Máquina virtual

En informática , una máquina virtual ( VM ) es la virtualización o emulación de un sistema informático . Las máquinas virtuales se basan en arquitecturas informáticas y proporcionan la funcionalidad de un ordenador físico. Su implementación puede implicar hardware especializado, software o una combinación de ambos. Las máquinas virtuales difieren y se organizan según su función, como se muestra a continuación:

• Las máquinas virtuales de sistema (también llamadas máquinas virtuales de virtualización completa o SysVM ^{[ 1 ]} ) sustituyen a una máquina física. Proporcionan la funcionalidad necesaria para ejecutar sistemas operativos completos . Un hipervisor utiliza la ejecución nativa para compartir y gestionar el hardware, lo que permite la existencia de múltiples entornos aislados entre sí, pero que coexisten en la misma máquina física. Los hipervisores modernos emplean virtualización asistida por hardware , donde las características de hardware específicas para la virtualización en las CPU del host les brindan asistencia.
• Las máquinas virtuales de proceso están diseñadas para ejecutar programas informáticos en un entorno independiente de la plataforma.

Algunos emuladores de máquinas virtuales, como QEMU y los emuladores de consolas de videojuegos , están diseñados para emular (o "imitar virtualmente") diferentes arquitecturas de sistema, lo que permite la ejecución de aplicaciones de software y sistemas operativos escritos para otra CPU o arquitectura. La virtualización a nivel de sistema operativo permite particionar los recursos de un ordenador mediante el núcleo . Estos términos no son universalmente intercambiables.

Tanto las máquinas virtuales de sistema como las máquinas virtuales de proceso datan de la década de 1960 y siguen siendo áreas de desarrollo activo.

Las máquinas virtuales de sistema surgieron del tiempo compartido , implementado notablemente en el Sistema de Tiempo Compartido Compatible (CTSS). El tiempo compartido permitía que varios usuarios utilizaran un ordenador simultáneamente : cada programa parecía tener acceso completo a la máquina, pero solo se ejecutaba uno a la vez, y el sistema alternaba entre programas en intervalos de tiempo, guardando y restaurando el estado en cada ocasión. Esto evolucionó hacia las máquinas virtuales, especialmente a través de los sistemas de investigación de IBM: el M44/44X , que utilizaba virtualización parcial , y el CP-40 y el SIMMON , que utilizaban virtualización completa y fueron ejemplos tempranos de hipervisores . La primera arquitectura de máquina virtual ampliamente disponible fue el CP-67 /CMS (véase la Historia del CP/CMS para más detalles). Una distinción importante radicaba en el uso de varias máquinas virtuales en un mismo sistema anfitrión para el tiempo compartido, como en el M44/44X y el CP-40, y el uso de una sola máquina virtual en un sistema anfitrión para la creación de prototipos, como en el SIMMON. Los emuladores , con emulación de hardware de sistemas anteriores para compatibilidad, se remontan al IBM System/360 en 1963, ^{[ 8 ] [ 9 ]} mientras que la emulación de software (entonces llamada "simulación") es anterior a él.

