译者 | 李睿
审校 | 重楼
在快速发展的数字时代，DevOps已经成为重塑软件开发格局的关键范例。DevOps这个术语源于“开发（Developmen）”和“运营（Operations）”的组合，它将这两个历史上孤立的功能集成到一个统一的方法中，专注于缩短软件开发生命周期。因此，DevOps实践促进了更快、更可靠的软件发布，并促进了持续集成、持续交付和高可用性，增强了业务竞争力和灵活性。
然而，对提高效率和更健壮的交付过程的不断追求产生了一种创新，这种创新对人们开发和交付软件的方式产生了深远的影响：容器化。容器化涉及封装或打包软件代码及其所有依赖项，以便在任何基础设施上统一一致地运行。这项非凡的技术不仅仅是DevOps世界的一个增量改进，也是一个重大的飞跃，改变了软件开发和部署的操作效率。
本文将深入探讨DevOps场景中容器化的变革力量，探讨它的好处、挑战及其对软件开发未来的影响。
容器化的出现
随着云计算时代的开始，开发人员处理软件开发的方式发生了根本性的变化。伴随这个时代的一个重大突破是容器化的概念。随着企业努力解决管理多环境部署的复杂性和解决跨多个平台的兼容性问题，容器化作为一种解决方案出现了。
基本知识
容器化是全机虚拟化的一种轻量级替代方案，它涉及到将应用程序与其操作系统一起封装在容器中。它将应用程序与软件运行所需的所有相关配置、依赖项、库和二进制文件捆绑在一起。这个打包的单元（称为容器）确保应用程序在多个计算环境中一致地运行。
用最简单的术语来说，容器可以被视为一个盒子，其中包含了运行软件所需的所有内容。每个容器都是一个独立的单元，这意味着它不会干扰其他容器，也不依赖于特定的主机操作系统配置。容器固有的隔离性和可移植性使它们在DevOps场景中特别有价值，因为在DevOps场景中，跨不同环境的一致性、自主性和无缝功能至关重要。
简而言之，容器化彻底改变了“一次写入，在任何地方运行”的概念，为更快地开发应用程序、更有效地管理升级提供了机会，并减少了与管理不同平台上的部署相关的成本和工作量。它在DevOps世界中的重要性才刚刚开始被真正理解和利用。
DevOps中的演进和接受
容器化并不是一个新概念；它起源于Unix世界，其中在chroot等技术中使用了隔离和分段原则。然而，2013年发布的Docker使容器化成为主流，并引发了软件开发和运营的重大变革。
Docker使得通过容器创建、部署和运行应用程序的过程变得简单而高效。它易于使用的命令行界面，庞大的开源社区，以及用于构建容器映像的Dockerfiles的引入，使Docker在开发人员和运维团队中都很受欢迎。
Docker的推出恰逢微服务架构的兴起。随着企业从单一架构转向微服务，对能够有效管理这些单独服务的技术的需求变得显而易见。事实证明，容器提供了一种独立分割和管理这些服务的方法，同时保持一致性，并减少开销。
微服务的兴起和Docker的引入引发了DevOps实践中容器化的快速采用。专注于持续集成和交付、自动化和协作解决问题的DevOps在容器中找到了一个强大的工具。
Kubernetes于2014年推出，它将容器化推进了一步，为跨主机集群的应用程序容器的自动化部署、扩展和管理提供了一个平台。它为容器编排带来了新的能力和灵活性，它与DevOps实践的集成在推动容器化的接受和成功方面发挥了重要作用。
随着开发人员不断发展和完善软件开发和操作实践，容器化已经成为DevOps工具集的支柱，提供了前所未有的效率、可扩展性和一致性。
容器化对DevOps的影响
容器化已经成为DevOps领域的关键，有助于简化流程和提高生产力。人们需要更深入地了解容器化的作用，并通过行业专业人士的视角了解它对DevOps的影响。
容器化的作用
