Unidad 9: Contenedores y gestión de software con Apptainer

¿Qué es un contenedor?

Un contenedor es un entorno aislado que incluye:

Sistema operativo base
Librerías
Dependencias
Software específico

Docker vs Podman vs Apptainer

Actualmente hay decenas de proyectos involucrados en el desarrollo, adopción y uso de contenedores: https://landscape.cncf.io

Característica	Docker	Podman	Apptainer
Uso principal	Desarrollo	Desarrollo sin daemon	HPC / ciencia
Requiere root	Sí	No siempre	No
Seguridad en HPC	Baja	Media	Alta
Integración HPC	❌	⚠️	✅
Formato imagen	layered	layered	`.sif`

Apptainer

Apptainer es una plataforma de contenedores de código abierto enfocada en ciencia y cómputo de alto rendimiento (HPC). Permite ejecutar aplicaciones dentro de entornos aislados que incluyen todas sus dependencias, facilitando la reproducibilidad y evitando conflictos de software, sin requerir privilegios de administrador.

¿En qué sistemas funciona Apptainer?

Apptainer está diseñado para funcionar de manera nativa en sistemas Linux.

Esto se debe a que utiliza características propias del kernel de Linux, como:

namespaces (aislamiento de procesos)
cgroups (control de recursos)
sistema de archivos tipo overlay

👉 Estas tecnologías permiten crear contenedores de forma eficiente y segura.

¿De dónde vienen las imágenes?

Las imágenes de contenedores provienen generalmente de repositorios en línea como:

👉 Docker Hub
👉 Quay.io

📦 Docker Hub

Docker Hub es una plataforma donde se almacenan miles de imágenes listas para usar:

sistemas operativos
lenguajes de programación
herramientas científicas

Cada imagen tiene versiones llamadas tags, por ejemplo:

ubuntu:22.04
ubuntu:20.04
ubuntu:latest

💡 Esto permite elegir exactamente qué entorno queremos usar.

🧬 ¿Qué son los BioContainers?

Existen repositorios especializados llamados BioContainers, que contienen imágenes enfocadas en bioinformática.

👉 Son contenedores que ya incluyen software científico instalado, como:

MrBayes
BLAST
FastQC
Bowtie2

👉 Muchos de estos contenedores están disponibles en:

Docker Hub
Quay.io (más actualizado en muchos casos)

📥 Descargar imágenes

El comando pull permite descargar una imagen y convertirla al formato de Apptainer (.sif), que es el formato estándar para ejecutar contenedores.

apptainer pull docker://ubuntu

👉 Este comando descarga una imagen de Ubuntu desde Docker Hub y genera un archivo como:

ubuntu_latest.sif

Este archivo .sif contiene un sistema base listo para usarse con Apptainer.

📦 Versiones específicas

También es posible descargar una versión concreta de una imagen usando una etiqueta (:versión). Esto es útil cuando se necesita trabajar con una versión específica del sistema operativo o del software para mantener compatibilidad y reproducibilidad.

apptainer pull docker://centos:7

Uso básico de contenedores

UUna vez que hemos descargado una imagen con pull, podemos comenzar a interactuar con ella.

apptainer pull docker://ubuntu

👉 Esto genera un archivo .sif, que contiene un sistema Linux mínimo.

Cuando usamos Apptainer, no estamos ejecutando “un programa”, sino un sistema operativo completo pero ligero.

👉 Es como tener una instalación de Linux dentro de un archivo.

💡 Sin embargo, estas imágenes suelen ser:

muy ligeras
sin programas adicionales
con solo lo esencial para funcionar

Entrar a un contenedor (modo interactivo)

apptainer shell ubuntu_latest.sif

👉 Esto abre una terminal dentro del contenedor.

Dentro de esta terminal puedes:

navegar (ls, cd)
crear archivos
ejecutar comandos
instalar software (si es writable)

💡 Es como si estuvieras usando otra computadora con Linux.

⚠️ ¿Se puede modificar?

Por defecto:

❌ NO puedes modificar la imagen .sif
✅ solo puedes explorarla

👉 Si quieres modificarla, necesitas usar:

un sandbox
o entrar con --writable

Ejecutar comandos sin entrar

También puedes ejecutar comandos directamente sin abrir una terminal interactiva:

apptainer exec ubuntu_latest.sif ls /

👉 Esto ejecuta ls / dentro del contenedor y regresa al sistema host.

