Dockerについての基礎学習

行いたいこと

• Dockerの基本概念から応用技術まで全体像を理解する

Dockerの基本概念

Dockerとは

• Docker社が提供するコンテナ型仮想化技術。
• ゲストOSを起動せず、Docker Engine上でコンテナを動かすため、従来の仮想化より軽量。

コンテナ型仮想化技術とは？

物理マシンや仮想マシンと違い、ホストOS上で直接アプリケーションを動かすための仮想化方式。
軽量で高速に動作し、開発環境の差異をなくすのに役立つ。

Dockerのメリット

• 複数開発者間での環境共有が容易。
• 軽量な動作で環境をどのマシン（PC）にも再現可能。
• 複雑なシステム構成（アーキテクチャ）でも効率的に共有できる。

ここでのアーキテクチャとは？

・ここで言う「アーキテクチャ」は、システムやアプリケーションの構造や設計思想を指す

Docker Engineの構成要素

① Docker Engine

• Dockerを利用するための常駐プログラム。
• 「Docker for Mac」「Docker for Windows」などをインストールして利用。

② イメージ（Image）

• コンテナを起動するための設定ファイルをまとめたもの。
• tagでバージョン管理（例：nginx:latest）。
• レイヤー構造で読み取り専用。

レイヤー構造とは？

Dockerイメージは複数の「レイヤー」で構成されており、変更があった部分だけ新しいレイヤーとして追加される。
これによりイメージの再利用が効率的になり、ビルド時間も短縮される。

③ コンテナ（Container）

• イメージから起動されるアプリケーションの実行環境。
• 主な操作コマンド
  ・ create, start, stop, restart
  ・ pause, unpause, rm
  ・ コンテナ接続は attach や exec を利用。

attachとexecの違い

• docker attach：コンテナの「標準入出力」に接続する。
• docker exec：コンテナ内で新しいプロセスを起動する。
  例えば、既存コンテナ内で bash を実行する場合は docker exec -it コンテナID bash を使う。

④ Docker Hub（Container Registry）

• Dockerイメージを共有するためのサービス。
• GitHubのようにリポジトリを作成してpush / pull可能。
• 利用にはDocker Hubアカウントの作成とログインが必要

プライベートレジストリとは？

Docker Hubのような公開レジストリではなく、社内や特定チーム向けにイメージを管理するための非公開レジストリ。
代表例：AWS ECR、GCP Artifact Registry、GitHub Container Registry。

Container Registryとは？

「コンテナレジストリ（Container Registry）」とは、Dockerイメージを保存・管理・共有するためのサービスの総称
Docker Hubはその中でも最も一般的に使われる公式レジストリ

データ管理・ネットワーク・Docker Compose

⑤ Dockerにおけるデータ管理

コンテナレイヤーのデメリット

• コンテナ削除時にデータが消える。
• コンテナ間でデータ共有不可。
• ユニオンファイルシステムのため書き込み速度が遅い。

データマウント手法（3種類）

1. Volume
   • ホスト上の/var/lib/docker/volumesをコンテナにマウント。
   • docker volume createで作成し、--mountで指定。
   • 複数コンテナ間でファイル共有が可能。

データマウントとは？

コンテナは基本的に「使い捨て」で、削除すると中のデータも消えてしまいます。
そのため、コンテナの外（ホストマシン）にデータを保存したり、複数コンテナ間でデータを共有する仕組みが必要になります。
この コンテナとホスト間でストレージを共有する仕組み のことを「データマウント」と呼びます。

Volumeが推奨される理由

• コンテナ削除時にもデータを保持できる。
• 複数コンテナ間でデータ共有が可能。
• Dockerが管理するため安全でパフォーマンスも安定している。

2. Bind Mount

   • ホスト上の任意ディレクトリをコンテナにマウント。
   • ホストから直接操作可能で設定不要。
   • 空ディレクトリをマウントするとデータ消失の恐れあり。

3. tmpfs

   • ホストのメモリ領域をコンテナにマウント。
   • ホストやコンテナ終了時にデータが自動的に解放。
   • メモリサイズの制限が設定可能。

⑥ Dockerネットワーク

ネットワークの目的

• 複数コンテナ間での通信を実現。
• 例：APIサーバとMySQLコンテナの通信。

デフォルトネットワーク（3種類）

• Bridge（デフォルト）
  • コンテナ同士はIP指定で通信可能。
  • コンテナ名で通信する場合は独自ネットワーク作成が必要。
• Host
  • Dockerホストと同じネットワークを利用。
  • ポート設定不要。
• None
  • 完全にネットワークから切り離す設定。

独自ネットワーク

• docker network createで作成。
• 組み込みDNSによりコンテナ名で通信可能。

Bridgeと独自ネットワークの違い

• Bridgeネットワーク：デフォルト設定。コンテナ間通信はIPアドレス指定が必要。
• 独自ネットワーク：docker network createで作成。コンテナ名で通信できるため、設定がシンプル。

⑦ Docker Compose

目的

• 複数コンテナの設定をまとめて管理・実行するツール。
• 環境構築を効率化し、共有を容易にする。

使用手順

1. DockerfileまたはDocker Hubイメージを準備。
2. docker-compose.ymlを定義。
3. docker-compose upで起動。

メリット

• 単一のymlファイルで複数コンテナを管理。
• 環境設定を簡単に共有可能。

主なコマンド

• docker-compose up：起動
• docker-compose down：削除
• docker-compose ps：一覧表示
• docker-compose run：コマンド実行

実装例：Djangoアプリ

• DockerfileでPythonとDjango環境を定義。
• docker-compose.ymlでwebサーバとdbサーバを設定。
• depends_onで起動順序を制御。

depends_onとは？

docker-compose.yml 内でサービス間の起動順序を指定するオプション。
例：DB → Webサーバの順に立ち上げたい場合に使用する。

Docker Machine・Docker Swarm

⑧ Docker Machine

概要

• Docker Engineを搭載した仮想マシンを管理するCLIツール。
• VirtualBoxなどの仮想化ソフトを利用。
• ローカル・リモート両方のDockerホストを管理可能。

主なコマンド

• docker-machine ls：ホスト一覧表示
• docker-machine create：新規ホスト作成
• docker-machine start/stop：起動・停止
• docker-machine ssh：ホストへSSH接続

クラウド対応

• AWSやGCPにDockerホストを作成・管理可能。

Docker SwarmとKubernetesの違い

• Docker Swarm：Dockerに標準で備わっているクラスタ管理機能。設定が簡単で学習コストが低い。
• Kubernetes：より高度な機能を持つオーケストレーションツール。大規模システム向け。

⑨ Docker Swarm

概要

• 複数Dockerホストを統合管理するためのオーケストレーションツール。
• Kubernetesと同様にクラスタ管理機能を提供。

基本概念

• Workerノード：コンテナ実行専用。
• Managerノード：クラスタ管理＋コンテナ実行。
• Overlayネットワーク：ノード間通信を自動設定。

主な機能

1. ServiceとTask管理
   • Service：コンテナの数や実行場所を定義。
   • Task：実際に動作するコンテナ。
2. ローリングアップデート
   • 遅延設定をして順次更新。
3. オートスケーリング
   • 負荷に応じて自動でコンテナ数を調整。
4. Auto Healing
   • ノード障害時にコンテナを自動復旧。

主なコマンド

• docker swarm init：Swarmクラスタ作成
• docker node ls：ノード一覧表示
• docker service create：サービス作成
• docker service scale：コンテナ数スケーリング

以上です。