正如KodeKloud公司的联合创始人Huzaifa Ahsan指出的那样，容器化的主要好处在于“能够将应用程序及其整个运行时环境捆绑在一起，将所有依赖项捕获到一个可部署单元中”。这种捆绑解决了常见的“在我的机器上工作”问题，实现了整个开发、测试和生产阶段的一致性。此外，由于应用程序运行所需的一切都包含在容器中，开发人员可以更专注于编写出色的代码，因为无论其环境如何，它都将按预期运行。
容器化还为软件开发过程引入了高度的可移植性。捆绑的应用程序可以在不同的环境之间移动，无论是开发人员的本地机器、测试环境还是生产服务器，都不需要进行任何更改。这种可移植性使开发、质量保证（QA）和运维团队之间的交互变得更加顺畅，从而培养出一种更具协作性和效率的DevOps文化。
来自Durable Programming公司的David Berube指出了容器化在再现客户端环境中的实用性：“让Docker端到端参与进行，让我们能够以一种逻辑和可复制的方式有效地将开发机器与无数的客户端生产环境相匹配。”这种说法强调了容器化在促进跨多个平台和环境的可复制性和可预测性方面的强大功能。此外，它显著地减少了以前管理和解决环境相关问题所需的时间和精力，从而加快了软件开发过程。
通过促进一致性和可移植性，容器化已经深刻地影响了DevOps领域。它提高了软件开发的速度和质量，并营造了一个有利于不同团队之间无缝协作的环境。这种与DevOps哲学的内在一致性使得容器化成为当今软件开发管道中不可或缺的一部分。
微服务和容器化
最近几年见证了软件开发的重大转变，从单片应用转向微服务架构。微服务架构涉及将应用程序分解为松散耦合的服务集合，每个服务都可以独立开发、部署和扩展。容器化的出现极大地促进了这种转变。
Ahsan指出：“通过容器化，我们已经成功地将单片应用程序划分为微服务。”容器为管理和部署微服务提供了理想的环境，因为每个服务都可以与其依赖关系打包到单独的容器中。这种方法允许每个服务隔离运行，防止级联故障，并支持基于单个服务需求的独立扩展。
通过将应用程序分解为更小的、可管理的部分，容器化不仅简化了对代码库的理解和维护，而且还显著地减少了潜在问题的范围。例如，一个服务中的错误不会直接影响其他服务，任何有问题的服务都可以独立更新或回滚，而不会影响应用程序的其余部分。
容器提供的封装也使它们非常适合持续集成（CI）/持续交付（CD）管道，这是DevOps实践的核心组件。每个微服务都可以在不中断其他服务的情况下持续开发、测试和部署，从而促进更快的发布和更健壮的应用程序。
微服务和容器化之间的共生关系有助于推进DevOps模型。使用容器，开发人员可以构建和部署速度、敏捷性和可靠性更高的微服务，从而实现更有效的软件交付流程，更好地响应业务需求。
Docker和Kubernetes在容器化中的作用
Docker和Kubernetes一直处于容器化革命的前沿，在将该技术集成到DevOps流程中发挥着关键作用。它们各自在管理和编排容器方面提供不同但互补的功能。
采用Docker简化DevOps
Docker因其简单、可用性和健壮的容器管理特性而成为容器化的代名词。它允许开发人员将应用程序及其环境打包成一个独立的、自给自足的单元，称为Docker容器。
Docker对DevOps流程的实际影响是深远的。Berube说:“通过将Nix和Docker作为我们测试、开发和生产的黄金标准，我们可以经济有效地帮助客户实现开发实践的现代化，而不必强迫他们采用专有技术。”Docker与平台无关的特性确实使得创建反映生产环境的统一开发环境成为可能，从而导致更少的意外和更顺畅的部署。
Docker还与许多流行的DevOps工具无缝集成，使其成为完美适应现有工作流的通用解决方案。此外，它还有助于在整个软件交付生命周期（从开发人员的工作站到生产环境）中维护应用程序的一致性。这种一致性显著地降低了与应用程序部署和维护相关的复杂性，促进了更高效和有效的DevOps文化。