Dentro del contenedor puedes usar comandos básicos como:

ls
pwd
whoami
cat /etc/os-release

👉 Esto demuestra que:

estás dentro de un sistema Linux independiente
con su propia estructura de archivos
su propio entorno

Modificar un contenedor temporalmente (`--writable`)

Aunque las imágenes .sif no son modificables por defecto, Apptainer permite hacer cambios temporales durante una sesión usando ciertas opciones.

apptainer shell --writable --fakeroot ubuntu_latest.sif

--writable → permite modificar el sistema dentro del contenedor
--fakeroot → simula permisos de administrador (root)

👉 Esto permite instalar software dentro del contenedor.

⚠️ Importante

💡 Este modo funciona mejor con sandbox
En archivos .sif, puede no funcionar o ser limitado

Por eso este ejemplo es solo para entender el concepto

¿Qué es un sandbox?

Un sandbox es un contenedor en formato de directorio editable.

A diferencia de .sif, permite:

instalar programas
modificar configuraciones
compilar software

Crear un sandbox

El comando build --sandbox crea un contenedor editable a partir de una imagen base.

apptainer build --sandbox NOMBRE_DEL_DIRECTORIO IMAGEN_BASE.sif

Ejemplo

apptainer build --sandbox mrbayes ubuntu_latest.sif

Puedes usar cualquier nombre:

mrbayes
ubuntu_editable
test_container
bioinfo_env

Esto creará una carpeta llamada:

mrbayes/

Y dentro:

/bin
/etc
/usr
/lib

👉 Es decir:

Un sistema Linux completo dentro de una carpeta

Explorar el contenedor de forma interactiva

Una vez creado el sandbox, puedes entrar a él con una shell interactiva y trabajar dentro del contenedor como si fuera otro sistema Linux.

apptainer shell mrbayes/

👉 Esto abre una terminal dentro del contenedor, desde donde puedes navegar, revisar archivos o ejecutar comandos.

Salir del contenedor

Para salir del entorno interactivo, solo escribe:

exit

Entrar en modo escritura y con root simulado

Cuando quieres modificar un sandbox, por ejemplo para instalar paquetes o compilar programas, necesitas abrirlo con opciones adicionales.

apptainer shell --writable --fakeroot --pwd / mrbayes

--writable

Permite modificar el contenedor. Sin esta opción, el sistema se abre solo para lectura.

--fakeroot

Simula permisos de administrador dentro del contenedor. Esto permite usar comandos como apt install aunque no tengas root real en el sistema anfitrión.

--pwd /

Hace que la shell inicie en el directorio raíz (/) del contenedor.

⚙️ Configuración básica del sistema dentro del contenedor

Las imágenes base descargadas desde Docker Hub suelen ser versiones mínimas de Linux.

👉 Esto significa que:

No tienen configuraciones completas
No incluyen muchos programas
Solo contienen lo esencial para funcionar

💡 Por esta razón, antes de trabajar con software, es necesario configurar el sistema operativo dentro del contenedor.

🔄 Actualizar el sistema

apt update
apt upgrade -y

apt update → actualiza la lista de paquetes disponibles
apt upgrade → actualiza los programas instalados

Linux usa repositorios en línea para instalar software
y estos comandos sincronizan el sistema con esos repositorios

🌍 Configurar idioma (locale)

apt install -y locales
locale-gen en_US.UTF-8
update-locale LANG=en_US.UTF-8
export LANG=en_US.UTF-8
export LC_ALL=en_US.UTF-8

👉 Esto configura el sistema para trabajar con codificación UTF-8.

¿Por qué es importante?

Evita errores con caracteres especiales
Asegura compatibilidad con muchos programas
Mejora la reproducibilidad

🕒 Configurar zona horaria

apt install -y tzdata
ln -sf /usr/share/zoneinfo/Etc/UTC /etc/localtime

👉 Define la hora del sistema dentro del contenedor.

¿Por qué importa?

Logs correctos
Fechas reproducibles
Consistencia en análisis

📦 Instalación de programas y dependencias

apt install -y build-essential make pkg-config git wget curl \
latexmk texlive-latex-base texlive-fonts-recommended \
texlive-fonts-extra texlive-latex-extra nano \
openmpi-bin openmpi-common openmpi-doc libopenmpi-dev

¿Qué es `apt`?

apt es un gestor de paquetes utilizado en sistemas basados en Debian (como Ubuntu).

