Bare-Metal vs. VM-basierte Kubernetes-Cluster: Eine umfassende Leistungsanalyse

In der heutigen, digital geprägten Welt entwickeln sich die Anwendungen schnell weiter, und es werden effiziente und skalierbare Lösungen benötigt. Kubernetes ist eine Open-Source-Plattform, die entwickelt wurde, um die Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von containerisierten Anwendungen zu automatisieren. Es bietet einen stabilen Rahmen für den Betrieb verteilter Systeme und die Abwicklung verschiedener Aufgaben, die auf das Wachstum und die Wartung von Anwendungsdiensten ausgerichtet sind. In diesem Blogbeitrag vergleichen wir Bare-Metal-Kubernetes mit herkömmlichen VM-basierten Clustern, insbesondere im Hinblick auf Latenz und Leistung. Die Kenntnis ihrer jeweiligen Vorteile und Grenzen ist für diejenigen, die mit der Auswahl von Technologien für ihre IT-Infrastruktur betraut sind, unerlässlich.

Bare-Metal-Server vs. VM-Server

Kubernetes kann mit einem Cluster aus Bare-Metal-Servern und auf virtuellen Maschinen (VM) basierenden Servern arbeiten. Bare-Metal bezieht sich auf physische Server, die einem einzigen Mandanten zugewiesen sind — im Wesentlichen die reine Hardware, ohne die beim Cloud Computing häufig verwendete Virtualisierungsschicht. Andererseits bezieht sich VM auf Umgebungen, in denen sich mehrere virtuelle Maschinen, auf denen jeweils ein eigenes Betriebssystem läuft, die Ressourcen eines einzigen physischen Hosts teilen:

Im weiteren Verlauf dieses Vergleichs ist es wichtig, die beiden grundlegenden Konzepte zu verstehen, die den Kern bilden: Container und virtuelle Maschinen. Kubernetes ist eine Plattform zur Orchestrierung von Containern, die eine Gruppe von Containern ihren Worker-Knoten zuweist – Bare-Metal-Servern oder virtuellen Maschinen.

Container und virtuelle Maschinen verstehen

Container sind eigenständige, ausführbare Softwarepakete, die alles enthalten, was zur Ausführung einer Software benötigt wird. Sie enthalten den Code sowie Laufzeit, Systemtools, Bibliotheken und die entsprechenden Einstellungen und kapseln die Anwendung und ihre Umgebung effektiv ein. Container teilen sich den Betriebssystem-Kernel des Hostsystems, wodurch sie leichtgewichtig und schnell zu starten sind.

Virtuelle Maschinen (VMs) hingegen sind eine Abstraktion der physischen Hardware, die aus einem Server viele macht. Jede VM enthält eine vollständige Kopie eines Betriebssystems, der Anwendung sowie der erforderlichen Binärdateien und Bibliotheken. VMs können im Vergleich zu Containern auch langsam starten, bieten aber eine starke Isolierung zwischen verschiedenen VMs auf demselben Host.

Abbildung 2 zeigt die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Containern und VMs.

Sowohl Container als auch VMs haben ihre Vorteile und sind für bestimmte Anwendungsfälle geeignet. Container eignen sich am besten für Microservices, zustandslose Anwendungen und Fälle, in denen eine schnelle Skalierbarkeit erforderlich ist. Andererseits sind VMs ideal für Legacy-Anwendungen und Anwendungen, die alle Ressourcen und Funktionen eines Betriebssystems benötigen, einschließlich der Ausführung von Anwendungen, die nicht für eine containerisierte Umgebung geeignet sind.

Der Schwerpunkt von Kubernetes liegt auf der Automatisierung der Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von Anwendungscontainern. Wie bereits erwähnt, unterstützt Kubernetes die Ausführung dieser containerisierten Arbeitslasten sowohl auf Bare-Metal-Servern als auch auf VMs. Lassen Sie uns als Nächstes beide Technologien untersuchen und herausfinden, wie Kubernetes auf jeder von ihnen läuft.

