¿Qué es una Máquina Virtual? Tipos, ventajas y casos de uso

Las máquinas virtuales (VM) son un componente básico de la infraestructura informática. Son emulaciones basadas en software de ordenadores físicos que proporcionan flexibilidad logística y computacional.

En este artículo, te explicaré las máquinas virtuales, cómo funcionan, sus ventajas, casos de uso comunes, ¡y mucho más!

¿Qué es una Máquina Virtual (MV)?

Una máquina virtual es una tecnología que emula sistemas informáticos completos, desde la CPU, la memoria, el almacenamiento, las interfaces de red y el SO. 

Las máquinas virtuales toman prestados recursos del ordenador físico para generar estos ordenadores virtuales. Por ejemplo, si un ordenador tiene 8 CPUs y 16 GBs de RAM, podemos virtualizar un entorno con 4 CPUs y 8 GBs de RAM, separados del hardware físico. 

Confiamos en los hipervisores, software que controla la virtualización de los recursos de hardware y gestiona múltiples entornos virtuales, para gestionar múltiples máquinas virtuales en un único conjunto de hardware.

Máquinas virtuales vs. Máquinas físicas

Es importante comprender en qué puede diferir una máquina virtual de una física.

Empecemos por aclarar la diferencia entre hardware y software. El hardware se refiere a los componentes físicos de un sistema, como la placa base, la CPU, la memoria, la GPU y el almacenamiento. El software, como el sistema operativo u otros programas, se ejecuta en el hardware. 

Las máquinas físicas se ejecutan directamente en el hardware. Por otro lado, las máquinas virtuales ejecutan software que crea hardware "virtualizado". Como hemos dicho antes, el sistema base puede funcionar con 64 GB de RAM, pero podemos virtualizar 32 GB de RAM para compartirlos con la máquina virtual.

Como las máquinas virtuales pueden compartir recursos de hardware, podemos asignar eficazmente sólo los recursos necesarios que una máquina virtual necesita. Por ejemplo, si tenemos un servidor potente, podemos ejecutar varias máquinas virtuales que realicen muchas tareas en paralelo con sólo los recursos necesarios para que cada máquina virtual realice su tarea. Esto puede mejorar la utilización general de los recursos y el coste. 

En la tabla siguiente se comparan máquinas virtuales y físicas:

Tipos de máquinas virtuales

Hay dos tipos principales de máquinas virtuales: de sistema y de proceso. Uno emula todo un sistema operativo, mientras que el otro emula una sola aplicación: 

Máquinas virtuales del sistema

Las máquinas virtuales de sistema son en lo que pensamos más a menudo cuando hablamos de máquinas virtuales. Simulan todo un sistema operativo, como un ordenador Linux completo. De este modo, una sola pieza de hardware puede simular varias instancias del SO. Esto es útil si necesitamos varios entornos para hacer cosas diferentes.

Las máquinas virtuales en la nube son un ejemplo común. En ellos, se alojan entornos de SO completos y se accede a ellos de forma remota a través de Internet, lo que los hace ideales para infraestructuras escalables.

Procesar máquinas virtuales

Las máquinas virtuales de procesos son procesos singulares que se ejecutan en un sistema operativo anfitrión. No son un sistema completo en sí mismos, sino entornos más pequeños que permiten a cualquier ordenador ejecutar una aplicación que puede no ser nativa del sistema operativo base. Por ejemplo, la Máquina Virtual Java permite que cualquier máquina ejecute aplicaciones Java de forma nativa.

Las máquinas virtuales de proceso son ligeras en comparación con las máquinas virtuales de sistema y se utilizan mucho para ejecutar aplicaciones específicas aisladas, especialmente en escenarios de desarrollo y depuración.

Componentes de una máquina virtual

Toda máquina virtual tiene unos cuantos componentes básicos. Aunque la implementación exacta puede diferir, todas deben incluir partes similares. Vamos a repasarlos en esta sección.

1. Hypervisor

En términos generales, un hipervisor es la capa de software que gestiona e inicializa las máquinas virtuales. Gestiona los recursos entre la máquina virtual y la máquina física. 

