Контейнеры против виртуальных машин: подробное сравнение

Контейнеры и виртуальные машины раскрыты: разумный выбор для ваших ИТ-потребностей

Контейнеры и Виртуальные машины – это технологии виртуализации, которые можно использовать для развертывания приложений и управления ими. Однако они имеют разные сильные и слабые стороны, и лучший выбор для конкретного применения будет зависеть от ряда факторов.

Контейнеры легкие и эффективные, что делает их идеальными для развертывания приложений на основе микросервисов. Они также портативны, что означает, что их можно легко перемещать из одной среды в другую. Однако контейнеры не обеспечивают такой степени изоляции, как виртуальные машины, и ими сложнее управлять.

Виртуальные машины более тяжелые, чем контейнеры, но они обеспечивают более высокий уровень изоляции и безопасности. Ими также легче управлять, поскольку ими можно управлять с помощью традиционных инструментов, таких как Гипервизоры. Однако виртуальные машины могут быть более ресурсоемкими, чем контейнеры, и менее портативными.

В этом руководстве мы обсудим ключевые различия между контейнерами и виртуальными машинами более подробно. Мы также предоставим некоторые рекомендации о том, когда использовать каждую технологию.

Что такое виртуализация?

Каждый инструмент или платформа создается для решения конкретной проблемы. Сначала вам необходимо понять постановку проблемы и то, какое решение дает виртуализация.

Виртуализация – это процесс создания виртуальной версии аппаратного ресурса, например сервера, устройства хранения данных, сети или даже всей операционной системы.

До изобретения виртуализации вам приходилось покупать физическое оборудование, включающее ДИСКИ, ОЗУ, ЦП, графический процессор и т. д., чтобы установить операционную систему.

А затем вам придется установить операционную систему поверх оборудования, усилить ее защиту в соответствии с вашими личными требованиями или отраслевыми стандартами, а затем передать ее команде разработчиков. Это трудоемкий и ресурсоемкий процесс.

Виртуализация создана для решения этой проблемы. Виртуализация позволяет использовать одни и те же физические ресурсы одной машины для создания нескольких машин, называемых виртуальными машинами.

Это позволяет нескольким экземплярам ресурса работать на одном и том же физическом оборудовании, что может повысить эффективность и сэкономить затраты.

Следующее изображение даст вам хорошее представление об установке операционных систем с виртуализацией и без нее.

Графическая иллюстрация с виртуализацией или без нее

Преимущества виртуализации

Виртуализация предлагает множество преимуществ и решает ряд проблем, в том числе:

• Недостаточно используемое оборудование. Виртуализация позволяет нескольким виртуальным машинам совместно использовать ресурсы одной физической машины. Это может помочь улучшить использование и снизить затраты.
• Консолидация оборудования. Виртуализацию можно использовать для консолидации нескольких физических машин в одну виртуальную машину. Это может освободить место в дата-центре и снизить энергопотребление.
• Гибкость. Виртуализация упрощает создание и развертывание новых виртуальных машин. Это может помочь улучшить гибкость и оперативность ИТ.
• Аварийное восстановление. Виртуализацию можно использовать для создания резервных копий виртуальных машин. Это может помочь защитить данные и приложения в случае сбоя.
• Безопасность. Виртуализация может помочь повысить безопасность за счет изоляции виртуальных машин друг от друга. Это может помочь предотвратить распространение вредоносного ПО с одной виртуальной машины на другую.
• Масштабируемость. Виртуализация позволяет легко увеличивать или уменьшать масштаб вашей ИТ-инфраструктуры по мере необходимости. Это может помочь вам сэкономить затраты и повысить эффективность.
• Тестирование и разработка. Виртуализацию можно использовать для создания изолированных сред для тестирования и разработки. Это может помочь улучшить качество ваших приложений и снизить риск ошибок.
• Обучение. Виртуализацию можно использовать для создания среды обучения сотрудников. Это может помочь улучшить навыки и знания и сократить время, необходимое для адаптации новых сотрудников.
• Автоматизация инфраструктуры и приложений.
• Более быстрое развертывание.
• Экономически эффективным.