Bare-Metal-Kubernetes-Cluster

Im Kontext von Kubernetes bedeutet Bare-Metal, dass Kubernetes direkt auf der Hardware läuft, und zwar ohne eine Zwischenschicht aus virtuellen Maschinen, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Vorteile und Anwendungsfälle von Bare-Metal-Kubernetes-Clustern

Bare-Metal-Kubernetes-Cluster nutzen die inhärenten Stärken von Kubernetes und gleichzeitig die erheblichen Vorteile dedizierter Hardware. Dieser Ansatz beseitigt den durch die Virtualisierung entstehenden Overhead (der zu erhöhter Komplexität und potenziellen Verlangsamungen führen kann), was häufig zu einer besseren Leistung und geringeren Latenz führt und damit eine attraktive Option für Arbeitslasten mit hohen Anforderungen darstellt.

Dieser Ansatz ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die rechenintensive Ressourcen benötigen oder große Datenmengen verarbeiten müssen. Durch den Wegfall der VM-Schicht reduzieren Bare-Metal-Kubernetes-Cluster den Overhead, der manchmal die Leistung solch anspruchsvoller Anwendungen einschränken kann.

Nachteile von Bare-Metal-Kubernetes-Clustern

Doch nichts ist ohne Nachteile. Bare-Metal-Cluster können zwar eine beeindruckende Leistung bieten, doch fehlen ihnen traditionell einige der Funktionen, die in VM-basierten Lösungen enthalten sind, wie z.B. die Möglichkeit, schnell und einfach Worker-Knoten zu erstellen, zu entfernen oder zu migrieren. Sie erfordern zudem einen höheren Verwaltungsaufwand als ihre VM-Gegenstücke, obwohl viele Anbieter sich um die Verwaltung kümmern und dem Kunden diese Sorge abnehmen.

Kubernetes-Cluster auf virtuellen Maschinen

Im Gegensatz zu Bare-Metal werden VM-basierte Cluster durch die Implementierung von Kubernetes auf virtuellen Maschinen betrieben. Jede dieser VMs führt ihr eigenes Betriebssystem aus und teilt sich die Ressourcen eines einzigen physischen Hosts, wie in Abbildung 4 dargestellt:

Vorteile und Anwendungsfälle von VM-Kubernetes-Clustern

Der große Vorteil von VM-basierten Clustern im Vergleich zu Bare-Metal-Kubernetes-Clustern liegt in ihrer Flexibilität und Isolierung. VMs können einfach erstellt, entfernt und migriert werden, ohne den physischen Host oder andere VMs zu beeinträchtigen. Das Ergebnis ist eine äußerst flexible und skalierbare Umgebung, die sich schnell an veränderte Anforderungen anpassen kann. Darüber hinaus bietet die Isolierung durch VMs eine zusätzliche Sicherheitsebene, da sie die möglichen Auswirkungen von Systemausfällen oder Sicherheitsverletzungen begrenzt. (Abgesehen davon glauben viele Experten, dass VMs weniger sicher sind als BM, da einige VM-Exploits es einer VM ermöglichen, den Adressraum einer anderen zu lesen.)

Nachteile von VM-Kubernetes-Clustern

VM-Kubernetes-Cluster haben jedoch auch Nachteile. Schauen wir uns diese einmal an:

• Das Hinzufügen einer VM-Schicht führt zu zusätzlichem Overhead, der sich auf Leistung und Latenz auswirkt.
• Die Planung und Ausführung von containerisierten Anwendungen innerhalb von VMs kann zu Latenzzeiten führen, da Anfragen die Virtualisierungsschicht durchlaufen müssen.
• VMs verwenden in der Regel Netzwerkfestplatten, was aufgrund von Leistungseinschränkungen des Netzwerks zu zusätzlichen Latenzzeiten führt.
• Die Leistung der von VMs verwendeten virtuellen Netzwerkadaptern kann in der Regel nicht mit den Fähigkeiten der physischen Adapter mithalten, was zusätzlich zu den Latenzzeiten beiträgt.

