Máquina virtual

¿Qué es una máquina virtual?

El uso de máquinas virtuales presenta varias ventajas en muchas áreas de la gestión de la infraestructura de TI:

• Escalabilidad: las máquinas virtuales pueden ampliar o reducir los recursos de procesamiento en respuesta a la demanda, agregando o eliminando máquinas virtuales fácilmente sin necesidad de hardware nuevo.
• Portabilidad: las máquinas virtuales se pueden replicar y mover entre servidores y centros de datos, lo que permite el equilibrio de las cargas de trabajo, la recuperación ante desastres y transferencias fluidas.
• Flexibilidad: la virtualización permite ejecutar múltiples sistemas operativos y aplicaciones en un solo servidor físico, utilizando recursos de manera eficiente y adaptándose a diversas cargas de trabajo.
• Seguridad: las máquinas virtuales mejoran la seguridad a través del aislamiento, lo que reduce el riesgo de que infecciones por virus y vulneraciones se propaguen por todo el sistema.
• Agilidad y velocidad: la virtualización permite un rápido aprovisionamiento y despliegue de máquinas virtuales, lo que reduce significativamente el tiempo de configuración de nuevos servidores y aplicaciones, permitiendo plazos más cortos de innovación y una mejor respuesta para las necesidades empresariales.
• Reducción del tiempo de inactividad: la virtualización admite la migración en tiempo real y una alta disponibilidad, lo que minimiza el tiempo de inactividad durante el mantenimiento o las averías de hardware, y garantiza un servicio ininterrumpido.
• Rentabilidad: al consolidar varias máquinas virtuales en un número reducido de servidores físicos, las organizaciones ahorran en costes de hardware y electricidad, al mismo tiempo que reducen los gastos operativos mediante una gestión optimizada.

Las máquinas virtuales funcionan aprovechando un hipervisor para abstraer y gestionar recursos de hardware físico, lo que permite ejecutar varios entornos aislados en el mismo host físico. A continuación se muestra una explicación simplificada paso a paso:

1. Abstracción de hardware

El hipervisor actúa como una capa intermedia entre el hardware físico y las máquinas virtuales para crear un entorno de hardware virtualizado. Ofrece:

• CPU virtuales (vCPU): programa y traduce instrucciones de CPU de las máquinas virtuales a las CPU físicas utilizando técnicas de cambio de contexto.
• Memoria virtual: asigna memoria virtual a memoria física, al tiempo que garantiza el aislamiento entre máquinas virtuales.
• Almacenamiento virtual: emula el almacenamiento físico (por ejemplo, discos duros) como discos virtuales, a menudo representados como archivos en el sistema host.
• Red virtual: crea interfaces de red virtuales (vNIC) para máquinas virtuales y las conecta a redes físicas o virtuales.

2. Proceso de arranque del sistema operativo invitado

Cuando se enciende una máquina virtual, el hipervisor inicializa el hardware virtual y entrega el control al sistema operativo invitado. El sistema operativo invitado arranca como si se estuviera ejecutando en una máquina física:

• El BIOS/EFI virtual inicia la secuencia de arranque.
• El kernel del sistema operativo invitado detecta e inicializa el hardware virtual.
• Se cargan los controladores de los dispositivos virtuales, lo que permite que se inicien los procesos del espacio de usuario.

3. Ejecución de instrucciones

El hipervisor traduce y facilita las instrucciones del sistema operativo invitado al hardware físico utilizando varias técnicas:

• Traducción binaria: convierte instrucciones privilegiadas en operaciones seguras para el sistema host.
• Virtualización asistida por hardware: las CPU modernas (por ejemplo, Intel VT-x, AMD-V) optimizan la virtualización atrapando y ejecutando instrucciones privilegiadas directamente.
• Paravirtualización: en algunos casos, el sistema operativo invitado interactúa directamente con el hipervisor para mejorar el rendimiento.

4. Gestión de recursos

El hipervisor asigna y optimiza dinámicamente los recursos físicos para las máquinas virtuales en función de la demanda:

• Sobreasignación: asigna más recursos virtuales (por ejemplo, CPU, memoria) que los físicamente disponibles. Para ello, asume que no todas las máquinas virtuales utilizarán completamente sus asignaciones simultáneamente.
• Migración en vivo: mueve máquinas virtuales en ejecución entre hosts físicos sin tiempo de inactividad, lo que garantiza un uso equilibrado de los recursos y la tolerancia a fallos.