Что такое гипервизор в виртуализации?

Гипервизор — это программное обеспечение, которое будет установлено поверх вашей операционной системы или оборудования. Он позволяет создавать несколько виртуальных машин, изолируя базовые физические ресурсы и распределяя их по нескольким виртуальным машинам.

Существует два типа гипервизора:

• Гипервизор типа 1 или «голый металл»,
• Гипервизор типа 2.

Гипервизоры типа 1 или «голое железо»

Этот тип гипервизора устанавливается непосредственно поверх физического оборудования, и нет необходимости устанавливать какую-либо операционную систему поверх оборудования.

Гипервизор будет напрямую взаимодействовать с оборудованием и выделять ресурсы создаваемым вами виртуальным машинам. Этот тип гипервизора чаще всего используется в корпорациях.

Некоторые из популярных гипервизоров типа 1:

• VMware vSphere/ESXi,
• Майкрософт Гипер В,
• Виртуальная машина на основе ядра (KVM),
• Виртуализация предприятия Red Hat (RHEV),
• Citrix Xenserver.

Гипервизоры типа 2

Этот тип гипервизора используется в основном на ваших персональных компьютерах для создания виртуальных машин. Гипервизоры типа 2 представляют собой программное обеспечение, которое необходимо установить поверх операционной системы.

Гипервизоры типа 2 работают медленнее по сравнению с гипервизорами типа 1, поскольку гипервизорам типа 2 необходимо взаимодействовать с ОС, а затем с физическим ресурсом, а гипервизоры типа 1 напрямую взаимодействуют с физическими ресурсами.

Некоторые из популярных гипервизоров типа 2:

• Oracle виртуальный бокс,
• рабочая станция VMWare,
• Параллельс Десктоп.

Какой гипервизор выбрать?

Прежде чем выбрать правильное решение гипервизора, необходимо учитывать множество факторов.

БЕСПЛАТНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Если вы ищете бесплатный гипервизор для быстрого запуска нескольких виртуальных машин в целях тестирования, то Oracle Virtualbox и рабочая станция VMware станут идеальным выбором. Оба гипервизора доступны для платформ Windows, Linux и macOS.

Если вы используете Linux в качестве базовой операционной системы, KVM будет предпочтительным выбором. Поскольку KVM интегрирован с ядром Linux, он превосходит Virtualbox, рабочую станцию VMWare и другие гипервизоры типа 2.

ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ НАГРУЗКА

В большинстве случаев компании будут использовать гипервизоры типа 1 для производственных развертываний. Вы можете приобрести лицензии гипервизора типа 1, которые также сопровождаются поддержкой.

В любом случае, если у вас возникнут проблемы, служба поддержки продукта поможет вам их устранить. Это не относится к бесплатным гипервизорам.

При использовании бесплатных гипервизоров вам следует полагаться на поддержку сообщества или статьи о продуктах для устранения любых проблем.

Что такое виртуальная машина?

В контексте вычислений виртуализация означает создание виртуальной машины (ВМ). Виртуальная машина — это программный компьютер, работающий поверх физической машины. Он имеет собственную операционную систему, память, хранилище и сетевые ресурсы.

Физическая машина также называется хост-машиной, а виртуальная машина называется гостевой машиной.

В качестве примера предположим, что вы покупаете серверную машину или ноутбук и устанавливаете свою любимую операционную систему. Затем вы можете установить любые инструменты виртуализации (например, Oracle Virtualbox) и создать одну или несколько гостевых операционных систем (ВМ) без покупки специального оборудования для каждой операционной системы.

На следующем изображении показана моя текущая настройка виртуализации. В качестве базовой операционной системы я использую мой любимый дистрибутив Linux Pop!_OS. Я использую Virtualbox в качестве решения для виртуализации и запускаю Fedora XFCE в качестве виртуальной машины.