Docker的容器化方法使得应用程序的开发、发布和运行更加简化和直接。使用Docker，开发团队可以享受增强的控制和可预测性，从而在他们的DevOps过程中提高效率和生产力。
在容器化中利用Kubernetes
Docker已经彻底改变了容器的创建和部署，而Kubernetes已经成为管理这些容器的黄金标准，尤其是在规模上。Kubernetes是一个容器编排平台，可以自动部署、扩展和管理跨服务器集群的容器化应用程序。
Ahsan简明扼要地总结了Kubernetes的作用：“Kubernetes是一个容器编排平台，它与Docker配合得很好，使我们能够自动化应用程序的部署、扩展和管理。”Kubernetes可以跨多个服务器处理数百个Docker容器，使其成为大型分布式应用程序的理想工具。
Kubernetes提供了几个重要的特性来增强容器化的好处。例如，它提供了自动装箱、水平扩展、自动转出和回滚、服务发现和负载平衡。此外，Kubernetes确保应用程序的故障转移，这意味着如果容器或节点发生故障，Kubernetes可以自动替换它，以保持服务顺利运行。
在DevOps场景中，Kubernetes最有价值的方面之一是它能够随时间维护应用程序状态，而不受容器生命周期的影响。它使DevOps团队能够管理服务而不是管理单个容器，从而促进持续集成(CI)/持续部署/(CD)、日志记录和监控，这些都是成功DevOps实践的关键组成部分。
凭借大规模管理复杂应用程序的能力，Kubernetes增强了容器化的能力，并使其与DevOps的原则保持一致。通过自动化部署和扩展容器化应用程序所涉及的许多人工过程，Kubernetes已经成为DevOps工具库中必不可少的工具。
实施容器化的挑战与解决方案
虽然容器化提供了许多好处，并且是DevOps工具包中的一个强大工具，但它并非没有挑战。实现容器化需要深思熟虑的方法，克服其挑战需要对技术及其前景有深入的了解。
共同的挑战
- 复杂性：实施容器化，尤其是大规模容器化可能会很复杂。它需要对容器化的应用程序和底层技术都有深刻的理解。此外，了解如何使用Kubernetes创建Docker映像、管理Dockerfiles或编排容器，对于容器化的新手来说可能是一个陡峭的学习曲线。
- 安全性：容器共享主机系统的内核，如果容器被泄露，可能会带来安全风险。此外，如果没有适当的管理和更新，应用程序或其绑定在容器中的依赖项中的漏洞可能会被利用。
- 网络：容器化环境中的网络可能会带来复杂性。有必要配置跨不同主机的容器之间的通信，处理容器的动态IP地址，并管理向外部世界公开服务，所有这些都可能具有挑战性。
- 监控和记录：由于容器的瞬态特性，传统的监控和记录工具可能无法在容器化环境中有效工作。由于容器经常被停止、启动或移动，跟踪它们的性能和日志可能会有问题。
- 数据管理：容器本质上是短暂的，这意味着它们可以在任何时候启动或停止。在处理持久数据存储和确保跨各种容器和会话的数据一致性时，这可能会带来问题。
- 资源管理：过度使用资源会导致性能问题，而资源利用不足会导致操作效率低下。要达到适当的平衡，需要仔细管理和理解容器化环境中的资源分配。
学习曲线和初始挑战
向容器化环境的过渡并不是一项简单的任务，特别是对于新接触该技术的团队。理解和实现容器化需要一个初始的学习曲线。正如Berube所指出的，即使是像Dockerfiles这样基本的构建文件也会带来挑战。他说，“虽然理论上说这种情况不应该发生，但经验表明，在实践中，Dockerfiles可以像其他代码一样及时停止工作——它们可能非常依赖于其他文件或图像，这些文件或图像会及时发生变化。”
Dockerfile本质上是一个脚本，其中包含如何构建Docker镜像的说明。在理想情况下，它应该被设计成自包含的，而不是依赖于可以随时间变化的文件或图像。然而，软件开发的现实意味着依赖关系和配置可以而且确实会改变，而这些改变会影响Dockerfiles的可靠性。因此，它需要仔细的管理和版本控制，就像任何其他代码一样。
