Kontenery kontra maszyny wirtualne

2.1 Maszyny wirtualne

Koncepcja wirtualizacji pojawiła się już w latach 60. XX wieku, kiedy IBM opracował maszyny wirtualne dla swoich mainframe'ów. Pozwalało to na efektywne wykorzystanie zasobów komputerowych i izolację obciążeń roboczych. Od tego czasu wirtualizacja się rozwija i obecnie jest nieodłączną częścią infrastruktury IT.

Maszyna wirtualna (VM) to programowa emulacja fizycznego komputera. Umożliwia uruchamianie systemów operacyjnych i aplikacji tak, jakby działały na osobnym fizycznym serwerze. Główne komponenty VM to hypervisor, gościnny system operacyjny i aplikacje.

Hypervisor — to oprogramowanie do zarządzania maszynami wirtualnymi i rozdzielania zasobów między nimi. Istnieją dwa typy hypervisorów:

• Typ 1 (bare-metal): Instalowany bezpośrednio na sprzęcie. Charakteryzuje się wysoką wydajnością i minimalnymi narzutami. Przykłady: VMware ESXi, Microsoft Hyper-V.
• Typ 2 (hosted): Działa na systemie operacyjnym hosta, co czyni go bardziej elastycznym, ale mniej wydajnym. Przykłady: Oracle VirtualBox, VMware Workstation.

Gościnny OS: każda maszyna wirtualna zawiera kompletny system operacyjny działający na hypervisorze. Umożliwia to korzystanie z różnych systemów operacyjnych na jednym fizycznym serwerze.

Aplikacje: aplikacje i ich zależności są instalowane wewnątrz gościnnego OS, co zapewnia izolację i niezależność.

Zalety:

• Izolacja: maszyny wirtualne są całkowicie izolowane, ponieważ każda VM ma własny system operacyjny i zasoby. Zapobiega to wpływowi jednej aplikacji na drugą.
• Kompatybilność: maszyny wirtualne obsługują dowolne systemy operacyjne, w tym różne wersje tego samego OS, co zapewnia elastyczność użytkowania.
• Bezpieczeństwo: wysoki poziom izolacji sprawia, że VM są bardziej bezpieczne - podatności jednej VM nie wpływają łatwo na inne.

Wady:

Zasobożerność: każda VM wymaga dużych zasobów, ponieważ zawiera kompletny system operacyjny. Zwiększa to wymagania dotyczące pamięci operacyjnej i przestrzeni dyskowej.

Uruchamianie: maszyny wirtualne uruchamiają się i zatrzymują wolniej z powodu potrzeby załadowania lub wyłączenia systemu operacyjnego.

Zarządzanie: administrowanie wieloma VM może być skomplikowane i czasochłonne, szczególnie w dużych infrastrukturach.

2.2 Kontenery

Konteneryzacja jako koncepcja istnieje już od kilku dekad, ale zyskała dużą popularność wraz z rozwojem Docker, który pojawił się w 2013 roku. Docker uprościł użycie kontenerów i uczynił je dostępnymi dla większości programistów i administratorów systemów.

Kontenery różnią się od maszyn wirtualnych tym, że wykorzystują jądro host-systemu operacyjnego i zapewniają izolację na poziomie procesów. Można w nich uruchamiać aplikacje oraz ich zależności w izolowanych środowiskach bez instalowania oddzielnego systemu operacyjnego.

• Hostowy OS: kontenery korzystają z jądra systemu operacyjnego hosta, dzięki czemu oszczędzają zasoby i zmniejszają koszty ogólne.
• Kontenery: każdy kontener zawiera aplikację i wszystkie jej zależności, ale nie obejmuje oddzielnego systemu operacyjnego. Izolacja kontenerów jest osiągana za pomocą technologii namespaces i cgroups, które ograniczają dostęp do zasobów i separują procesy.
• Namespaces: mechanizm jądra Linux, który tworzy izolowane środowisko dla procesów, ukrywając przed nimi procesy, system plików, interfejsy sieciowe i inne zasoby innych kontenerów.
• Cgroups: technologia zarządzania zasobami, która pozwala kontrolować wykorzystanie procesora, pamięci, operacji wejścia-wyjścia na dysku i innych zasobów przez kontenery, zapobiegając nadmiernemu ich zużyciu.

