En informática, la virtualización (v12n) es una serie de tecnologías que permiten dividir los recursos informáticos físicos en una serie de máquinas virtuales , sistemas operativos , procesos o contenedores. [1]
La virtualización comenzó en la década de 1960 con IBM CP/CMS . [1] El programa de control CP proporcionó a cada usuario una computadora System/360 independiente simulada.
En la virtualización de hardware, la máquina host es la máquina que utiliza la virtualización y la máquina invitada es la máquina virtual. Las palabras anfitrión e invitado se utilizan para distinguir el software que se ejecuta en la máquina física del software que se ejecuta en la máquina virtual. El software o firmware que crea una máquina virtual en el hardware del host se denomina hipervisor o monitor de máquina virtual . [2] La virtualización de hardware no es lo mismo que la emulación de hardware . La virtualización asistida por hardware facilita la creación de un monitor de máquina virtual y permite que los sistemas operativos invitados se ejecuten de forma aislada.
La virtualización de escritorio es el concepto de separar el escritorio lógico de la máquina física.
La virtualización a nivel de sistema operativo, también conocida como contenedorización , se refiere a una característica del sistema operativo en la que el kernel permite la existencia de múltiples instancias aisladas de espacio de usuario .
El objetivo habitual de la virtualización es centralizar las tareas administrativas y al mismo tiempo mejorar la escalabilidad y la utilización general de los recursos de hardware.
Una forma de virtualización se demostró por primera vez con el sistema de investigación CP-40 de IBM en 1967, luego se distribuyó a través de código abierto en CP/CMS en 1967-1972 y se volvió a implementar en la familia VM de IBM desde 1972 hasta el presente. A cada usuario de CP/CMS se le proporcionó una computadora independiente simulada. Cada una de estas máquinas virtuales tenía las capacidades completas de la máquina subyacente y (para su usuario) la máquina virtual era indistinguible de un sistema privado. Esta simulación fue exhaustiva y se basó en el manual de principios de funcionamiento del hardware. Por tanto, incluía elementos tales como un conjunto de instrucciones, memoria principal, interrupciones, excepciones y acceso a dispositivos. El resultado fue una única máquina que podía multiplexarse entre muchos usuarios.
La virtualización asistida por hardware apareció por primera vez en IBM System/370 en 1972, para su uso con VM/370 , el primer sistema operativo de máquina virtual. IBM agregó hardware de memoria virtual a la serie System/370 en 1972, que no es lo mismo que los anillos Intel VT-x, que brindan un nivel de privilegio más alto para que el hipervisor controle adecuadamente las máquinas virtuales que requieren acceso completo a los modos Supervisor y Programa o Usuario.
Con la creciente demanda de gráficos por computadora de alta definición (por ejemplo, CAD ), la virtualización de mainframes perdió algo de atención a fines de la década de 1970, cuando las próximas minicomputadoras fomentaron la asignación de recursos a través de la computación distribuida , abarcando la mercantilización de las microcomputadoras .
El aumento de la capacidad informática por servidor x86 (y en particular el aumento sustancial de los anchos de banda de las redes modernas) reavivó el interés en la informática basada en centros de datos que se basa en técnicas de virtualización. El principal impulsor fue el potencial de consolidación de servidores: la virtualización permitió que un solo servidor consolidara de manera rentable la potencia informática en múltiples servidores dedicados infrautilizados. El sello más visible de un retorno a las raíces de la computación es la computación en la nube , que es sinónimo de computación basada en centros de datos (o computación tipo mainframe) a través de redes de gran ancho de banda. Está estrechamente relacionado con la virtualización.
La arquitectura x86 de implementación inicial no cumplía con los requisitos de virtualización de Popek y Goldberg para lograr la "virtualización clásica":
Esto dificultó la implementación de un monitor de máquina virtual para este tipo de procesador. Las limitaciones específicas incluían la incapacidad de realizar trampas en algunas instrucciones privilegiadas . [3] Por lo tanto, para compensar estas limitaciones arquitectónicas, los diseñadores lograron la virtualización de la arquitectura x86 a través de dos métodos: virtualización completa o paravirtualización . [4] Ambos crean la ilusión de que el hardware físico logra el objetivo de que el sistema operativo sea independiente del hardware, pero presentan algunas compensaciones en cuanto a rendimiento y complejidad.