Виртуальная машина Fedora, работающая в Virtualbox

Здесь,

• Pop!_OS — это хост-машина,
• Fedora XFCE — это гостевая машина (т.е. виртуальная машина),
• Oracle Virtualbox — это гипервизор.

Роль виртуализации в облачных вычислениях

Виртуализация играет решающую роль в облачных вычислениях. Ресурс, который вы запускаете на облачных платформах, создается виртуально в центре обработки данных облачного провайдера. Например, давайте поговорим о AWS, одной из популярных облачных платформ на рынке.

AWS использует KVM в качестве своего виртуального решения. Когда вы запускаете экземпляр EC2 в AWS, он фактически создает виртуальную машину через KVM. Когда дело доходит до облака, наряду с автоматизацией виртуализации также важную роль играет.

В традиционных дата-центрах мы создаем виртуальные машины вручную, но в облачной среде все происходит за минуту или около того с помощью автоматизации.

Основное преимущество виртуализации на облачной платформе для конечного пользователя, который управляет средами IAAS, PAAS или SAAS, заключается в том, что нам не нужно беспокоиться о физических аппаратное обеспечение и настройка гипервизоров 1 или 2 типа. Все, что нас волнует, — это быстрое развертывание экземпляра EC2 или любых других сервисов.

Виртуализация — это не только серверы в облаке. Хранилище, сеть, ЦП, графический процессор, настольные компьютеры и т. д. также виртуализируются в облаке. Как вы знаете, облако предлагает три основных типа услуг.

• Инфраструктура как услуга. Вы запускаете виртуальную машину (EC2), настраиваете хранилище (S3), настраиваете сеть (VPC) и устанавливаете любые приложения поверх экземпляра EC2. Здесь EC2, S3 и VPC — это виртуализированные решения.
• Программное обеспечение как услуга. Хорошим примером продукта SAAS в облаке AWS является решение для хранилища данных Snowflake. Snowflake также доступен в Azure и GCP. В модели SAAS продукт полностью абстрактен, поэтому вы не сможете определить тип виртуализации, применяемый к базовой инфраструктуре.
• Платформа как услуга. В модели PAAS у вас будет гибкость в выборе типа рабочей нагрузки, а базовый ресурс будет создан на виртуальной платформе. Хорошим примером продукта PAAS в AWS является Elastic Map уменьшает (EMR).

Что такое контейнеры?

Контейнеры – это более упрощенное решение для создания и развертывания современных приложений. Контейнеры хорошо сочетаются с любым стеком DevOps, который вы выберете для создания и развертывания приложений. Контейнеры в основном используются для создания приложений с архитектурой микросервисов.

В отличие от виртуальных машин, в контейнерах не размещается полная операционная система. Контейнеры упакованы только с необходимыми библиотеками и службами, необходимыми для запуска приложения.

Контейнеры используют ядро базовой операционной системы для доступа к аппаратным ресурсам через ядро и обеспечивают изоляцию между контейнерами через пространство имен и группы CGroups.

Подобно гипервизорам в виртуализации, для работы с контейнерами необходимо установить любое из решений по управлению контейнерами, например Docker, Podman и т. д.

Самым популярным решением для управления контейнерами является Docker, который можно использовать как для запуска тестовых приложений, так и для производственных рабочих нагрузок.

Итак, как устроен контейнер?

1. Вам необходимо установить операционную систему на физическое оборудование или это может быть виртуальная машина. Предпочтительным выбором будет операционная система Linux.
2. Установите решение для управления контейнерами поверх операционной системы. В данном случае предположим, что это докер, работающий поверх ОС Linux.
3. Создайте свой собственный контейнер или извлеките контейнер из репозитория.
4. Запустите контейнер.
5. Пункты №3 и №4 можно выполнить вручную или с помощью конвейеров DevOps CI/CD и инструментов автоматизации, таких как Ansible, сценарий оболочки или любых других инструментов автоматизации.

