Kontenery a maszyny wirtualne: wyjaśnianie różnic [2023]

Stawiasz pierwsze kroki w świecie wizualizacji danych? A może pragniesz dołączyć do dyskusji na temat kontenerów i maszyn wirtualnych w kontekście nowoczesnych technologii?

Wirtualizacja to proces, w którym pojedyncze zasoby, takie jak pamięć operacyjna, moc obliczeniowa procesora, sieć i przestrzeń dyskowa, są przekształcane w zasoby „wirtualne”, które mogą być wykorzystywane w różnorodny sposób. Kluczową różnicą jest to, że kontenery wirtualizują jedynie warstwy oprogramowania znajdujące się ponad poziomem systemu operacyjnego, podczas gdy maszyny wirtualne są zdolne do wirtualizacji całej maszyny, aż do poziomu warstwy sprzętowej.

Pomimo wyraźnych różnic, kontenery i maszyny wirtualne posiadają szereg cech wspólnych, w tym ich wpływ na poprawę efektywności IT, mobilność aplikacji, usprawnienie procesów DevOps i cyklu życia oprogramowania (SDLC). Więcej szczegółów na ten temat zostanie omówionych w dalszej części artykułu.

Ten artykuł ma na celu przybliżenie koncepcji kontenerów i maszyn wirtualnych, omówienie korzyści wynikających z ich zastosowania oraz wskazanie, jak dokonać właściwego wyboru narzędzia, które najlepiej odpowiada potrzebom konkretnego projektu. Zakłada się, że czytelnik posiada podstawową wiedzę na temat kontenerów i maszyn wirtualnych. Jeśli jednak nie jest to prawdą, ten artykuł stanowi doskonały punkt wyjścia.

Historia wirtualizacji

Przed upowszechnieniem się kontenerów, maszyny wirtualne stanowiły jedyną dostępną opcję izolacji środowisk w ramach infrastruktury fizycznej. Dopiero w roku 2013 firma Docker zaprezentowała swoje innowacyjne oprogramowanie do konteneryzacji.

Od tego czasu dało się zaobserwować ogromny wzrost zainteresowania technologią kontenerów oraz jej wpływem na kształtowanie obliczeń w chmurze.

Wielu programistów zwróciło większą uwagę na zalety, jakie niosą ze sobą kontenery w kontekście zwinnego tworzenia oprogramowania. Warto jednak zaznaczyć, że zarówno kontenery, jak i maszyny wirtualne, zostały opracowane w celu optymalizacji wykorzystania zasobów istniejącej infrastruktury fizycznej.

Jak działa wirtualizacja

Wirtualizacja opiera się na wykorzystaniu oprogramowania do utworzenia warstwy abstrakcji na sprzęcie komputerowym, co umożliwia podział zasobów, szczególnie tych pochodzących z jednego komputera, na wiele mniejszych jednostek. Oprogramowanie, które umożliwia to działanie, nazywane jest hiperwizorem.

Hiperwizor pozwala na jednoczesne uruchamianie różnych systemów operacyjnych przy jednoczesnym współdzieleniu tych samych zasobów obliczeniowych. W przypadku stosowania na komputerach fizycznych lub serwerach w centrach danych, technologia ta umożliwia odseparowanie systemów operacyjnych i aplikacji od warstwy sprzętowej. W rezultacie, zasoby mogą być następnie podzielone na wiele „maszyn wirtualnych”.

Czym jest kontener?

źródło: docker.com

Kontenery stanowią lekką i elastyczną metodę wirtualizacji. Nie wymagają one hiperwizorów, co przyspiesza dostęp do zasobów oraz umożliwia szybkie wdrażanie nowych aplikacji.

Kontenery można również postrzegać jako pakiety oprogramowania, które zawierają wszystkie zależności niezbędne do uruchomienia danej aplikacji.

Zależności te obejmują biblioteki systemowe, zewnętrzne pakiety kodu oraz wszelkie inne elementy potrzebne do funkcjonowania aplikacji na poziomie systemu operacyjnego. Wszystkie te zależności są składowane w kontenerze na warstwach wyższych niż system operacyjny.

