Container vs. Virtuelle Maschinen: Ein detaillierter Vergleich für Entwickler

Was sind virtuelle Maschinen?

Eine virtuelle Maschine (VM) ist eine Technologie, die eine Virtualisierung auf Hardwareebene ermöglicht, so dass mehrere Betriebssysteme auf einem einzigen Rechner laufen können. Jede VM fungiert als isoliertes System mit eigenem Betriebssystem, eigener Anwendung und eigenen Abhängigkeiten. Ermöglicht wird dies durch die "Hypervisor"-Software, die für die Zuweisung von Hardwareressourcen wie CPU-Kernen und Speicherplatz an jede VM verantwortlich ist. 

Die Architektur einer virtuellen Maschine besteht in der Regel aus den folgenden Komponenten:

1. Hardware: Die physische Maschine.
2. Operationssystem: Das Betriebssystem, das auf dem physischen Rechner installiert ist.
3. Hypervisor: Die Software, die den VMs Ressourcen zuweist.
4. Gast-OS: Das auf jeder VM installierte Betriebssystem.
5. Anwendung: Die Software, die in der VM läuft. 
6. Abhängigkeiten: Die Bibliotheken/Binärdateien, die zum Ausführen der Anwendung benötigt werden.

Architekturdiagramm eines Servers mit drei virtuellen Maschinen. Bild vom Autor.

Du kannst virtuelle Maschinen auf der Grundlage der Anzahl der Kerne, der Speichermenge und anderer Faktoren konfigurieren. Diese Flexibilität ermöglicht es dir, mehrere Umgebungen mit spezifischen Betriebssystemkonfigurationen zu schaffen, die auf deine Anwendungen zugeschnitten sind.

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Was sind Container?

Ein Container ist eine Form der Virtualisierung, die auf der Ebene des Betriebssystems arbeitet und es mehreren Anwendungen ermöglicht, auf demselben Betriebssystemkern zu laufen. Im Gegensatz zu VMs enthalten Container kein eigenes Betriebssystem, sondern teilen sich das Host-Betriebssystem, was sie deutlich schlanker und effizienter macht.

Container bestehen aus einer Anwendung und ihren Abhängigkeiten. Sie sind so konzipiert, dass sie immer gleich funktionieren, egal, wo sie eingesetzt werden.

Eine typische Containerarchitektur besteht aus den folgenden Komponenten: 

1. Hardware: Die physische Maschine.
2. Host OS: Das Betriebssystem auf der physischen Maschine (oder VM).
3. Container-Motor: Software, die die Erstellung und Wartung von Containern verwaltet.
4. Anwendung: Die Software, die in dem Container läuft.
5. Abhängigkeiten: Die Bibliotheken/Binärdateien, die zum Ausführen der Anwendung benötigt werden.

Architekturdiagramm eines Servers mit drei Containern. Bild vom Autor.

Da Container nur die Anwendung und ihre Abhängigkeiten verpacken, sind sie viel kleiner und portabler als VMs. Das macht es einfach, Container zwischen verschiedenen Umgebungen zu verschieben (z. B. von der Entwicklung in die Produktion), ohne die Kompatibilität zu beeinträchtigen.

Docker ist die wichtigste Plattform, die Entwickler nutzen, um Container-Anwendungen zu erstellen und auszuführen. Wenn du damit anfangen willst, schau dir unseren Kurs Einführung in Docker an.

Unterschiede zwischen Containern und virtuellen Maschinen

Auch wenn der Unterschied anhand der vorherigen Definitionen klar zu sein scheint, gibt es mehr, als man auf den ersten Blick sieht. Dieser Abschnitt befasst sich eingehend mit den Faktoren, die VMs und Container unterscheiden, darunter Architektur, Ressourcennutzung, Startzeit, Isolierung und Sicherheit sowie Portabilität.

Architektur

VMs und Container unterscheiden sich in ihrer Architektur durch den Ort, an dem sie die Virtualisierung durchführen. Wie wir bereits gesehen haben, laufen VMs auf Hypervisoren und enthalten ihre eigenen Betriebssysteme, Anwendungen und Abhängigkeiten. Container hingegen nutzen den Kernel des Host-Betriebssystems und verpacken nur die Anwendung und ihre Abhängigkeiten.

Ressourcennutzung

Da VMs ihr eigenes Betriebssystem haben, verbrauchen sie mehr Ressourcen, einschließlich CPU und RAM. Die Betriebssystemschicht trägt zum gesamten Ressourcenverbrauch bei. Im Vergleich dazu benötigen Container kein eigenes Betriebssystem für jede Instanz. Das führt dazu, dass sie einen viel kleineren Speicherbedarf und einen geringeren CPU-Verbrauch haben.