Bare-Metal und VM-Kubernetes-Cluster im Vergleich

Wie wir gesehen haben, haben BM- und VM-Kubernetes-Cluster ihre jeweils eigenen Vorteile, Anwendungsfälle und Nachteile. Lassen Sie uns die Technologien in zwei Bereichen direkt vergleichen – Geschwindigkeit und Netzwerkleistung sowie Sicherheit – und fassen sie dann jede Methode in einer Tabelle zusammen.

Geschwindigkeit und Netzwerkleistung im Vergleich

Bare-Metal-Server (BMs) bieten eine bessere Leistung als VMs, da sie direkten Zugriff auf lokale Festplatten ermöglichen, die für optimale Geschwindigkeit und Effizienz als SSD-Raids konfiguriert werden können. Darüber hinaus verwenden BMs physische Netzwerkadapter, die ihren virtuellen Gegenstücken deutlich überlegen sind. Daher können Sie bei der Verwendung von BMs im Vergleich zu VMs eine bessere Festplatten- und Netzwerkleistung erwarten, was zu geringeren Latenzzeiten und einer besseren Gesamtsystemleistung führt.

Vergleich der Sicherheit

Es stimmt zwar, dass sich einige Unternehmen aufgrund vermeintlicher Vorteile wie Isolierung und einfacher Skalierbarkeit für VM-basiertes Kubernetes entscheiden, aber das ist nicht unbedingt ein Hinweis auf ein überlegenes Sicherheitsmodell. Einige Experten argumentieren, dass Bare-Metal-Kubernetes-Cluster möglicherweise eine bessere Sicherheit bieten, da sie ohne die für virtuelle Maschinen charakteristische gemeinsame Mandantenfähigkeit arbeiten. Da kein Code eines anderen Kunden auf derselben Hardware läuft, auch nicht in einer anderen VM, werden die Risiken einer möglichen Kreuzkontamination oder von Sicherheitsverletzungen erheblich gemindert.

Außerdem bieten Bare-Metal-Umgebungen ohne Hypervisor-Schicht eine geringere Angriffsfläche. Der Hypervisor in VMs stellt eine zusätzliche Ebene dar, die Angreifer potenziell ausnutzen können. Durch die Beseitigung dieser Schicht in einer Bare-Metal-Konfiguration wird die Anzahl der potenziellen Einstiegspunkte für bösartige Aktivitäten reduziert.

Allerdings hängt die Sicherheit eines Bare-Metal- oder VM-basierten Systems weitgehend davon ab, wie es verwaltet wird. Gute Praktiken, regelmäßige Patches, eine ordnungsgemäße Konfiguration und fortschrittliche Sicherheitstools sind in beiden Fällen entscheidend.

Vergleichstabelle von BM- und VM-Kubernetes-Clustern

Lassen Sie uns die Stärken, Schwächen und Anwendungsfälle der beiden Methoden in der folgenden Tabelle zusammenfassen:

	Stärken	Schwächen	Anwendungsfälle
Bare-Metal-Kubernetes	Hohe LeistungGeringere LatenzVollständige Nutzung der Hardware	Erfordert ein höheres Maß an VerwaltungWeniger Funktionen im Vergleich zu VM-basierten Lösungen	Arbeitslasten mit hohen AnforderungenDatenintensive AnwendungenRechenintensive Aufgaben mit Anforderungen geringer Latenzzeiten
VM-basierte Kubernetes-Cluster	FlexibilitätSchneller Aufbau neuer Instanzen	Overhead, der sich auf Leistung und Latenz auswirken kannRisiko des Noisy Neighbor-Effekts	● Umgebungen, die schnell und einfach skalierbar sein müssenKosteneinsparung durch die Verwendung kleinerer Flavors (Teil der Server-Ressourcen)

