Virtualización

En informática , la virtualización (o virtualisation en inglés británico ; véanse las diferencias ortográficas ), abreviada como v12n , es una serie de tecnologías que permite 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 proporcionaba a cada usuario un ordenador System/360 autónomo simulado.

En la virtualización de hardware , la máquina anfitriona es la máquina que se utiliza para la virtualización y la máquina invitada es la máquina virtual. Los términos 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 anfitrión 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 contenerización , se refiere a una característica del sistema operativo en la que el núcleo permite la existencia de múltiples instancias aisladas en el espacio de usuario .

El objetivo habitual de la virtualización es centralizar las tareas administrativas al tiempo que se mejora 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 como software libre en CP/CMS entre 1967 y 1972, y se reimplementó en la familia VM de IBM desde 1972 hasta la actualidad. Cada usuario de CP/CMS disponía de un ordenador simulado e independiente. Cada máquina virtual poseía todas las capacidades de la máquina subyacente y (para su usuario) era indistinguible de un sistema privado. Esta simulación era exhaustiva y se basaba en el manual de Principios de Operación del hardware. Por lo tanto, incluía elementos como un conjunto de instrucciones, memoria principal, interrupciones, excepciones y acceso a dispositivos. El resultado era una única máquina que podía ser compartida entre varios usuarios.

La virtualización asistida por hardware apareció por primera vez en el IBM System/370 en 1972, para su uso con VM/370 , el primer sistema operativo de máquina virtual. IBM añadió hardware de memoria virtual a la serie System/370 en 1972, que no es lo mismo que los anillos Intel VT-x, proporcionando un nivel de privilegios superior para que el hipervisor controle adecuadamente las máquinas virtuales, requiriendo acceso completo a los modos de supervisor, programa o usuario.

Con la creciente demanda de gráficos informáticos de alta definición (por ejemplo, CAD ), la virtualización de los ordenadores centrales perdió algo de atención a finales de la década de 1970, cuando los incipientes miniordenadores impulsaron la asignación de recursos a través de la computación distribuida , lo que abarcó la mercantilización de los microordenadores .

El aumento de la capacidad de procesamiento por servidor x86 (y, en particular, el considerable incremento del ancho de banda de las redes modernas) reavivó el interés por la computación en centros de datos basada en técnicas de virtualización. El principal impulsor fue el potencial de consolidación de servidores: la virtualización permitió que un único servidor consolidara de forma rentable la potencia de procesamiento de múltiples servidores dedicados subutilizados. El rasgo más visible de este retorno a los orígenes de la computación es la computación en la nube , sinónimo de computación en centros de datos (o computación tipo mainframe) a través de redes de alto ancho de banda. Está estrechamente relacionada 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":

• equivalencia : un programa que se ejecuta bajo el monitor de máquina virtual (VMM) debería exhibir un comportamiento esencialmente idéntico al que se demuestra cuando se ejecuta directamente en una máquina equivalente.
• control de recursos (también llamado seguridad ): el VMM debe tener el control total de los recursos virtualizados.
• eficiencia : una fracción estadísticamente dominante de las instrucciones de la máquina debe ejecutarse sin intervención de la VMM

Esto dificultó la implementación de un monitor de máquina virtual para este tipo de procesador. Las limitaciones específicas incluían la incapacidad de interceptar algunas instrucciones privilegiadas . ^{[ 3 ]} Por lo tanto, para compensar estas limitaciones arquitectónicas, los diseñadores lograron la virtualización de la arquitectura x86 mediante dos métodos: virtualización completa o paravirtualización . ^{[ 4 ]} Ambos crean la ilusión de hardware físico para lograr el objetivo de independencia del sistema operativo respecto del hardware, pero presentan ciertas desventajas en rendimiento y complejidad.

La virtualización completa no estaba totalmente disponible en la plataforma x86 antes de 2005. Muchos hipervisores de plataforma para la plataforma x86 se acercaron mucho y afirmaban ofrecer 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, denominadas 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.