Zalety 👍

Szybkość iteracji – Kontenery są bardzo lekkie i zawierają jedynie oprogramowanie wyższego poziomu, co ułatwia ich dostosowywanie i umożliwia szybkie iteracje. Dodatkowo, kontenery przyspieszają proces dostarczania oprogramowania poprzez wdrożenie podejścia opartego na testach oraz szybkie wdrażanie.

Bogaty ekosystem – W większości przypadków środowiska uruchomieniowe kontenerów oferują dostęp do publicznych repozytoriów zawierających gotowe kontenery. Repozytoria te udostępniają liczne popularne aplikacje, takie jak bazy danych i systemy komunikacji, które można szybko pobrać i wdrożyć, co znacząco oszczędza czas zespołów programistycznych.

Skalowalność – Kontenery są preferowane ze względu na ich zdolność do obsługi dużych obciążeń i dużego ruchu. Specjaliści IT mogą z łatwością zarządzać infrastrukturą chmurową za pomocą kontenerów, zapewniając jej elastyczne i oszczędne wykorzystanie zasobów.

Mikrousługi – Kontenery stanowią idealne rozwiązanie dla wdrażania wielu mikrousług, czyli mniejszych komponentów, które składają się na większą aplikację. Pakowanie każdej mikrousługi w oddzielny kontener umożliwia bezproblemowe wdrażanie, skalowanie i zarządzanie.

Wady 👎

Wykorzystanie współdzielonego hosta – Ponieważ kontenery dzielą wspólny system sprzętowy znajdujący się pod warstwą systemu operacyjnego, istnieje ryzyko, że awaria jednego kontenera może negatywnie wpłynąć na cały sprzęt. Ponadto, powszechna dostępność publicznych repozytoriów kontenerów niesie ze sobą ryzyko związane z bezpieczeństwem. Zagrożenie to staje się realne w przypadku, gdy naruszony lub wykorzystany obraz publiczny stanowi lukę w zabezpieczeniach i naraża system na cyberataki.

Obsługa tylko jednego systemu operacyjnego – Kontenery umożliwiają uruchamianie starszych wersji oprogramowania, co jest korzystne, gdy korzysta się z jednego systemu operacyjnego. Nie są one jednak najlepszym wyborem, jeśli konieczna jest obsługa różnych systemów operacyjnych.

Popularni dostawcy kontenerów

Poniżej przedstawiono listę znanych dostawców kontenerów:

Docker – Docker jest najpopularniejszym na świecie rozwiązaniem do konteneryzacji. Docker Hub to duże repozytorium popularnych aplikacji w kontenerach. Kontenery można pobrać z Docker Hub i wdrożyć we własnym środowisku uruchomieniowym Docker.

Linux Containers (LXC) – Projekt Linux Containers stoi za open-source’owym środowiskiem uruchomieniowym kontenerów dla systemu Linux. LXC izoluje procesy systemu operacyjnego od siebie. Dogłębna analiza Dockera ujawnia, że w swojej architekturze wykorzystuje on LXC.

Czym jest maszyna wirtualna?

źródło: docker.com

Maszyny wirtualne (VM) są dużymi pakietami oprogramowania, które symulują cały sprzęt, taki jak procesor, dysk i urządzenia sieciowe.

Maszyny wirtualne umożliwiają jednoczesne uruchamianie wielu systemów operacyjnych na jednym komputerze. Jak wspomniano wcześniej, hiperwizory umożliwiają maszynom wirtualnym interakcję z komputerem fizycznym. Hiperwizory izolują maszyny wirtualne od siebie i przydzielają im zasoby, takie jak pamięć i procesory.

Zalety 👍

Pełna izolacja bezpieczeństwa – Maszyny wirtualne działają jako całkowicie autonomiczne systemy, odporne na luki w zabezpieczeniach i zakłócenia pochodzące z innych maszyn wirtualnych. Atak na jedną maszynę wirtualną jest izolowany, co uniemożliwia rozprzestrzenianie się infekcji na sąsiednie maszyny.