La virtualización completa no estaba completamente disponible en la plataforma x86 antes de 2005. Muchos hipervisores de plataforma para la plataforma x86 se acercaron mucho y reclamaron la virtualización completa (como Adeos , Mac-on-Linux, Parallels Desktop para Mac , Parallels Workstation , VMware Workstation , VMware Server (anteriormente GSX Server), VirtualBox , Win4BSD y Win4Lin Pro ).
En 2005 y 2006, Intel y AMD (trabajando de forma independiente) crearon nuevas extensiones de procesador para la arquitectura x86 llamadas Intel VT-x y AMD-V, respectivamente. En la arquitectura Itanium , la virtualización asistida por hardware se conoce como VT-i. La primera generación de procesadores x86 compatibles con estas extensiones se lanzó a finales de 2005 y principios de 2006:
La virtualización de hardware (o virtualización de plataforma) agrupa recursos informáticos en una o más máquinas virtuales . Una máquina virtual implementa la funcionalidad de una computadora (física) con un sistema operativo. El software o firmware que crea una máquina virtual en el hardware del host se denomina hipervisor o monitor de máquina virtual . [2]
El software ejecutado en estas máquinas virtuales está separado de los recursos de hardware subyacentes. Por ejemplo, una computadora que ejecuta Arch Linux puede albergar una máquina virtual que parece una computadora con el sistema operativo Microsoft Windows ; El software basado en Windows se puede ejecutar en la máquina virtual. [5] [6]
Los diferentes tipos de virtualización de hardware incluyen:
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La virtualización completa emplea técnicas que agrupan recursos informáticos físicos en una o más instancias; cada uno ejecuta un entorno virtual donde cualquier software o sistema operativo capaz de ejecutarse en el hardware sin formato se puede ejecutar en la máquina virtual. Normalmente se utilizan dos técnicas comunes de virtualización completa: (a) traducción binaria y (b) virtualización completa asistida por hardware. [1] La traducción binaria modifica automáticamente el software sobre la marcha para reemplazar las instrucciones que "perforan la máquina virtual" con una secuencia de instrucciones diferente y segura para la máquina virtual. [7] La virtualización asistida por hardware permite que los sistemas operativos invitados se ejecuten de forma aislada prácticamente sin modificaciones en el sistema operativo (invitado).
La virtualización completa requiere que cada característica destacada del hardware se refleje en una de varias máquinas virtuales, incluido el conjunto completo de instrucciones, operaciones de entrada/salida , interrupciones, acceso a la memoria y cualquier otro elemento utilizado por el software que se ejecuta en la máquina básica. , y que está pensado para ejecutarse en una máquina virtual.
Este enfoque fue pionero en 1966 con IBM CP-40 y CP-67 , predecesores de la familia VM .
En la traducción binaria, las instrucciones se traducen para que coincidan con la arquitectura de hardware emulada. [1] Una pieza de hardware imita a otra, mientras que en la virtualización asistida por hardware, un hipervisor (una pieza de software) imita una pieza particular de hardware de computadora o la computadora completa. Además, no es lo mismo un hipervisor que un emulador ; Ambos son programas informáticos que imitan el hardware, pero su dominio de uso en el lenguaje difiere. [8]
La virtualización asistida por hardware (o virtualización acelerada; Xen la llama máquina virtual de hardware (HVM) y Virtual Iron la llama virtualización nativa) es una forma de mejorar la eficiencia general de la virtualización de hardware utilizando la ayuda de los procesadores host. Se utiliza una virtualización completa para emular un entorno de hardware completo, o máquina virtual , en el que un sistema operativo invitado no modificado (que utiliza el mismo conjunto de instrucciones que la máquina host) se ejecuta efectivamente de forma completamente aislada.
La virtualización asistida por hardware se introdujo por primera vez en los procesadores IBM 308X en 1980, con la instrucción Start Interpretive Execution (SIE). [9] Se agregó a los procesadores x86 ( Intel VT-x , AMD-V o VIA VT ) en 2005, 2006 y 2010 [10] respectivamente.
