Che cos'è una macchina virtuale?

Una macchina virtuale (VM) è un'emulazione basata su software di un computer fisico. Esegue un sistema operativo e applicazioni proprio come una macchina fisica ma è isolato dal sottostante hardware.

Una macchina virtuale è un'emulazione basata su software di un computer fisico, progettata per replicare la funzionalità e l'esperienza utente di una macchina fisica. Funziona all'interno di un sistema host, utilizzando un hypervisor o un monitor di macchina virtuale per gestirne l'esecuzione e l'allocazione CPU, memoria e archiviazione. La VM funziona da sola sistema operativo che a applicazioni, isolato dall'hardware sottostante e da altre macchine virtuali sullo stesso host. Questo isolamento fornisce una maggiore sicurezza, poiché ogni VM opera nel proprio ambiente, indipendentemente dalle altre.

Le macchine virtuali sono ampiamente utilizzate per il loro scopo flexbilità ed efficienza, consentendo l'esecuzione di più macchine virtuali su una singola macchina fisica, massimizzando così l'utilizzo delle risorse. Sono essenziali in vari scenari, inclusi server consolidamento, dove multiplo servers sono combinati in un unico sistema, e in sviluppo che a ambienti di prova, dove consentono agli sviluppatori di testare il software in diversi sistemi operativi e configurazioni. Inoltre, le VM sono fondamentali per cloud informatica offrendo, così, scalabile e risorse informatiche su richiesta per gli utenti.

Una breve panoramica storica della virtualizzazione e delle macchine virtuali

La virtualizzazione e le macchine virtuali affondano le loro radici negli anni '1960, quando IBM fu pioniera del concetto di miglioramento mainframe prestazioni ed efficienza. Questo primo lavoro ha portato allo sviluppo del sistema operativo CP/CMS, consentendo a un singolo mainframe di eseguire più istanze di sistemi operativi contemporaneamente.

Negli anni '1970 e '1980 il concetto si è evoluto lentamente, limitandosi principalmente ai mainframe e ai sistemi di fascia alta. Gli anni '1990 hanno visto una rinascita dell'interesse per la virtualizzazione, guidata dai progressi dell'hardware e dalla crescente complessità degli ambienti software. Questo periodo ha segnato l'ascesa di VMware, fondata nel 1998, che ha portato la virtualizzazione nel mondo x86 architettura, rendendola più accessibile alle imprese di tutte le dimensioni.

Gli anni 2000 hanno visto una rapida crescita della tecnologia di virtualizzazione, con contributi significativi da parte di aziende come Microsoft e altri open-source comunità, portando allo sviluppo di hypervisor come Hyper-V e Xen. La virtualizzazione è diventata una pietra miliare della moderna infrastruttura IT, culminando nell'adozione diffusa di cloud informatica negli anni 2010. Oggi la virtualizzazione è parte integrante di data centers, dove consente una gestione efficiente delle risorse, scalabilità e flexflessibilità.

Come funziona una macchina virtuale?

Una macchina virtuale funziona emulando un computer fisico all'interno di un ambiente software. Questo processo coinvolge diversi componenti e passaggi chiave:

hypervisor. Al centro della funzionalità di una VM c'è hypervisor, noto anche come monitor della macchina virtuale (VMM). L'hypervisor si trova tra l'hardware e le macchine virtuali, gestendo l'allocazione di risorse come CPU, memoria e spazio di archiviazione. Esistono due tipi principali di hypervisor: Tipo 1 (bare metal) viene eseguito direttamente sull'hardware e il tipo 2 (ospitato) viene eseguito su un sistema operativo host.
Sistema ospite. Le host Il sistema è la macchina fisica che fornisce le risorse hardware sottostanti. Esegue l'hypervisor, che a sua volta crea e gestisce le VM.
Sistema ospite. Il sistema ospite si riferisce alle macchine virtuali stesse. Ogni VM funziona come un sistema indipendente con il proprio sistema operativo e le proprie applicazioni, isolato sia dal sistema host che dalle altre VM.
Hardware virtuale. L'hypervisor fornisce a ciascuna VM componenti hardware virtuali, come CPU virtuali, la memoria virtuale, archiviazione virtualee interfacce di rete virtuale. Questi componenti virtuali sono mappati sulle risorse hardware fisiche del sistema host.
Sistema operativo. La VM esegue il proprio sistema operativo (sistema operativo guest) sull'hardware virtuale. Il sistema operativo guest non è consapevole di essere in esecuzione in un ambiente virtualizzato e interagisce con l'hardware virtuale come se fosse hardware fisico.
Allocazione e gestione delle risorse. L'hypervisor alloca e gestisce dinamicamente le risorse per ciascuna VM in base alla domanda e alle policy predefinite. Ciò garantisce un utilizzo efficiente delle risorse del sistema host, bilanciando i carichi di lavoro e ottimizzando le prestazioni.
Isolamento e sicurezza. Ogni VM opera in un ambiente isolato, il che significa che le azioni in una VM non influiscono sulle altre. Questo isolamento migliora la sicurezza, poiché le attività dannose in una VM sono contenute e non possono diffondersi ad altre VM o al sistema host.
Rete virtuale. L'hypervisor può creare reti virtuali per consentire la comunicazione tra VM e tra VM e il mondo esterno. Le funzionalità di rete virtuale includono switch virtuali, routere firewall.