Zalety:

• Lekkość: Kontenery zużywają mniej zasobów, ponieważ nie wymagają instalacji oddzielnego systemu operacyjnego. Na jednym fizycznym serwerze można uruchomić więcej kontenerów niż maszyn wirtualnych.
• Szybkie uruchamianie: kontenery uruchamiają się i zatrzymują znacznie szybciej niż maszyny wirtualne, ponieważ nie trzeba ładować i wyłączać systemu operacyjnego.
• Przenośność: kontenery łatwo przenosić między różnymi środowiskami, ponieważ zawierają wszystkie niezbędne dla aplikacji zależności. Można tworzyć jednolite obrazy, które będą działać na różnych platformach bez zmian.

Wady:

• Izolacja: izolacja kontenerów jest mniej rygorystyczna w porównaniu do maszyn wirtualnych, ponieważ korzystają z wspólnego jądra systemu operacyjnego hosta. Jeśli aplikacja w kontenerze zostanie skompromitowana, może to stworzyć potencjalne luki w zabezpieczeniach.
• Kompatybilność: kontenery muszą być kompatybilne z systemem operacyjnym hosta, co może ograniczać ich użycie w niektórych scenariuszach.

2.3 Porównanie kontenerów i maszyn wirtualnych

Zasobożerność:

• Kontenery: wymagają mniej zasobów i efektywniej wykorzystują pamięć operacyjną i procesor. Na jednym fizycznym serwerze można uruchomić więcej kontenerów, co czyni je bardziej opłacalnymi przy skalowaniu.
• Maszyny wirtualne: zużywają więcej zasobów, ponieważ wymagają pełnego systemu operacyjnego. Każda maszyna wirtualna zajmuje znaczną ilość pamięci operacyjnej i przestrzeni dyskowej, co ogranicza ich ilość na jednym serwerze.

Szybkość:

• Kontenery: uruchamiają się i zatrzymują w ciągu kilku sekund, co czyni je idealnymi do zadań wymagających szybkiej reakcji i skalowania.
• Maszyny wirtualne: uruchamianie i zatrzymywanie zajmuje więcej czasu, ponieważ wymaga załadowania systemu operacyjnego. Maszyny wirtualne mogą uruchamiać się kilka minut, co ogranicza ich zastosowanie w dynamicznych środowiskach.

Izolacja:

• Kontenery: zapewniają izolację na poziomie procesów. Stopień izolacji jest niższy niż w maszynach wirtualnych, ale wystarczający dla większości aplikacji. Nie nadają się do zadań wymagających pełnej izolacji i maksymalnego bezpieczeństwa.
• Maszyny wirtualne: zapewniają pełną izolację na poziomie systemów operacyjnych. Wysoki poziom ochrony sprawia, że są optymalnym wyborem dla krytycznych aplikacji i danych.

Zarządzanie i skalowalność:

• Kontenery: łatwe w zarządzaniu i skalowaniu dzięki swojej lekkości i szybkiemu uruchamianiu. Narzędzia do orkiestracji, takie jak Kubernetes, upraszczają zarządzanie dużymi klastrami kontenerów.
• Maszyny wirtualne: zarządzanie i skalowanie jest bardziej skomplikowane z powodu dużego zużycia zasobów. Administrowanie dużą liczbą maszyn wirtualnych wymaga znacznych nakładów pracy, szczególnie w dynamicznych środowiskach.

Wybór między kontenerami a maszynami wirtualnymi zależy od konkretnych zadań. Kontenery są optymalne tam, gdzie wymagane jest szybkie wdrożenie i skalowanie aplikacji przy minimalnych kosztach zasobów. Ich przenośność i lekkość czynią je doskonałym wyborem dla architektury mikroserwisowej i obliczeń w chmurze.

Maszyny wirtualne zapewniają lepszą izolację i zgodność, co sprawia, że są optymalnym rozwiązaniem dla skomplikowanych i krytycznych aplikacji wymagających wysokiego poziomu bezpieczeństwa i niezależności. Są niezastąpione przy wdrażaniu wielowarstwowych aplikacji i infrastruktur, w których konieczny jest pełny system operacyjny dla każdego obciążenia.

W praktyce wiele organizacji stosuje hybrydowe podejście, wykorzystując zarówno kontenery, jak i maszyny wirtualne, aby osiągnąć optymalną równowagę między wydajnością, elastycznością i bezpieczeństwem.