Programowanie interaktywne – Kontenery często reprezentują statyczne definicje oczekiwanych zależności i konfiguracji potrzebnych do ich uruchomienia. Maszyny wirtualne charakteryzują się dynamiką, co umożliwia interaktywny rozwój. Po ustaleniu potrzeb sprzętowych, maszynę wirtualną można traktować jako komputer bez gotowego oprogramowania. Użytkownik ma możliwość ręcznej instalacji oprogramowania i utrwalenia konfiguracji bieżącego stanu. Migawki maszyny wirtualnej mogą pełnić funkcję kontroli wersji i w razie potrzeby umożliwiają przywrócenie maszyny wirtualnej do określonego punktu w czasie lub tworzenie nowych maszyn z pożądaną konfiguracją.

Wady 👎

Szybkość iteracji – Maszyny wirtualne to oprogramowanie o pełnym stosie, którego budowa wymaga czasu. Wprowadzanie zmian w migawce maszyny wirtualnej może być czasochłonne, szczególnie w kontekście testowania, czy wprowadzone aktualizacje działają zgodnie z oczekiwaniami.

Koszt przestrzeni dyskowej – Ze względu na to, że maszyny wirtualne są oprogramowaniem o pełnym stosie, ich rozmiar jest znaczny i szybko rośnie do gigabajtów, co skutkuje zmniejszeniem ilości dostępnej przestrzeni dyskowej na maszynie hostującej maszyny wirtualne.

Popularni dostawcy maszyn wirtualnych

Oto lista kilku popularnych dostawców maszyn wirtualnych:

Virtualbox – Virtualbox jest powszechnie uznawaną platformą maszyn wirtualnych. Ekosystem Virtualbox oferuje dodatkowe narzędzia do tworzenia i dystrybucji obrazów maszyn wirtualnych. Jest to darmowy system emulacji architektury o otwartym kodzie źródłowym, należący do Oracle.

VMware – VMware bazuje na architekturze x86 i jest spółką notowaną na giełdzie. To rozwiązanie zawiera hiperwizor do wdrażania i zarządzania maszynami wirtualnymi. Jest doceniane za intuicyjny interfejs użytkownika, solidne narzędzia korporacyjne i bogate funkcje wsparcia.

Kontenery a maszyny wirtualne

Pomimo długiej historii maszyn wirtualnych, kontenery zyskują na popularności i są coraz częściej wykorzystywane do podobnych celów. Wcześniej omówione zostały zalety i wady obu technologii. Poniżej przedstawione zostaną najważniejsze różnice.

Funkcja	Kontenery	Maszyny wirtualne
Rozmiar i przenośność	Małe i przenośne, ponieważ współdzielą system operacyjny. Kontenery zajmują przestrzeń rzędu megabajtów. Kontenery można przenosić między różnymi komputerami.	Duże i mniej mobilne. Każda maszyna wirtualna posiada własny system operacyjny, co powoduje, że maszyny wirtualne zajmują dużo miejsca, liczonego w gigabajtach. Nie są one tak łatwe do przenoszenia.
System operacyjny	Nie mają własnego systemu operacyjnego.	Posiadają własne systemy operacyjne, co pozwala im wykonywać dodatkowe zadania, takie jak uruchamianie programów niekompatybilnych z systemem operacyjnym hosta, uruchamianie różnych programów na różnych systemach operacyjnych oraz uruchamianie aplikacji, które nie mogą współdzielić zasobów z systemem operacyjnym hosta.
Szybkość uruchamiania	Kontenery działają szybciej niż maszyny wirtualne ze względu na działający już system operacyjny. Uruchomienie zajmuje zaledwie kilka sekund.	Uruchomienie maszyny wirtualnej jest wolniejsze, ponieważ system operacyjny maszyny wirtualnej musi zostać najpierw uruchomiony. Uruchomienie trwa kilka minut.
Dostęp do zasobów	Kontenery mają dostęp do wszystkich zasobów na komputerze hosta.	Maszyny wirtualne korzystają z zasobów przydzielonych im przez hiperwizor.
Bezpieczeństwo	Mniej bezpieczne. Kontenery działające na współdzielonym systemie operacyjnym hosta są podatne na ataki w przypadku naruszenia bezpieczeństwa systemu operacyjnego hosta.	Złożone wdrożenie; poziom złożoności maszyn wirtualnych sprawia, że ich budowa i wdrożenie zajmują więcej czasu.
Wdrożenie	Łatwe wdrożenie. Kontenery cechuje „samowystarczalność” i łatwość wdrożenia, przenoszenia lub aktualizacji.	Złożone wdrożenie; poziom złożoności maszyn wirtualnych sprawia, że ich budowa i wdrożenie zajmują więcej czasu.
Koszt	Koszt kontenerów jest stosunkowo niższy, ze względu na mniejsze wymagania niż w przypadku maszyn wirtualnych.	Koszt maszyn wirtualnych jest stosunkowo wyższy ze względu na duże zapotrzebowanie na zasoby i złożoność, co wiąże się z wyższymi kosztami.