Darüber hinaus ist es möglich, beide Clustertypen im Hinblick auf Leistung und Betrieb zu vergleichen:

	Netzwerkleistung	Speicherleistung	CPU-Leistung	Startzeiten
Bare-Metal-Kubernetes	Hoch	Hoch	Hoch	Langsamer
VM-basierte Cluster	Moderat	Moderat	Moderat	Schnell

Vergleich von Leistung und Latenz

Lassen Sie uns die Leistung und Latenz zwischen Bare-Metal und VM-basierten Kubernetes-Clustern direkt vergleichen. Für viele sind diese Faktoren die wichtigsten bei der Entscheidung, ob sie sich für BM oder VM entscheiden.

Vergleich der Leistung

Leistung kann auf viele Arten quantifiziert werden, aber im Zusammenhang mit der Cloud bezieht sie sich im Allgemeinen darauf, wie effizient ein System Aufgaben ausführen kann. Bei Bare-Metal-Clustern kann durch den Wegfall des Overheads der VM-Schicht das volle Potenzial der Hardware ausgeschöpft werden.

Eine praktische Anwendung könnte eine stark nachgefragte Anwendung wie eine Datenanalyseplattform sein. Wenn Sie eine solche Anwendung auf einem Bare-Metal-Cluster ausführen, können Sie feststellen, dass Aufgaben aufgrund des geringeren Overheads schneller erledigt werden und der Cluster mehr Daten in kürzerer Zeit verarbeiten kann als ein VM-basierter Cluster.

Andererseits bieten VM-basierte Cluster aufgrund der Virtualisierungsschicht und des damit verbundenen Overheads möglicherweise nicht das gleiche Niveau an Rohleistung wie Bare-Metal-Cluster. VM-basierte Cluster zeichnen sich jedoch durch ihre Flexibilität und Skalierbarkeit aus, die je nach Ihren spezifischen Anforderungen auch Aspekte der Leistung sein können.

Vergleich der Latenz

In Bezug auf die Latenz haben Bare-Metal-Cluster einen Vorteil, da keine Virtualisierungsschicht vorhanden ist. Die Latenzzeit kann für Anwendungen, die eine Reaktion in Echtzeit erfordern, wie IoT-Geräte, Spiele oder Echtzeit-Analysen, kritisch sein. In diesem Fall kann ein Bare-Metal-Kubernetes-Cluster eine Lösung mit geringerer Latenz sein, die sicherstellt, dass die Daten schnell verarbeitet und zurückgegeben werden.

Im Gegensatz dazu können VM-basierte Cluster aufgrund der zusätzlichen Schritte, die durch die Virtualisierungsschicht erforderlich werden, eine höhere Latenz aufweisen. Diese zusätzlichen Schritte ermöglichen es VMs zwar, Funktionen wie z.B. Flexibilität zu bieten, aber sie erhöhen auch die Zeit, die für die Verarbeitung und Rückgabe von Daten benötigt wird.

Um die Unterschiede in der Leistung und Latenz zwischen Bare-Metal-Kubernetes und VM-basierten Clustern zu veranschaulichen, können wir mit einigen Vergleichsdaten arbeiten. Die folgende Tabelle fasst die typischen Ergebnisse zusammen, die Sie unter der Annahme ähnlicher Konfigurationen und Arbeitslastmuster erwarten können:

	Bare-Metal-Kubernetes	VM-basierte Cluster
Geschwindigkeit der Datenverarbeitung (TB/Stunde)	Höher	Niedriger
Netzwerklatenz (ms)	Niedriger	Höher
Festplattenlatenz (ms)	Niedriger	Höher

Natürlich sind diese Vergleiche nicht absolut. Die tatsächliche Leistung und Latenzzeit hängt von vielen Faktoren ab, darunter die spezifischen Konfigurationen, Arbeitslasten und die Fähigkeiten der zugrunde liegenden Hardware. In einigen Fällen können die Vorteile von VM-basierten Clustern, wie z.B. ihre Skalierbarkeit, den reinen Leistungsvorteil von Bare-Metal-Kubernetes überwiegen.