Las máquinas virtuales de proceso surgieron originalmente como plataformas abstractas para un lenguaje intermedio utilizado como representación intermedia de un programa por un compilador ; los primeros ejemplos datan de alrededor de 1964 con el sistema de escritura de compiladores META II, que lo utilizaba tanto para la descripción de la sintaxis como para la generación de código de destino. Un ejemplo notable de 1966 fue la máquina de código O , una máquina virtual que ejecuta código O (código objeto) emitido por el front-end del compilador BCPL . Esta abstracción permitió que el compilador se portara fácilmente a una nueva arquitectura mediante la implementación de un nuevo back-end que tomaba el código O existente y lo compilaba a código máquina para la máquina física subyacente. El lenguaje Euler utilizó un diseño similar, con el lenguaje intermedio llamado P (portable). ^{[ 10 ]} Esto se popularizó alrededor de 1970 con Pascal , notablemente en el sistema Pascal-P (1973) y el compilador Pascal-S (1975), en el que se denominó código p y la máquina resultante como máquina de código p . Esto ha sido influyente, y las máquinas virtuales en este sentido se han denominado a menudo máquinas de código P. Además de ser un lenguaje intermedio, el código P de Pascal también se ejecutaba directamente mediante un intérprete que implementaba la máquina virtual, especialmente en UCSD Pascal (1978); esto influyó en intérpretes posteriores, en particular en la máquina virtual Java (JVM). Otro ejemplo temprano fue SNOBOL4 (1967), escrito en el lenguaje de implementación SNOBOL (SIL), un lenguaje ensamblador para una máquina virtual, que luego se adaptaba a máquinas físicas mediante la transpilación a su ensamblador nativo a través de un ensamblador de macros . ^{[ 11 ]} Sin embargo, las macros han caído en desuso, por lo que este enfoque ha sido menos influyente. Las máquinas virtuales de procesos fueron un enfoque popular para implementar software para microcomputadoras primitivas, incluyendo Tiny BASIC y juegos de aventuras, desde implementaciones únicas como Pyramid 2000 hasta un motor de propósito general como la z-machine de Infocom , que Graham Nelson argumenta que es "posiblemente la máquina virtual más portátil jamás creada". ^{[ 12 ]}

Se produjeron avances significativos en la implementación de Smalltalk -80, ^{[ 13 ]} particularmente la implementación Deutsch/Schiffmann ^{[ 14 ]} que impulsó la compilación justo a tiempo (JIT) como un enfoque de implementación que utiliza una máquina virtual de procesos. ^{[ 15 ]} Otras máquinas virtuales Smalltalk notables posteriores fueron VisualWorks , la máquina virtual Squeak , ^{[ 16 ]} y Strongtalk . ^{[ 17 ]} Un lenguaje relacionado que produjo mucha innovación en máquinas virtuales fue el lenguaje de programación Self , ^{[ 18 ]} que fue pionero en la optimización adaptativa ^{[ 19 ]} y la recolección de basura generacional . Estas técnicas demostraron su éxito comercial en 1999 en la máquina virtual Java HotSpot . ^{[ 20 ]} Otras innovaciones incluyen una máquina virtual basada en registros, para adaptarse mejor al hardware subyacente, en lugar de una máquina virtual basada en pila, que se ajusta más al lenguaje de programación; en 1995, esto fue pionero con la máquina virtual Dis para el lenguaje Limbo .

Una instantánea es un estado de una máquina virtual, y generalmente de sus dispositivos de almacenamiento, en un momento exacto. Una instantánea permite restaurar posteriormente el estado de la máquina virtual en el momento de la instantánea, deshaciendo así cualquier cambio posterior. Esta capacidad resulta útil como técnica de copia de seguridad , por ejemplo, antes de realizar una operación de riesgo. ^{[ 24 ]}

Las máquinas virtuales suelen usar discos virtuales para su almacenamiento; en un ejemplo muy sencillo, un disco duro de 10 gigabytes se simula con un archivo plano de 10 gigabytes . Cualquier solicitud de la máquina virtual para acceder a una ubicación en su disco físico se traduce automáticamente en una operación sobre el archivo correspondiente. Sin embargo, una vez que existe esta capa de traducción, es posible interceptar las operaciones y enviarlas a diferentes archivos, según diversos criterios. Cada vez que se toma una instantánea, se crea un nuevo archivo que se utiliza como superposición para sus predecesores. Los datos nuevos se escriben en la superposición superior; sin embargo, para leer los datos existentes, es necesario escanear la jerarquía de superposiciones, lo que permite acceder a la versión más reciente. De este modo, toda la pila de instantáneas constituye virtualmente un único disco coherente; en ese sentido, la creación de instantáneas funciona de forma similar a la técnica de copia de seguridad incremental .

En una instantánea también se pueden incluir otros componentes de una máquina virtual, como el contenido de su memoria RAM , la configuración del BIOS o sus ajustes de configuración. La función " Guardar estado " de los emuladores de consolas de videojuegos es un ejemplo de este tipo de instantáneas.

