Docker auf dem Raspberry Pi Basics

In diesem Beitrag lernst du alle Grundlagen der Containerization mit Docker auf dem Raspberry Pi.

Bei Docker handelt es sich um eine noch recht neue Visualisierungstechnologie, die bei vielen großen Unternehmen mittlerweile zum Einsatz kommt. Ich möchte dir in dieser Serie zunächst die Grundlagen von Docker erklären, wie du einfache Anwendungen wie z.B. Heimdall installierst und später dann einen DNS-Filter wie Pi-hole oder AdGuard einrichtest, einen eigenen VPN-Tunnel mit wireguard aufbaust und/oder einen eigenen lokalen GitHub-Klon Gogs und Jira-Alternative Redmine einrichtest. Dadurch lernst du Stück für Stück Docker und seine Eigenarten, sowie Portainer zur Administration von Docker kennen.

Die Hardware für diesem Blog

Vom Prinzip kannst du jeden Raspberry Pi nehmen. Solltest du noch keinen Raspberry Pi besitzen, dann schau dir einmal den Raspberry Pi 400 als Kit an und bestelle auch gleich einen ausreichend großen USB-Stick dazu. Es sollte aber zumindest ein Raspberry Pi 3, besser noch ein 4er mit mindestens 4GB RAM sein.

WARENKORB

Was unterscheidet Docker von einer virtuellen Maschine

Wenn man etwas über Docker liest, kommt man schnell an den Punkt, wo der Vergleiche zu virtuellen Maschinen aufgezeigt wird. Vom Prinzip verfolgen beide ein ähnliches Prinzip, eine Anwendung möglichst isoliert bereitzustellen.

Als erstes möchte ich dir zeigen, wie sich eine virtuelle Maschine von Docker in ihrer Architektur im Wesentlichen unterscheidet, siehe Abbildung 1.

Das Prinzip der virtuellen Maschine liegt darin, dass Software einen kompletten PC, mit all seiner Hardware emuliert. Die Applikation läuft auf dem Betriebssystem der virtuellen Maschine und ist über diese erreichbar. Problem dabei ist, dass eine virtuelle Maschine enorm hardwarehungrig ist. Meist werden zur Bereitstellung von virtuellen Maschinen, kurz VMs, Serverracks eingesetzt, die in Ihrer Hardware skalierbar sind.

Docker arbeitet da ein bisschen anders. Docker stellt Applikationen in einem Container bzw. durch das Image bereit, welches nur die nötigen Bibliotheken und Programme zur Nutzung der Applikation enthält. Man spricht hier auch von Microservice-Architecture. Dadurch sind die Images extrem klein im Vergleich zu VMs und das Starten, Stoppen und Neustarten der Applikation geht schneller als bei einer VM. Nachteil ist aber, dass Docker den Kernel vom Hostsystem nutzt, was eine VM wiederum nicht macht. Wird also ein Docker-System kompromittiert, können alle Docker-Container kompromittiert werden. Durch die Docker-Images ist es ohne große Probleme möglich, eine Applikation auf jedem beliebigen System auszuführen, was bei einer VM meist schwieriger ist.

Die Frage, wo Docker und eine VM läuft ist schnell geklärt. Ein Docker oder ein VM kann im Prinzip auf jedem System laufen. Gerade bei einer VM ist aber Power gefragt, weswegen auf einem Raspberry Pi eine VM nicht laufen wird. Docker hingegen läuft auf einem Raspberry Pi, jedoch sollte man sich die Frage stellen, ob es klug ist für z.B. ein Produktivsystem Docker tatsächlich einsetzen zu wollen. Privat nutze ich Docker in Kombination mit diversen Applikationen, jedoch gibt es viele Images, die nicht auf den Raspberry Pi ausgelegt sind. Dazu später mehr.

Die Frage, ob man nun lieber Docker oder eine VM nutzen sollte, liegt ganz im Anwendungsbereich! Generell kann Docker eine VM nicht ersetzen und umgekehrt.

