コンテナ化とは？
利点、ユースケース、その仕組み

コンテナ化の定義

コンテナ化とは、ソフトウェアを展開する技術です。コンテナ化を使用すると、開発者は、ソフトウェアやアプリケーションをコードでパッケージ化することで、それらを特定のアプリケーションの実行に必要なすべてのファイル、設定、ライブラリ、およびバイナリを含む不変の実行可能なイメージとして分離されたコンピューティング環境で実行できます。これにより、コンテナが実行されると、アプリケーションランタイムとOSカーネルの間のインターフェイスとして機能するDocker Engineなどのコンテナ化エンジンにより、コンテナはホストOSカーネルにのみ依存します。

この記事では、コンテナ化とOSレベルでの仮想化との違い、コンテナ化を使用する利点、アプリケーションのコンテナ化の方法など、最新のソフトウェア展開におけるアプリケーションのコンテナ化のロールの概要について説明します。

アプリケーションをコンテナ化する利点

コンテナ化した環境でソフトウェアを開発すると、アプリケーションコードをパッケージ化してホストシステム上で直接実行するのみの従来のソフトウェアのパラダイムよりもいくつかの利点が発生します。仮想マシンがクラウドプロバイダーやデータセンターに柔軟性と弾力性のあるスケーリング特性を提供するのと同様に、パッケージのコンテナ化を利用してソフトウェアアプリケーションを実行すると、さらに多くの同様の利点がもたらされます。

利点	説明
移植性	コンテナ化したアプリケーションは、コンテナの外部の依存関係が最小限であるため、さまざまな環境で確実に実行できます。この利点の一例には、マイクロサービスアーキテクチャのサイドカーモデルがあります。この場合、メトリックの収集やサービスの登録などの一般化された機能が、さまざまなサービスと共にプロセスとして実行されます。コンテナ化により、サイドカープロセスの依存関係をカプセル化できるため、ホストにこれらの依存関係をインストールする必要がなくなります。開発環境、ステージング環境、本番環境で一貫性を保つことは、コンテナ化したアプリケーションの移植性の利点です。
宣言型のコンテナ化	コードでアプリケーションの依存関係を宣言的に定義すると、アプリケーションをランタイム環境でより詳細に制御できます。ホストでインストールされたパッケージに依存するアプリケーションは、特にアプリケーションを異なる環境で実行する必要がある場合や、ホスト環境が不安定な場合に、互換性の問題、予期しないランタイムエラーや、その他の問題が発生する可能性があります。
開発速度の向上	必要なすべての依存関係をカプセル化した分離されたコンテナでアプリケーションを実行すると、どこでも実行できるパラダイムが導入されるため、開発者はさまざまな問題を解消できます。このようにパッケージ化されたソフトウェアは、ホストOSと結合しなくなり、依存関係を簡単に管理できるようになります。さまざまな環境でコンテナ化したランタイムの一貫性を保つことで、開発環境、ステージング環境、および本番環境でソフトウェアを確実に実行できるようになり、開発ライフサイクルにも利点がもたらされます。
セキュリティの向上	コンテナ化したアプリケーションを使用すると、コンテナの隔離によりホストシステムが広範囲の感染から保護されるため、深刻なデータ侵害を軽減することができます。さらに、開発者は特定のコンテナに対するアクセス権を制御する権限を割り当てることができます。
リソースとサーバーの効率性	アプリケーションコンテナは、ホストOSカーネルを利用し、最終的なイメージでは、アプリケーションが必要とするものだけをパッケージ化するため、仮想マシンより軽量になります。これによりフットプリントが軽くなり、単一のコンピューティング環境で複数のコンテナを柔軟に実行できるため、リソースをさらに効率的に利用できるようになります。
スケーラビリティ	コンテナ化したアプリケーションは、すばやく簡単に展開して、より安全に実行できるため、開発者は簡単に環境を拡張して、オーバーヘッドコストを削減できます。これが、コンテナがマイクロサービスとクラウドベースのアプリケーションに関して、標準となった理由の1つです。
障害の分離	コンテナ化したアプリケーションは、プロセスレベルで分離されるため、1つのコンテナに致命的なクラッシュが発生した場合でも、他の実行中のコンテナは影響を受けません。コンテナは、ホストレベルのセキュリティポリシーと統合することもでき、仮想化したリソースは、悪意のあるコードがホストシステムにアクセスすることをブロックできる物理的なホストレベルのリソースから分離します。

