Contêineres versus máquinas virtuais: Uma comparação detalhada para desenvolvedores

O que são máquinas virtuais?

Uma máquina virtual (VM) é uma tecnologia que permite a virtualização no nível do hardware, possibilitando a execução de vários sistemas operacionais em uma única máquina. Cada VM atua como um sistema isolado com seu próprio sistema operacional, aplicativo e dependências. Isso é possível graças ao software "hipervisor", que é responsável pela alocação de recursos de hardware, como núcleos de CPU e armazenamento, para cada VM. 

Normalmente, a arquitetura de uma máquina virtual consiste nos seguintes componentes:

1. Hardware: A máquina física.
2. Sistema operacional: O sistema operacional instalado na máquina física.
3. Hipervisor: O software que aloca recursos para as VMs.
4. Sistema operacional convidado: O sistema operacional instalado em cada VM.
5. Aplicação: O software que é executado na VM. 
6. Dependências: As bibliotecas/binários necessários para executar o aplicativo.

Diagrama de arquitetura de um servidor que executa três máquinas virtuais. Imagem do autor.

Você pode configurar máquinas virtuais com base no número de núcleos, na quantidade de memória e em outros fatores. Essa flexibilidade permite que você crie vários ambientes com configurações específicas de sistema operacional adaptadas aos seus aplicativos.

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O que são contêineres?

Um contêiner é uma forma de virtualização que opera no nível do sistema operacional, permitindo que vários aplicativos sejam executados no mesmo kernel do sistema operacional. Ao contrário das VMs, os contêineres não incluem seu próprio sistema operacional; em vez disso, eles compartilham o sistema operacional do host, o que os torna significativamente mais leves e eficientes.

Os contêineres incluem um aplicativo junto com suas dependências. Eles são projetados para funcionar da mesma forma, independentemente de onde forem implantados.

Uma arquitetura de contêiner típica consiste nos seguintes componentes: 

1. Hardware: A máquina física.
2. Sistema operacional do host: O sistema operacional na máquina física (ou VM).
3. Motor de contêiner: Software que gerencia a criação e a manutenção de contêineres.
4. Aplicação: O software que é executado no contêiner.
5. Dependências: As bibliotecas/binários necessários para executar o aplicativo.

Diagrama de arquitetura de um servidor que executa três contêineres. Imagem do autor.

Como os contêineres empacotam apenas o aplicativo e suas dependências, eles são muito menores e mais portáteis do que as VMs. Isso facilita a movimentação de contêineres em diferentes ambientes (por exemplo, do desenvolvimento à produção) sem comprometer a compatibilidade.

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Diferenças entre contêineres e máquinas virtuais

Embora a diferença possa parecer clara com base nas definições anteriores, há mais do que você imagina. Esta seção explora minuciosamente os fatores que diferenciam as VMs e os contêineres, incluindo arquitetura, utilização de recursos, tempo de inicialização, isolamento e segurança e portabilidade.

Arquitetura

As VMs e os contêineres diferem em sua arquitetura devido ao local onde realizam a virtualização. Como vimos anteriormente, as VMs são executadas em cima de hipervisores e incluem seus próprios sistemas operacionais, aplicativos e dependências. Os contêineres, por outro lado, compartilham o kernel do sistema operacional host e empacotam apenas o aplicativo e suas dependências.

Utilização de recursos

Como as VMs têm seu próprio sistema operacional, elas consomem mais recursos, inclusive CPU e RAM. A camada do sistema operacional aumenta o uso geral de recursos. Em comparação, os contêineres não exigem um sistema operacional separado para cada instância. Isso faz com que eles tenham um espaço de memória muito menor e menor consumo de CPU.

Tempo de inicialização

As VMs têm um tempo de inicialização mais longo, pois precisam configurar seu próprio sistema operacional, o que resulta em uma sobrecarga mais significativa. Como os contêineres não precisam emular seu próprio sistema operacional, eles têm muito menos sobrecarga e podem ser iniciados em segundos. Esse rápido tempo de inicialização faz com que os contêineres sejam populares nos pipelines de integração contínua/implantação contínua (CI/CD), em que a velocidade e a eficiência são necessárias. 

Isolamento e segurança

Em geral, as VMs oferecem mais segurança do que os contêineres devido ao seu nível de isolamento. As VMs oferecem isolamento completo, pois cada VM contém seu próprio sistema operacional. Como resultado, uma ameaça à segurança em uma VM não afeta as outras VMs, tornando-as mais seguras. Os contêineres oferecem apenas isolamento parcial, pois compartilham o kernel do sistema operacional. Um kernel compartilhado apresenta um possível risco de segurança: se o kernel for comprometido, todos os contêineres ficarão vulneráveis.

Portabilidade

As VMs são volumosas e podem ser difíceis de mover entre diferentes ambientes. Elas também apresentam o risco de problemas de compatibilidade se forem executadas em um ambiente que não seja compatível com o sistema operacional usado na VM. Os contêineres, devido à sua natureza leve, são altamente portáteis. Eles podem ser movidos entre ambientes com o mínimo de esforço. Além disso, como são projetados para serem executados de forma consistente em diferentes ambientes, eles eliminam problemas de compatibilidade.

Aqui está uma tabela que resume as principais diferenças entre contêineres e máquinas virtuais:

Casos de uso de máquinas virtuais

Pode parecer que as VMs têm, em geral, mais desvantagens do que os contêineres. Então, quais são seus casos de uso? Esta seção explora alguns dos mais notáveis, incluindo a execução de aplicativos legados, o suporte a ambientes com vários sistemas operacionais e a manipulação de cargas de trabalho críticas para a segurança.