👉 Permite:

instalar programas
eliminar programas
actualizar software

Otros gestores de paquetes

Sistema	Gestor
Debian / Ubuntu	`apt`
RedHat / CentOS / Rocky	`yum` / `dnf`

💡 Importante:

Los comandos cambian dependiendo de la distribución Linux

🧩 ¿Qué son las dependencias?

Muchos programas necesitan otras librerías para funcionar.

Ejemplo:

build-essential → compiladores (gcc, g++)
libopenmpi-dev → paralelización
pkg-config → encuentra librerías al compilar

Un programa no funciona solo, depende de otros componentes

Compilación desde código fuente

Una vez que el sistema está listo, podemos instalar programas desde su código fuente.

cd /opt
git clone https://github.com/NBISweden/MrBayes.git
cd MrBayes
./configure --with-mpi
make -j$(nproc)
make install

¿Qué significa “compilar”?

Compilar es el proceso de:

👉 Convertir código fuente (legible por humanos)
👉 en un programa ejecutable (legible por la máquina)

Empaquetar el sandbox como imagen `.sif`

Cuando ya terminaste de personalizar tu sandbox, puedes convertirlo en una imagen final para transportarlo y ejecutarlo fácilmente.

apptainer build --fakeroot mrbayes_mpi.sif mrbayes

👉 Esto crea un archivo .sif a partir del sandbox mi_contenedor.

La imagen .sif ya no está pensada para editarse, sino para distribuirse y ejecutarse.

Ejecutar un programa dentro del contenedor

El comando exec permite correr directamente un programa dentro de la imagen sin necesidad de abrir una shell interactiva.

apptainer exec mrbayes_mpi.sif mb analisis/data/analysis.nex

👉 Aquí se ejecuta MrBayes dentro del contenedor usando un archivo externo como entrada.

Ejecutar con MPI

Si el programa fue compilado con soporte para MPI, puede ejecutarse usando varios núcleos.

apptainer exec mrbayes_mpi.sif mpirun -np 4 mb

👉 En este caso, MrBayes se ejecuta usando 4 procesos paralelos.

📂 Uso de volúmenes (montaje de carpetas)

Cuando trabajas con contenedores, tus datos normalmente están fuera del contenedor, en tu sistema.

👉 Para que el contenedor pueda verlos, es necesario montar (bind) directorios.

Montar una carpeta

apptainer exec --bind /ruta/local:/ruta/contenedor contenedor.sif comando

Ejemplo práctico

Supongamos que tienes tus datos en:

/home/usuario/proyecto/datos

Puedes montarlos dentro del contenedor así:

apptainer exec --bind /home/usuario/proyecto/datos:/data revbayes_mpi.sif ls /data

👉 Dentro del contenedor, la carpeta aparecerá como:

/data

📂 Usar tus archivos en RevBayes

Si tienes un archivo:

analysis.Rev

puedes ejecutarlo así:

apptainer exec --bind /home/usuario/proyecto/datos:/data revbayes_mpi.sif rb-mpi /data/analysis.Rev

Uso de `pwd` (muy importante)

Para evitar escribir rutas largas, puedes usar:

pwd

👉 Esto muestra tu directorio actual.

Ejemplo práctico con `pwd`

apptainer exec --bind $(pwd):/data revbayes_mpi.sif rb-mpi /data/analysis.Rev

👉 Aquí:

$(pwd) → ruta actual en tu sistema
/data → ruta dentro del contenedor

Ventaja de usar `pwd`

evita errores de ruta
hace scripts más portables
facilita reproducibilidad

⚠️ Nota importante

Apptainer ya monta automáticamente algunas rutas como:

$HOME
el directorio actual (en muchos casos)

👉 Pero usar --bind explícito es más claro y reproducible.

🧪 Probar que el volumen funciona

apptainer exec --bind $(pwd):/data revbayes_mpi.sif ls /data

👉 Si ves tus archivos, el montaje funcionó correctamente.

🚀 Bonus (muy útil)

También puedes montar múltiples carpetas:

apptainer exec --bind $(pwd):/data,/otra/ruta:/ref contenedor.sif comando

¿Qué es un archivo `.def`?

Un archivo .def en Apptainer es un archivo de definición que contiene todas las instrucciones necesarias para construir un contenedor reproducible.

👉 En lugar de instalar programas manualmente dentro de un sandbox, aquí escribimos una receta que describe:

qué sistema operativo usar
qué paquetes instalar
qué software descargar
cómo compilarlo
qué variables de entorno definir
qué debe hacer el contenedor al ejecutarse

Un archivo .def permite reconstruir el mismo contenedor cuantas veces sea necesario.

