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Virtualização de hardware

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Virtualização de hardware é a virtualização de computadores como plataformas completas de hardware, algumas abstrações lógicas de seus componentes ou apenas a funcionalidade necessária para executar vários sistemas operacionais.

A virtualização esconde dos usuários as características físicas de uma plataforma de computador, apresentando em seu lugar uma plataforma de computação abstrata. No início, o software que controlava a virtualização era chamado «programa de controle», mas os termos «hipervisor» ou «monitor de máquina virtual» foram adotados com o tempo.

Conceito

O termo «virtualização» foi concebido nos anos 1960 para designar uma máquina virtual (às vezes chamada «pseudomáquina»), um termo que data do sistema experimental IBM M44/44X. A criação e o gerenciamento de máquinas virtuais foram chamados de «virtualização da plataforma» ou, mais recentemente, de «virtualização do servidor».

A virtualização da plataforma é executada em uma determinada plataforma de hardware pelo software hospedeiro (um programa de controle), que cria um ambiente simulado de computador, uma máquina virtual (VM), para seu software cliente. O software cliente não está limitado a aplicações de usuário; muitos servidores permitem a execução de sistemas operacionais completos. O software cliente executa como se estivesse rodando diretamente no hardware físico, com várias ressalvas importantes. O acesso a recursos do sistema físico (tais como rede, monitor, teclado e armazenamento em disco) é frequentemente gerenciado em um nível mais restrito do que no processador hospedeiro e na memória do sistema. Clientes geralmente são restringidos no acesso a dispositivos periféricos específicos ou podem ficar limitados a um subconjunto da capacidade nativa do dispositivo, dependendo da política de acesso ao hardware implementada pelo servidor de virtualização.

A virtualização geralmente cobra um custo em performance, tanto em recursos necessários à execução do hipervisor, quanto em performance reduzida da máquina virtual comparada à execução nativa na máquina física.

Motivos para a virtualização

• No caso de consolidação do servidor, muitos servidores físicos pequenos são substituídos por um servidor físico maior, para diminuir a necessidade de mais (e mais caros) recursos de hardware, tais como CPUs e discos rígidos. Embora o hardware seja consolidado em ambientes virtuais, sistemas operacionais normalmente não o são. Em vez disso, cada sistema operacional rodando em um servidor físico é convertido para um sistema operacional distinto rodando dentro de uma máquina virtual. Assim, o servidor grande pode «hospedar» muitas destas máquinas virtuais «clientes». Isto é conhecido como transformação física para virtual (P2V).

• Além de reduzir custos com equipamento e mão de obra associados à manutenção das instalações, consolidar servidores pode ter também o benefício adicional de reduzir o consumo de energia e o impacto global em setores ambientais e ecológicos da tecnologia. Por exemplo, um servidor típico roda a 425 W e a VMware estima uma proporção de redução de hardware de até 15 para 1.

• Uma máquina virtual (VM) pode ser controlada e inspecionada de um local remoto mais facilmente do que uma máquina física, e a configuração de uma VM é mais flexível. Isto é muito útil em desenvolvimento de kernel e para ministrar cursos de sistema operacional.

• Uma nova máquina virtual pode ser fornecida conforme solicitada, sem a necessidade de uma compra antecipada de hardware.

• Uma máquina virtual pode ser facilmente realocada de um máquina física para outra, conforme a necessidade. Por exemplo, um vendedor em visita a um cliente pode copiar uma máquina virtual com software de demonstração para seu laptop, sem a necessidade de transportar seu computador físico. Da mesma forma, um erro dentro de uma máquina virtual não prejudica o sistema hospedeiro, assim, não há o risco do sistema operacional do laptop travar.

• Por causa dessa facilidade de realocação, máquinas virtuais podem ser prontamente utilizadas em cenários de recuperação de desastres, sem preocupação com o impacto de fontes de energia recondicionadas e defeituosas.

No entanto, quando múltiplas VMs estão rodando simultaneamente em um mesmo servidor físico, cada VM pode apresentar performance variável e instável, o que vai depender muito da carga de trabalho imposta ao sistema por outras VMs. Este problema pode ser enfrentado com técnicas de instalação apropriadas para isolamento temporal entre as máquinas virtuais.

Existem muitas abordagens para virtualização de plataforma.

Exemplos de cenários de virtualização:

• Rodando uma ou mais aplicações que não são suportadas pelo sistema operacional hospedeiro: Uma máquina virtual rodando o sistema operacional cliente adequado poderia permitir a execução das aplicações desejadas, sem alterar o sistema operacional hospedeiro.

• Avaliando um sistema operacional alternativo: O novo sistema operacional poderia ser executado dentro da VM, sem alterar o sistema operacional hospedeiro.

• Virtualização do servidor: Múltiplos servidores virtuais poderiam rodar em um único servidor físico, a fim de utilizar mais integralmente os recursos de hardware do servidor físico.