Casi d'uso della macchina virtuale

Utilizzando le macchine virtuali, le organizzazioni possono ottenere risultati migliori flexbilità, efficienza e sicurezza nelle loro operazioni IT. Ecco alcuni casi d'uso comuni delle macchine virtuali:

Server consolidamento. Le macchine virtuali consentono il consolidamento di più server carichi di lavoro su un unico fisico server. Ciò riduce i costi dell'hardware, fa risparmiare spazio e riduce il consumo energetico massimizzando l'utilizzo delle risorse fisiche.
Sviluppo e test. Le macchine virtuali consentono agli sviluppatori di creare ambienti isolati per lo sviluppo e il test del software. Possono facilmente avviare e smontare diverse configurazioni e sistemi operativi senza influenzare il sistema host, consentendo iterazioni e sperimentazioni rapide.
Disaster recovery. Le macchine virtuali possono essere utilizzate per creare backup copie di sistemi critici. In caso di guasto hardware o altro disastro, queste VM possono essere ripristinate rapidamente, riducendo al minimo i tempi di inattività che a Perdita di dati. Il processo di creazione di snapshot e clonazione delle VM semplifica il backup e processo di recupero.
Esecuzione di applicazioni legacy. Le organizzazioni possono utilizzare le VM per eseguire sistemi obsoleti o applicazioni legacy su hardware moderno. Ciò garantisce l'accesso continuo al software critico senza la necessità di mantenere hardware vecchio e potenzialmente inaffidabile.
Cloud informatica. Le macchine virtuali sono fondamentali per cloud di calcolo. Cloud fornitori come Amazon Web Services (AWS), Microsoft Azure e Google Cloud La piattaforma (GCP) utilizza le macchine virtuali per offrire risorse di elaborazione scalabili e on-demand. Gli utenti possono distribuire e gestire le proprie applicazioni in cloud senza preoccuparsi dell'hardware sottostante.
Desktop virtuali. Infrastruttura desktop virtuale (VDI) sfrutta le VM per fornire ambienti desktop remoti, consentendo agli utenti di accedere al proprio desktop e alle applicazioni da qualsiasi luogo, utilizzando qualsiasi dispositivo. L'elaborazione effettiva viene eseguita su server.
Istruzione e formazione. Le macchine virtuali vengono utilizzate in contesti educativi per insegnare agli studenti i sistemi operativi, le reti e i contenuti lo sviluppo del software. Consentono agli studenti di sperimentare diverse impostazioni e configurazioni senza il rischio di danneggiare l'hardware fisico.
Testare malware e sicurezza. I professionisti della sicurezza utilizzano le macchine virtuali per analizzare e testare in modo sicuro il malware. Poiché le VM sono isolate dal sistema host, qualsiasi attività dannosa può essere contenuta e studiata senza compromettere l'integrità dell'host.
Esecuzione di più sistemi operativi. Gli utenti possono eseguire più sistemi operativi contemporaneamente su un singolo computer fisico. Ciò è utile per gli sviluppatori di software che devono testare le proprie applicazioni su diversi ambienti del sistema operativo o per gli utenti che necessitano di accedere ad applicazioni specifiche disponibili solo su determinate piattaforme del sistema operativo.
Ricerca e sperimentazione. I ricercatori utilizzano le macchine virtuali per condurre esperimenti che richiedono ambienti informatici diversi. Questo flexLa flessibilità consente di testare un'ampia gamma di scenari senza la necessità di più macchine fisiche.

Tipi di macchine virtuali

Le macchine virtuali (VM) sono disponibili in vari tipi, ciascuno adattato a casi d'uso ed esigenze operative specifici. I tipi principali di macchine virtuali sono macchine virtuali di sistema e macchine virtuali di processo. Ecco una spiegazione di questi tipi.