Настройка контейнерной платформы

Ниже приведен пример изображения, в котором я извлек последний образ Python из Docker Hub и запустил контейнер. Мне удалось настроить необходимую мне среду Python с помощью всего двух команд, и это было быстрее, чем установка Python непосредственно на моем основном компьютере.

Запустите контейнер Python с помощью Docker

До сих пор я давал вам очень упрощенное объяснение контейнеров и решений по управлению контейнерами. Теперь давайте углубимся в два технических аспекта контейнеризации.

Среды выполнения контейнеров

Среды выполнения контейнеров отвечают за развертывание ваших контейнеров, выделение необходимых ресурсов, настройку пространств имен, распаковку образа, управление им и т. д.

Существуют среды выполнения контейнеров высокого и низкого уровня. Среды выполнения низкого уровня взаимодействуют с ядром и обеспечивают распределение ресурсов и изоляцию процессов.

В 2015 году лидеры отрасли создали инициативу под названием Open Container Initiative (OCI), основной целью которой было создание стандартного формата для контейнеров и времени выполнения.

OCI разрабатывает среду выполнения под названием runc. Инструменты оркестрации контейнеров, которые вы сейчас видите на рынке, созданы на основе runc. Вот почему некоторые контейнерные решения являются кросс-совместимыми. Например, podman позволит вам легко запускать Docker-контейнеры.

• Среда выполнения низкоуровневого контейнера — Runc, Crun, runhcs,Containerd
• Среда выполнения контейнера высокого уровня – Docker, Podman, CRI-O

Пространство имен и группы C

Пространство имен и CGroups — это функции ядра, которые фактически сделали возможной реализацию контейнеризации.

Пространство имен

Пространство имен — это функция ядра, обеспечивающая изоляцию между различными процессами. Ядро Linux предлагает различные пространства имен. Например, существует пространство имен пользователя, имеющее собственный идентификатор пользователя и группы, которые будут выделены процессу.

Существует также еще одно пространство имен, называемое идентификатор процесса, которое присваивает PID процессу в пространстве имен. PID из двух разных пространств имен будет независимым друг от друга.

Этот набор функций позволяет контейнерам работать в собственном пространстве имен, что предотвращает конфликты между процессами контейнеров.

Cгруппы

CGroup, также известная как группа управления, — это функция ядра, которая позволяет вам ограничить количество ресурсов (ОЗУ, ЦП, ДИСКОВЫЙ ВВОД, СЕТЬ), к которым может получить доступ конкретный процесс.

Когда вы создаете контейнеры, низкоуровневая среда выполнения взаимодействует с Cgroups ядра и гарантирует, что контейнеру будет выделено только определенное количество ресурсов, а не больше.

Контейнеры в DevOps

Большинство подходов к разработке программного обеспечения сейчас сосредоточены на Agile и DevOps для постепенного и быстрого развертывания приложений.

DevOps — это набор инструментов, фреймворков и лучших практик, помогающих доставлять продукт поэтапно. Вы можете использовать любой набор инструментов для формирования стека DevOps для создания и развертывания приложения.

Микросервисы — еще один популярный подход к разработке программного обеспечения, при котором вы создаете независимые программные сервисы, а затем они взаимодействуют с другими сервисами по сети через API. Контейнеры — это центр реализации микросервисов, где вы развертываете сервис в контейнере.

Например, предположим, что вы создаете интерфейсное приложение и в настоящее время работаете над службами аутентификации для приложения. Службы аутентификации позволяют пользователю создавать учетные записи или входить в систему, используя существующие учетные записи для вашего продукта.

В этом случае вы можете развернуть службу аутентификации в Docker-контейнере, который затем взаимодействует с внутренней базой данных, которая также будет работать в другом контейнере.

Ниже будет описан процесс использования DevOps для развертывания приложения.