Kurze Einführung in die Begriffe / Docker Raspberry Pi

Wenn du mit dem Thema Docker anfängst, wirst du wahrscheinlich schnell mit Begriffen wie Docker-Container, Docker-Image, Docker-Volumen, Bind und vielen mehr konfrontiert. Ich möchte dir an dieser Stelle den Einstieg einfach machen und die wichtigsten Grundbegriffe schon einmal vorab erklären. Wen es ins Detail geht, werde ich das in diesem und allen weiteren Blogabschnitten erklären.

Was ist ein Docker? Streng genommen ist Docker, wie du es ja schon gelesen hast, eine Methode, um eine Applikation zu virtualisieren. Damit das funktioniert, brauchst du ein sogenannten Docker-Container, welcher wiederum aus einem Docker-Image erzeugt wird. Um es einmal einfacher zu erklären, kannst du dir ein Image wie eine DVD vorstellen. Die Daten sind fest auf der DVD bzw. dem Docker-Image hinterlegt und du kannst diese erst einmal nicht modifizieren. Diese DVD legst du in ein DVD-Laufwerk, welches die Daten ausliest und bereitstellt.

Das wäre in dieser Analogie der Docker-Container. Damit ist auch geklärt, warum man öfters liest, dass Daten in einem Docker-Container flüchtig sind bzw. ein Docker-Container vergisst. Stoppe ich den Container oder starte diesen neu, werden alle Daten resettet und du bekommst den ursprünglichen Zustand von dem Docker-Image präsentiert. Damit genau das nicht passiert, kannst du Daten auch in ein Volumen oder ein Bind, ein spezieller Ordner auf dem Hostsystem, auslagern. Dieses Volumen oder Bind musst du dann in den Docker-Container mounten, weswegen der Docker-Container genau diese Daten nutzt, um weiterzuarbeiten.

In der Regel wird bei Starten des Containers geprüft, ob das Volumen oder Bind schon nutzbare Daten hat und wenn nicht, werden Default-Daten angelegt, die dann ebenfalls nach einem Neustart weiterhin vorhanden sind. Welche Pfade du in ein Volumen oder Bind auslagern musst, verrät dir die docker hub – Seite der Applikation. Dann gibt es noch die Enviorments, was vom Prinzip Parameter sind, die ein Docker-Image zwingend braucht. Diese Enviorments können bei einem Image vorhanden sein, müssen es aber nicht. Ob und welche es gibt, bzw. was ihre Funktion ist, findest du bei docker hub meist in der Beschreibung. Damit die Docker-Container mit der Außenwelt kommunizieren können, z.B. eine Datenbank oder eine Webappilkation, musst du die Ports zwischen Host und Docker-Container verknüpfen. Das Interessante dabei ist, du kannst das gleiche Docker-Image auf mehreren Docker-Containern laufen lassen aber durch andere Ports erreichbar machen.

Das klingt erst einmal sehr kompliziert und es könnte sein, dass du gerade das Gefühl hast, dass Docker eher was für IT-Nerds ist, tatsächlich ist es aber schnell gelernt und nach ein paar erstellten Docker-Containern selbsterklärend.

Docker auf dem Raspberry Pi installieren

Um Docker zu nutzen, braucht es wenige Befehle auf der Konsole. Zunächst braucht der Raspberry Pi sein Betriebssystem, meist Raspberry Pi OS, welches schnell auf die SD oder besser einem USB-Device installiert wurde. Hier empfehle ich meinen Blogbeitrag zum Thema „Den Raspberry Pi absichern“, wo ich das genau erklärt habe. Danach öffnest du das Terminal und lädst zunächst ein Skript herunter, welches Docker auf unserem Raspberry Pi installieren wird, siehe Code 1.

curl -fsSL https://get.Docker.com -o get-Docker.sh

Code 1: Skript von Docker.com zum installieren

Das Skript selbst ist recht klein, mit gerade einmal 19kByte, siehe Abbildung 2, jedoch wird es gleich beim Ausführen eine Menge an unserem Raspberry Pi verändern bzw. anpassen und installieren.

Zunächst führt das Skript, wenn mit Code 2 zum Starten mit root-Rechten angestoßen, ein Update aller installierten Pakete durch und installiert im Anschluss alle benötigten Pakete für Docker.

sudo sh get-Docker.sh

Code2: Das Skript get-Docker ausführen

Danach fügt es die Paketquelle von Docker, samt GPG-Schlüssel, dem Paketmanager apt hinzu, um dann Docker zu installieren. Dabei handelt es sich um die Pakete Docker-ce, Docker-ce-cli und containerd.io. Je nach Internetleitung kann die Installation einen kurzen Moment dauern, jedoch solltet ihr am Ende eine Erfolgsmeldung im Terminal sehen, siehe Abbildung 3.