Macchine virtuali di sistema

Queste VM forniscono un ambiente di sistema completo, emulando una macchina fisica completa, compreso il sistema operativo. Sono comunemente usati per server virtualizzazione, virtualizzazione desktop ed esecuzione di diversi sistemi operativi su un singolo host. Le VM di sistema consentono il consolidamento di più carichi di lavoro su un singolo fisico server, migliorando l'utilizzo delle risorse e fornendo ambienti isolati per diverse applicazioni.

Elaborare macchine virtuali

A differenza delle VM di sistema, le VM di processo sono progettate per eseguire una singola applicazione o processo. Forniscono un ambiente indipendente dalla piattaforma per l'esecuzione di programmi specifici, estraendo i dettagli dell'hardware e del sistema operativo sottostanti. Un noto esempio di VM di processo è la Java Virtual Machine (JVM), che consente alle applicazioni Java di essere eseguite su qualsiasi dispositivo con un'implementazione JVM compatibile. Le VM di processo sono ideali per garantire la compatibilità multipiattaforma e semplificare la distribuzione del software.

Virtualizzazione completa

Questo tipo di VM emula completamente l'hardware sottostante, consentendo l'esecuzione di sistemi operativi e applicazioni non modificati. La virtualizzazione completa utilizza un hypervisor per gestire le macchine virtuali, fornendo isolamento e sicurezza completi. Esempi di hypervisor che supportano la virtualizzazione completa includono VMware ESXi e Microsoft Hyper-V. Questo tipo è particolarmente utile per l'esecuzione simultanea di più sistemi operativi e per scenari che richiedono un forte isolamento.

paravirtualizzazione

paravirtualizzazione comporta la modifica del sistema operativo guest per interagire con l'hypervisor in modo più efficiente. Questo approccio riduce il sovraccarico associato alla virtualizzazione completa consentendo al sistema operativo guest di comunicare direttamente con l'hypervisor. Esempi di paravirtualizzazione includono Xen e Virtual Machine Interface (VMI) di VMware. Questo tipo di VM offre prestazioni migliori rispetto alla virtualizzazione completa, in particolare per le attività ad uso intensivo di I/O.

Virtualizzazione assistita da hardware

I moderni processori Intel e AMD includono funzionalità hardware per supportare la virtualizzazione, come Intel VT-x e AMD-V. Queste funzionalità consentono all'hypervisor di eseguire macchine virtuali con un sovraccarico prestazionale minimo. La virtualizzazione assistita da hardware è ampiamente utilizzata negli ambienti aziendali per ottenere prestazioni quasi native per le VM pur mantenendo un forte isolamento e sicurezza.

Virtualizzazione a livello di sistema operativo

Conosciuto anche come containerizzazione, questo approccio virtualizza il sistema operativo anziché l'hardware. Consente l'esecuzione di più istanze isolate dello spazio utente, note come contenitori, su un singolo sistema operativo Kernel. Esempi inclusi docker e LXC (contenitori Linux). I contenitori condividono il kernel del sistema operativo host, rendendoli leggeri ed efficienti rispetto alle VM tradizionali. Questo tipo è ideale per microservizi, distribuzione di applicazioni e scenari che richiedono una rapida scalabilità.

Vantaggi e sfide delle macchine virtuali

Le macchine virtuali offrono numerosi vantaggi e affrontano alcune sfide, rendendole un componente versatile ma complesso della moderna infrastruttura IT. Comprendere questi aspetti è fondamentale per sfruttare in modo efficace le macchine virtuali in vari ambienti informatici.

Vantaggi

Le macchine virtuali offrono una serie di vantaggi che le rendono uno strumento fondamentale nella moderna infrastruttura IT. Offrono vantaggi significativi in termini di utilizzo delle risorse, efficienza dei costi, flexcapacità e altro ancora. Ecco i principali vantaggi delle VM:

Miglioramento dell'utilizzo delle risorse. Le macchine virtuali consentono più virtual servers correre su un unico fisico server, massimizzando l'utilizzo delle risorse hardware. Questo consolidamento riduce la necessità di cure fisiche servers, con conseguente riduzione del consumo energetico e dei costi hardware.
Risparmi. Riducendo il numero di fisici servers richiesto, le VM aiutano a ridurre entrambi capitale che a spese operative. Ciò include risparmi sugli acquisti di hardware, manutenzione, alimentazione, raffreddamento e spazio fisico.
Flexbilità e scalabilità. Le VM forniscono a flexibile e scalabile ambiente, consentendo un facile provisioning e de-provisioning delle risorse in base alle necessità. Ciò è particolarmente utile in cloud ambienti informatici e di sviluppo in cui i carichi di lavoro possono variare in modo significativo.
Isolamento e sicurezza. Ogni VM opera in un ambiente isolato, garantendo che i problemi di una VM non influenzino le altre. L'isolamento migliora la sicurezza contenendo potenziali minacce all'interno di una singola VM e impedendo loro di diffondersi al sistema host o ad altre VM.
Ripristino di emergenza e backup. Le macchine virtuali facilitano un ripristino di emergenza efficiente e backup processi. Istantanee e cloni di VM possono essere facilmente creati e ripristinati, riducendo al minimo i tempi di inattività e la perdita di dati in caso di guasti hardware o altri disastri.
Gestione e automazione semplificate. Le piattaforme di virtualizzazione sono spesso dotate di robusti strumenti di gestione che consentono l'implementazione, il monitoraggio e la gestione automatizzati delle VM. Ciò semplifica le attività amministrative e migliora l’efficienza complessiva del sistema.
Supporto per applicazioni legacy. Le macchine virtuali consentono l'uso continuato di applicazioni legacy su hardware moderno, garantendo che il software critico rimanga operativo senza la necessità di mantenere macchine fisiche obsolete.
Ambienti di test e sviluppo. Le macchine virtuali forniscono ambienti isolati per test e sviluppo, consentendo agli sviluppatori di sperimentare diverse configurazioni e sistemi operativi senza influire sul sistema host. Ciò accelera i cicli di sviluppo e migliora la qualità del software.

Le sfide

Sebbene le macchine virtuali offrano vantaggi significativi, comportano anche una serie di sfide che possono incidere sulla loro implementazione e gestione. Comprendere queste sfide è necessario per sfruttare in modo efficace le macchine virtuali in vari ambienti informatici. Ecco alcune delle principali sfide associate alle macchine virtuali:

Sovraccarico delle prestazioni. Le macchine virtuali possono subire un degrado delle prestazioni rispetto all'esecuzione diretta su hardware fisico. Il livello aggiuntivo di virtualizzazione introduce un sovraccarico, che influisce su CPU, memoria e I / O operazioni. Nonostante i progressi nella tecnologia dell'hypervisor e nella virtualizzazione assistita da hardware, il sovraccarico prestazionale rimane una considerazione, soprattutto per le applicazioni ad alte prestazioni.
Contesa sulle risorse. Quando più macchine virtuali vengono eseguite su un singolo host, competono per le stesse risorse fisiche. Ciò porta a un conflitto di risorse, in cui le prestazioni di una VM possono influire sulle altre. Per mitigare questo problema sono necessarie un’adeguata allocazione e gestione delle risorse, ma richiedono un’attenta pianificazione e monitoraggio.
Gestione complessa. Gli amministratori devono gestire attività quali il provisioning delle macchine virtuali, l'allocazione delle risorse, il monitoraggio delle prestazioni e la gestione della sicurezza. La complessità aumenta con il numero di macchine virtuali e la scala dell'infrastruttura virtualizzata, richiedendo strumenti e pratiche di gestione robusti.
I problemi di sicurezza. Sebbene le VM offrano isolamento, non sono immuni alle vulnerabilità della sicurezza. L'hypervisor, che controlla le VM, è un potenziale bersaglio per gli attacchi. Inoltre, le vulnerabilità all'interno di una VM possono potenzialmente influenzarne altre se non adeguatamente isolate. È essenziale garantire solide misure di sicurezza, come aggiornamenti regolari, patch e policy di sicurezza.
Costi di licenza. La virtualizzazione può comportare un aumento dei costi di licenza sia per il software di virtualizzazione che per i sistemi operativi in esecuzione nelle VM. Le organizzazioni devono considerare attentamente i modelli e i costi di licenza quando pianificano i propri ambienti virtualizzati.
Problemi di compatibilità. Non tutte le applicazioni e i sistemi operativi sono ottimizzati per la virtualizzazione e alcuni potrebbero presentare problemi se eseguiti in un ambiente virtualizzato. Garantire la compatibilità richiede test e validazioni approfonditi.
Backup e recupero. Mentre le VM possono semplificare backup e processi di recupero, introducono anche complessità. Garantire coerenza e affidabilità backups per un numero elevato di VM richiede un servizio efficace backup strategie e strumenti. Anche i processi di ripristino devono essere testati regolarmente per garantire che funzionino come previsto.
Espansione e utilizzo delle risorse. La proliferazione delle VM si verifica quando si verifica una proliferazione incontrollata di VM, che porta a un utilizzo inefficiente delle risorse e a difficoltà di gestione. Le organizzazioni devono implementare policy e pratiche per controllare la proliferazione delle VM e garantire un uso efficiente delle risorse.