コンテナ固有の設定を行うことで、セキュリティ制御を追加してリソースへのアクセスを制限し、追加のセキュリティポリシーを適用することもできます。しかし、コンテナ自体はセキュリティの脅威に対する包括的な防御ではなく、また単一のコンテナ内に複数のコンテナイメージを構成できるようになったことで、サードパーティのイメージを使用する際に、セキュリティ上の懸念の範囲が拡大します。

コンテナ化と仮想化（VM）

仮想マシンは、システムの分離の一種ですが、仮想マシンとアプリケーションコンテナには、いくつかの大きな違いがあります。仮想マシンは、アプリケーションコンテナよりはるかに重量があります。また、仮想マシンは、単一のアプリケーションではなくシステム全体をエミュレートするよう設計されているため、高度なリソース要件が必要なワークロードを使用できます。

VMは、OSカーネルを含むコンピューターシステム全体をエミュレート（仮想化）することで、単一のホストマシンを複数のゲスト仮想マシンで実行できるようにします。これらのゲスト仮想マシンは、ハイパーバイザーと呼ばれるプログラムで管理されます。ハイパーバイザーは、ホストマシン上で実行され、ゲスト仮想マシン間のホストマシンのファイルシステムとハードウェアリソースの両方を調整します。

ホストマシンで複数の仮想マシンを実行できるようにする利点は何でしょうか。単一のホストマシン上で複数のゲスト仮想マシンを介してさまざまなワークロードやユースケースをホストできるため、組織とクラウドプロバイダーにはリソース使用率に関する多くの柔軟性が提供されます。

大規模で強力な物理マシンは、ある年には一定の仮想マシンのポートフォリオを必要とするかもしれませんが、ビジネスニーズの変化やアーキテクチャの進化に伴い、新しいハードウェアセットを購入することなく、これらのインフラストラクチャリソースをスケールアップまたはスケールダウンし、プロパティを変更できます。このことは、クラウドプロバイダーと独自のデータセンターを管理するユーザーの両方にとって大きな価値があります。

コンテナ化とマイクロサービスアーキテクチャ

モノリシックなサービスの運用には、統一されたツール、さまざまな操作の待機時間の短縮、オブザーバビリティと展開の簡素化など、さまざまな利点がありますが、多くの複雑なアプリケーションは、マイクロサービスアーキテクチャと呼ばれるアーキテクチャで相互にやり取りする小さな断片（サービス）に分割されます。マイクロサービスアーキテクチャの設計方法と、モノリスをマイクロサービスに分割する方法は、それ自体が複雑なトピックのため、この記事では扱っていません。ただし、アプリケーションのコンテナ化は、マイクロサービスを展開してホストする場合に、非常に関連性のある有益なツールになることは容易に理解できます。

シンプルな例：ウェブリクエストを要求し、ビジネスロジックを使用してこれらのリクエストを処理し、さらにデータベース層との接続も維持するモノリシックアプリケーションを想像してください。時間の経過とともに各層の複雑さが高まることで、企業はアプリケーションをウェブサービス層、コアロジックAPIサービス、そしてデータベースサービスの3つの個別のサービスに分割することが優れた戦略的な方法であると判断します。

VMで大規模な重量のあるプロセスを実行する代わりに、組織は非常に限定された特定の懸念事項のあるこれらの個別のアプリケーションをコンテナ化することを決定できます。また、組織は仮想マシンの独自の弾力性のあるクラスターで各専用サービスを管理し、各VMでコンテナ数を拡張するか、Kubernetesなどのプラットフォームを使用して、インフラストラクチャの管理を抽象化するかを選択できます。

コンテナオーケストレーション

簡単に説明すると、コンテナオーケストレーションとは、プロセスを自動化してコンテナ化したアプリケーションを管理することです。単一のアプリケーションには、数百ものマイクロサービスが含まれている場合があります。これにより、開発チームはこれらのアプリケーションを手動で管理することがほどんど不可能になります。代わりに、コンテナオーケストレーションツールは、人的エラーを削減し、クラウドアプリケーションの拡張を支援します。

