Máquinas virtuales e hipervisores

La virtualización permite que un único servidor físico funcione como si fueran varios ordenadores independientes. Cada ordenador simulado es una máquina virtual (VM) con su propio sistema operativo, aplicaciones, CPU virtual, memoria y disco. Las VM comparten el hardware real subyacente, pero permanecen aisladas entre sí.

Esta es la base de los centros de datos modernos y de la nube. En lugar de ejecutar una aplicación por cada equipo físico, un único servidor potente puede alojar docenas de VM, reduciendo considerablemente los costes, el consumo de energía y el espacio necesario.

Un hipervisor (también denominado Virtual Machine Monitor) es la capa de software que crea y ejecuta las VM. Divide la CPU, la RAM y el almacenamiento físicos, y asigna partes de estos recursos a cada VM, manteniéndolas aisladas para que un fallo no afecte a las demás.

El hipervisor programa el acceso al hardware real, del mismo modo que un sistema operativo programa las aplicaciones. Para cada sistema operativo invitado, parece que la VM posee una máquina física completa.

Un hipervisor de tipo 1 se ejecuta directamente sobre el hardware, sin un sistema operativo anfitrión debajo. Al funcionar sobre el hardware desnudo, es rápido, eficiente y seguro, por lo que se utiliza en servidores de producción y nubes.

• VMware ESXi
• Microsoft Hyper-V
• KVM (Kernel-based Virtual Machine)
• Xen

Los centros de datos utilizan hipervisores de tipo 1 para que un único host pueda atender simultáneamente a muchos usuarios.

Un hipervisor de tipo 2 se ejecuta como una aplicación sobre un sistema operativo normal, como Windows o macOS. Es fácil de instalar y resulta ideal para realizar pruebas, aprender y utilizar equipos de escritorio, pero es más lento porque las solicitudes pasan primero por el sistema operativo anfitrión.

• VMware Workstation y Fusion
• Oracle VirtualBox
• Parallels Desktop

Utilice el tipo 2 para ejecutar Linux en su portátil; utilice el tipo 1 para ejecutar una granja de servidores.

El host es la máquina física y el hipervisor que ejecuta todo. Un sistema operativo invitado es el sistema operativo instalado dentro de una VM. Puede combinar invitados libremente: un único host podría ejecutar Windows Server, Ubuntu Linux y una versión antigua de Windows en paralelo.

Cada invitado cree que dispone de hardware dedicado, pero todos comparten la CPU y la memoria del host según la planificación del hipervisor.

Los administradores asignan a cada VM una parte de la vCPU (núcleos de procesador virtuales), la RAM y el disco. La sobreasignación consiste en asignar más recursos virtuales en total de los que el host posee físicamente, suponiendo que no todas las VM alcanzarán su máximo rendimiento al mismo tiempo.

Si se hace con cuidado, esto aumenta la eficiencia; si se hace de forma imprudente, provoca contención de recursos, en la que las VM compiten por la CPU o la memoria y se ralentizan. Dimensionar correctamente cada VM mantiene un rendimiento predecible.

Una instantánea captura el estado exacto de una VM en un momento determinado. Si un parche o cambio provoca un problema, puede volver a la instantánea en cuestión de segundos. La clonación copia una VM completa para crear rápidamente otra idéntica.

Estas funciones hacen que las VM sean mucho más flexibles que los servidores físicos, en los que reconstruir un equipo averiado podría tardar horas. Sin embargo, las instantáneas no son copias de seguridad, ya que se almacenan en el mismo almacenamiento del host.

Los contenedores (como Docker) son una forma más ligera de virtualización. En lugar de incluir cada uno un sistema operativo invitado completo, los contenedores comparten el kernel del host y contienen únicamente la aplicación y sus dependencias. Se inician en milisegundos y utilizan mucha menos memoria.

Las VM aíslan a nivel de hardware y cada una incluye un sistema operativo completo; los contenedores aíslan a nivel del sistema operativo. Ambos son habituales, y muchas implementaciones reales ejecutan contenedores dentro de VM para proporcionar aislamiento por capas.

La migración en vivo mueve una VM en ejecución de un host físico a otro con muy poco tiempo de inactividad o incluso sin él. El hipervisor copia la memoria de la VM a través de la red hacia el nuevo host y, después, realiza el cambio de forma tan fluida que los usuarios rara vez lo notan.

Esto permite realizar tareas de mantenimiento del hardware, balanceo de carga y conmutación por error sin apagar los servicios. VMware la denomina vMotion; es una de las razones principales por las que los entornos virtualizados mantienen una alta disponibilidad.

Los proveedores de nube ejecutan enormes granjas de hipervisores. Cuando alquila un servidor en la nube, en realidad obtiene una VM en hardware compartido. La virtualización permite al proveedor crear su VM en minutos, escalarla y facturarle únicamente por lo que utiliza.

Para un técnico de redes, esto es importante porque la red ahora también se extiende dentro del host y conecta las máquinas virtuales mediante conmutadores virtuales, que conocerá en la siguiente lección.

Ventajas: consolidación de hardware, aprovisionamiento rápido, copias de seguridad sencillas mediante instantáneas, aislamiento y migración en vivo para mantener la disponibilidad.

Compromisos: el hipervisor añade una pequeña sobrecarga, la sobreasignación implica riesgo de contención y muchas VM en un mismo host crean un único punto de fallo si ese host deja de funcionar. Un buen diseño distribuye las VM críticas entre varios hosts para gestionar este riesgo.

Ponga a prueba su comprensión de los tipos de hipervisor.

La virtualización divide un servidor físico en varias máquinas virtuales aisladas, gestionadas por un hipervisor. Los hipervisores de tipo 1 se ejecutan sobre el hardware desnudo y se utilizan en producción; los de tipo 2 se ejecutan sobre un sistema operativo anfitrión y se utilizan en equipos de escritorio y para realizar pruebas. Cada VM recibe vCPU, RAM y disco, admite instantáneas, clonación y migración en vivo, y constituye un componente fundamental de la computación en la nube.