Damit nicht nur der Benutzer root Docker ausführen darf, sollte der Benutzer pi der Gruppe Docker hinzugefügt werden, siehe Code 3.

sudo usermod -aG docker $USER

Code 3: pi der Gruppe Docker hinzufügen

Danach kannst du entweder den Raspberry Pi neustarten oder mit Code 4 die Gruppenrichtlinien neu laden.

newgrp docker

Code 4: Die Gruppenrichtlinien neu einlesen

Nun solltest du noch prüfen, ob Docker auch funktioniert. Was wäre da also besser als ein Image mit dem treffenden Namen hello-world? Dieses startest du mit dem Befehl aus Code 5.

docker run hello-world

Code 5: hello-world-Container im Docker starten

Wenn alles funktioniert hat, dann solltest du eine Ausgabe wie in Abbildung 4 sehen. Zugegeben, der Container macht erst einmal nicht viel, außer eine Ausgabe in der Konsole zu erzeugen.

Doch sollte es keine keinerlei Fehlermeldung bis hierhin gegeben haben, so weißt du, dass Docker ordnungsgemäß installiert wurde und einsatzbereit ist.

Portainer zur Dockerverwaltung

Vom Prinzip kann Docker über die Kommandozeile genutzt werden. Egal ob um neue Container anzulegen, Images herunterzuladen oder Docker Compose zu verwalten. Aber einfacher bzw. schöner wäre doch eine grafische Oberfläche, mit der wir diese Arbeit durchführen. Die Rede ist von Portainer, welches genau dies übernimmt. Portainer ist ein sehr mächtiges Tool und läuft als Docker-Container auf dem Raspberry Pi. Bevor der Container gestartet wird, musst du erst einmal ein Docker-Volumen erstellen. Dies machst du mit dem Befehl aus Code 6.

docker volume create portainer_data

Code 6: Dockervolumen für Portainer erstellen

Dieses Volumen brauchen wir, da ein Docker-Container beim Neustart seine Daten verliert. Um dies zu umgehen, soll der Docker-Container von Portainer ein Volumen einbinden, welches die angepassten oder erstellten Daten speichert. Im nächsten Schritt soll Portainer gestartet werden, was mit dem Befehl aus Code 7 geschieht.

docker run -d -p 8000:8000 -p 9443:9443 --name portainer  -v /var/run/docker.sock:/var/run/docker.sock -v portainer_data:/data cr.portainer.io/portainer/portainer-ce:latest

Code 7: Portainer starten

Den oben genannten Befehl, auch wenn du Ihn ggf. schon ins Terminal eingegeben hast, möchte ich noch erklären. Zunächst das Attribut -d welches den Docker-Container im Hintergrund ausführt. Mit -p verknüpfen wir die Ports vom Container mit dem Port des Hostsystems, also dem Raspberry Pi. In unserem Kommando die Ports 8000 und 9443 mit demselben Port des Raspberry Pis. Letzteres ist die https-Verbindung im Webbrowser. Zuletzt wird mit -v die im Container vorhandenen Pfade mit dem Volumen und zuvor noch der Socket von Docker mit Portainer verknüpft. In Fall von Portainer speichern wir die Daten für Portainer im eben angelegten Volumen. Mittels –restart=always wird der Docker-Container immer wieder neugestartet, egal ob durch einen Fehler oder einen Neustart des Raspberry Pi.

Damit Portainer überhaupt laufen kann, muss zunächst das Image von Portainer in der Community Edition heruntergeladen werden, siehe Abbildung 5. Hier brauchst du nichts zu machen, durch unseren Befehl, wird das von selbst durchgeführt.

Portainer wird in der Regel von docker hub heruntergeladen und auf dem Raspberry Pi gespeichert. In unserem Fall, da eine Webadresse angegeben wurde, wird Portainer von portainer.io heruntergeladen. Durch das Tag latest, welches mit :latest am Ende des Image-Parameters eingetragen wurde, wird die aktuellste Version genutzt. In der Konsole siehst du nach dem Herunterladen und Ausführen erste einmal nichts, aber der Container von Portainer sollte im Hintergrund laufen.