コンテナ化の仕組み

以下の一般的かつ簡略的な説明では、ソフトウェアアプリケーションをコンテナ化する方法を例示し、コンテナ化ワークフローについて大まかな概要を示しています。

コンテナ化したアプリケーションの開発のライフサイクルは、主に次の3つのフェーズに分類されます。

1. 開発

アプリケーションを開発し、ソースコードをコミットする場合、アプリケーションの依存関係をDockerfileなどのコンテナイメージファイルに定義します。従来のソースコード管理は、コンテナ化モデルと非常に互換性があります。これは、すべてのコンテナ設定が通常、アプリケーションのソースコードと一緒にコードとして保存されているためです。例えば、Dockerエンジンを使用している場合では、既存のアプリケーションをコンテナ化することで、Dockerfileと関連する依存関係をソースコードに追加して設定する程度まで簡単になります。

2. ビルド

ここでは、不変でバージョン化されたタグ付きのコンテナリポジトリにイメージをビルドして公開します。アプリケーションにDockerfileなどのイメージ定義ファイルが含まれており、必要な依存関係をインストールしてイメージにプルするように設定すると、イメージを具体化して保存できるようになります。これは、ローカルで実行することも、参照しダウンロードできるリモートリポジトリで実行することもできます。

3. 展開

最後に、コンテナ化したアプリケーションをCI/CDパイプライン、テスト環境、ステージング環境、または本番環境で、ローカルで展開し実行します。公開されたイメージが1つの環境からアクセスできるようになると、イメージは実行可能ファイルを表し実行できるようになります。再度、Dockerエンジンの使用を例にすると、コンテナを実行するターゲット環境には、コンテナ化したプロセスの作成と実行を管理する長時間実行サービスであるDockerデーモンがインストールされている必要があります。Docker CLIは、コンテナ化アプリケーションを手動またはプログラムで実行するためのインターフェイスを提供します。

さまざまな種類のコンテナ化技術、コンテナオーケストレーション方法、およびプラットフォームが選択肢として存在するため、各組織は、採用する技術を選択する際には、詳細な評価を実行する必要があります。例えば、Dockerチームが一部設立したOpen Container Initiativeは、コンテナのランタイムとイメージの業界標準と仕様の定義に取り組んでいます。

コンテナ化のユースケース

次に、最も一般的なコンテナ化のユースケースを示します。

• マイクロサービス：マイクロサービスは、小さな独立したサービスが連携して動作する傾向があるため、これらのサービスをコンテナ化することは非常に一般的です。
• CI/CD：継続的インテグレーションと継続的デプロイプロセスでは、継続的なコードの統合とそれらの展開を可能な限り迅速かつ正確に実行します。これらのコードをコンテナ化すると、展開を自動化することが開発チームにとって非常に簡単になります。
• クラウドの移行：リフト＆シフトアプローチとも呼ばれます。これは、クラウド環境内でレガシーアプリケーションをコンテナ化して展開できるソフトウェア戦略で、すべてのコードを書き換えることなくアプリケーションをモダナイズできます。
• IoTデバイス：コンピューティングリソースが限られていることで、長く手間のかかるプロセスにより処理に時間のかかるIoTデバイスには、手動によるソフトウェアの更新が必要です。コンテナ化を使用すると、開発者はこれらのアプリケーションを非常にすばやく更新し、IoTセキュリティを向上させることができます。

コンテナ化を利用しますか？

Dockerなどの開発者向けの最新のコンテナ化技術は、概念実証に組み込むにあたって利用しやすい技術です。単一サービスやサイドカーサービスのコンテナ化のように、コンテナ化をソフトウェア展開サイクルに反復して導入できる場合、このことは、コンテナ化技術の運用経験を向上させ、決定を下すために優れた方法になる可能性があります。

コンテナ化を利用する場合、現在の組織のサイズと規模に応じて、簡単である場合とそうでない場合があります。新しい技術を導入し、採用するには、それが開発者にとってどんなに適していることでも、特にオブザーバビリティとセキュリティが懸念される場合は、その利点とトレードオフの関連があることを理解する必要があります。

例えば、開発者サポートのコミュニティは広範で成長しており、コンテナ化がより重要な業界標準になりつつあるという兆候が早くもあります。特に、お使いのソフトウェアが初期段階にある場合や、グリーンフィールドで作業している場合、コンテナ化の活用は優れた選択肢となる可能性があり、ソフトウェアの開発と展開における最先端技術を利用することを可能にします。