此外，了解如何使用Kubernetes管理容器增加了另一层复杂性。Kubernetes是一个功能强大的编排工具，但它丰富的特性和功能可能会让新手感到不知所措。学习定义Kubernetes对象、设置集群和处理Kubernetes网络是团队可能面临的最初挑战之一。
重要的是要记住，这些最初的障碍并非不可克服。通过充分的培训、可靠的文档和增量采用，团队可以克服这些挑战，并在他们的DevOps实践中获得容器化的好处。
解决技术复杂性
克服实现容器化的技术挑战需要创造性地解决问题，利用工具的内置功能，并可能结合第三方解决方案。以下是一些应对这些复杂性挑战的策略：
- 处理持久数据：如上所述，容器是短暂的，并且跨容器重启管理持久数据可能具有挑战性。然而，Ahsan提供了一个出色的解决方案。他说，“我们利用了Kubernetes中的持久卷特性，还探索了第三方解决方案来维护跨容器重启的数据持久性。”Kubernetes中的持久卷(PV)和持久卷声明(PVC)提供了一种方法来声明和管理独立于容器的存储资源，并确保数据在容器重启后仍然存在。
- 为遗留软件创建Docker镜像：Dockerizing遗留软件可能看起来令人生畏，特别是当现有的例子不再工作时。然而，正如Berube所建议的那样，“如果可以让软件编译，可以为它创建一个Docker镜像——即使遗留软件的例子可能不再工作，也可以创建一个没有太多麻烦的解决方案，假设仍然可以找到一种方法让有问题的软件编译。”当然，这种方法需要对软件和Docker有深入的了解，但它表明了即使在复杂的遗留环境中也可以应用容器化。
- 安全与网络：利用容器化工具的内置安全特性和网络策略可以解决许多相关风险。例如，Docker提供了用户名空间、seccomp配置文件和功能等安全特性，而Kubernetes提供了网络策略来控制IP地址或端口级别的流量。
- 监控和日志记录：采用特定于容器的监控和日志记录工具可以简化这些任务。诸如用于监控的Prometheus和用于日志聚合的Fluentd或Loki等工具旨在处理容器的动态特性，并提供有关容器性能的有价值的见解。
当这些策略与对容器化环境和应用程序的特定需求的深入理解相结合时，可以帮助解决在DevOps实践中实现容器化的技术复杂性。
结论
容器化已经成为软件开发和DevOps领域的游戏规则改变者。它的影响力怎么强调都不为过，因为它从根本上改变了人们开发、部署和管理应用程序的方式。从创建跨环境的一致性到促进微服务架构，再到提高部署的速度和可靠性，容器化给DevOps带来了巨大的好处。
Docker和Kubernetes是容器化领域的两大领先工具，它们在实现这些优势方面发挥了重要作用。Docker将应用程序及其整个运行时环境捆绑到一个可部署单元的能力，以及Kubernetes大规模有效管理这些容器的能力，极大地简化了DevOps流程。
然而，采用容器化的过程并非没有挑战。最初的学习曲线、处理与持久数据、安全性、网络和监视相关的复杂性是团队经常面临的障碍。正如人们所看到的，这些挑战可以通过内置工具特性、第三方解决方案和可靠的技术策略的组合来解决和克服。
展望未来，容器化在DevOps中的作用只会变得更加突出。随着应用程序的复杂性和规模不断增加，对提高效率、一致性和可扩展性的解决方案的需求也将增加。容器化以其固有的优势，准备好满足这些需求并推动DevOps的未来。
通过不断发展和适应不断变化的软件开发环境，容器化将仍然是现代DevOps实践的基石，使开发团队能够在未来几年更快、更可靠地交付更好的软件。
原文标题：Redefining DevOps: The Transformative Power of Containerization，作者：Samir Hazra