• El 13 de noviembre de 2005, Intel lanzó dos modelos de Pentium 4 (modelos 662 y 672) como los primeros procesadores Intel compatibles con VT-x.
• El 23 de mayo de 2006, AMD lanzó los procesadores Athlon 64 ("Orleans"), Athlon 64 X2 ("Windsor") y Athlon 64 FX ("Windsor") como los primeros procesadores AMD compatibles con esta tecnología.

La virtualización de hardware (o virtualización de plataforma) agrupa los recursos informáticos en una o más máquinas virtuales . Una máquina virtual implementa la funcionalidad de un ordenador (físico) con un sistema operativo. El software o firmware que crea una máquina virtual en el hardware anfitrión se denomina hipervisor o monitor de máquina virtual . ^{[ 2 ]}

El software que se ejecuta en estas máquinas virtuales está separado de los recursos de hardware subyacentes. Por ejemplo, un ordenador que ejecuta Arch Linux puede alojar una máquina virtual que se comporta como un ordenador con el sistema operativo Microsoft Windows ; en la máquina virtual se puede ejecutar software basado en Windows. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Los diferentes tipos de virtualización de hardware incluyen:

• Virtualización completa : Virtualización casi total del hardware real para permitir que los entornos de software, incluido un sistema operativo invitado y sus aplicaciones, se ejecuten sin modificaciones.
• Paravirtualización : Las aplicaciones invitadas se ejecutan en dominios aislados, como si se ejecutaran en un sistema independiente, pero sin simular un entorno de hardware. Los programas invitados deben modificarse específicamente para ejecutarse en este entorno.
• Virtualización híbrida : se basa principalmente en la virtualización completa, pero utiliza controladores de paravirtualización para aumentar el rendimiento de la máquina virtual .

Virtualización completa

La virtualización completa emplea técnicas que agrupan recursos informáticos físicos en una o más instancias; cada una ejecutando un entorno virtual donde cualquier software o sistema operativo capaz de ejecutarse en el hardware físico puede ejecutarse 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 ninguna modificación del sistema operativo (invitado).

La virtualización completa requiere que cada característica relevante del hardware se refleje en una de varias máquinas virtuales  , incluyendo el conjunto completo de instrucciones, las operaciones de entrada/salida , las interrupciones, el acceso a la memoria y cualquier otro elemento utilizado por el software que se ejecuta en la máquina física y que está diseñado para ejecutarse en una máquina virtual.

Este enfoque fue pionero en 1966 con los IBM CP-40 y CP-67 , predecesores de la familia VM .

Traducción binaria

Algunos hipervisores realizan traducción binaria entre el sistema invitado y el anfitrión, ya sea entre arquitecturas de conjuntos de instrucciones diferentes o entre un sistema invitado y un anfitrión que utilizan el mismo conjunto de instrucciones. El hipervisor puede estar diseñado para interpretar directamente el código máquina del sistema invitado o generar código máquina para la arquitectura del anfitrión mediante una traducción binaria dinámica .

La mayoría de los hipervisores, incluidos aquellos que utilizan hardware para la virtualización, realizan una traducción binaria de algunas instrucciones relacionadas con el acceso al hardware. En tal caso, el hipervisor intercepta la instrucción y ejecuta las funciones necesarias para emular los dispositivos requeridos. Los hipervisores que realizan traducción binaria también pueden diseñarse para sustituir instrucciones dentro del contexto del sistema invitado con el fin de mejorar la seguridad o el rendimiento.

Asistencia de hardware

La virtualización asistida por hardware (o virtualización acelerada; Xen la denomina máquina virtual de hardware (HVM) y Virtual Iron , virtualización nativa) es una forma de mejorar la eficiencia general de la virtualización de hardware mediante la ayuda de los procesadores del host. La virtualización completa se utiliza para emular un entorno de hardware completo, o máquina virtual , en el que un sistema operativo invitado sin modificar (que utiliza el mismo conjunto de instrucciones que la máquina anfitriona) se ejecuta de forma totalmente 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). ^{[ 8 ]} Se añadió a los procesadores x86 ( Intel VT-x , AMD-V o VIA VT ) en 2005, 2006 y 2010 ^{[ 9 ]} respectivamente.