Execução de aplicativos legados

As VMs são ideais para executar aplicativos legados que exigem sistemas operacionais mais antigos ou desatualizados. Como as VMs podem ter seus próprios ambientes de sistema operacional, as equipes podem continuar usando seus aplicativos mais antigos que podem não ser compatíveis com os sistemas operacionais modernos.

Ambientes com vários sistemas operacionais

As VMs são altamente eficazes quando os aplicativos precisam ser executados em vários sistemas operacionais. Por exemplo, você pode configurar VMs para executar Linux, Windows e outros sistemas operacionais na mesma máquina física. Os contêineres, no entanto, não podem executar sistemas operacionais diferentes no mesmo host, pois compartilham o kernel do sistema operacional. 

Cargas de trabalho críticas para a segurança

Como você pode imaginar, as VMs são excelentes para lidar com cargas de trabalho críticas para a segurança devido ao seu isolamento completo. Cada VM atua de forma independente, o que significa que as outras não serão afetadas se uma VM for comprometida. Os contêineres não oferecem o mesmo nível de segurança que as VMs, pois compartilham o sistema operacional do host, o que os torna mais vulneráveis. 

Casos de uso de contêineres

A natureza leve dos contêineres os torna ativos poderosos no desenvolvimento de software moderno. Esta seção explora os casos de uso em que os contêineres se destacam, incluindo arquitetura de microsserviços, pipelines de CI/CD e DevOps e portabilidade em diferentes ambientes.

Arquitetura de microsserviços

Os contêineres são ideais para aplicativos que usam uma arquitetura de microsserviço, em que cada microsserviço atende a uma função específica (por exemplo, armazenamento de dados, autenticação de usuário). 

Como os contêineres são independentes do aplicativo, eles permitem que os microsserviços coexistam, garantindo que os problemas em um serviço não afetem os outros. Como a arquitetura de microsserviços ganhou popularidade, as equipes de engenharia dependem cada vez mais de contêineres para implementar seus aplicativos. 

Pipelines de CI/CD e DevOps

Os pipelines modernos de CI/CD envolvem vários desenvolvedores com diferentes partes de um aplicativo simultaneamente, realizando testes, integração e implantação constantes.

Os contêineres são ideais para esses pipelines, pois sua baixa sobrecarga de recursos resulta em tempos de inicialização rápidos, facilitando a criação de ambientes, a execução de testes e a implantação de atualizações de código. Essa eficiência fez com que os contêineres se tornassem um elemento básico do DevOps, que prioriza a entrega rápida e contínua de software.

Portabilidade entre ambientes

Os contêineres facilitam para os desenvolvedores a transferência do código do desenvolvimento para o teste e para a produção. Eles são projetados para empacotar aplicativos que são executados com êxito em diferentes sistemas, o que reduz os problemas de compatibilidade. Além disso, como os contêineres são independentes de plataforma, eles podem ser implantados em diferentes ambientes, como servidores locais e plataformas de nuvem, o que os torna adequados para aplicativos nativos da nuvem.

Em resumo, aqui estão as tecnologias recomendadas para cada situação:

Escolhendo entre contêineres e máquinas virtuais

A decisão entre contêineres e máquinas virtuais depende de suas necessidades específicas e do aplicativo. Esta seção explora quando você deve optar por VMs ou contêineres. 

Quando usar máquinas virtuais

As máquinas virtuais são a tecnologia ideal para aplicativos que exigem ambientes com vários sistemas operacionais. Vários ambientes com sistemas operacionais diferentes (como Windows e Linux) podem ser executados no mesmo hardware físico. 

Eles também são especialmente adequados para aplicativos legados que são executados em sistemas operacionais antigos ou desatualizados. Por fim, como as VMs oferecem isolamento completo, elas são a melhor opção para aplicativos com altas exigências de segurança. 

Quando usar contêineres

Os contêineres são mais adequados para aplicativos projetados usando uma arquitetura de microsserviços, em que os componentes funcionam de forma independente. Além disso, seus tempos de inicialização rápidos e o consumo mínimo de recursos os tornam adequados para pipelines de CI/CD, que exigem testes e implementações frequentes de código. 

Devido à sua portabilidade, os contêineres também são uma ótima opção para os desenvolvedores que precisam mover seus aplicativos em diferentes ambientes. 

Por fim, sua natureza independente de plataforma significa que são fáceis de implantar em ambientes de nuvem, o que é especialmente valioso à medida que as empresas adotam soluções híbridas e de nuvem.

Combinação de contêineres e VMs

Embora os contêineres e as máquinas virtuais sejam tecnologias de virtualização fundamentalmente diferentes, eles podem ser usados juntos de forma eficaz!

As VMs oferecem isolamento robusto que adiciona uma camada de segurança, reduzindo o risco de ameaças ao aplicativo. Ao colocar os contêineres em VMs, você pode ter maior controle sobre a alocação de recursos, facilitando a garantia de que cada grupo de contêineres possa acessar recursos suficientes para seu aplicativo. 

Além disso, essa combinação facilita o dimensionamento e o manuseio de implementações em diferentes ambientes.

Arquitetura conjunta de contêineres e VMs. Fonte da imagem: Docker.

Conclusão

A virtualização é essencial para maximizar a eficiência dos recursos e aprimorar os fluxos de trabalho de desenvolvimento de software. As máquinas virtuais e os contêineres são duas das implementações mais populares de virtualização, amplamente utilizadas pelas equipes para desenvolver e implantar aplicativos. Um sólido entendimento de ambos irá beneficiá-lo se você quiser criar soluções seguras, eficientes e dimensionáveis.

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