🧱 Partes de un archivo `.def` en Apptainer

Un archivo .def está compuesto por secciones que indican cómo construir y cómo ejecutar un contenedor.

🔹 Bootstrap: docker

Indica el método de construcción del contenedor.

👉 En este caso, significa que la imagen base será obtenida desde un repositorio compatible con Docker (como Docker Hub).

🔹 From: ubuntu:22.04

Define la imagen base sobre la cual se construirá el contenedor.

👉 Aquí se está utilizando Ubuntu 22.04 como sistema operativo inicial.

🔹 %environment

Define variables de entorno que estarán disponibles cada vez que el contenedor se ejecute.

👉 Se aplican cuando usas:

apptainer shell
apptainer exec
apptainer run

💡 Sirve para configurar el entorno automáticamente (idioma, rutas de librerías, etc.).

🔹 %post

Contiene los comandos que se ejecutan durante la construcción del contenedor.

👉 Aquí es donde se:

instalan paquetes (apt install)
descargan programas (git clone)
compilan software (make)

💡 Es la sección donde realmente “se arma” el contenedor.

🔹 %runscript

Define qué ocurre cuando el contenedor se ejecuta con:

apptainer run archivo.sif

👉 Permite establecer un comportamiento por defecto del contenedor.

💡 Por ejemplo:

mostrar un mensaje
ejecutar automáticamente un programa

Archivo ejemplo revbayes_mpi.def

# ============================================================
# Archivo de definición de Apptainer para RevBayes con MPI
# ============================================================

# ------------------------------------------------------------
# Bootstrap
# ------------------------------------------------------------
# Indica el tipo de origen de la imagen base.
# En este caso, se utilizará una imagen proveniente de Docker Hub.
Bootstrap: docker

# ------------------------------------------------------------
# From
# ------------------------------------------------------------
# Especifica la imagen base sobre la cual se construirá el contenedor.
# Aquí se usa Ubuntu 22.04 como sistema operativo inicial.
From: ubuntu:22.04


# ============================================================
# %environment
# ============================================================
# Esta sección define variables de entorno que estarán disponibles
# cada vez que el contenedor se ejecute (shell, exec, run).
# No se ejecuta durante el build, sino en tiempo de uso.

%environment
    # Configuración de idioma y codificación
    export LANG=C.UTF-8
    export LC_ALL=C.UTF-8

    # Ruta donde se buscarán bibliotecas compartidas
    export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib:$LD_LIBRARY_PATH


# ============================================================
# %post
# ============================================================
# Esta sección se ejecuta durante la construcción del contenedor.
# Aquí se instala y configura el software.

%post
    # Evita preguntas interactivas durante la instalación
    export DEBIAN_FRONTEND=noninteractive

    # --------------------------------------------------------
    # Actualizar sistema
    # --------------------------------------------------------
    apt update

    # --------------------------------------------------------
    # Instalar dependencias necesarias
    # --------------------------------------------------------
    apt install -y \
        build-essential \
        cmake \
        git \
        wget \
        curl \
        ca-certificates \
        libopenmpi-dev \
        openmpi-bin \
        libboost-all-dev \
        bison \
        flex \
        zlib1g-dev

    # --------------------------------------------------------
    # Descargar código fuente de RevBayes
    # --------------------------------------------------------
    cd /opt
    git clone --branch development https://github.com/revbayes/revbayes.git

    # --------------------------------------------------------
    # Compilar RevBayes con soporte MPI
    # --------------------------------------------------------
    cd /opt/revbayes/projects/cmake
    chmod +x build.sh
    ./build.sh -mpi true

    # --------------------------------------------------------
    # Copiar ejecutables a una ruta accesible
    # --------------------------------------------------------
    if [ -f rb-mpi ]; then
        cp rb-mpi /usr/local/bin/rb-mpi
        chmod 755 /usr/local/bin/rb-mpi
    fi

    if [ -f rb ]; then
        cp rb /usr/local/bin/rb
        chmod 755 /usr/local/bin/rb
    fi


# ============================================================
# %runscript
# ============================================================
# Define qué ocurre cuando se ejecuta el contenedor con:
# apptainer run archivo.sif

%runscript
    echo "RevBayes con MPI listo para usarse"
    exec "$@"