Im nächsten Abschnitt werden wir erörtern, wie Gcores Managed Kubernetes auf Bare-Metal eine erweiterte Lösung bietet, die die Stärken beider Ansätze kombiniert.

Der Gcore-Vorteil: Gcore Managed Kubernetes auf Bare-Metal

In einer Zeit, die von einem intensiven Streben nach Leistungsoptimierung und effizientem Ressourcenmanagement geprägt ist, präsentiert Gcore seinen Managed Kubernetes auf Bare-Metal-Service. Diese vollständig verwaltete Lösung wurde entwickelt, um die besonderen Anforderungen von Unternehmen zu erfüllen, die die Leistung und Geschwindigkeit von Gcore Bare-Metal mit der professionellen Verwaltung und Unterstützung eines erfahrenen Teams kombinieren möchten.

Gcore Managed Kubernetes auf Bare-Metal hebt sich folgendermaßen von der Konkurrenz ab:

• Nutzen Sie die Leistung und das Potenzial von Kubernetes voll aus, ohne den durch die Virtualisierung verursachten Overhead: Dies führt zu einer verbesserten Leistung und geringeren Latenz, was spürbare Vorteile für Anwendungen bringt, die Reaktionen in Echtzeit erfordern oder hohe Arbeitslasten bewältigen müssen.
• Kombinieren Sie die Vorteile von Bare-Metal mit dem Komfort eines verwalteten Dienstes: Die Verwaltung der Kubernetes-Umgebung wird vom Expertenteam von Gcore übernommen. So kann sich Ihr Team auf die Entwicklung und Bereitstellung von Anwendungen konzentrieren und muss sich nicht um die Feinheiten der Kubernetes-Verwaltung kümmern.

Ganz gleich, ob Sie ein Startup sind, das seine erste Anwendung auf den Weg bringen möchte, oder ein etabliertes Unternehmen, das seine bestehenden Systeme optimieren möchte, Gcores Managed Kubernetes auf Bare-Metal könnte die Lösung sein, nach der Sie in Bezug auf Leistung und betriebliche Effizienz gesucht haben.

Fazit

In der sich ständig weiterentwickelnden Welt der Technologie können unsere Entscheidungen hinsichtlich der Infrastruktur den Erfolg unserer Anwendungen und letztlich auch unserer Unternehmen entscheidend beeinflussen. Der Vergleich zwischen Bare-Metal-Kubernetes und VM-basierten Clustern ist eine dieser Entscheidungen, wobei jede ihre eigenen Vorteile und Kompromisse bietet. Bare-Metal-Kubernetes bietet mit seinem direkten Zugriff auf die zugrunde liegende Hardware eine hohe Leistung und geringe Latenz. Andererseits bieten VM-basierte Cluster die Vorteile von Flexibilität und einfacher Skalierbarkeit.

Aber warum Kompromisse eingehen, wenn Sie das Beste aus beiden Welten haben können? Gcores Managed Kubernetes auf Bare-Metal bietet die Leistungsvorteile von Bare-Metal-Kubernetes als vollständig verwaltete Lösung. Es bietet eine Umgebung, die vor Unterbrechungen schützt und den reibungslosen Betrieb Ihrer Anwendungen sicherstellt, während es gleichzeitig eine leistungsstarke und komfortable Plattform bietet.

Wenn Sie über Ihre Möglichkeiten nachdenken, in der Cloud erfolgreich zu sein, laden wir Sie ein, Gcore Managed Kubernetes auf Bare-Metal näher kennenzulernen. Entdecken Sie den Gcore-Vorteil selbst und sehen Sie, wie dieser Ihre Anwendungen noch erfolgreicher machen kann.