Виртуализация и контейнеризация: 7 главных различий, которые влияют на выбор технологии

Контейнеризация и виртуализация позволяют оптимизировать IT-инфраструктуру, надежно защитить приложения, ускорить их развитие, а заодно сократить расходы на оборудование. В этой статье мы расскажем, чем отличается контейнеризация от виртуализации и как применяются эти технологии.

Что такое контейнеризация: обзор технологии

Контейнеризация — это метод IT-разработки, в ходе которого программный код (а также его зависимости и библиотеки) упаковывают в изолированные модули (контейнеры). Благодаря защитной изоляции контейнера его содержимое можно развернуть в любой среде и успешно с ним работать.

Программный код часто зависит от той вычислительной среды, в которой он создавался. Когда код переносят в другую среду (например, на новый сервер), могут появиться проблемы с его работой и настройками. Чтобы код правильно читался и работал на всех серверах и в любых средах, применяется контейнеризация.

В 2015 году в рамках проекта OCI (Open Container Initiative) были разработаны стандарты контейнеризации. Благодаря этому методу разработчик ПО сосредотачивает свое внимание на программном коде, а не на настройках среды.

Что такое виртуализация: обзор технологии

Виртуализация — это технология, с помощью которой удается разрабатывать программные версии физических IT-ресурсов: сетей, серверов, операционных систем, хранилищ данных и др. Разработчик отделяет программное обеспечение от физического оборудования. Благодаря этому он запускает несколько виртуальных машин на одном компьютере, а значит, выполняет несколько различных процессов на одном устройстве.

Главные аспекты и понятия виртуализации:

• Виртуальная машина (ВМ) — это изолированный контейнер, обладающий своей собственной операционной системой и работающий на ПК как отдельный компьютер. Такая виртуальная среда имитирует физические процессы и вычисления.
• Гипервизор — программное обеспечение, которое разделяет ОС и оборудование, а затем изолирует их друг от друга. Оно создает виртуальные машины и управляет их работой, распределяет между ними ресурсы памяти и процессора.

Виртуализация бывает:

• Программная. Гипервизор устанавливается на хост‑систему и служит посредником между основной и гостевой ОС: последняя отправляет ему запросы, а он передает их хост‑системе. Подходит для любого устройства, но создает дополнительную нагрузку и снижает производительность ПК.
• Аппаратная. Гипервизор загружается как основная ОС и напрямую взаимодействует с «железом» компьютера, управляя его физическими ресурсами. Требует специального оборудования (мощного процессора и усовершенствованной материнской платы), но не снижает производительность ПК.

Основные отличия между контейнеризацией и виртуализацией

Виртуализация и контейнеризация — не одно и то же. У этих технологий есть особенности и различия, их мы и рассмотрим ниже.

Архитектура и уровень изоляции

Различия в архитектуре:

• Контейнеризация. Контейнер функционирует на ядре хостовой операционной системы, поверх нее. Он изолирует только отдельные компоненты ОС, например, сеть или файлы.
• Виртуализация. На компьютер загружается гипервизор — он создает гостевую ОС, которая действует в качестве главной операционной системы.

Различия в уровне изоляции:

• Виртуальные машины полностью изолированы друг от друга. Изоляция выполнена на уровне ядра ОС.
• Контейнеры изолированы друг от друга на уровне операционной системы (не полностью).

Потребление ресурсов и производительность

Виртуализация тратит много ресурсов процессора, жесткого диска и оперативной памяти. Особенно затратной оказывается гостевая ОС: на нее уходят гигабайты памяти. При контейнеризации ресурсы расходуются эффективно и экономично: только на приложение и его библиотеки, на них нужны лишь мегабайты памяти.

Гостевая ОС при виртуализации снижает производительность ПК примерно на 10–15%. Контейнеризация не влияет на производительность устройства. Виртуализация — более затратный метод.

Скорость запуска и развертывания

Запустить контейнер и развернуть его содержимое удается за 0,1–1 секунду. Ядро виртуальной машины может запускаться довольно долго — в течение 10–60 секунд.