5. Virtualización de E/S

Cuando una máquina virtual realiza operaciones de entrada/salida (E/S) (por ejemplo, lecturas de disco, escrituras o comunicaciones de red), el hipervisor intercepta estas solicitudes y las traduce en acciones de hardware físico. Los controladores de dispositivos virtuales dentro del sistema operativo invitado facilitan este proceso de manera fluida.

Conclusión

Las máquinas virtuales funcionan virtualizando recursos de hardware a través de un hipervisor, lo que permite que los sistemas operativos invitados operen con independencia del host físico. El hipervisor garantiza una asignación eficiente de recursos, seguridad y aislamiento. Esto proporciona a las máquinas virtuales la versatilidad que necesitan para ejecutar diversas cargas de trabajo en una infraestructura compartida.

Las máquinas virtuales (VM) ofrecen casos de uso versátiles en diversos sectores y entornos de TI al emular hardware físico.

• Entornos de desarrollo y pruebas: las máquinas virtuales permiten a los desarrolladores crear entornos aislados para desarrollar aplicaciones, realizar pruebas y depurar el código sin que esto afecte a la producción. Permiten una instalación rápida de diferentes sistemas operativos y configuraciones, facilitan la realización de pruebas y permiten crear snapshots y revertir el sistema a estados anteriores, lo que hace que el desarrollo sea más eficiente y con menos riesgos.
• Recuperación ante desastres y copia de seguridad: las máquinas virtuales son fundamentales para la recuperación ante desastres, ya que permiten replicarlas y realizar copias de seguridad en ubicaciones externas, lo que garantiza la continuidad del negocio con opciones rápidas de recuperación, reduce el tiempo de inactividad y simplifica la restauración del sistema. Las máquinas virtuales también extienden la vida útil de las aplicaciones heredadas, evitando costosas reescrituras de código y garantizando la compatibilidad con el hardware más moderno.
• Computación en la nube: las máquinas virtuales son fundamentales en la computación en la nube, donde los proveedores de servicios ofrecen infraestructura como servicio (IaaS). Esto permite a los usuarios gestionar servidores virtuales en la nube, proporcionando recursos escalables y flexibles, y habilitando modelos de pago por consumo y arquitecturas multiinquilino.
• Infraestructura de escritorios virtuales (VDI): la VDI implementa escritorios virtuales para proporcionar experiencias de usuario homogéneas a usuarios remotos y móviles, centralizando la gestión, mejorando la seguridad, permitiendo el trabajo remoto y simplificando actualizaciones y reparaciones.
• Aislamiento y seguridad de las aplicaciones: las máquinas virtuales aíslan las aplicaciones, lo que reduce los riesgos de seguridad, previene conflictos y permite realizar pruebas de seguridad con el software sospechoso. Las mejores prácticas incluyen aplicación de reparaciones, configuraciones seguras, aislamiento, segmentación y supervisión continua.
• Análisis y aislamiento de malware: los expertos en seguridad emplean ordenadores virtuales para analizar y confinar el malware de forma segura. Al ejecutar software potencialmente peligroso en entornos virtuales aislados, los investigadores pueden analizar su comportamiento sin dañar el sistema anfitrión. 
• Acceso seguro y ejecución de software incompatible: los ordenadores virtuales ofrecen un entorno seguro para acceder a internet o ejecutar aplicaciones potencialmente peligrosas.
• Equilibrado de cargas y alta disponibilidad: las máquinas virtuales permiten equilibrar las cargas y disponer de una alta disponibilidad al distribuir las cargas de trabajo entre varios servidores, lo que mejora el rendimiento y proporciona redundancia en caso de fallos.
• Investigación y experimentación: las máquinas virtuales habilitan entornos controlados para experimentos y simulaciones, proporcionando flexibilidad para ejecutar diversas configuraciones, fácil reversión y aislamiento de configuraciones.
• Asignación y gestión de recursos: la asignación eficaz de los recursos es fundamental para el rendimiento de las máquinas virtuales. La utilización de herramientas y técnicas para gestionar recursos garantiza la optimización y evita la contención.
• Organización: las máquinas virtuales deben ser escalables para satisfacer las demandas. Las herramientas de organización, como Kubernetes y OpenStack, automatizan la gestión, mejoran la eficiencia y permiten la integración con tecnologías de contenedorización.
• Licencias y cumplimiento: cuando se implementan máquinas virtuales hay que tener muy en cuenta las licencias de los sistemas operativos y las aplicaciones. El cumplimiento de los acuerdos de software y hardware y de los estándares regulatorios es esencial para evitar sanciones.

