Macchine virtuali e hypervisor

La virtualizzazione consente a un singolo server fisico di comportarsi come molti computer separati. Ogni computer simulato è una macchina virtuale (VM) con il proprio sistema operativo, le proprie applicazioni, CPU virtuale, memoria e disco. Le VM condividono l'hardware reale sottostante, ma rimangono isolate l'una dall'altra.

Questa tecnologia è alla base dei moderni data center e del cloud. Invece di eseguire un'applicazione per ogni macchina fisica, un singolo server potente può ospitare decine di VM, riducendo drasticamente costi, consumo energetico e spazio occupato.

Un hypervisor (chiamato anche Virtual Machine Monitor) è il livello software che crea ed esegue le VM. Suddivide CPU, RAM e spazio di archiviazione fisici e assegna una parte di queste risorse a ogni VM, mantenendole isolate affinché un arresto anomalo non comprometta le VM vicine.

L'hypervisor pianifica l'accesso all'hardware reale, proprio come un sistema operativo pianifica l'esecuzione delle applicazioni. Per ogni sistema operativo guest, la VM appare come una macchina fisica completa.

Un hypervisor di tipo 1 viene eseguito direttamente sull'hardware, senza un sistema operativo host sottostante. Poiché opera direttamente sul bare metal, è veloce, efficiente e sicuro, caratteristiche che lo rendono la scelta per i server di produzione e gli ambienti cloud.

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

I data center utilizzano hypervisor di tipo 1 affinché un singolo host possa servire contemporaneamente molti tenant.

Un hypervisor di tipo 2 viene eseguito come applicazione sopra un normale sistema operativo, come Windows o macOS. È facile da installare e ideale per test, apprendimento e computer desktop, ma è più lento perché le richieste passano prima dal sistema operativo host.

• VMware Workstation e Fusion
• Oracle VirtualBox
• Parallels Desktop

Utilizzi il tipo 2 per eseguire Linux sul portatile; utilizzi il tipo 1 per gestire una server farm.

L'host è la macchina fisica e l'hypervisor che esegue tutto. Un sistema operativo guest è il sistema operativo installato all'interno di una VM. È possibile combinare liberamente i guest: un singolo host potrebbe eseguire Windows Server, Ubuntu Linux e una versione precedente di Windows affiancati.

Ogni guest ritiene di disporre di hardware dedicato, ma tutti condividono il pool di CPU e memoria dell'host secondo la pianificazione dell'hypervisor.

Gli amministratori assegnano a ogni VM una quota di vCPU (core di processore virtuali), RAM e spazio su disco. L'overcommitment consiste nell'assegnare più risorse virtuali complessive di quante l'host disponga fisicamente, contando sul fatto che non tutte le VM raggiungano il picco di utilizzo contemporaneamente.

Se eseguito con attenzione, aumenta l'efficienza; se eseguito senza criterio, causa contesa per le risorse, in cui le VM competono per CPU o memoria e rallentano. Dimensionare correttamente ogni VM mantiene prevedibili le prestazioni.

Uno snapshot cattura lo stato esatto di una VM in un determinato momento. Se una patch o una modifica causa problemi, è possibile ripristinare lo snapshot in pochi secondi. La clonazione copia un'intera VM per crearne rapidamente una nuova e identica.

Queste funzioni rendono le VM molto più flessibili dei server fisici, per i quali ricostruire una macchina guasta potrebbe richiedere ore. Gli snapshot, tuttavia, non sono backup, perché risiedono sullo stesso spazio di archiviazione dell'host.

I container (come Docker) sono una forma più leggera di virtualizzazione. Invece di includere ciascuno un sistema operativo guest completo, i container condividono il kernel dell'host e includono solo l'applicazione e le relative dipendenze. Si avviano in millisecondi e utilizzano molta meno memoria.

Le VM garantiscono l'isolamento a livello hardware, con un sistema operativo completo ciascuna; i container garantiscono l'isolamento a livello di sistema operativo. Entrambi sono ampiamente utilizzati e molte implementazioni reali eseguono container all'interno di VM per ottenere un isolamento a più livelli.

La migrazione live sposta una VM in esecuzione da un host fisico a un altro con un downtime minimo o nullo. L'hypervisor copia la memoria della VM attraverso la rete verso il nuovo host, quindi esegue il passaggio in modo così trasparente che gli utenti raramente se ne accorgono.

Ciò consente di eseguire la manutenzione dell'hardware, il bilanciamento del carico e il failover senza arrestare i servizi. VMware la chiama vMotion; è uno dei motivi principali per cui gli ambienti virtualizzati rimangono altamente disponibili.

I provider cloud gestiscono enormi server farm di hypervisor. Quando noleggia un server cloud, in realtà ottiene una VM su hardware condiviso. La virtualizzazione consente al provider di creare la Sua VM in pochi minuti, scalarla e addebitarLe solo le risorse utilizzate.

Per un tecnico di rete questo è importante perché la rete ora si estende all'interno dell'host, collegando le macchine virtuali tramite switch virtuali che incontrerà nella lezione successiva.

Vantaggi: consolidamento dell'hardware, provisioning rapido, backup semplici tramite snapshot, isolamento e migrazione live per garantire la continuità operativa.

Compromessi: l'hypervisor introduce un piccolo overhead, l'overcommitment comporta il rischio di contesa e molte VM su un unico host creano un single point of failure se l'host si guasta. Una buona progettazione distribuisce le VM critiche su più host per gestire questo rischio.

Verifichi la Sua comprensione dei tipi di hypervisor.

La virtualizzazione suddivide un server fisico in molte macchine virtuali isolate, gestite da un hypervisor. Gli hypervisor di tipo 1 vengono eseguiti direttamente sul bare metal e sono destinati alla produzione; quelli di tipo 2 vengono eseguiti su un sistema operativo host e sono destinati a computer desktop e test. Ogni VM dispone di vCPU, RAM e disco, supporta snapshot, clonazione e migrazione live ed è un elemento fondamentale del cloud computing.