Виртуализация и контейнеризация: обзор технологий и в чем разница

Многие компании в сфере информационных технологий используют виртуализацию, а также контейнеризацию. Одна из них — корпорация Google. С помощью таких технологий она эффективно распределяет ресурсы, обеспечивает надежность своих сервисов. В этой статье мы рассмотрим оба подхода: для чего они нужны, чем они отличаются друг от друга, какие имеют плюсы и минусы.

Что такое виртуализация

Виртуализацией называют технологию, которая позволяет создавать виртуальные версии устройств. Это серверы, рабочие станции, сети, хранилища данных. Виртуальные устройства работают так же, как физические — разница лишь в том, что они существуют только в виде программ. Виртуализация позволяет компаниям экономить ресурсы, улучшать гибкость, а также управлять инфраструктурой более эффективно. Например, можно создать несколько виртуальных серверов на одном физическом сервере.

Что такое контейнеризация

Контейнеризация предназначена для упаковки приложений и их зависимостей в отдельные контейнеры. Это позволяет упростить развертывание программ, а также управление ими. Приложения работают внутри контейнера независимо от операционной системы хоста, что позволяет легко их перемещать. Программы можно запускать на различных платформах без необходимости изменения кода.

Для чего нужна контейнеризация

Основная идея данной технологии заключается в том, чтобы изолировать приложение и его зависимости от остальной инфраструктуры. Благодаря этому обеспечивается предсказуемость, а также повторяемость результатов при развертывании приложения. 

В результате процесс разработки программного обеспечения становится более гибким. Кроме того, появляется возможность применять масштабирование при эксплуатации приложений.

Как устроен контейнер

Контейнеры обычно состоят из двух основных частей: самого контейнера и его образа. Образ содержит все необходимые файлы и зависимости для работы приложения, включая операционную систему, библиотеки, исполняемые файлы, конфигурации. Все это упаковывается в специальный формат, который позволяет легко переносить данные на другие платформы.

Сам контейнер создается путем выполнения его образа на хосте. Это может быть виртуальная машина, физический сервер или облачный инстанс. В процессе создания контейнера также могут быть добавлены дополнительные настройки — переменные среды, порты, учетные данные для доступа к базам данных.

Особенности технологии контейнеризации

Три ключевых аспекта специфики контейнеризации — это:

• Скорость. Технология позволяет быстро создавать и развертывать новые версии приложений благодаря легковесным образам контейнеров.
• Портативность. Специалисты могут легко перемещать образы между различными средами разработки, тестирования или производства. При этом не нужно вносить дополнительные изменения.
• Изоляция. Каждый контейнер работает в своей собственной среде исполнения, что обеспечивает высокий уровень изоляции между приложениями. Вероятность влияния одного приложения на другое сводится к минимуму.

Также многие инструменты включают функции автоматического масштабирования, оркестрации, управления жизненным циклом контейнеров. А значит, администрирование сложных многоконтейнерных приложений в разы упрощается.

Многоконтейнерные приложения

Это набор взаимосвязанных контейнеров, каждый из которых выполняет определенную функцию в рамках общей системы. В таком виде обычно упаковывают микросервисные архитектуры или веб-приложения с несколькими уровнями обработки запросов (бэкенд, фронтенд, базы данных).

Чтобы управлять многоконтейнерными приложениями, нужны инструменты оркестрации — например, Kubernetes, Docker Swarm или Nomad. Важно обеспечить мониторинг состояния каждого контейнера, а также сбор логов для устранения возможных сбоев. Кроме того, специалисты устанавливают права доступа для различных компонентов многоконтейнерной системы.

Типы контейнеров

Перечислим несколько основных типов:

1. Docker Containers. Docker — это платформа для создания, развертывания и управления контейнерами. Она предоставляет инструменты для автоматизации процесса сборки приложений, а также их запуска в контейнерах. Процесс сборки приложения описывается в файле Dockerfile. А Docker Hub — это репозиторий образов, где пользователи могут делиться своими образами или использовать образы других разработчиков.
2. Kubernetes Containers. Kubernetes — это система оркестрации. Она помогает разработчикам управлять кластерами контейнеров, а также обеспечивает масштабируемость, отказоустойчивость, высокую доступность приложений. Единицы выполнения в Kubernetes называются Pods.
3. Rkt Containers. Rkt (Rocket) — это альтернатива Docker, только в этом случае описания образа находятся в App Container Specification (ACS). App containers создаются с использованием декларативного языка YAML.
4. Singularity Containers. Singularity — это инструмент для создания изолированных окружений. Эта технология часто используется в научных или исследовательских целях. Singularity images основаны на файловой системе Linux — они могут быть запущены без root прав.