IBM ofrece virtualización de hardware para sus sistemas IBM Power Systems para AIX , Linux e IBM i , y para sus mainframes IBM Z. IBM denomina a su forma específica de virtualización de hardware "partición lógica" o, más comúnmente, LPAR .

La virtualización asistida por hardware reduce la sobrecarga de mantenimiento de la virtualización basada en traducción binaria, ya que reduce (e idealmente elimina) el código que necesita traducirse en el sistema operativo invitado. Además, facilita considerablemente la obtención de un mejor rendimiento.

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 una forma más avanzada de virtualización de hardware. En lugar de interactuar directamente con un ordenador anfitrión mediante teclado, ratón y monitor, el usuario interactúa con el ordenador anfitrión utilizando otro ordenador de escritorio o un dispositivo móvil a través de una conexión de red, como una LAN , una LAN inalámbrica o incluso Internet . Además, en este caso, el ordenador anfitrión se convierte en un servidor capaz de alojar varias máquinas virtuales simultáneamente para múltiples usuarios. ^{[ 19 ]}

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 computación de cliente distribuida . ^{[ 20 ]} Los entornos de cliente seleccionados mueven las cargas de trabajo de PC y otros dispositivos a servidores de centros de datos, creando clientes virtuales bien administrados, con aplicaciones y entornos operativos de cliente 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 solo dispositivo cliente. Dado que los recursos están centralizados, los usuarios que se mueven entre ubicaciones de trabajo aún pueden acceder al mismo entorno de cliente con sus aplicaciones y datos. ^{[ 20 ]} Para los administradores de TI, esto significa un entorno de cliente más centralizado y eficiente que es más fácil de mantener y capaz de responder más rápidamente a las necesidades cambiantes del usuario y del negocio. ^{[ 21 ]} Otra forma, la virtualización de sesión, permite que varios usuarios se conecten e inicien sesión en una computadora compartida pero potente a través de la red y la usen simultáneamente. A cada uno se le asigna un escritorio y una carpeta personal en la que almacena sus archivos. ^{[ 19 ]} Con la configuración multiseat , la virtualización de sesiones se puede lograr utilizando una sola PC con varios monitores, teclados y ratones conectados.

Los clientes ligeros , que se ven en la virtualización de escritorios, son computadoras sencillas y/o económicas diseñadas principalmente para conectarse a la red. Pueden carecer de un espacio de almacenamiento en disco duro , RAM o incluso potencia de procesamiento significativos , pero muchas organizaciones están empezando a considerar los beneficios económicos de eliminar los escritorios de "cliente pesado" que vienen cargados de software (y requieren el pago de licencias de software) y realizar inversiones más estratégicas. ^{[ 22 ]}

La virtualización de escritorios simplifica la gestión de versiones y parches de software, ya que la nueva imagen se actualiza en el servidor y el escritorio obtiene la versión actualizada al reiniciarse. Además, permite un control centralizado sobre las aplicaciones a las que el usuario tiene acceso en la estación de trabajo.

La migración de escritorios virtualizados a la nube crea escritorios virtuales alojados (HVD), en los que las imágenes de escritorio son gestionadas y mantenidas centralmente por una empresa de alojamiento especializada. Entre las ventajas se incluyen la escalabilidad y la reducción de los gastos de capital, que se sustituyen por un coste operativo mensual. ^{[ 23 ]}

La virtualización a nivel de sistema operativo, también conocida como contenerización , se refiere a una característica del sistema operativo en la que el núcleo permite la existencia de múltiples instancias aisladas del espacio de usuario . Dichas instancias, llamadas contenedores, ^{[ 24 ]} particiones, entornos virtuales (VE) o jaulas ( jaula de FreeBSD o jaula chroot ), pueden parecer computadoras (físicas) desde el punto de vista de los programas que se ejecutan en ellas. Un programa de computadora que se ejecuta en un sistema operativo ordinario 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 a este.