1. Integración con tecnologías nativas de la nube

Las máquinas virtuales están evolucionando para integrarse de manera fluida con tecnologías nativas de la nube, como los contenedores y las plataformas de organización. Siguen siendo esenciales en entornos de nube híbrida y multinube, dado que proporcionan infraestructura para las cargas de trabajo contenedorizadas, al tiempo que garantizan la seguridad y el aislamiento. Las API mejoradas y los marcos de automatización simplifican el aprovisionamiento, la escalación y la migración de máquinas virtuales. Gracias a ello, pueden mantener su relevancia mientras las organizaciones realizan la transición hacia arquitecturas nativas de la nube.

2. El papel cada vez mayor de las máquinas virtuales en la computación en el extremo

Las máquinas virtuales son críticas para la computación en el extremo, donde las cargas de trabajo se mueven más cerca de su origen de datos, como los dispositivos IoT y las aplicaciones de ciudades inteligentes. Si bien los contenedores predominan debido a su diseño ligero, las máquinas virtuales son las preferidas en escenarios que necesitan un fuerte aislamiento, compatibilidad con aplicaciones heredadas o diversos requisitos de sistema operativo. Las tecnologías de máquinas virtuales ligeras están reduciendo la sobrecarga de recursos y los tiempos de inicio, lo que permite que las máquinas virtuales se mantengan como una opción eficiente para las cargas de trabajo en el extremo, que exigen flexibilidad y seguridad.

3. Seguridad mejorada en entornos virtualizados

Las máquinas virtuales están adoptando características de seguridad avanzadas asistidas por hardware, como entornos de ejecución de confianza (TEE), cifrado de memoria y enclaves seguros para proteger cálculos y datos confidenciales. La computación confidencial consiste en garantizar que los datos permanezcan cifrados incluso durante el procesamiento. Estos avances permiten que las máquinas virtuales resulten adecuadas para cargas de trabajo de alta seguridad en sectores con requisitos regulatorios estrictos.

4. Optimización de máquinas virtuales para IA y aprendizaje automático

Las cargas de trabajo de IA y aprendizaje automático requieren entornos de alto rendimiento. Las máquinas virtuales se están optimizando para la aceleración de GPU y las tecnologías de paso de hardware, como la virtualización de E/S de raíz única (SR-IOV). Estas características permiten que las máquinas virtuales gestionen de manera eficiente tareas que requieren un uso intensivo de computación, como el entrenamiento o la inferencia de modelos de IA, al tiempo que mantienen la escalabilidad y el aislamiento.

5. Automatización y gestión impulsada por IA

La inteligencia artificial y la automatización están transformando la gestión de las máquinas virtuales. Los análisis predictivos y el aprendizaje automático permiten a los hipervisores optimizar la asignación de recursos, pronosticar las demandas de cargas de trabajo y automatizar las migraciones en vivo para minimizar el tiempo de inactividad. Las herramientas de supervisión impulsadas por la IA ofrecen información en tiempo real que mejora la escalabilidad y reduce la sobrecarga administrativa.

6. Sostenibilidad y computación verde

Las máquinas virtuales contribuyen a la sostenibilidad, al adoptar técnicas de virtualización energéticamente eficientes. La programación consciente del consumo de energía y la optimización de recursos reduce el consumo de energía. Asimismo, las herramientas de supervisión mejoradas rastrean y minimizan la huella de carbono de las máquinas virtuales. Estos esfuerzos alinean la tecnología de virtualización con los objetivos de la computación verde.

7. Integración y convergencia de máquinas virtuales con tecnologías nativas de la nube

Las máquinas virtuales están evolucionando para integrarse de manera fluida con tecnologías nativas de la nube, como los contenedores y las plataformas de organización. En entornos de nube híbrida y multinube, proporcionan compatibilidad segura, aislada y de sistemas operativos diversos para cargas de trabajo contenedorizadas. Las API mejoradas y las herramientas de automatización han perfeccionado el aprovisionamiento, la escalación y la migración de las máquinas virtuales, lo que garantiza su relevancia continua en las arquitecturas nativas de la nube.

Al mismo tiempo, la convergencia de máquinas virtuales y contenedores está fomentando plataformas unificadas que aprovechan las fortalezas de ambos. Las máquinas virtuales ofrecen un aislamiento fiable y diversidad de sistemas operativos, mientras que los contenedores proporcionan portabilidad ligera e implementación rápida.