IBM ofrece virtualización de hardware para su hardware IBM Power Systems para AIX , Linux e IBM i , y para sus mainframes IBM Z. IBM se refiere a su forma específica de virtualización de hardware como "partición lógica", o más comúnmente como LPAR .
La virtualización asistida por hardware reduce la sobrecarga de mantenimiento de la paravirtualización, ya que reduce (idealmente, elimina) los cambios necesarios en el sistema operativo invitado. También es considerablemente más fácil obtener un mejor rendimiento.
La paravirtualización es una técnica de virtualización que presenta una interfaz de software a las máquinas virtuales que es similar, aunque no idéntica, a la interfaz hardware-software subyacente. La paravirtualización mejora el rendimiento y la eficiencia, en comparación con la virtualización completa, al hacer que el sistema operativo invitado se comunique con el hipervisor. Al permitir que el sistema operativo invitado indique su intención al hipervisor, cada uno puede cooperar para obtener un mejor rendimiento cuando se ejecuta en una máquina virtual.
La intención de la interfaz modificada es reducir la parte del tiempo de ejecución del huésped dedicado a realizar operaciones que son sustancialmente más difíciles de ejecutar en un entorno virtual en comparación con un entorno no virtualizado. La paravirtualización proporciona 'ganchos' especialmente definidos para permitir que los invitados y el anfitrión soliciten y reconozcan estas tareas, que de otro modo se ejecutarían en el dominio virtual (donde el rendimiento de ejecución es peor). Una plataforma paravirtualizada exitosa puede permitir que el monitor de máquina virtual (VMM) sea más simple (al reubicar la ejecución de tareas críticas del dominio virtual al dominio host) y/o reducir la degradación general del rendimiento de la ejecución de la máquina dentro del huésped virtual.
La paravirtualización requiere que el sistema operativo invitado sea portado explícitamente para la para- API : una distribución de sistema operativo convencional que no sea compatible con la paravirtualización no se puede ejecutar sobre un VMM paravirtualizado. Sin embargo, incluso en los casos en los que el sistema operativo no se puede modificar, es posible que haya componentes disponibles que permitan muchas de las importantes ventajas de rendimiento de la paravirtualización. Por ejemplo, el proyecto Xen Windows GPLPV proporciona un kit de controladores de dispositivos compatibles con paravirtualización, que están destinados a instalarse en un invitado virtual de Microsoft Windows que se ejecuta en el hipervisor Xen . [11] Estas aplicaciones tienden a ser accesibles a través del entorno de interfaz de máquina paravirtual. Esto garantiza la compatibilidad del modo de ejecución entre múltiples modelos de algoritmos de cifrado, lo que permite una integración perfecta dentro del marco paravirtual. [12]
El término "paravirtualización" se utilizó por primera vez en la literatura de investigación en asociación con Denali Virtual Machine Manager. [13] El término también se utiliza para describir los hipervisores Xen , L4 , TRANGO , VMware , Wind River y XtratuM . Todos estos proyectos utilizan o pueden utilizar técnicas de paravirtualización para admitir máquinas virtuales de alto rendimiento en hardware x86 mediante la implementación de una máquina virtual que no implemente las partes difíciles de virtualizar del conjunto de instrucciones x86 real. [14]
En 2005, VMware propuso una interfaz de paravirtualización, la Interfaz de Máquina Virtual (VMI), como mecanismo de comunicación entre el sistema operativo invitado y el hipervisor. Esta interfaz permitió una paravirtualización transparente en la que una única versión binaria del sistema operativo puede ejecutarse en hardware nativo o en un hipervisor en modo paravirtualizado.
La primera aparición del soporte de paravirtualización en Linux se produjo con la fusión del puerto ppc64 en 2002, [15] que admitía la ejecución de Linux como huésped paravirtualizado en hardware IBM pSeries (RS/6000) e iSeries (AS/400).
