容器 vs 虛擬機

2.1 虛擬機

虛擬化的概念最早出現在 1960 年代，那時 IBM 為其大型主機開發了虛擬機。這讓電腦資源得到了高效利用，並且工作負載得到了隔離。從那時起，虛擬化技術不斷發展，如今已成為 IT 基礎設施不可缺的一部分。

虛擬機 (VM) 本質上是一種 對實體電腦的程式模擬。它允許像在單獨的實體伺服器上一樣執行操作系統和應用程式。VM 的主要組件包括 hypervisor、客戶端操作系統和應用程式。

Hypervisor 是一種軟體，用於管理虛擬機並在它們之間分配資源。Hypervisor 分為兩種類型：

• 型 1 (bare-metal): 直接安裝在硬體上。擁有高性能和最低的額外開銷。範例：VMware ESXi, Microsoft Hyper-V。
• 型 2 (hosted): 在主機操作系統之上運行，這讓它更加靈活，但性能稍遜。範例：Oracle VirtualBox, VMware Workstation。

客戶端操作系統：每個虛擬機包含完整的操作系統，運行在 hypervisor 之上。這允許在單個實體伺服器上使用不同的操作系統。

應用程式：應用程式及其依賴項安裝在客戶端操作系統之內，這確保了隔離性與獨立性。

優點：

• 隔離性：虛擬機完全隔離，因為每個 VM 都有自己的操作系統和資源。這可以防止一個應用影響另一個。
• 相容性：虛擬機支持任何操作系統，包括相同操作系統的不同版本，這提供了極大的靈活性。
• 安全性：高度隔離使得 VM 更加安全——一個 VM 的漏洞不容易影響其他 VM。

缺點：

資源消耗多：由於每個 VM 包含完整操作系統，它需要大量資源，增加了對記憶體和磁碟空間的需求。

啟動問題：虛擬機的啟動和關閉速度較慢，因為需要載入和關閉操作系統。

管理問題：管理多個 VM 可能會很複雜且耗時，特別是在大規模基礎設施中。

2.2 容器

容器化這個概念已經存在了幾十年，但是隨著2013年Docker的誕生而變得流行起來。Docker讓使用容器變得簡單，並且讓大多數開發者和系統管理員都能使用它。

容器與虛擬機的區別在於它使用的是宿主操作系統的核心，並且在進程層面上提供隔離。你可以在其中運行應用程序及其依賴項，而無需安裝單獨的操作系統。

• 宿主OS：容器使用宿主操作系統的核心，因此節省了資源並降低了開銷。
• 容器：每個容器包含應用程序及其所有依賴項，但不包括單獨的操作系統。容器的隔離是通過namespaces和cgroups技術實現的，它們限制了對資源的訪問並分隔了進程。
• Namespaces：Linux內核的機制，為進程創建隔離的環境，隱藏其他容器的進程、文件系統、網絡接口和其他資源。
• Cgroups：資源管理技術，可控制容器對CPU、內存、磁碟IO等資源的使用，防止過度消耗。

優勢：

• 輕量級：容器使用的資源更少，因為無需安裝單獨的操作系統。在一台物理服務器上可以運行更多的容器，而不是虛擬機。
• 啟動速度快：容器的啟動和停止速度比虛擬機快得多，因為無需加載和關閉操作系統。
• 可攜性：容器可以輕鬆地在不同的環境之間移動，因為它們包含了所有應用程序運行所需的依賴項。可以創建統一的映像，無需更改就能夠在不同的平台上運行。

缺點：

• 隔離性：與虛擬機相比，容器的隔離性不夠嚴格，因為它們使用的是宿主操作系統的共享核心。如果容器內的應用程序被破壞，可能會產生潛在的漏洞。
• 相容性：容器必須與宿主操作系統兼容，這可能限制某些場景中的使用。

2.3 容器和虛擬機的比較

資源需求：

• 容器：需要較少的資源，能更有效利用記憶體和處理器。在一台實體伺服器上可以運行更多的容器，這在擴展時更具經濟效益。
• 虛擬機：消耗更多的資源，因為它們需要完整的操作系統。每台虛擬機會佔用大量的記憶體和磁碟空間，這限制了它們在一台伺服器上的數量。

速度：

• 容器：啟動和停止只需幾秒鐘，非常適合需要快速反應和擴展的任務。
• 虛擬機：啟動和停止需要更多時間，因為需要加載操作系統。虛擬機可能需要幾分鐘的時間啟動，這在動態環境中限制了它們的使用。

隔離：

• 容器：在進程級別提供隔離。隔離程度低於虛擬機，但對大多數應用程式來說已經足夠。不適合需要完全隔離和最高安全性的任務。
• 虛擬機：在操作系統級別提供完全隔離。高水準的保護使其成為需要高安全性和關鍵應用的最佳選擇。

管理和擴展性：

• 容器：由於重量輕且啟動快速，管理和擴展非常簡單。像 Kubernetes 這樣的編排工具簡化了大規模容器集群的管理。
• 虛擬機：由於資源消耗高，管理和擴展更為複雜。管理大量虛擬機在動態環境中特別需要更大的投入。

在容器和虛擬機之間的選擇取決於具體的需求。當需要快速部署和擴展應用程式且資源成本最小化時，容器是最佳選擇。它的便攜性和輕量特性使其成為微服務架構和雲端運算的理想選擇。

虛擬機則提供更好的隔離和相容性，是需要高安全性和獨立性的複雜和關鍵應用的最佳選擇。當需要為每個工作負載提供完整的操作系統時，它們在多層應用和基礎設施部署中無可替代。

實際上，許多公司採取混合方式，使用容器和虛擬機來達到在性能、靈活性和安全性之間的最佳平衡。