Anfahrzeit

VMs haben eine längere Startzeit, da sie ihr eigenes Betriebssystem einrichten müssen, was zu einem größeren Overhead führt. Da Container kein eigenes Betriebssystem emulieren müssen, haben sie viel weniger Overhead und können in Sekundenschnelle gestartet werden. Diese kurze Startzeit macht Container zu einem beliebten Bestandteil von Continuous Integration/Continuous Deployment (CI/CD)-Pipelines, wo Geschwindigkeit und Effizienz gefragt sind. 

Isolation und Sicherheit

Insgesamt bieten VMs aufgrund ihres Isolationsgrades mehr Sicherheit als Container. VMs bieten eine vollständige Isolierung, da jede VM ihr eigenes Betriebssystem enthält. Dadurch wirkt sich eine Sicherheitsbedrohung in einer VM nicht auf die anderen VMs aus und macht sie sicherer. Container bieten nur eine teilweise Isolierung, da sie sich den Betriebssystemkern teilen. Ein gemeinsam genutzter Kernel stellt ein potenzielles Sicherheitsrisiko dar: Wenn der Kernel kompromittiert wird, sind alle Container angreifbar.

Tragbarkeit

VMs sind sperrig und lassen sich nur schwer zwischen verschiedenen Umgebungen verschieben. Sie bergen auch das Risiko von Kompatibilitätsproblemen, wenn sie in einer Umgebung laufen, die das in der VM verwendete Betriebssystem nicht unterstützt. Container sind aufgrund ihres geringen Gewichts sehr mobil. Sie können mit minimalem Aufwand zwischen verschiedenen Umgebungen bewegt werden. Da sie außerdem so konzipiert sind, dass sie in verschiedenen Umgebungen konsistent laufen, gibt es keine Kompatibilitätsprobleme.

Hier ist eine Tabelle, die die wichtigsten Unterschiede zwischen Containern und virtuellen Maschinen zusammenfasst:

Anwendungsfälle für virtuelle Maschinen

Es mag den Anschein haben, dass VMs im Allgemeinen mehr Nachteile haben als Container. Was sind also ihre Anwendungsfälle? Dieser Abschnitt befasst sich mit einigen der wichtigsten davon, darunter die Ausführung von Legacy-Anwendungen, die Unterstützung von Multi-OS-Umgebungen und der Umgang mit sicherheitskritischen Workloads.

Ausführen von Legacy-Anwendungen

VMs sind ideal für den Betrieb von Legacy-Anwendungen, die ältere oder veraltete Betriebssysteme benötigen. Da VMs ihre eigenen Betriebssystemumgebungen haben können, können Teams ihre älteren Anwendungen weiter nutzen, die möglicherweise nicht mit modernen Betriebssystemen kompatibel sind.

Multi-OS-Umgebungen

VMs sind sehr effektiv, wenn Anwendungen auf mehreren Betriebssystemen ausgeführt werden müssen. Du kannst zum Beispiel VMs einrichten, um Linux, Windows und andere Betriebssysteme auf demselben physischen Rechner auszuführen. Container können jedoch keine unterschiedlichen Betriebssysteme auf demselben Host ausführen, da sie sich den Betriebssystemkern teilen. 

Sicherheitskritische Workloads

Wie du dir vorstellen kannst, eignen sich VMs aufgrund ihrer vollständigen Isolierung hervorragend für sicherheitskritische Workloads. Jede VM agiert unabhängig, d.h. die anderen sind nicht betroffen, wenn eine VM gefährdet ist. Container bieten nicht dasselbe Maß an Sicherheit wie VMs, da sie sich das Host-Betriebssystem teilen, was sie insgesamt anfälliger macht. 

Anwendungsfälle für Container

Die Leichtgewichtigkeit von Containern macht sie zu einem mächtigen Werkzeug in der modernen Softwareentwicklung. Dieser Abschnitt befasst sich mit Anwendungsfällen, in denen sich Container besonders gut eignen, z. B. Microservices-Architekturen, CI/CD- und DevOps-Pipelines und Portabilität über verschiedene Umgebungen hinweg.

Microservices-Architektur

Container sind ideal für Anwendungen mit einer Microservice-Architektur, bei der jeder Microservice eine bestimmte Funktion erfüllt (z. B. Datenspeicherung, Benutzerauthentifizierung). 