🔧 Construir el contenedor a partir del archivo `.def`

Una vez que el archivo revbayes_mpi.def está listo, el siguiente paso es construir la imagen .sif.

apptainer build revbayes_mpi.sif revbayes_mpi.def

Si todo sale bien, al final tendrás un archivo como este:

revbayes_mpi.sif

Ese archivo ya contiene:

Ubuntu 22.04
dependencias instaladas
RevBayes compilado con MPI
variables de entorno configuradas

Probar el contenedor

Una forma sencilla de verificar que el contenedor se construyó correctamente es ejecutar comandos directamente con exec, sin necesidad de entrar en una shell interactiva.

apptainer exec revbayes_mpi.sif which rb-mpi

También puedes comprobar que el programa funciona correctamente con:

apptainer exec revbayes_mpi.sif rb-mpi --help

🔎 Buscar imágenes existentes antes de construir un contenedor

Antes de crear un contenedor desde cero, es recomendable revisar si ya existe una imagen disponible en
👉 Docker Hub
👉 Quay.io

En este repositorio hay miles de imágenes creadas por la comunidad, incluyendo:

sistemas operativos
lenguajes de programación
herramientas bioinformáticas
pipelines completos

👉 Es muy probable que el software que necesitas ya esté disponible en forma de contenedor.

Ejemplo

En lugar de construir manualmente un contenedor para MrBayes, puedes usar:

apptainer pull quay.io/biocontainers/mrbayes

👉 Esta imagen ya contiene el software instalado y listo para usarse.

⚖️ Ventajas de usar imágenes existentes

✔ Ahorra tiempo
✔ No necesitas instalar dependencias
✔ Listas para ejecutar
✔ Útiles para pruebas rápidas

⚠️ Desventajas

❌ No siempre sabes cómo fue construida la imagen
❌ Puede no estar actualizada
❌ Puede incluir software innecesario
❌ Menor control sobre dependencias y versiones

🔧 Ventajas de construir tu propio contenedor

✔ Control total del entorno
✔ Puedes documentar cada paso (.def)
✔ Reproducibilidad garantizada
✔ Ajuste específico a tu análisis

¿Qué es un contenedor?

Docker vs Podman vs Apptainer

Apptainer

¿En qué sistemas funciona Apptainer?

¿De dónde vienen las imágenes?

📦 Docker Hub

🧬 ¿Qué son los BioContainers?

📥 Descargar imágenes

📦 Versiones específicas

Uso básico de contenedores

Entrar a un contenedor (modo interactivo)

⚠️ ¿Se puede modificar?

Ejecutar comandos sin entrar

Modificar un contenedor temporalmente (--writable)

⚠️ Importante

¿Qué es un sandbox?

Crear un sandbox

Ejemplo

Explorar el contenedor de forma interactiva

Salir del contenedor

Entrar en modo escritura y con root simulado

⚙️ Configuración básica del sistema dentro del contenedor

🔄 Actualizar el sistema

🌍 Configurar idioma (locale)

🕒 Configurar zona horaria

📦 Instalación de programas y dependencias

¿Qué es apt?

🧩 ¿Qué son las dependencias?

Compilación desde código fuente

¿Qué significa “compilar”?

Empaquetar el sandbox como imagen .sif

Ejecutar un programa dentro del contenedor

Ejecutar con MPI

📂 Uso de volúmenes (montaje de carpetas)

Montar una carpeta

Ejemplo práctico

📂 Usar tus archivos en RevBayes

Uso de pwd (muy importante)

Ejemplo práctico con pwd

Ventaja de usar pwd

⚠️ Nota importante

🧪 Probar que el volumen funciona

🚀 Bonus (muy útil)

¿Qué es un archivo .def?

🧱 Partes de un archivo .def en Apptainer

🔧 Construir el contenedor a partir del archivo .def

Probar el contenedor

🔎 Buscar imágenes existentes antes de construir un contenedor

Ejemplo

⚖️ Ventajas de usar imágenes existentes

⚠️ Desventajas

🔧 Ventajas de construir tu propio contenedor

Modificar un contenedor temporalmente (`--writable`)

¿Qué es `apt`?

Empaquetar el sandbox como imagen `.sif`

Uso de `pwd` (muy importante)

Ejemplo práctico con `pwd`

Ventaja de usar `pwd`

¿Qué es un archivo `.def`?

🧱 Partes de un archivo `.def` en Apptainer

🔧 Construir el contenedor a partir del archivo `.def`