• Duplicando ambientes específicos: Uma máquina virtual poderia, dependendo do software de virtualização utilizado, ser duplicada e instalada em múltiplos servidores, ou restaurada para um estado previamente salvo.

• Criando um ambiente protegido: Se um sistema operacional cliente rodando em uma VM for danificado de forma que não seja economicamente viável repará-lo, tal como pode ocorrer quando se estuda malware ou se instala software malcomportado, a VM pode simplesmente ser descartada sem danos ao sistema hospedeiro, e uma cópia limpa ser usada ao reiniciar o cliente.

Virtualização completa

Artigo principal: Virtualização completa

Na virtualização completa, a máquina virtual simula hardware suficiente para permitir que um sistema operacional cliente não modificado, projetado para o mesmo conjunto de instruções, seja executado isoladamente. Esta abordagem foi lançada em 1966 com o IBM CP-40 e CP-67, antecessores da família VM.

Virtualização auxiliada por hardware

Artigo principal: Virtualização auxiliada por hardware

Na virtualização auxiliada por hardware, este fornece suporte de arquitetura, que facilita a construção de um monitor de máquina virtual e permite que sistemas operacionais clientes sejam executados isoladamente. A virtualização auxiliada por hardware foi introduzida pela primeira vez no IBM System/370 em 1972, para utilização com o VM/370, o primeiro sistema operacional para máquina virtual.

Em 2005 e 2006, Intel e AMD disponibilizaram hardware adicional para suporte à virtualização. A Sun Microsystems (atual Oracle Corporation) adicionou recursos similares em seus processadores UltraSPARC Série T em 2005.

Em 2006, o suporte de hardware à primeira geração x86 de 32 e 64 bits raramente oferecia vantagens em performance sobre a virtualização de software.

Paravirtualização

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Na paravirtualização, a máquina virtual não necessariamente simula hardware, mas, em vez (ou além) disso, oferece uma API especial, que pode ser usada apenas modificando-se o sistema operacional cliente. Para que isto seja possível, o código-fonte do sistema operacional cliente deve estar disponível. Se o código-fonte estiver disponível, basta substituir instruções sensíveis por chamadas às APIs VMM (ex.: «cli» por «vm_handle_cli()»), e, então, recompilar o sistema operacional e utilizar os novos códigos binários. Essa chamada do sistema ao hipervisor é conhecida como «hiperchamada» no TRANGO e no Xen; ela é implementada através de uma instrução de hardware DIAG («diagnóstico») no CMS da IBM sob a VM (a qual originou o termo «hipervisor»).

Virtualização a nível de sistema operacional

Artigo principal: Virtualização a nível de sistema operacional

Na virtualização a nível de sistema operacional, um servidor físico é assim virtualizado, permitindo que múltiplos desses servidores, isolados e seguros, rodem em um mesmo servidor físico. Os ambientes do sistema operacional cliente compartilham a mesma instância do sistema operacional sendo executada no sistema hospedeiro. Assim, o mesmo kernel do sistema operacional também é usado para implementar os ambientes clientes, e aplicações rodando em um dado ambiente cliente o enxergam como um sistema independente.

Recuperação de desastres de virtualização de hardware

Um plano de recuperação de desastres (RD) é geralmente considerado uma boa prática para uma plataforma de virtualização de hardware. A RD de um ambiente de virtualização pode assegurar uma alta taxa de disponibilidade durante uma ampla gama de situações que atrapalham operações normais do negócio. Em situações nas quais a operação contínua das plataformas de virtualização de hardware é importante, um plano de recuperação de desastres pode garantir que requisitos de performance e manutenção de hardware sejam atingidos. Um plano de recuperação de desastres de virtualização de hardware envolve a proteção tanto de hardware quanto de software por diversos métodos, incluindo estes abaixo descritos.

Backup em fita, para necessidade de arquivamento de dados de software a longo prazo

Este método trivial pode ser usado para armazenar dados externamente, mas a recuperação dos dados pode ser um processo difícil e longo. Nos backups de dados em fita, apenas a última cópia armazenada é utilizável. Métodos de backup em fita vão exigir um dispositivo de backup e material de armazenamento contínuo.

Replicação de arquivos e aplicações

A implementação deste método vai exigir software de controle e capacidade de armazenamento, para replicação de arquivos de aplicação e dados, normalmente no mesmo local. Os dados são replicados em uma partição de disco diferente ou em um dispositivo de disco separado, que pode ser uma atividade programada para a maioria dos servidores, sendo implementada mais para aplicações de banco de dados.

Redundância de hardware e software

Este método garante o maior nível de proteção na recuperação de desastres para uma solução de virtualização de hardware, por fornecer replicação dupla de hardware e software em duas áreas geográficas distintas.