Для каждой программы контейнер подбирается отдельно, так как у него могут быть разные особенности. Также свою специфику имеют сами приложения — одни могут работать только на определенных версиях ОС, другие предъявляют ресурсные требования, третьи нуждаются в различных сетевых настройках (порты, IP-адреса, протоколы).

Применение контейнеризации

Вот некоторые из основных областей применения:

1. Разработка и тестирование. Разработчики свободно работают над новыми версиями приложений. Каждый коммит в репозитории может автоматически собираться в контейнер, проходить через различные стадии тестирования перед развертыванием в производственной среде.
2. Производственная среда. Контейнеризация помогает обеспечить высокую доступность, а также масштабируемость приложений. В случае роста нагрузки можно просто добавить дополнительные экземпляры контейнеров.
3. Облачные технологии. С помощью контейнеризации удобно работать с микросервисной архитектурой: можно легко развертывать или обновлять отдельные сервисы без влияния на другие части системы.
4. DevOps и SRE. Контейнеризация позволяет автоматизировать процессы развертывания новых версий приложений, что уменьшает время от разработки до эксплуатации.

Технологию можно применять даже в сфере науки — она предоставляет возможность создания изолированных сред, которые содержат все необходимые зависимости для работы программы.

Это особенно полезно для научных вычислений, где требуется точное воспроизведение условий эксперимента.

Управление контейнерами

Управление контейнерами включает в себя несколько аспектов:

1. Мониторинг. Один из популярных инструментов для мониторинга — Prometheus. Он позволяет отслеживать метрики производительности, например, CPU usage, memory usage, network traffic.
2. Логирование. Требуется для сбора, анализа, визуализации логов. Это нужно для того, чтобы быстро находить ошибки в работе компонентов. Один из таких инструментов — Fluentd.
3. Оркестрация. Разработчикам необходимо управлять распределением ресурсов, обеспечивать устойчивость к отказам, масштабировать приложения. К технологиям такого типа относится Kubernetes.

Чтобы обезопасить себя, разработчики могут используются специальные инструменты, например, Vault. Они нужны для защиты конфиденциальной информации.

Чем отличается контейнеризация от виртуализации

Итак, виртуализация — это технология для создания виртуальных версий устройств. Контейнеризация же нужна для удобного управления множеством приложений. Первый вариант обычно выбирают в случае, если требуется высокая степень изоляции и гибкости, а второй — если акцент делается на скорости, а также простоте управления. В чем же различия между этими двумя подходами?

Изоляция и обеспечение безопасности

При использовании контейнеризации каждый контейнер содержит собственное представление файловой системы, процессов, сетевых ресурсов. Виртуализация обеспечивает изоляцию за счет того, что все виртуальные машины имеют уникальные настройки безопасности и конфигурации сети.

Работа с операционной системой

Вот чем отличается контейнер от виртуальной машины — он запускается внутри единого ядра операционной системы. А вторая технология обеспечивает полную независимость каждой виртуальной машины от основной ОС хоста. Это позволяет разработчикам гибко управлять настройками.

Обновления ОС

Контейнеризация предполагает обновление основного ядра ОС, поэтому изменения затронут все звенья цепи. А виртуализация обеспечивает полную изоляцию виртуальных машин, поэтому они все обновляются отдельно друг от друга. Специалистам необходимо работать с каждой из них, так как единого центра нет.

Механизмы развертывания

Механизмы развертывания в контексте контейнеризации включают использование оркестраторов, например, Docker или Kubernetes. А у виртуальных технологий для этого есть гипервизоры — Microsoft Hyper-V, KVM. В этом случае развертывание может потребовать больше времени, но зато обеспечивается контроль над каждым экземпляром.

Особенности хранения данных

При контейнеризации данные хранятся внутри самого контейнера — это библиотеки, исполняемые файлы, конфигурации. Иными словами, все находится в одном месте. А виртуализация предполагает хранение данных отдельно от самой виртуальной машины. Могут использоваться сетевые ресурсы или даже обычные локальные диски. 