En la conferencia USENIX de 2006 en Boston, Massachusetts , varios proveedores de desarrollo de Linux (incluidos IBM, VMware, Xen y Red Hat) colaboraron en una forma alternativa de paravirtualización, inicialmente desarrollada por el grupo Xen, llamada "paravirt-ops". . [16] El código paravirt-ops (a menudo abreviado como pv-ops) se incluyó en el kernel principal de Linux a partir de la versión 2.6.23 y proporciona una interfaz independiente del hipervisor entre el hipervisor y los kernels invitados. El soporte de distribución para kernels invitados pv-ops apareció a partir de Ubuntu 7.04 y RedHat 9. Los hipervisores Xen basados en cualquier kernel 2.6.24 o posterior admiten invitados pv-ops, al igual que el producto Workstation de VMware a partir de la versión 6. [17]
La virtualización híbrida combina técnicas de virtualización completa con controladores paravirtualizados para superar las limitaciones con la virtualización completa asistida por hardware. [18]
Un enfoque de virtualización completa asistida por hardware utiliza un sistema operativo invitado no modificado que involucra muchas trampas de VM que producen altos gastos de CPU que limitan la escalabilidad y la eficiencia de la consolidación del servidor. [19] El enfoque de virtualización híbrida supera este problema.
La virtualización de escritorio separa el escritorio lógico de la máquina física.
Una forma de virtualización de escritorio, la infraestructura de escritorio virtual (VDI), puede considerarse como una forma más avanzada de virtualización de hardware. En lugar de interactuar con una computadora host directamente a través de un teclado, mouse y monitor, el usuario interactúa con la computadora host usando otra computadora de escritorio o un dispositivo móvil mediante una conexión de red, como una LAN , una LAN inalámbrica o incluso Internet. . Además, la computadora host en este escenario se convierte en una computadora servidor capaz de alojar múltiples máquinas virtuales al mismo tiempo para múltiples usuarios. [20]
A medida que las organizaciones continúan virtualizando y haciendo converger su entorno de centro de datos, las arquitecturas de los clientes también continúan evolucionando para aprovechar la previsibilidad, la continuidad y la calidad del servicio brindado por su infraestructura convergente . Por ejemplo, empresas como HP e IBM ofrecen un modelo VDI híbrido con una gama de software de virtualización y modelos de entrega para mejorar las limitaciones de la informática de cliente distribuida . [21] Los entornos de clientes seleccionados mueven cargas de trabajo desde PC y otros dispositivos a servidores de centros de datos, creando clientes virtuales bien administrados, con aplicaciones y entornos operativos de clientes alojados en servidores y almacenamiento en el centro de datos. Para los usuarios, esto significa que pueden acceder a su escritorio desde cualquier ubicación, sin estar atados a un único dispositivo cliente. Dado que los recursos están centralizados, los usuarios que se mueven entre lugares de trabajo aún pueden acceder al mismo entorno de cliente con sus aplicaciones y datos. [21] Para los administradores de TI, esto significa un entorno de cliente más centralizado y eficiente, más fácil de mantener y capaz de responder más rápidamente a las necesidades cambiantes del usuario y de la empresa. [22] Otra forma, la virtualización de sesiones, permite que varios usuarios se conecten e inicien sesión en una computadora compartida pero potente a través de la red y la utilicen simultáneamente. Cada uno recibe un escritorio y una carpeta personal en la que almacenan sus archivos. [20] Con la configuración multipuesto , la virtualización de sesiones se puede lograr utilizando una sola PC con múltiples monitores, teclados y ratones conectados.
Los clientes ligeros , que se ven en la virtualización de escritorios, son computadoras simples y/o económicas que están diseñadas principalmente para conectarse a la red. Es posible que les falte mucho espacio de almacenamiento en el disco duro , RAM o incluso potencia de procesamiento , pero muchas organizaciones están empezando a considerar los beneficios en términos de costos de eliminar los escritorios de "clientes pesados" que están repletos de software (y requieren tarifas de licencia de software) y realizar inversiones más estratégicas. . [23]
La virtualización de escritorio simplifica el control de versiones del software y la administración de parches, donde la nueva imagen simplemente se actualiza en el servidor y el escritorio obtiene la versión actualizada cuando se reinicia. También permite un control centralizado sobre las aplicaciones a las que el usuario puede tener acceso en la estación de trabajo.