1. Спринт будет запланирован для создания или внесения изменений в приложение.
2. Создайте/измените код на своем локальном компьютере.
3. Отправьте изменения в центральный репозиторий Git (Github, Bitbucket, Gitlab и т. д.).
4. Запустите конвейер CI/CD, который включает в себя сборку приложения и создание необходимых артефактов (.jar, .wheel и т. д.).
5. Извлеките базовый образ контейнера из центрального реестра (Github).
6. Разверните сгенерированный артефакт (.jar, .wheel и т. д.) в контейнере, пересобрав его из базового образа.
7. Разверните контейнер в более низкой среде для тестирования.
8. Разверните контейнер в рабочей среде.

Что такое оркестровка контейнеров?

Контейнерные решения, такие как Docker, Podman и CRI-O, предлагают инструменты для извлечения образов, запуска одного или нескольких контейнеров, а также запуска и остановки контейнеров.

Это наиболее подходит для однопользовательского подхода. Когда дело доходит до реального мира, развертывание контейнеров имеет множество аспектов.

1. Наличие контейнера.
2. Масштабируемость — увеличение или уменьшение количества контейнеров.
3. Масштабируемость — увеличение или уменьшение ресурсов контейнера.
4. Балансировка нагрузки.
5. Избыточность.
6. Ведение журнала.

Мы не можем вручную удовлетворить вышеуказанные аспекты при работе с реальными приложениями. поэтому нам нужен инструмент, который может автоматически позаботиться о вышеупомянутых аспектах.

Инструменты оркестрации отвечают за взаимодействие с базовыми контейнерными решениями, такими как Docker, и управление жизненным циклом контейнера.

Некоторые из основных функций инструмента оркестрации:

• Отслеживайте состояние работающего контейнера.
• Запустите новый контейнер, когда контейнер станет недоступен.
• Увеличивайте или уменьшайте количество контейнеров в зависимости от входящей рабочей нагрузки.
• Выполнять роль балансировщика нагрузки и распределять трафик по разным контейнерам.
• Дополнительная безопасность.
• Автоматизированное развертывание и откат во время развертываний.
• Связь между различными контейнерами в сети.

Существует несколько популярных механизмов оркестрации контейнеров, например Docker Swarm, Kubernetes и Apache Mesos.

Среди этих трех Kubernetes — очень популярное и современное решение, используемое на предприятии для развертывания масштабируемых и доступных приложений.

Большинство облачных провайдеров предлагают Kubernetes в качестве решений PAAS, и они тесно интегрированы со своим собственным стеком DevOps для беспрепятственного прототипирования, разработки и развертывания приложений.

Контейнеры против виртуальных машин

Вот сравнение контейнеров и виртуальных машин:

Контейнеры против виртуальных машин

Имейте в виду, что выбор между контейнерами и виртуальными машинами зависит от конкретного варианта использования и требований вашего проекта.

Часто задаваемые вопросы: контейнеры и виртуальные машины

Вопрос: Что такое контейнеры и виртуальные машины?

О: Контейнеры — это легкие автономные исполняемые пакеты программного обеспечения, объединяющие приложения и их зависимости. Виртуальные машины (ВМ) — это программные эмуляции физических компьютеров, на которых работают операционные системы и приложения.

Вопрос: Чем контейнеры отличаются от виртуальных машин?

О: Контейнеры совместно используют ядро и ресурсы хостовой ОС, что приводит к снижению накладных расходов и повышению производительности. С другой стороны, виртуальные машины запускают отдельные экземпляры ОС и имеют более сильную изоляцию, что может привести к более высокому потреблению ресурсов и снижению производительности.

Вопрос: В чем основное преимущество контейнеров?

Ответ: Контейнеры обеспечивают отличную переносимость и согласованность в различных средах, что упрощает развертывание и масштабирование приложений. Они идеально подходят для микросервисной архитектуры и облачных приложений.

Вопрос: Когда следует использовать виртуальные машины?