Da Container anwendungsunabhängig sind, ermöglichen sie die Koexistenz von Microservices und stellen sicher, dass sich Probleme in einem Service nicht auf andere auswirken. Da die Microservices-Architektur immer beliebter wird, setzen Entwicklungsteams zunehmend auf Container, um ihre Anwendungen bereitzustellen. 

CI/CD- und DevOps-Pipelines

In modernen CI/CD-Pipelines arbeiten mehrere Entwickler gleichzeitig an verschiedenen Teilen einer Anwendung und führen ständig Tests, Integration und Bereitstellung durch.

Container sind ideal für diese Pipelines, da ihr geringer Ressourcen-Overhead zu schnellen Startzeiten führt, die das Aufsetzen von Umgebungen, das Ausführen von Tests und das Verteilen von Code-Updates erleichtern. Diese Effizienz hat Container zu einem wichtigen Bestandteil von DevOps gemacht, bei dem eine schnelle und kontinuierliche Softwarebereitstellung im Vordergrund steht.

Übertragbarkeit zwischen verschiedenen Umgebungen

Container machen es Entwicklern leicht, Code von der Entwicklung über das Testen bis hin zur Produktion zu verschieben. Sie wurden entwickelt, um Anwendungen zu verpacken, die erfolgreich auf verschiedenen Systemen laufen, was Kompatibilitätsprobleme reduziert. Da Container plattformunabhängig sind, können sie in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden, z. B. auf lokalen Servern und Cloud-Plattformen, und eignen sich daher für Cloud-native Anwendungen.

Zusammengefasst sind hier die empfohlenen Technologien für jede Situation:

Die Wahl zwischen Containern und virtuellen Maschinen

Die Entscheidung zwischen Containern und virtuellen Maschinen hängt von deinen spezifischen Bedürfnissen und deiner Anwendung ab. In diesem Abschnitt geht es darum, wann du dich für VMs oder Container entscheiden solltest. 

Wann du virtuelle Maschinen verwenden solltest

Virtuelle Maschinen sind die ideale Technologie für Anwendungen, die Multi-OS-Umgebungen erfordern. Mehrere Umgebungen mit unterschiedlichen Betriebssystemen (z.B. Windows und Linux) können auf der gleichen physischen Hardware betrieben werden. 

Sie eignen sich auch besonders gut für Legacy-Anwendungen, die auf alten oder veralteten Betriebssystemen laufen. Da VMs eine vollständige Isolierung bieten, sind sie die beste Option für Anwendungen mit hohen Sicherheitsanforderungen. 

Wann sollten Container verwendet werden?

Container eignen sich besser für Anwendungen, die mit einer Microservices-Architektur entwickelt wurden, bei der die Komponenten unabhängig voneinander arbeiten. Außerdem eignen sie sich aufgrund ihrer schnellen Startzeiten und ihres minimalen Ressourcenverbrauchs für CI/CD-Pipelines, die häufige Code-Tests und Deployments erfordern. 

Aufgrund ihrer Portabilität sind Container auch eine gute Wahl für Entwickler, die ihre Anwendungen in verschiedenen Umgebungen einsetzen müssen. 

Und schließlich bedeutet ihre Plattformunabhängigkeit, dass sie leicht in Cloud-Umgebungen eingesetzt werden können, was besonders wertvoll ist, da Unternehmen Cloud- und Hybridlösungen einsetzen.

Kombination von Containern und VMs

Obwohl Container und virtuelle Maschinen grundsätzlich unterschiedliche Virtualisierungstechnologien sind, können sie effektiv zusammen eingesetzt werden!

Die VMs bieten eine robuste Isolierung, die eine zusätzliche Sicherheitsebene darstellt und das Risiko von Bedrohungen für die Anwendung verringert. Durch die Unterbringung von Containern in VMs hast du eine bessere Kontrolle über die Ressourcenzuweisung und kannst so leichter sicherstellen, dass jede Gruppe von Containern auf genügend Ressourcen für ihre Anwendung zugreifen kann. 

Außerdem erleichtert diese Kombination die Skalierung und Handhabung von Einsätzen in verschiedenen Umgebungen.

Container und VMs zusammen Architektur. Bildquelle: Docker.

Fazit

Virtualisierung ist wichtig, um die Ressourceneffizienz zu maximieren und die Arbeitsabläufe bei der Softwareentwicklung zu verbessern. Virtuelle Maschinen und Container sind zwei der beliebtesten Implementierungen der Virtualisierung, die von vielen Teams für die Entwicklung und Bereitstellung von Anwendungen genutzt werden. Wenn du sichere, effiziente und skalierbare Lösungen entwickeln willst, ist ein solides Verständnis von beidem von Vorteil.

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