Ob Portainer läuft, können wir mit zwei verschiedenen Methoden herausfinden. Die erste Variante ist über den Befehl aus Code 8.

docker ps

Code 8: Liste alle aktiven Docker-Container

Dieser Befehl listet alle aktiven Container von Docker auf, siehe Abbildung 6. Jeder Container erhält dabei eine zufällige Container ID und wir sehen diverse Informationen zu dem Container.

Was direkt ins Auge fallen könnte ist, dass die Ports 8000 und 9443 für IPv4 und IPv6 freigegeben und an den Docker-Container von Portainer weitergeleitet wird.

Die Portainer-Oberfläche für Docker auf dem Raspberry Pi

Die zweite Variante zu prüfen, ob Portainer gestartet wurde, ist einen Webbrowser mit der Adresse vom Pi und dem Port 9443 zu öffnen, siehe Abbildung 7.

Denke bitte daran, dass die Adresse wie folgt aussieht https://IP-vom-PI:9443. Da Portainer das erste Mal gestartet wird, musst du zu Beginn noch ein sicheres Passwort für den Administrator admin eintragen. Dieses musst du dir entweder aufschreiben oder merken, weil zurücksetzen kannst du es nicht mehr. Danach landest du in der Home-Ansicht von Portainer, siehe Abbildung 8.

Auf der rechten Seite, hier markiert mit der rot umrandeten 1, kommst du in die einzelnen Untermenüs, welche ich teilweise gleich noch näher erläutern werde. In der Mitte, rot umrandete 2 oder dem Dashboard, siehe Abbildung 9, siehst du den Status von den Docker-Containern und weitere Informationen wie Images, Volumes oder Networks. Stacks lasse ich an dieser Stelle einmal aus, das wird in einem späteren Beitrag relevant werden.

Wechseln wir zunächst einmal in den Reiter Containers, mit dem entsprechenden Menüeintrag auf der rechten Seite, siehe Abbildung 10.

Hier sehen wir erst einmal zwei Dinge. Zum einen den Container von dem „hello-world“-Beispiel und den Portainer-Container. Bei letzterem könntest du dich nun ein bisschen wundern, da wir ja gerade in Portainer arbeiten und es im ersten Moment keinen Sinn ergibt, dass dieser Container hier erscheint. Tatsächlich liest Portainer über den Docker-Socket alle Container aus und zeigt diese an. Da Portainer auch als Docker-Container läuft, wird daher auch Portainer als solcher angezeigt. Im nächsten Schritt soll nun ein neuer Container erzeugt werden, mit dem du dann auch arbeiten kannst.

Das Applikations-Dashboard Heimdall

Bei dem Namen Heimdall könnten einige nun kurz an die Marvel-Filme von Thor denken. In der nordischen Mythologie ist Heimdall der Götterwächter und bewacht die Brücke, bzw. den Bifröst, zwischen den Welten. Ähnlich kannst du dir auch das Applikations-Dashboard Heimdall vorstellen. Jeder kann sich ein eigenes Profil erstellen und für alle Web-Applikationen einen Button erstellen, der dich dann dorthin bringt. Teilweise haben diese Buttons sogar interessante Zusatzfunktionen. Gerade Heimdall ist ein super Einstieg in Portainer und die diversen Menüs.

Das Docker-Image von Heimdall herunterladen

In den Basics von Docker habe ich geschrieben, dass jeder Container ein Image braucht. Heimdall ist da keine Ausnahme und so muss dieses Image erst einmal gesucht und runtergeladen werden. Erste Anlaufstelle für Images ist docker hub. Suche hier nach Heimdall, siehe Abbildung 11, wobei du eine Menge an Ergebnissen erhalten wirst.

Wichtig ist, dass du das Tag arm siehst, siehe rote Umrandung von Abbildung 11, da sonst das Image auf dem Pi nicht funktionieren würde. Gerade die Community um linuxserver.io stellen viele Images für den Raspberry Pi bereit, weswegen ich zum Eintrag linuxserver/heimdall nur raten kann. Gleichzeitig sind die Dokumentation und die GitHub-Pflege der einzelnen Images sagenhaft, was dir gerade am Anfang zu einem leichten Einstieg verhilft.