О: Виртуальные машины подходят для сценариев, требующих более строгой изоляции, таких как устаревшие приложения, различные операционные системы, а также когда безопасность является главным приоритетом. Они обеспечивают более традиционный подход к виртуализации.

Вопрос: Что более эффективно использует ресурсы: контейнеры или виртуальные машины?

О: Контейнеры более эффективно используют ресурсы, поскольку они используют ядро и ресурсы хоста. Это обеспечивает более высокую плотность и лучшее использование оборудования по сравнению с виртуальными машинами, которым требуются отдельные экземпляры ОС.

Вопрос: Контейнеры или виртуальные машины более безопасны?

О: Виртуальные машины обеспечивают более высокий уровень безопасности за счет полной изоляции, гарантируя, что любые уязвимости будут локализованы внутри виртуальной машины. Контейнеры совместно используют ядро хоста, что может представлять потенциальные проблемы безопасности, если им не управлять должным образом.

Вопрос: Какие инструменты используются для управления контейнерами и виртуальными машинами?

Ответ: Контейнеры часто управляются с помощью инструментов оркестрации, таких как Kubernetes и Docker Swarm. Виртуальные машины управляются с помощью инструментов управления виртуализацией, таких как VMware, VirtualBox и Hyper-V.

Вопрос: Могут ли контейнеры и виртуальные машины работать вместе?

О: Да, контейнеры и виртуальные машины могут дополнять друг друга в определенных сценариях. Например, вы можете запускать контейнеры на виртуальных машинах для дополнительной изоляции или для запуска различных типов приложений в разных средах.

Вопрос: Какие платформы поддерживают контейнеры и виртуальные машины?

О: И контейнеры, и виртуальные машины поддерживаются на различных платформах, включая Windows, Linux и macOS. Docker, Podman, Kubernetes и Docker Swarm популярны благодаря контейнерам, а KVM, VMware, VirtualBox и Hyper-V хорошо известны благодаря виртуальным машинам.

Вопрос: Какая технология лучше подходит для масштабирования приложений?

Ответ: Контейнеры, как правило, лучше подходят для масштабирования приложений из-за их легкости, быстрого запуска и эффективного совместного использования ресурсов. Они предназначены для бесперебойной работы с платформами оркестрации контейнеров, такими как Kubernetes.

Моя рекомендация для новичков

Если вы новичок в мире программного обеспечения и хотите для начала выбрать подходящие инструменты виртуализации и контейнеризации, я предлагаю начать использовать VirtualBox для создания виртуальных машин и Docker для работы с контейнерами. . Эти инструменты доступны для операционных систем Windows, Linux и macOS.

Существует также популярный инструмент под названием Vagrant, который позволяет автоматически разворачивать виртуальные машины в virtualbox и других провайдерах.

Это устранит накладные расходы на установку ОС на виртуальную машину. Вместо этого все, что вам нужно сделать, это создать бродячий файл конфигурации и запустить одну команду для подготовки виртуальной машины.

Мы подошли к концу статьи, и теперь у вас должно быть четкое представление о виртуальных машинах и контейнерах.

Заключение

Подводя итог, можно сказать, что контейнеры — хороший выбор для приложений, которым необходимо быть легкими и переносимыми, а виртуальные машины — хороший выбор для приложений, которым необходимо быть изолированными и безопасными.

Выбор в конечном итоге зависит от ваших конкретных потребностей: контейнеры оптимизируют использование ресурсов, а виртуальные машины обеспечивают четкое разделение.

Эти две технологии можно изучить, чтобы еще больше расширить свои знания в предметной области и расширить возможности трудоустройства в области ИТ-инфраструктуры, облачных вычислений, разработки программного обеспечения, DevOps и развертывания современных приложений.

Осваивая контейнеры и виртуальные машины, люди могут позиционировать себя как ценные активы на различных должностях, связанных с системным администрированием, разработкой программного обеспечения, облачной архитектурой и многим другим.