Containers so với Virtual Machines

2.1 Máy ảo

Các khái niệm về ảo hóa xuất hiện từ những năm 1960, khi IBM phát triển các máy ảo cho mainframe của mình. Điều này giúp sử dụng hiệu quả tài nguyên máy tính và cô lập các công việc. Kể từ đó, ảo hóa đã phát triển và ngày nay trở thành một phần không thể thiếu của hạ tầng CNTT.

Máy ảo (VM) là một mô phỏng phần mềm của máy tính vật lý. Nó cho phép chạy các hệ điều hành và ứng dụng như thể chúng đang hoạt động trên một máy chủ vật lý riêng biệt. Các thành phần chính của VM là hypervisor, hệ điều hành khách và các ứng dụng.

Hypervisor — phần mềm quản lý các máy ảo và phân bổ tài nguyên giữa chúng. Có hai loại hypervisor:

• Loại 1 (bare-metal): Cài đặt trực tiếp lên phần cứng. Có hiệu suất cao và chi phí phụ thấp nhất. Ví dụ: VMware ESXi, Microsoft Hyper-V.
• Loại 2 (hosted): Hoạt động trên hệ điều hành chủ, điều này làm cho nó linh hoạt hơn nhưng kém hiệu quả hơn. Ví dụ: Oracle VirtualBox, VMware Workstation.

Hệ điều hành khách: mỗi máy ảo chứa một hệ điều hành đầy đủ chạy trên hypervisor. Điều này cho phép sử dụng các hệ điều hành khác nhau trên cùng một máy chủ vật lý.

Ứng dụng: các ứng dụng và các phụ thuộc của chúng được cài đặt bên trong hệ điều hành khách, đảm bảo sự tách biệt và độc lập.

Ưu điểm:

• Tách biệt: các máy ảo hoàn toàn tách biệt, vì mỗi VM có hệ điều hành và tài nguyên riêng. Điều này ngăn chặn ảnh hưởng của một ứng dụng lên ứng dụng khác.
• Tương thích: các máy ảo hỗ trợ bất kỳ hệ điều hành nào, bao gồm các phiên bản khác nhau của cùng một hệ điều hành, mang lại sự linh hoạt trong sử dụng.
• Bảo mật: mức độ tách biệt cao làm cho VM an toàn hơn — lỗ hổng của một VM không thể dễ dàng ảnh hưởng đến các VM khác.

Nhược điểm:

Tốn tài nguyên: mỗi VM yêu cầu tài nguyên đáng kể, vì nó chứa một hệ điều hành đầy đủ. Điều này làm tăng yêu cầu về RAM và dung lượng ổ đĩa.

Khởi động: các máy ảo khởi động và dừng chậm hơn do cần tải và tắt hệ điều hành.

Quản lý: quản trị nhiều VM có thể phức tạp và tốn thời gian, đặc biệt là trong các hạ tầng lớn.

2.2 Containers

Containerization như một khái niệm đã tồn tại nhiều thập kỷ, nhưng chỉ đạt sự phổ biến rộng rãi từ khi Docker xuất hiện vào năm 2013. Docker đã làm cho việc sử dụng containers trở nên đơn giản hơn và làm chúng dễ tiếp cận hơn cho hầu hết các lập trình viên và quản trị viên hệ thống.

Containers khác biệt với máy ảo bởi vì chúng sử dụng kernel của hệ điều hành host và cung cấp sự cô lập ở mức độ process. Chúng cho phép chạy ứng dụng và các dependencies của nó trong các môi trường cô lập mà không cần cài đặt một hệ điều hành riêng biệt.

• Hệ điều hành Host: containers sử dụng kernel của hệ điều hành host, điều này giúp tiết kiệm tài nguyên và giảm chi phí overhead.
• Containers: mỗi container chứa ứng dụng và tất cả các dependencies của nó, nhưng không bao gồm một hệ điều hành riêng biệt. Sự cô lập của containers được đảm bảo bởi các công nghệ namespaces và cgroups, giúp hạn chế truy cập tài nguyên và phân chia các processes.
• Namespaces: một cơ chế của kernel Linux tạo môi trường cô lập cho các processes, ẩn đi processes, hệ thống file, giao diện mạng và các tài nguyên khác của các containers khác.
• Cgroups: công nghệ quản lý tài nguyên cho phép kiểm soát việc sử dụng CPU, bộ nhớ, I/O disk và các tài nguyên khác bởi containers, ngăn chặn sử dụng quá mức.

