Máquinas Virtuais e Hipervisores

A virtualização permite que um único servidor físico simule vários computadores separados. Cada computador simulado é uma máquina virtual (VM) com seu próprio sistema operacional, aplicativos, CPU virtual, memória e disco. As VMs compartilham o hardware real subjacente, mas permanecem isoladas umas das outras.

Essa é a base dos data centers modernos e da nuvem. Em vez de executar um aplicativo por equipamento físico, um único servidor potente pode hospedar dezenas de VMs, reduzindo drasticamente custos, consumo de energia e espaço físico.

Um hipervisor (também chamado de Monitor de Máquina Virtual) é a camada de software que cria e executa VMs. Ele divide a CPU, a RAM e o armazenamento físicos e distribui partes desses recursos a cada VM, mantendo-as isoladas para que uma falha não derrube as VMs vizinhas.

O hipervisor agenda o acesso ao hardware real, assim como um sistema operacional agenda os aplicativos. Para cada sistema operacional convidado, parece que a VM possui uma máquina física completa.

Um hipervisor Tipo 1 é executado diretamente no hardware, sem um sistema operacional hospedeiro abaixo dele. Como fica sobre o hardware físico, ele é rápido, eficiente e seguro, sendo a escolha para servidores de produção e ambientes de nuvem.

• VMware ESXi
• Microsoft Hyper-V
• KVM (Máquina Virtual baseada em Kernel)
• Xen

Os data centers executam hipervisores Tipo 1 para que um único hospedeiro possa atender muitos locatários simultaneamente.

Um hipervisor Tipo 2 é executado como um aplicativo sobre um sistema operacional comum, como Windows ou macOS. É fácil de instalar e excelente para testes, aprendizado e computadores pessoais, mas é mais lento porque as solicitações passam primeiro pelo sistema operacional hospedeiro.

• VMware Workstation e Fusion
• Oracle VirtualBox
• Parallels Desktop

Use o Tipo 2 para executar Linux no seu laptop; use o Tipo 1 para executar uma fazenda de servidores.

O hospedeiro é a máquina física e o hipervisor que executa tudo. Um sistema operacional convidado é o sistema operacional instalado dentro de uma VM. Você pode combinar livremente os convidados: um único hospedeiro pode executar Windows Server, Ubuntu Linux e uma versão mais antiga do Windows lado a lado.

Cada convidado acredita ter hardware dedicado, mas todos compartilham o conjunto de CPU e memória do hospedeiro, conforme o agendamento do hipervisor.

Os administradores atribuem a cada VM uma parte de vCPU (núcleos de processador virtual), RAM e disco. Sobreaprovisionamento significa atribuir mais recursos virtuais no total do que o hospedeiro possui fisicamente, apostando que nem todas as VMs atingirão o pico ao mesmo tempo.

Quando feito com cuidado, isso aumenta a eficiência; quando feito de forma imprudente, causa contenção de recursos, situação em que as VMs disputam CPU ou memória e ficam mais lentas. Dimensionar corretamente cada VM mantém o desempenho previsível.

Um instantâneo captura o estado exato de uma VM em determinado momento. Se uma atualização ou alteração causar algum problema, você poderá reverter ao instantâneo em segundos. A clonagem copia uma VM inteira para criar rapidamente outra idêntica.

Esses recursos tornam as VMs muito mais flexíveis que os servidores físicos, nos quais reconstruir um equipamento danificado poderia levar horas. Instantâneos não são backups, porém, pois ficam armazenados no mesmo armazenamento do hospedeiro.

Os contêineres (como o Docker) são uma forma mais leve de virtualização. Em vez de cada um ter um sistema operacional convidado completo, os contêineres compartilham o kernel do hospedeiro e empacotam apenas o aplicativo e suas dependências. Eles são iniciados em milissegundos e usam muito menos memória.

As VMs isolam no nível do hardware, cada uma com um sistema operacional completo; os contêineres isolam no nível do sistema operacional. Ambos são comuns, e muitas implantações reais executam contêineres dentro de VMs para obter isolamento em camadas.

A migração ao vivo move uma VM em execução de um hospedeiro físico para outro com pouca ou nenhuma indisponibilidade. O hipervisor copia a memória da VM pela rede para o novo hospedeiro e depois faz a mudança de forma tão transparente que os usuários raramente percebem.

Isso permite realizar manutenção de hardware, balanceamento de carga e failover sem desligar os serviços. A VMware chama esse recurso de vMotion; ele é um dos principais motivos pelos quais ambientes virtualizados permanecem altamente disponíveis.

Os provedores de nuvem operam enormes conjuntos de hipervisores. Quando você aluga um servidor na nuvem, na verdade está obtendo uma VM em hardware compartilhado. A virtualização permite que o provedor crie sua VM em minutos, aumente sua escala e cobre apenas pelo que você usar.

Para um técnico de redes, isso é importante porque a rede agora também se estende para dentro do hospedeiro, conectando máquinas virtuais por meio de switches virtuais que você conhecerá na próxima lição.

Benefícios: consolidação de hardware, provisionamento rápido, backups fáceis por meio de instantâneos, isolamento e migração ao vivo para manter a disponibilidade.

Compromissos: o hipervisor acrescenta uma pequena sobrecarga, o sobreaprovisionamento traz risco de contenção e muitas VMs em um único hospedeiro criam um ponto único de falha se esse hospedeiro parar de funcionar. Um bom projeto distribui as VMs essenciais entre vários hospedeiros para gerenciar esse risco.

Teste sua compreensão dos tipos de hipervisor.

A virtualização divide um servidor físico em muitas máquinas virtuais isoladas, gerenciadas por um hipervisor. Os hipervisores de Tipo 1 são executados diretamente no hardware para produção; os de Tipo 2 são executados sobre um sistema operacional hospedeiro para computadores pessoais e testes. Cada VM recebe vCPU, RAM e disco, oferece suporte a instantâneos, clonagem e migração ao vivo, e constitui um bloco fundamental da computação em nuvem.