一の独立したサービスがカプセル化されるため、チームはサービスを自律的に開発、デプロイ、スケーリングできます。

コンテナを使用すると、レガシー アプリケーションをクラウドに移行するプロセスを簡素化できます。アプリケーションをコンテナに「リフト&シフト」することで、あらゆるクラウド プロバイダのインフラストラクチャに移植して実行できるようになります。

コンテナのポータビリティは、オンプレミス データセンターとパブリック クラウド環境全体でアプリケーションが確実に一貫して実行されるようにするのに役立ち、シームレスなハイブリッド クラウド戦略を実現する重要な要素となります。

これは、コンテナのオーケストレーションと管理を自動化するクラウド サービスモデル(Google Kubernetes Engine(GKE)など)です。基盤となるインフラストラクチャが抽象化されるため、デベロッパーはアプリケーションに集中できます。

コンテナでは、オペレーティング環境と言語ランタイムをより細かく制御できます。一方、サーバーレスでは、サーバー管理が不要で、より高いレベルの抽象化が可能です。どちらも有効なパターンであり、併用することもできます。(例: コンテナはサーバーレス ワークロードの実行によく使用されます)。たとえば、Cloud Run はコンテナ化とサーバーレスを使用します。これにより、サーバーレス環境でコンテナ イメージをデプロイできます。

仮想化では、独自のゲスト OS を備えた完全な仮想マシンを作成し、ハードウェアを仮想化します。コンテナ化では、オペレーティング システム自体を仮想化し、ホスト OS カーネルを共有するため、コンテナがはるかに軽量になり、起動も速くなります。

コンテナ イメージの一貫性により、企業は複数の地理的リージョンにわたってまったく同じアプリケーション アーティファクトを高い忠実度でデプロイできます。これにより、アプリケーションの動作が均一になり、グローバルなユーザーベースの管理が簡素化されます。

コンセプト

コンテナ化の説明と役割

コンテナ化は、マイクロサービス アーキテクチャの理想的なデプロイモデルです。各コンテナに単一の独立したサービスがカプセル化されるため、チームはサービスを自律的に開発、デプロイ、スケーリングできます。

コンテナを使用すると、レガシー アプリケーションをクラウドに移行するプロセスを簡素化できます。アプリケーションをコンテナに「リフト&シフト」することで、あらゆるクラウド プロバイダのインフラストラクチャに移植して実行できるようになります。

コンテナのポータビリティは、オンプレミス データセンターとパブリック クラウド環境全体でアプリケーションが確実に一貫して実行されるようにするのに役立ち、シームレスなハイブリッド クラウド戦略を実現する重要な要素となります。

これは、コンテナのオーケストレーションと管理を自動化するクラウド サービスモデル(Google Kubernetes Engine(GKE)など)です。基盤となるインフラストラクチャが抽象化されるため、デベロッパーはアプリケーションに集中できます。

コンテナでは、オペレーティング環境と言語ランタイムをより細かく制御できます。一方、サーバーレスでは、サーバー管理が不要で、より高いレベルの抽象化が可能です。どちらも有効なパターンであり、併用することもできます。(例: コンテナはサーバーレス ワークロードの実行によく使用されます)。たとえば、Cloud Run はコンテナ化とサーバーレスを使用します。これにより、サーバーレス環境でコンテナ イメージをデプロイできます。

仮想化では、独自のゲスト OS を備えた完全な仮想マシンを作成し、ハードウェアを仮想化します。コンテナ化では、オペレーティング システム自体を仮想化し、ホスト OS カーネルを共有するため、コンテナがはるかに軽量になり、起動も速くなります。

コンテナ イメージの一貫性により、企業は複数の地理的リージョンにわたってまったく同じアプリケーション アーティファクトを高い忠実度でデプロイできます。これにより、アプリケーションの動作が均一になり、グローバルなユーザーベースの管理が簡素化されます。

コンテナ化のメリット

ポータビリティと整合性

コンテナ化の主なメリットは、「一度ビルドすればどこでも実行できる」ことです。コンテナはアプリケーションとその依存関係を一緒にパッケージ化するため、予測可能で一貫性のある環境が作成されます。この一貫性により、よくある「自分のマシンでは動作する」という問題が解消され、基盤となるインフラストラクチャに関係なく、開発、テスト、本番環境でアプリケーションを同じように動作させることができます。

スピードとアジリティの改善

コンテナは、独自のゲスト オペレーティング システムを必要としないため、従来の仮想マシンよりもはるかに軽量です。これにより、数分ではなく数秒で開始および停止できるため、開発サイクルが大幅に加速され、よりアジャイルな CI / CD パイプラインが可能になります。ビルドとデプロイが高速化されることで、チームはアプリケーションをより迅速に反復処理できるようになります。

リソース効率の向上

コンテナはオーバーヘッドが少ないため、リソースをより有効に活用できます。1 つのホスト オペレーティング システムで複数のコンテナを実行できるため、VM よりも密度が高くなります。アプリケーションをサーバーに効率的に「ビンパッキング」することで、企業はサーバーのフットプリントと関連するインフラストラクチャの費用を削減できる可能性があります。

プロセスと依存関係の分離

各コンテナは、独自のプロセスツリーとネットワーク インターフェースを持つ、分離したユーザー空間で実行されます。この分離により、あるコンテナ化されたアプリケーションのライブラリや依存関係が、同じホストで実行されている別のアプリケーションのライブラリや依存関係と競合することがなくなります。これにより、依存関係の管理が簡素化され、また侵害されたアプリケーションによる影響を抑えることでセキュリティを強化することもできます。

運用管理の簡素化

コンテナ化により、デプロイの単位が標準化されます。運用チームは、マシン全体や固有のアプリケーション スタックではなく、コンテナを管理できます。この統一されたアプローチにより、デプロイ、スケーリング、モニタリングのタスクが簡素化され、Kubernetes などのオーケストレーション プラットフォームによる強力な自動化の基盤が形成されます。

迅速なスケーラビリティ

コンテナは軽量で起動が速いため、迅速なスケーリングが必要なアプリケーションに最適です。アプリケーションで需要が急増した場合、負荷を処理するために新しいコンテナ インスタンスをほぼ瞬時にプロビジョニングできます。この弾力的なスケーラビリティにより、アプリケーションは応答性と可用性を維持でき、手動による大幅な介入は不要になります。

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コンテナ化ツールの種類

コンテナ エコシステムは、連携する複数の種類のツールで構成されています。

  • コンテナ エンジン: コンテナを実行および管理するコアソフトウェア。
  • コンテナ イメージ ビルダー: 定義ファイルからコンテナ イメージを作成するために使用するツール。
  • コンテナ レジストリ: コンテナ イメージのストレージ システム。Artifact Registry は、コンテナ イメージの安全なプライベート ストレージを提供するマネージド サービスです。
  • コンテナ オーケストレーション プラットフォーム: コンテナを大規模に管理するには、Kubernetes などのオーケストレーション プラットフォームが不可欠です。これはデプロイ、スケーリング、ネットワーキングを自動化します。Google Kubernetes Engine (GKE)などのマネージド サービスは、プロダクション レディなオーケストレーション プラットフォームを提供します。
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