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 núcleo se comparte entre contenedores. ^{[ 25 ]}

La contenerización comenzó a ganar prominencia en 2014, con la introducción de Docker . ^{[ 26 ] [ 27 ]}

Software

• Virtualización de aplicaciones y virtualización de espacios de trabajo : aislamiento de aplicaciones individuales del sistema operativo subyacente y de otras aplicaciones; estrechamente relacionado con el concepto de aplicaciones portátiles.
• Virtualización de servicios : emulación del comportamiento de componentes específicos en aplicaciones heterogéneas basadas en componentes, como aplicaciones basadas en API , aplicaciones en la nube y arquitecturas orientadas a servicios.

Memoria

• Virtualización de memoria : La agregación de recursos de RAM de múltiples sistemas en red en un único grupo de memoria unificado es un concepto conocido como memoria desagregada , agrupación de memoria o acceso remoto a memoria . Esta arquitectura busca superar las limitaciones de memoria tradicionales de un solo sistema, permitiendo que múltiples computadoras o nodos compartan su memoria de manera eficiente y con baja latencia.
• Memoria virtual : da a una aplicación la impresión de que tiene memoria de trabajo contigua, aislándola de la implementación de memoria física subyacente.

Almacenamiento

• Virtualización del almacenamiento : el proceso de abstraer completamente el almacenamiento lógico del almacenamiento físico.
• Sistema de archivos distribuido : cualquier sistema de archivos que permite el acceso a archivos desde múltiples hosts que los comparten a través de una red informática.
• Sistema de archivos virtual : una capa de abstracción sobre un sistema de archivos más concreto, que permite a las aplicaciones cliente acceder a diferentes tipos de sistemas de archivos concretos de forma uniforme.
• Hipervisor de almacenamiento : el software que gestiona la virtualización del almacenamiento y combina los recursos de almacenamiento físico en uno o más grupos flexibles de almacenamiento lógico ^{[ 28 ].}
• Disco virtual : un programa informático que emula una unidad de disco, como un disco duro o una unidad de disco óptico (véase la comparación de software de imágenes de disco ).

Datos

• Virtualización de datos : la presentación de datos como una capa abstracta, independiente de los sistemas de bases de datos, estructuras y almacenamiento subyacentes.
• Virtualización de bases de datos : el desacoplamiento de la capa de base de datos, que se encuentra entre las capas de almacenamiento y aplicación dentro de la pila de aplicaciones en todo el sistema.

Red

• Virtualización de red : creación de un espacio de direcciones de red virtualizado dentro o entre subredes de red.
• Red privada virtual (VPN): un protocolo de red que reemplaza el cable real u otro medio físico en una red con una capa abstracta, lo que permite crear una red a través de Internet.
• Virtualización de protocolos de red : desacoplamiento de capas de red para acelerar el despliegue y la gestión de redes.

La virtualización, en particular la virtualización completa, ha demostrado ser beneficiosa para:

• compartir un sistema informático entre varios usuarios;
• aislar a los usuarios entre sí (y del programa de control);
• emulando hardware nuevo para lograr mayor fiabilidad, seguridad y productividad.

Un objetivo común de la virtualización es centralizar las tareas administrativas, mejorando al mismo tiempo 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 costes generales y se diferencia de la multitarea, que implica ejecutar varios programas en el mismo sistema operativo. Mediante la virtualización, una empresa puede gestionar mejor las actualizaciones y los cambios rápidos en el sistema operativo y las aplicaciones sin interrumpir la experiencia del usuario.

En definitiva, la virtualización mejora drásticamente la eficiencia y la disponibilidad de los recursos y las aplicaciones en una organización. En lugar de depender del antiguo modelo de "un servidor, una aplicación", que conlleva una subutilización de los recursos, los recursos virtuales se aplican dinámicamente para satisfacer las necesidades del negocio sin ningún exceso de recursos. ^{[ 29 ]}

Las máquinas virtuales que ejecutan sistemas operativos propietarios requieren licencias, independientemente del sistema operativo de la máquina anfitriona. Por ejemplo, la instalación de Microsoft Windows en una máquina virtual requiere que se cumplan sus requisitos de licencia. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

• Introducción a la virtualización. Archivado el 22 de octubre de 2020 en Wayback Machine , enero de 2004, por Amit Singh.