Mover escritorios virtualizados a la nube crea escritorios virtuales alojados (HVD), en los que las imágenes de escritorio son administradas y mantenidas de forma centralizada por una empresa de alojamiento especializada. Los beneficios incluyen escalabilidad y reducción del gasto de capital, que se reemplaza por un costo operativo mensual. [24]
La virtualización a nivel de sistema operativo, también conocida como contenedorización , se refiere a una característica del sistema operativo en la que el kernel permite la existencia de múltiples instancias aisladas de espacio de usuario . Estas instancias, llamadas contenedores, [25] particiones, entornos virtuales (VE) o cárceles ( FreeBSD jail o chroot jail ), pueden parecerse a computadoras reales desde el punto de vista de los programas que se ejecutan en ellas. Un programa de computadora que se ejecuta en un sistema operativo normal puede ver todos los recursos (dispositivos conectados, archivos y carpetas, recursos compartidos de red , potencia de CPU, capacidades de hardware cuantificables) de esa computadora. Sin embargo, los programas que se ejecutan dentro de un contenedor solo pueden ver el contenido del contenedor y los dispositivos asignados al contenedor.
Esto proporciona muchos de los beneficios que tienen las máquinas virtuales, como la estandarización y la escalabilidad, al tiempo que utiliza menos recursos ya que el kernel se comparte entre contenedores. [26]
La contenedorización comenzó a ganar importancia en 2014, con la introducción de Docker . [27] [28]
La virtualización, en particular la virtualización completa, ha demostrado ser beneficiosa para:
Un objetivo común de la virtualización es centralizar las tareas administrativas y al mismo tiempo mejorar la escalabilidad y la utilización general de los recursos de hardware. Con la virtualización, se pueden ejecutar varios sistemas operativos en paralelo en una única unidad central de procesamiento (CPU). Este paralelismo tiende a reducir los costos generales y difiere de la multitarea, que implica ejecutar varios programas en el mismo sistema operativo. Al utilizar la virtualización, una empresa puede gestionar mejor las actualizaciones y los cambios rápidos en el sistema operativo y las aplicaciones sin interrumpir al usuario. "
En última instancia, la virtualización mejora drásticamente la eficiencia y disponibilidad de los recursos y aplicaciones de una organización. En lugar de depender del antiguo modelo de "un servidor, una aplicación" que conduce a recursos infrautilizados, los recursos virtuales se aplican dinámicamente para satisfacer las necesidades empresariales sin exceso de grasa". [30]
Las máquinas virtuales que ejecutan sistemas operativos propietarios requieren licencia, independientemente del sistema operativo de la máquina host. Por ejemplo, instalar Microsoft Windows en una VM invitada requiere que se cumplan sus requisitos de licencia. [31] [32] [33]
Una computadora virtual es una representación lógica de una computadora en software. Al desacoplar el hardware físico del sistema operativo, la virtualización proporciona más flexibilidad operativa y aumenta la tasa de utilización del hardware físico subyacente.
El controlador GPLPV es un controlador para Microsoft Windows, que permite que los sistemas Windows DomU virtualizados en Xen accedan a la red y bloqueen los controladores del Xen Dom0. Esto proporciona una ganancia significativa de rendimiento y confiabilidad con respecto a los dispositivos estándar emulados por Xen/Qemu/Kvm.
Finn explicó que Standard cubre 2 CPU en un host y pasa de un VOSE (entorno de sistema operativo virtual - 1 instalación estándar gratuita en una VM en ese host) a dos, y "ahora tiene todas las características y escalabilidad de Datacenter". Señaló que habrá un pequeño aumento de precio, pero dijo que pensaba que eso no importaría, ya que "debería virtualizarse de todos modos y la duplicación de los derechos de VOSE compensará". Windows Server Datacenter tenía un mínimo de dos licencias de 1 CPU con VOSE ilimitados. "Ahora es un SKU más simple que cubre dos CPU en un host con VOSE ilimitados", afirmó Finn.