Wenn du nun auf der Seite von linuxserver/heimdall bist, siehst du auf der rechten Seite direkt den Docker-pull-Befehl, siehe Abbildung 12.

Weiter unten auf der Seite findet du einen Bereich Usage der dir erklärt, wie du mittels Docker-Compose, eine Art Skriptsprache, den Container zum Laufen bekommt. Es werden dabei alle wichtigen Einstellungen für Enviorments, Volume und Ports gezeigt, was wir gleich brauchen werden, siehe Abbildung 13.

Zunächst wollen wir aber das Image runterladen. Dazu wechselst du in Portainer ins Menü Images und suchst dort nach dem Image linuxserver/heimdall, siehe Abbildung 14.

Mit einem Druck auf den Button Pull the image, wird das Image dann bei docker hub gesucht und die Version mit dem Tag latest runtergeladen. Theoretisch kannst du, wenn du bei docker hub dir die Tagseite genauer ansiehst mittels :TAGNAME aussuchen, welche Version du haben willst. Je nach Größe vom Image und deiner Internetleitung, kann der Download kurz dauern. Danach siehst du aber in der unteren Liste einen weiteren Eintrag mit einem Flag Unused, was das Heimdall-Image ist, siehe Abbildung 15.

Aus dem Heimdall-Image wird ein Docker-Container

Der nächste Schritt ist nun, aus dem Image ein Docker-Container zu erzeugen. Dazu wechselst du in den Menüpunkt Containers von Portainer und wählst den Button Add container aus, siehe Abbildung 16.

Jetzt kommt der Moment, wo die Usage-Dokumentation der docker hub – Seite von Heimdall benötigt wird, daher solltest du diese parallel geöffnet haben. Zunächst braucht unser neuer Docker-Container einen Namen, hier Heimdall, sowie die Zuweisung, welches Image genutzt werden soll, hier linuxserver/heimdall, siehe Abbildung 17.

Als nächstes müssen die Netzwerkports vom Container mit dem Hostsystem, also dem Raspberry Pi, gemappt werden. Im Fall von Heimdall ist das der Port 80 und 443. In der Kartei Networt ports configuration drücken wir zweimal den Button publish a new network port und tragen die Ports ein, siehe Abbildung 18.

Da ich persönlich beim Öffnen der Website meines Docker-Pis die Heimdall-Seite gezeigt bekommen möchte, sind der Host- und Container-Port identisch. Achte dabei darauf, dass es sich um einen TCP-Port handelt und nicht UDP! Willst du einen anderen Port vom Host nutzen, so musst du später die Webadresse nach dem Schema  http(s)://IP-vom-PI:Eingestellter-Port aufrufen.

Als nächstes musst du die Environments, das Volume und die Restart policy korrekt eintragen. Diese Einstellungen findest du am Ende der Seite. Bevor du damit aber beginnst, solltest du im Tab Command & logging bei Console den Punkt Interactive & TTY (-I -t) auswählen, siehe Abbildung 19.

Damit haben wir später Zugriff über die Konsole auf den Container und müssen nicht erst umständlich über docker-Kommandos versuchen Zugang zu bekommen.

Nun Wechsel in den Tab Volumes und richte mit dem Button map additional volume einen neuen Verweis für einen Container-Pfad zum Hostsystem ein, siehe Abbildung 20.

Hier wird der Ordner /config aus dem Image mit dem Ordner /home/pi/heimdall/config gemappt. Das kannst du dir wie eine Art Verknüpfung auf einem PC vorstellen, wobei hier der Container-Ordner quasi ausgetauscht wird. Das geht in diesem Fall aber nur, da ich die Option Bind anstelle von Volume ausgewählt habe. Der Vorteil bei einem Bind ist, dass ich auf die Daten zugreifen kann, was bei einem Container-Volume schwieriger ist. In dem oben gezeigten Beispiel wird im Arbeitsverzeichnis vom User pi, also /home/pi, der Ordner /heimdall/config erzeugt und in den Container gemountet.