Jak jednocześnie korzystać z kontenerów i maszyn wirtualnych

Odpowiedź na pytanie, czy można jednocześnie korzystać z kontenerów i maszyn wirtualnych, jest twierdząca, choć przypadki praktycznego wykorzystania są ograniczone. Można na przykład utworzyć maszynę wirtualną w celu emulowania konkretnych konfiguracji sprzętowych i zainstalować na niej system operacyjny.

Gdy maszyna wirtualna uruchomi system operacyjny i będzie w pełni funkcjonalna, staje się emulowanym systemem obliczeniowym, na którym można instalować kontenery.

Dobrym przykładem ilustrującym to rozwiązanie jest eksperymentowanie z systemem wdrażania chipów. Niektóre popularne metody dla wbudowanych urządzeń obliczeniowych, takie jak płyty rozwojowe BeagleBone i Raspberry Pi, mogą być emulowane jako maszyny wirtualne w celu eksperymentowania z działającymi kontenerami przed testowaniem ich na rzeczywistym sprzęcie.

Kolejną korzyścią płynącą z łączenia kontenerów i maszyn wirtualnych jest zwiększenie poziomu bezpieczeństwa. Na przykład kontenery można wdrożyć na maszynach wirtualnych. Rozważmy przypadek, w którym 10 kontenerów jest wdrożonych na jednym komputerze. W przypadku przejęcia takiego komputera, wszystkie 10 kontenerów jest zagrożonych. Rozwiązaniem jest dystrybucja tych 10 kontenerów na 10 oddzielnych maszyn wirtualnych. W takiej sytuacji, nawet jeśli jedna maszyna wirtualna zostanie naruszona, pozostałe elementy systemu powinny dalej działać.

Podsumowanie

Jeśli twój projekt ma określone wymagania sprzętowe lub korzystasz z jednego rodzaju sprzętu, a chcesz emulować inny, na przykład Windows lub MacOS, najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie maszyn wirtualnych. W przypadku, gdy wymagania ograniczają się jedynie do oprogramowania, najbardziej odpowiednie będą kontenery.

W większości przypadków, jedno z tych rozwiązań powinno zaspokoić Twoje potrzeby. Aby dokonać najlepszego wyboru, należy dogłębnie przeanalizować potrzeby zasobowe oraz związane z nimi kompromisy. Wybór właściwego narzędzia zależy od specyfiki konkretnego projektu.

Kontenery są najlepszym wyborem w przypadku, gdy priorytetem jest szybkie i wydajne wdrożenie. Natomiast maszyny wirtualne są idealne, jeśli konieczna jest wirtualizacja całego systemu operacyjnego na sprzęcie. Jeśli zależy Ci na maksymalnym poziomie bezpieczeństwa, najlepsze będzie połączenie obu tych technologii, jednak należy mieć świadomość, że wiąże się to z poniesieniem wyższych kosztów.

Zarówno kontenery, jak i maszyny wirtualne są odpowiednimi rozwiązaniami. Kluczowym czynnikiem decydującym o wyborze powinny być Twoje indywidualne specyfikacje. Jeśli potrzebujesz więcej informacji i głębszego zrozumienia tej tematyki, zalecam zapoznanie się z materiałami porównującymi Dockera z maszynami wirtualnymi.