Чтобы развернуть контейнер, требуются удобные легковесные инструменты (Docker Compose или Kubernetes). Для развертывания виртуальной машины нужно настроить ОС специальным образом.

Очевидно, что контейнеризация протекает быстрее.

Портативность и зависимости

Контейнеризация и виртуализация нужны, чтобы перенести приложение с одного компьютера на другой без потерь. Для этого приложение должно сохранить не только базовые настройки, но и все зависимости. Тогда оно будет считаться портативным.

• Виртуальная машина — низкая или средняя портативность. Образ каждой ВМ зависит от конкретного гипервизора.
• Контейнер — максимально высокая портативность. Его образ работает в любой среде.

Виртуализация позволяет сохранить все зависимости, в контейнеризация — лишь самые важные. Но зато контейнеры гораздо более портативны, чем виртуальные машины.

Безопасность

Уровень безопасности зависит от качества изоляции компонентов. Виртуальные машины полностью защищены друг от друга, а контейнеры — лишь частично. Функционал ВМ зависит от физического сервера, а функционал контейнера — от ядра хостовой системы.

Контейнеры станут уязвимы, если окажется скомпрометировано ядро хостовой системы. Виртуальные машины перестанут работать только в случае, если сломается физический сервер, где они расположены.

Виртуализация отличается от контейнеризации более высоким уровнем безопасности.

Масштабируемость и управление

Хорошее приложение должно эффективно справляться с большими объемами работы, даже если они постоянно увеличиваются. Это свойство называется масштабируемостью, и от него зависит производительность готовой программы.

Разница в масштабируемости:

• Контейнеры — загружать ОС не нужно, поэтому горизонтальное масштабирование выполняется за несколько секунд.
• Виртуальные машины — нужно запускать ОС отдельно для каждой ВМ. На это уходит около 1 минуты.

Для управления виртуальными машинами и контейнерами используются разные средства:

• ВМ — гипервизоры KVM, Hyper-V или VMware. Для каждой машины нужно отдельно обновлять ОС, что занимает много времени.
• Контейнеры — платформы Docker или Kubernetes, а также инструменты CI/CD.

Управлять виртуальными машинами немного сложнее, чем контейнерами.

Виртуальные машины и контейнеры: что общего

Между виртуализацией и контейнеризацией гораздо больше сходств, чем отличий. Эти технологии часто используются одновременно.

Общие признаки:

Изоляция компонентов ПО — приложения удается изолировать не только друг от друга, но и от общей хостовой ОС.

Создание образов и упаковка — приложение упаковывают вместе со всеми настройками, библиотеками, копиями, зависимостями.

Портативность — приложение легко переносится в другую виртуальную среду. Это очень удобно во время разработки.

Оптимизация расходования ресурсов, экономия, эффективность.

Автоматическое управление развертыванием и конфигурациями.

Обе технологии позволяют изолировать приложения и абстрагировать инфраструктуру ОС, а заодно экономить ресурсы. Благодаря этим методам удается перенести приложение из одной среды в другую и избежать сбоев в его работе. Приложение будет хорошо работать в любой среде.

Что безопаснее: контейнер или виртуальная машина

Изоляция компонентов ПО на аппаратном уровне влияет на степень безопасности. Виртуальные машины изолированы гораздо надежнее, чем контейнеры. У каждой ВМ своя ОС. Если одна из них будет скомпрометирована, другие не пострадают.

Контейнеры изолированы лишь на уровне ядра ОС. Если оно окажется скомпрометированным, пострадают все контейнеры в системе. Виртуальные машины защищены гораздо лучше, чем контейнеры.