Restaurar una instantánea consiste en descartar o ignorar todas las capas superpuestas que se agreguen después de esa instantánea y dirigir todos los cambios nuevos a una nueva capa superpuesta.

Las instantáneas descritas anteriormente se pueden transferir a otra máquina host con su propio hipervisor. Cuando la máquina virtual se detiene temporalmente, se crea una instantánea, se transfiere y luego se reanuda en el nuevo host, este proceso se conoce como migración. Si las instantáneas antiguas se mantienen sincronizadas periódicamente, esta operación puede ser bastante rápida y permitir que la máquina virtual preste un servicio ininterrumpido mientras su host físico anterior se desconecta, por ejemplo, para mantenimiento.

De forma similar al mecanismo de migración descrito anteriormente, la conmutación por error permite que la máquina virtual continúe operando si el host falla. Generalmente, esto ocurre cuando la migración se ha detenido. Sin embargo, en este caso, la máquina virtual continúa operando desde el último estado coherente conocido, en lugar del estado actual , basándose en los últimos datos que recibió el servidor de respaldo.

La virtualización anidada se refiere a la capacidad de ejecutar una máquina virtual dentro de otra, siendo este concepto general extensible a una profundidad arbitraria. En otras palabras, la virtualización anidada consiste en ejecutar uno o más hipervisores dentro de otro hipervisor. La naturaleza de una máquina virtual invitada anidada no tiene por qué ser homogénea con su máquina virtual anfitriona; por ejemplo, la virtualización de aplicaciones puede implementarse dentro de una máquina virtual creada mediante virtualización de hardware . ^{[ 25 ]}

La virtualización anidada se vuelve más necesaria a medida que los sistemas operativos más extendidos incorporan funcionalidad de hipervisor, la cual, en un entorno virtualizado, solo puede utilizarse si el hipervisor circundante admite la virtualización anidada; por ejemplo, Windows 7 puede ejecutar aplicaciones de Windows XP dentro de una máquina virtual integrada. Además, migrar entornos virtualizados ya existentes a la nube, siguiendo el enfoque de Infraestructura como Servicio (IaaS), resulta mucho más complejo si la plataforma IaaS de destino no admite la virtualización anidada. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

La forma en que se puede implementar la virtualización anidada en una arquitectura de computadora particular depende de las capacidades de virtualización asistida por hardware compatibles . Si una arquitectura particular no proporciona el soporte de hardware necesario para la virtualización anidada, se emplean diversas técnicas de software para habilitarla. ^{[ 26 ]} Con el tiempo, más arquitecturas obtienen el soporte de hardware necesario; por ejemplo, desde la microarquitectura Haswell (anunciada en 2013), Intel comenzó a incluir el sombreado de VMCS como una tecnología que acelera la virtualización anidada. ^{[ 28 ]}

Las máquinas virtuales se utilizan con frecuencia para aislar las aplicaciones entre sí por motivos de seguridad.

Este diseño arquitectónico (utilizado por Qubes OS , Whonix , KickSecure y Dangerzone) puede prevenir la propagación de malware de un sistema comprometido (por ejemplo, un cliente de correo electrónico que abre un documento infectado ) a otro sistema (por ejemplo, un gestor de contraseñas ). ^{[ 29 ] [ 30 ]}

• James E. Smith, Ravi Nair, Máquinas virtuales: plataformas versátiles para sistemas y procesos , Morgan Kaufmann, mayo de 2005, ISBN 1-55860-910-5, 656 páginas (abarca tanto máquinas virtuales de proceso como de sistema)
• Craig, Iain D. Máquinas virtuales . Springer , 2006, ISBN 1-85233-969-1, 269 páginas (cubre únicamente máquinas virtuales de proceso)

• Mendel Rosenblum (31 de agosto de 2004). "La reencarnación de las máquinas virtuales" . ACM Queue . Vol.  2, n.º  5.
• Los Laboratorios Nacionales Sandia ejecutan 1 millón de núcleos Linux como máquinas virtuales.
• El diseño de la máquina virtual Inferno por Phil Winterbottom y Rob Pike