도커(Docker)의 기초: 컨테이너 기술 이해하기

1. 프로그램과 프로세스 이해하기

1.1. 프로그램

• 정의: 실행 가능한 정적인 코드 집합으로, 파일 형태로 저장된 명령어들의 모음
• 예시: .exe, .py, .jar 등의 파일

1.2. 프로세스

• 정의: 실행 중인 프로그램을 의미하며, 메모리 공간과 자원을 할당받아 운영체제에서 독립적으로 실행됨
• 특징: 동적이며 시스템 자원을 사용함

프로그램은 정지된 설계도이고, 프로세스는 그것이 실행되어 살아 움직이는 상태입니다.

2. 프로세스와 스레드의 관계

2.1. 프로세스 특징

• 실행 중인 프로그램으로, 독립된 메모리 공간과 자원을 가짐
• 서로 간섭하지 않고 병렬 실행이 가능함
• 다른 프로세스와 완전히 분리된 환경에서 실행됨

2.2. 스레드 특징

• 프로세스 내 작업 단위로, 같은 메모리 공간을 공유함
• 빠른 통신이 가능하지만 하나가 오류나면 전체 프로세스에 영향을 줄 수 있음
• 한 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있음

하나의 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있으며, 스레드는 프로세스의 "작업자"라고 볼 수 있습니다.

3. 리눅스의 네임스페이스(Namespace)

네임스페이스는 리눅스 커널이 프로세스마다 격리된 자원 환경을 제공하기 위한 기능입니다. 컨테이너 기술(예: Docker)의 핵심 구성 요소 중 하나입니다.

3.1. 주요 네임스페이스 종류

네임스페이스는 리눅스 컨테이너 기술에서 자원 격리를 위한 핵심 기술로 활용되며, unshare, clone, setns 같은 시스템 콜로 생성/제어할 수 있습니다.

4. 도커(Docker)의 이해

4.1. 도커의 연혁

4.2. 도커의 정의

도커(Docker)는 애플리케이션을 컨테이너라는 단위로 패키징하고 실행할 수 있게 해주는 오픈소스 가상화 플랫폼입니다.

• OS 수준의 가상화를 활용하여 경량 컨테이너 실행
• 개발 환경과 운영 환경의 일관성 유지
• 이미지 기반 배포, 격리된 실행 환경 제공

4.3. 도커의 필요성

4.4. 도커 컨테이너(Docker Container)란?

도커 컨테이너는 애플리케이션과 그 실행 환경을 하나의 패키지로 묶어 격리된 상태로 실행할 수 있도록 만든 단위입니다.

• 컨테이너는 도커 이미지를 기반으로 생성됨
• 독립된 파일 시스템, 네트워크, 프로세스 공간을 사용
• 같은 운영체제 커널을 공유하므로 매우 경량화됨

5. 가상화의 유형

5.1. 호스트 기반 가상화 (Hosted Virtualization)

기존 OS 위에 애플리케이션 형태로 하이퍼바이저를 설치하여 가상 머신을 실행하는 방식입니다.

• 예시: VirtualBox, VMware Workstation
• 호스트 OS가 먼저 부팅되고, 그 위에서 하이퍼바이저 실행
• 설치/사용이 간편하지만, 성능은 다소 낮음

📌 특징:

• 사용자 친화적
• 일반 데스크탑 환경에 적합
• 가상화 계층이 깊어 성능 손실 존재

5.2. 하이퍼바이저 기반 가상화 (Bare-metal Virtualization)

하드웨어 위에 직접 하이퍼바이저를 설치하여 가상 머신을 실행하는 방식입니다.

• 예시: VMware ESXi, Microsoft Hyper-V, KVM
• 별도의 호스트 OS 없음 → 성능 우수
• 서버 가상화 및 클라우드 인프라에서 주로 사용

📌 특징:

• 고성능, 고효율
• 리소스 직접 제어 가능
• 운영 복잡도 있음

5.3. 컨테이너 가상화 (Container Virtualization)

커널을 공유하면서 프로세스 수준에서 실행 환경을 격리하는 방식입니다.

• 예시: Docker, Podman, containerd
• 운영체제 수준 가상화 (Namespace + cgroup 기반)
• VM보다 훨씬 가볍고 빠름

📌 특징:

• 빠른 실행 속도, 경량화
• 같은 커널을 공유하므로 보안 격리는 상대적으로 약함
• 마이크로서비스 및 CI/CD에 적합

5.4. 가상화 유형 비교

6. 도커 구성 요소

도커는 여러 핵심 구성 요소로 이루어져 있으며, 각 요소는 컨테이너 실행을 위한 특정 역할을 담당합니다.

6.1. 주요 구성 요소

• dockerd (Docker Daemon):
  • 도커의 핵심 프로세스로, 컨테이너 생성, 실행, 모니터링을 담당
  • 사용자 명령을 받아 처리하는 서버 역할 수행
  • REST API를 통해 클라이언트와 통신
• containerd:
  • 컨테이너 런타임을 관리하는 데몬
  • 이미지 전송, 압축 해제, 관리 담당
  • 컨테이너 실행, 감독, 네트워킹 설정 관리
  • 도커와 독립적으로 사용 가능한 고수준 런타임
• libcontainer:
  • 저수준 컨테이너 런타임 라이브러리
  • 리눅스 네임스페이스와 cgroup을 활용하여 실제 컨테이너 격리 구현
  • 컨테이너 생성 및 실행에 필요한 시스템 호출 처리

6.2. 기타 중요 구성 요소

• Docker CLI: 사용자가 명령어를 입력하는 클라이언트 인터페이스
• Docker API: 도커 기능을 프로그래밍 방식으로 접근할 수 있는 API
• Docker Registry: 도커 이미지를 저장하고 공유하는 저장소 (예: Docker Hub)
• Docker Compose: 여러 컨테이너로 구성된 애플리케이션 정의/실행 도구

도커의 아키텍처는 계층화되어 있어 각 구성 요소가 특정 책임을 갖고 서로 협력하며 동작합니다. 이러한 모듈식 구조는 도커가 다양한 환경에서 유연하게 작동할 수 있게 해줍니다.