Nun müssen noch die Environments im Tab Env eingetragen werden. Drücke dazu dreimal den Button Add an enviroment variable und trage die Werte für PUID, PGID und TZ ein, siehe Abbildung 21. Wenn du ein Standard Raspberry Pi OS hast, hat der Benutzer pi jeweils die 1000 für PUID und PGID.

Die entsprechenden Einstellungen kannst du aus Abbildung 21 oder dir die Environments auf der docker hub – Seite von linuxserver/heimdall unter Usage ansehen. Da ich mich in der Zeitzone von Berlin befinde, trage ich hier für das Environment TZ entsprechend Europe/Berlin ein.

Bevor der docker-Container nun deployed werden kann, solltest du noch im Tab Restart policy die Restart policy von Never auf Always umstellen, siehe Abbildung 22.

Im Anschluss kannst du auf den Button Deploy the container drücken. Wenn alles richtig eingestellt ist, wirst du beim erfolgreichen deploy, direkt auf die Container-Seite von Portainer weitergeleitet und siehst einen gestarteten Heimdall-Container, siehe Abbildung 23.

An der Stelle musst du ggf. noch ein bisschen warte, da beim ersten Starten vom Heimdall-Container noch einige Keys und Konfigurationen im /config-Ordner erzeugt werden müssen. Bei einem Pi 4 mit 4GB dauert der erste Start ungefähr 2 Minuten, danach kannst du aber die Heimdall-Seite erreichen, wobei du vorher das selbsterzeugte SSL-Zertifikat akzeptieren musst, siehe Abbildung 24. Wird der Container neu gestartet, entfällt diese Wartezeit, da die Daten dann schon vorhanden sind.

Kurzeinführung in Heimdall

Die Webapplikation von Heimdall ist intuitiv und schnell gelernt. Über die Menüleiste am rechten unteren Rand, siehe Abbildung 25, kannst du Heimdall komplett nach deinem Wunsch konfigurieren.

Ich empfehle am Anfang unter dem Menü Einstellungen die Sprache auf Deutsch zu schalten, dann wird es ggf. ein bisschen leichter bei der Erstellung der Web-Shortcuts. Wie du eine Applikationsliste erzeugst, will ich dir in einem einfachen Beispiel zeigen.

Wechsle zunächst in die Applikationsliste und führe ein Update der App Liste durch, siehe Abbildung 26.

Über den Button Hinzufügen erstellst du ein neues Anwendungselement, siehe Abbildung 27.

In meinem Beispiel erstelle ich nun einen Shortcut zu meiner FritzBox, wozu es auch ein Application Type gibt, siehe Abbildung 28. Gerade durch das Applications Type AVMFritzBox werden schon einige Bilder und Buttonanpassungen vorgenommen.

Lediglich der Name und die URL muss noch nachgetragen werden. Theoretisch kannst du über den Button Hochladen einer Datei auch ein anderes Icon auswählen, sofern es dir nicht gefällt oder du die Applikation nicht in der Liste findest. Nach dem Speichern erscheint der Button in deiner Übersicht, siehe Abbildung 29.

Je nach Geschmack und Arbeit, kann die Übersicht schon einige Shortcuts zu wichtigen Webapplikationen zeigen, wie in meiner Übersicht, siehe Abbildung 30.

Zusammenfassung

Ich habe dir bisher Docker und Portainer versucht näher zu bringen. Ich hoffe die Erklärung zwischen einem Docker-Container zu einer VM ist mir insoweit gelungen, dass dieser Unterschied nun klar ist. Mit deinem ersten Docker-Container Heimdall habe ich dir zudem gezeigt, wie einfach es ist, ein Docker-Image runterzuladen und als Container dann zu starten. Auf viele Eigenheiten von Docker bin ich nicht eingegangen, das hätte hier aber den Rahmen um weiten gesprengt. Nicht zuletzt gibt es von Michael Kofler und Bernd Öggl ein komplettes Buch zu dem Thema Docker, was die Komplexität verdeutlichen soll. Wahrscheinlich hat dich dieser doch recht umfangreiche Beitrag etwas erschlagen, aber ab jetzt werden die Themen in dieser Serie einfacher bzw. kompakter. Gerade die Grundlagen von Docker sind wichtig, damit du später in deinem Test- bzw. Produktivumfeld sicher arbeiten kannst.

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