Распределение нагрузки

Контейнеризация использует принцип оркестрации для распределения нагрузки. Оркестраторы автоматически делят задачи между контейнерами, обеспечивая высокую доступность программ. А для виртуальных машин нужны такие технологии, как AutoScaling, Elastic Load Balancing. Они также действуют в автоматическом режиме.

Отказоустойчивость

Если происходит сбой одного контейнера, система перенаправляет нагрузку на другой без значительных потерь производительности. Виртуализация же обеспечивает отказоустойчивость через кластеризацию виртуальных машин. Если в одной из них сбой, ее задачи передаются другой машине в том же кластере.

Плюсы и минусы виртуализации

Преимущества виртуальной инфраструктуры:

1. Эффективное использование ресурсов. На одном физическом сервере может работать несколько ОС, что увеличивает эффективность использования аппаратных ресурсов.
2. Уменьшение затрат. Поскольку физических серверов много не требуется, можно снизить затраты на оборудование, а также на электроэнергию.
3. Масштабируемость. Виртуальные машины могут быть легко добавлены или удалены в зависимости от потребностей бизнеса, что делает систему более гибкой.
4. Резервное копирование и восстановление данных. В виртуальной среде легче управлять этими процессами, так как все данные хранятся централизованно.
5. Безопасность. Виртуальные машины полностью изолированы друг от друга, что снижает риск распространения вредоносного ПО.
6. Аварийное восстановление. Виртуальные машины могут быть быстро перенесены на другой сервер в случае сбоя.
7. Снижение времени простоя. Это также становится возможным благодаря быстрому переключению на другую виртуальную машину в случае отказа основной.

У виртуализации есть и недостатки:

1. Зависимость от платформы. Список платформ невелик, что может ограничить выбор решений.
2. Потребление ресурсов. Для работы самой виртуализации требуются дополнительные ресурсы — память, процессорное время.
3. Безопасность гипервизора. Если он уязвим к атакам, то это может поставить под угрозу всю виртуализированную инфраструктуру.
4. Производительность. В некоторых случаях использование виртуальных машин может привести к снижению производительности.
5. Сложность управления. Разработчикам необходимы специальные знания, а также инструменты.

Если вы планируете использовать виртуализацию, помните и о том, что некоторые программы могут быть несовместимы с ней или требовать специфических настроек для работы в виртуальной среде.

Плюсы и минусы контейнеризации

Основные преимущества технологии:

1. Повышенная надежность. Приложения не влияют друг на друга — это снижает вероятность конфликтов, улучшает стабильность работы.
2. Упрощение развертывания. Все необходимые компоненты уже находятся внутри контейнера, их легче обновлять или масштабировать.
3. Снижение затрат. Уменьшаются затраты на инфраструктуру, так как можно использовать меньшее количество серверов для выполнения тех же задач.
4. Снижение времени разработки. Разработчики могут быстро создавать и тестировать новые версии ПО без необходимости перекомпиляции всего кода.
5. Улучшение безопасности. Каждый контейнер работает в своей собственной среде, имея ограниченный доступ к другим системам.
6. Поддержка облачных технологий. Доступна интеграция с облачными платформами — AWS, Google Cloud Platform, Microsoft Azure.

Недостатки такого подхода:

1. Ограниченная поддержка старых систем. В таком случае требуются дополнительные усилия для адаптации систем.
2. Зависимость от внешней инфраструктуры. Нужна мощная инфраструктура — Docker Hub или Kubernetes.
3. Риски безопасности. Хотя технология повышает безопасность, она также может создать дополнительные риски, например, возможность утечек данных.
4. Сложность управления. Особенно часто возникают трудности при больших объемах данных. Требуются специальные инструменты для управления контейнерными кластерами.
5. Эффект «узкого горлышка». При использовании большого количества контейнеров на одном сервере могут возникнуть проблемы с производительностью из-за конкуренции за ресурсы.

Также важно учесть, что стандартизации нет — существует несколько конкурирующих платформ: Docker, rkt, LXC. Это может усложнить интеграцию, а также управление различными компонентами.

Необходимость использования одной или другой технологии возникает тогда, когда нужно обеспечить работу множества разных приложений. В этот список входят в первую очередь ресурсоемкие проекты, например, интернет-магазины. Нужно управлять логистикой, оперативно обрабатывать заказы, обеспечивать клиентскую поддержку, делать регулярный анализ продаж.

Если вы только собираетесь создавать такой сайт, вы можете обратиться к нам. Наша компания занимается разработкой интернет-магазинов под ключ и готова создать для вас сайт всего за 7 недель.