7. 도커 작동 방식

7.1. 도커 아키텍처 구성요소

📦 도커 클라이언트 (Docker Client)

• 사용자와 도커 시스템 간의 인터페이스.
• docker build, docker pull, docker run 등 명령어 입력 지점.
• 명령어를 REST API 형태로 도커 호스트(Docker Daemon)에 전달.

⚙️ 도커 호스트 (Docker Host / Docker Daemon)

• 도커 엔진(Docker Engine)이 동작하는 시스템.
• 컨테이너 생성, 이미지 관리, 네트워크, 볼륨 관리 등 실제 작업 수행.
• 클라이언트 명령을 받아 컨테이너 및 이미지 관리.

🗃️ 도커 레지스트리 (Docker Registry)

• 이미지 저장소. 대표적으로 Docker Hub.
• 개인 또는 공용 레지스트리 운영 가능 (예: GitHub Container Registry, AWS ECR 등).
• push, pull 명령을 통해 이미지 업로드 및 다운로드 가능.

7.2. 주요 명령어 실행 흐름

🔨 docker build

로컬 Dockerfile로부터 이미지를 생성하는 과정

1. 도커 클라이언트가 docker build 명령을 실행한다.
2. 도커 호스트는 Dockerfile을 읽고 단계별로 레이어(layer) 를 만들어 이미지를 생성.
3. 각 명령어(EXPOSE, COPY, RUN 등)는 이미지의 새로운 레이어로 저장됨.
4. 이미지 생성이 완료되면 로컬 이미지 캐시에 저장됨.
5. (선택) docker push로 도커 레지스트리에 업로드 가능.

📌 예시:

docker build -t myapp:latest .

⬇️ docker pull

도커 레지스트리에서 이미지 다운로드

1. 도커 클라이언트가 docker pull 명령을 실행한다.
2. 도커 호스트는 지정된 레지스트리(Docker Hub 등)와 통신.
3. 요청된 이미지가 있는지 확인 후, 이미지 레이어들을 다운로드.
4. 다운로드된 이미지는 로컬 캐시에 저장됨.

📌 예시:

docker pull nginx:latest

🚀 docker run

이미지를 기반으로 컨테이너 실행

1. 도커 클라이언트가 docker run 명령을 실행한다.
2. 도커 호스트는 로컬에 해당 이미지가 있는지 확인:
   • 없으면 자동으로 pull 수행.
3. 이미지를 기반으로 읽기 전용 레이어 생성.
4. 읽기/쓰기 가능한 컨테이너 레이어를 위에 추가하여 컨테이너 생성.
5. 지정된 명령어(CMD, ENTRYPOINT 등)를 실행하고 컨테이너를 구동.

📌 예시:

docker run -d -p 8080:80 nginx:latest

7.3. 관계 요약

[ Docker Client ]
       |
       v
REST API 명령 전달
       |
[ Docker Host (Docker Daemon) ]
   |         |          |
   |       Build      Run
   |         |          |
   v         v          v
[ Local Images ]   [ Running Containers ]
       |
       v
Pull/Push Image
       |
[ Docker Registry (e.g., Docker Hub) ]

8.도커 이미지 구조

8.1. 이미지 인덱스(Image Index)

• 멀티 아키텍처 이미지를 지원하기 위한 상위 수준 매니페스트
• 다양한 OS/아키텍처를 위한 매니페스트 목록을 포함
• 특정 환경에 맞는 적절한 이미지 매니페스트를 선택할 수 있게 함
• 이미지 태그가 가리키는 실제 대상이며, 여러 아키텍처용 매니페스트 목록을 관리

8.2. 이미지 매니페스트(Image Manifest)

• 이미지 구성 요소에 대한 메타데이터 포함
• 주요 구성 요소:
  • 이미지 설정(config): 컨테이너 실행 환경, 명령어, 환경 변수 등 정의
  • 레이어(layers): 이미지를 구성하는 각 레이어의 다이제스트 참조
  • 미디어 타입(mediaType): 매니페스트 형식 정의
• 이미지를 실행하는 데 필요한 모든 레이어와 설정 정보 제공
• OCI(Open Container Initiative) 표준 형식 사용

8.3. 레이어(Layer)

• 이미지의 핵심 구성 요소로, 파일 시스템 변경사항 집합
• 각 레이어는 이전 레이어 위에 쌓이는 형태
• 주요 특징:
  • 읽기 전용: 생성 후 변경 불가능
  • 증분적: Dockerfile의 각 명령어가 새 레이어 생성
  • 캐싱 가능: 레이어 재사용으로 빌드 시간 단축
  • 공유 가능: 여러 이미지 간 동일 레이어 공유로 저장 공간 효율화
• tar 아카이브 형태로 저장되며 고유 SHA256 해시로 식별

8.4. 관계

1. 이미지 태그 → 이미지 인덱스 참조
2. 이미지 인덱스 → 여러 매니페스트 참조
3. 매니페스트 → 설정 파일과 레이어 참조
4. 레이어들 → 실제 파일 시스템 내용 저장

이러한 계층적 구조는 도커의 효율적인 이미지 배포, 저장, 버전 관리를 가능하게 합니다.