Ưu điểm:

• Nhẹ: Containers sử dụng ít tài nguyên hơn vì không cần cài đặt một hệ điều hành riêng biệt. Trên một server vật lý có thể chạy nhiều containers hơn so với máy ảo.
• Khởi động nhanh: containers khởi động và dừng nhanh hơn đáng kể so với máy ảo vì không cần tải và tắt hệ điều hành.
• Khả năng di chuyển: containers dễ dàng di chuyển giữa các môi trường khác nhau vì chúng chứa tất cả dependencies cần thiết để ứng dụng hoạt động. Có thể tạo các images duy nhất hoạt động trên nhiều nền tảng mà không cần thay đổi.

Nhược điểm:

• Cô lập: Sự cô lập của containers ít nghiêm ngặt hơn so với máy ảo, bởi vì chúng sử dụng kernel chung của hệ điều hành host. Nếu ứng dụng trong container bị xâm phạm, điều này có thể tạo ra các điểm yếu tiềm tàng.
• Khả năng tương thích: Containers phải tương thích với hệ điều hành host, điều này có thể giới hạn việc sử dụng trong một số kịch bản.

2.3 So sánh Container và máy ảo

Tốn tài nguyên:

• Container: yêu cầu ít tài nguyên hơn và sử dụng bộ nhớ RAM cũng như CPU hiệu quả hơn. Trên một server vật lý, có thể chạy nhiều container hơn, làm cho chúng trở nên kinh tế hơn khi mở rộng quy mô.
• Máy ảo: tiêu thụ nhiều tài nguyên hơn bởi vì yêu cầu hệ điều hành hoàn chỉnh. Mỗi máy ảo chiếm một lượng lớn bộ nhớ RAM và dung lượng ổ đĩa, hạn chế số lượng máy ảo trên một server.

Tốc độ:

• Container: khởi động và dừng chỉ trong vài giây, làm cho chúng lý tưởng cho các nhiệm vụ đòi hỏi phản hồi nhanh và mở rộng nhanh chóng.
• Máy ảo: việc khởi động và dừng mất nhiều thời gian hơn vì cần tải hệ điều hành. Máy ảo có thể mất vài phút để khởi động, làm giới hạn việc sử dụng chúng trong môi trường động.

Cách ly:

• Container: cung cấp cách ly ở mức độ process. Mức độ cách ly thấp hơn so với máy ảo, nhưng đủ cho hầu hết các ứng dụng. Không phù hợp với các nhiệm vụ yêu cầu cách ly hoàn toàn và bảo mật tối đa.
• Máy ảo: cung cấp cách ly hoàn toàn ở mức độ hệ điều hành. Mức độ bảo mật cao làm cho chúng trở thành lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng và dữ liệu quan trọng.

Quản lý và mở rộng:

• Container: dễ quản lý và mở rộng nhờ vào tính nhẹ và khởi động nhanh. Các công cụ như Kubernetes giúp đơn giản hóa việc quản lý các cluster lớn của container.
• Máy ảo: quản lý và mở rộng phức tạp hơn do tiêu thụ tài nguyên cao. Việc quản trị số lượng lớn máy ảo đòi hỏi nhiều nỗ lực, đặc biệt trong môi trường động.

Lựa chọn giữa container và máy ảo phụ thuộc vào nhiệm vụ cụ thể. Container là tối ưu trong các trường hợp cần triển khai nhanh và mở rộng ứng dụng với chi phí tài nguyên thấp nhất. Tính di động và nhẹ của chúng làm chúng trở thành lựa chọn tuyệt vời cho kiến trúc microservices và điện toán đám mây.

Máy ảo cung cấp cách ly và tương thích tốt hơn, làm chúng trở thành lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng phức tạp và quan trọng đòi hỏi mức độ bảo mật và độc lập cao. Chúng không thể thiếu khi triển khai các ứng dụng nhiều tầng và cơ sở hạ tầng cần hệ điều hành đầy đủ cho mỗi workload.

Trong thực tế, nhiều tổ chức sử dụng cách tiếp cận kết hợp, kết hợp container và máy ảo để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa hiệu suất, tính linh hoạt và bảo mật.