Когда использовать виртуализацию

Виртуализация необходима для создания динамичных программ и приложений:

• Облачные технологии, в том числе IaaS и SaaS.
• Консолидация серверов, позволяющая сократить расходы на оборудование и экономить электроэнергию.
• Обеспечение удаленного доступа к офисному компьютеру, управление рабочими местами сотрудников.
• DevOps (разработка и тестирование программ) — создают несколько отдельных виртуальных сред для написания кода, отладки и тестирования.
• Управление хранилищами данных и сетями. Создание VLAN (виртуальных сетей) поверх локальной сети. Разделение устройств на группы по их функционалу. Объединение SAN/NAS (дисковых массивов).
• Безопасность — можно создать «песочницу» (отдельную виртуальную среду, sandbox) и запустить в ней подозрительный файл или программу. Это защитит основную ОС и компьютер.

Когда использовать контейнеризацию

Метод упаковки кода в контейнеры применяется во всех случаях, когда нужно изолировать приложение на уровне ядра ОС. Такая технология используется при разработке легких портативных приложений, а также в других сферах:

• Все этапы разработки ПО. Создание одинаковых сред на ПК разработчика и в продакт-версии программы. ПО будет работать на любом устройстве.
• Legacy Modernization. Перенос старых приложений на новую инфраструктуру. Это позволяет обновлять устаревшее ПО, не переписывая код.
• Разработка архитектуры микросервисов. Приложение делят на маленькие модули, независимые друг от друга. Каждый из них работает в отдельном контейнере.
• Построение модульных баз данных. Громоздкую и монолитную базу данных удается разделить на модули и масштабировать по отдельности.
• CI/CD и DevOps. Сборка, проверка, масштабирование и развертывание приложений выполняются автоматически.
• Облачные технологии. Приложения легко запускаются и масштабируются в облаке.
• Технологии машинного обучения и искусственного интеллекта. Контейнеры позволяют быстро развертывать модели машинного обучения и исследования, с ними связанные.

Если нужно перенести тяжелое приложение, зависящее от ОС, нужно использовать не контейнеры, а виртуальную машину.

Гибридный подход

Многие разработчики используют комбинированные технологии, в которых объединены преимущества контейнеризации и виртуализации.

Что сочетается:

• Архитектура — создают несколько отдельных ОС под управлением гипервизора, а затем разделяют ядро каждой ОС. Удается запустить только приложение вместе со всеми зависимостями.
• Функционал — контейнеры можно быстро создать и масштабировать, а затем изолировать и защитить их с помощью виртуальных машин.
• Оркестровка — с помощью Kubernetes можно распределять контейнеры по нескольким виртуальным машинам и успешно управлять всей системой.

Как применяют гибридный подход (примеры):

• Миграция — старые приложения упаковывают в контейнеры, создаваемые внутри виртуальной машины.
• DevOps — создают много контейнеров, работающих автономно от хост-системы.
• Безопасность — секретные данные хранятся в контейнерах, расположенных в защищенных виртуальных машинах.

Гибридный подход предотвращает конкуренцию между виртуализацией и контейнеризацией, сочетая в себе их преимущества.

Типичные ошибки при выборе оборудования

Во время работы над приложением важно выбрать подходящую технологию. Для этого нужно понимать, чем они различаются и сколько ресурсов требуют. Следует обратить особое внимание на степень изоляции компонентов. Рассмотрим распространенные ошибки выбора метода и оборудования:

Применение контейнеров для монолитных приложений. Контейнеры подходят только для легких микросервисов одной общей ОС. Для монолитов и тяжелых устаревших приложений требуются виртуальные машины.

Использование виртуальных машин для микросервисов. Это неэффективно и создает чрезмерную нагрузку на оборудование. Микросервисы лучше упаковывать в контейнеры.

Ошибка с видом оперативной системы. Виртуальные машины поддерживают любые ОС, а контейнеры — только хостовую ОС.

Неправильная оценка сложности управления. Виртуальными машинами легко управлять, а для контейнеров требуется высокая квалификация DevOps.

Недооценка проблем с безопасностью. Виртуальные машины безопаснее, чем контейнеры.

Контейнеризация и виртуализация взаимно дополняют друг друга. Эти технологии можно успешно сочетать, применяя комбинированные методы. С помощью ВМ и контейнеров стало проще обновлять старые программы, разрабатывать и тестировать ПО и обеспечивать защиту информации.