Контейнери проти віртуальних машин

2.1 Віртуальні машини

Концепції віртуалізації з'явилися ще в 1960-х роках, коли IBM розробила віртуальні машини для своїх мейнфреймів. Це дозволило ефективно використовувати ресурси комп'ютерів та ізолювати робочі навантаження. Відтоді віртуалізація розвивалася і сьогодні є невід'ємною частиною ІТ-інфраструктури.

Віртуальна машина (ВМ) являє собою програмну емуляцію фізичного комп'ютера. Вона дозволяє запускати операційні системи та додатки так, ніби вони працюють на окремому фізичному сервері. Основні компоненти ВМ — це гіпервізор, гостьова операційна система та додатки.

Гіпервізор — програмне забезпечення для керування віртуальними машинами та розподілу ресурсів між ними. Існує два типи гіпервізорів:

• Тип 1 (bare-metal): Встановлюється безпосередньо на апаратне забезпечення. Відрізняється високою продуктивністю та мінімальними накладними витратами. Приклади: VMware ESXi, Microsoft Hyper-V.
• Тип 2 (hosted): Працює поверх хостової операційної системи, що робить його більш гнучким, але менш продуктивним. Приклади: Oracle VirtualBox, VMware Workstation.

Гостьова ОС: кожна віртуальна машина містить повну операційну систему, яка працює поверх гіпервізора. Це дозволяє використовувати різні операційні системи на одному фізичному сервері.

Додатки: додатки та їх залежності встановлюються всередині гостьової ОС, що забезпечує ізоляцію та незалежність.

Переваги:

• Ізоляція: віртуальні машини повністю ізольовані, тому що кожна ВМ має свою операційну систему та ресурси. Це запобігає впливу одного додатка на інший.
• Сумісність: віртуальні машини підтримують будь-які операційні системи, включаючи різні версії однієї ОС, що забезпечує гнучкість використання.
• Безпека: високий рівень ізоляції робить ВМ більш безпечними — вразливості однієї ВМ не можуть легко вплинути на інші.

Недоліки:

Ресурсоємність: кожна ВМ потребує значних ресурсів, оскільки містить повну операційну систему. Це збільшує вимоги до оперативної пам'яті та дискового простору.

Запуск: віртуальні машини повільніше запускаються та зупиняються через необхідність завантаження та вимкнення операційної системи.

Керування: адміністрування багатьох ВМ може бути складним і трудомістким, особливо у великих інфраструктурах.

2.2 Контейнери

Контейнеризація як концепція існує вже кілька десятиліть, але набула широкої популярності з ростом використання Docker, який з’явився у 2013 році. Docker спростив використання контейнерів і зробив їх доступними для більшості розробників і системних адміністраторів.

Контейнери відрізняються від віртуальних машин тим, що використовують ядро хостової операційної системи та забезпечують ізоляцію на рівні процесів. В них можна запускати додатки та їх залежності в ізольованих середовищах, не встановлюючи окрему операційну систему.

• Хостова ОС: контейнери використовують ядро хостової операційної системи, завдяки чому економлять ресурси та знижують накладні витрати.
• Контейнери: кожен контейнер містить додаток і всі його залежності, але не включає окрему операційну систему. Ізоляція контейнерів забезпечується технологіями namespaces і cgroups, які обмежують доступ до ресурсів і розділяють процеси.
• Namespaces: механізм ядра Linux, який створює ізольоване середовище для процесів, приховуючи від них процеси, файлову систему, мережеві інтерфейси та інші ресурси інших контейнерів.
• Cgroups: технологія управління ресурсами, яка дозволяє контролювати використання процесора, пам'яті, дискового вводу-виводу та інших ресурсів контейнерами, запобігаючи їх надмірному споживанню.

Переваги:

• Легковажність: Контейнери використовують менше ресурсів, оскільки не потребують встановлення окремої операційної системи. На одному фізичному сервері можна запустити більше контейнерів, ніж віртуальних машин.
• Швидкий запуск: контейнери запускаються і зупиняються значно швидше, ніж віртуальні машини, оскільки не потрібно завантажувати та вимикати операційну систему.
• Портативність: контейнери легко переносити між різними середовищами, оскільки вони містять всі необхідні для роботи додатку залежності. Можна створювати єдині образи, які будуть працювати на різних платформах без змін.

Недоліки:

• Ізоляція: ізоляція контейнерів менш сувора в порівнянні з віртуальними машинами, оскільки вони використовують спільне ядро хостової операційної системи. Якщо додаток у контейнері буде скомпрометовано, це може створити потенційні вразливості.
• Сумісність: контейнери повинні бути сумісними з хостовою операційною системою, що може обмежувати їх використання у деяких сценаріях.

2.3 Порівняння контейнерів і віртуальних машин

Ресурсоємність:

• Контейнери: потребують менше ресурсів і ефективніше використовують оперативну пам'ять і процесор. На одному фізичному сервері можна запустити більше контейнерів, що робить їх економічно вигідними при масштабуванні.
• Віртуальні машини: споживають більше ресурсів, оскільки вимагають повноцінну операційну систему. Кожна віртуальна машина займає значний об'єм оперативної пам'яті і дискового простору, що обмежує їх кількість на одному сервері.

Швидкість:

• Контейнери: запускаються і зупиняються за лічені секунди, що робить їх ідеальними для задач, які потребують швидкої реакції і масштабування.
• Віртуальні машини: запуск і зупинка займають більше часу, оскільки потрібне завантаження операційної системи. Віртуальні машини можуть завантажуватися кілька хвилин, що обмежує їх використання в динамічних середовищах.

Ізоляція:

• Контейнери: забезпечують ізоляцію на рівні процесів. Рівень ізоляції нижчий, ніж у віртуальних машин, але достатній для більшості застосунків. Не підходять для задач, які потребують повної ізоляції і максимальної безпеки.
• Віртуальні машини: забезпечують повну ізоляцію на рівні операційних систем. Високий рівень захисту робить їх оптимальним вибором для критично важливих застосунків і даних.

Управління і масштабованість:

• Контейнери: прості в управлінні і масштабуванні завдяки своїй легковажності і швидкому запуску. Інструменти оркестрації, наприклад Kubernetes, спрощують управління великими кластерами контейнерів.
• Віртуальні машини: управління і масштабування складніше через високий рівень споживання ресурсів. Адміністрування великої кількості віртуальних машин потребує значних зусиль, особливо у динамічних середовищах.

Вибір між контейнерами і віртуальними машинами залежить від конкретних задач. Контейнери оптимальні там, де потрібне швидке розгортання і масштабування застосунків при мінімальних витратах ресурсів. Їх портативність і легковажність роблять їх чудовим вибором для мікросервісної архітектури і хмарних обчислень.

Віртуальні машини забезпечують кращу ізоляцію і сумісність, що робить їх оптимальними для складних і критично важливих застосунків, які потребують високого рівня безпеки і незалежності. Вони незамінні при розгортанні багатошарових застосунків і інфраструктур, де потрібна повна операційна система для кожного робочого навантаження.

На практиці багато організацій використовують гібридний підхід, застосовуючи контейнери і віртуальні машини для досягнення оптимального балансу між продуктивністю, гнучкістю і безпекою.