Hay dos tipos diferentes de hipervisores:

• Hipervisores de tipo 1 se asientan sobre el metal desnudo y se ejecutan desde el propio servidor. Suelen tener acceso directo a los recursos del servidor. 
• Hipervisores de tipo 2 suelen instalarse en un sistema operativo anfitrión. No tienen el control total de los recursos del ordenador, sino que son gestionados por el sistema operativo anfitrión.

2. Hardware virtual

El hipervisor asignará hardware virtual a la máquina virtual. Esto significa separar virtualmente los recursos físicos de la máquina y dárselos al entorno virtual. Eso puede significar dividir la RAM, los núcleos de la CPU y otros recursos informáticos para que la máquina virtual pueda ejecutar procesos.

3. Sistema operativo invitado

El sistema operativo invitado se ejecuta dentro de la máquina virtual. No tiene por qué ser el mismo sistema operativo que el anfitrión y puede ser cualquier sistema operativo. Diferentes máquinas virtuales en el mismo hipervisor o servidor pueden incluso tener diferentes sistemas operativos en función de sus casos de uso.

4. Disco virtual

Las máquinas virtuales suelen tener discos virtuales para almacenar información temporalmente mientras se ejecutan. A veces, transferimos datos de un disco virtual al sistema de almacenamiento real del ordenador anfitrión, pero eso se hace con cuidado para evitar daños al anfitrión.

Diagrama de arquitectura de un servidor que ejecuta tres máquinas virtuales. Fuente de la imagen: DataCamp.

Máquinas virtuales vs. Contenedores

Otro método popular de virtualización es la contenedorización. Aunque pueden compartir objetivos similares, las máquinas virtuales y los contenedores son bastante diferentes en su implementación. Veamos sus diferencias.

• Las máquinas virtuales están diseñadas para replicar la totalidad de un dispositivo, incluido su hardware. Eso significa que una VM replicará cosas como una placa base, una CPU, un dispositivo de red, etc., para garantizar que cualquier aplicación que se ejecute en la VM parezca estar ejecutándose en un hardware independiente. 
• Los contenedores, sin embargo, están diseñados para ejecutar aplicaciones de software específicas independientemente del entorno. No inicializan sus recursos, sino que se ejecutan con los recursos del ordenador anfitrión.

Diagrama de arquitectura de un servidor que ejecuta tres contenedores. Fuente de la imagen: DataCamp.

Cuándo utilizar máquinas virtuales frente a contenedores

Utiliza máquinas virtuales cuando necesites ejecutar varios sistemas operativos en paralelo y requieras una gestión discreta de los recursos. Las máquinas virtuales también son preferibles cuando necesitas una cantidad constante y predecible de recursos para tus procesos.

Los contenedores, en cambio, son ideales para desplegar aplicaciones ligeras. Dado que los contenedores comparten recursos, es importante que te asegures de que tu servidor puede manejar varios contenedores a la vez y asignar los recursos adecuadamente.

Si eres nuevo en estos conceptos, puede que el curso sobre conceptos de virtualización y contenedorización te resulte útil para comprender sus casos de uso. Para profundizar en las diferencias entre máquinas virtuales y contenedores, consulta la entrada del blog Comparación entre contenedores y máquinas virtuales.

Ventajas de las máquinas virtuales

Las máquinas virtuales tienen muchas ventajas, como una mayor eficiencia de recursos y seguridad. Utilizar correctamente las máquinas virtuales puede hacer que tu infraestructura tecnológica sea más sencilla y robusta. Veamos más de cerca sus ventajas:

Eficiencia de los recursos y ahorro de costes

Como las máquinas virtuales comparten el mismo hardware, puedes aprovechar mucho más tus servidores físicos utilizando máquinas virtuales. Combinar distintos entornos reduce la necesidad de adquirir hardware específico para un determinado caso de uso y, en su lugar, permite compartir el uso de recursos y ahorrar costes generales.

Aislamiento y seguridad

Como cada máquina virtual se ejecuta independientemente del sistema anfitrión, está aislada de forma natural. Esto aumenta la seguridad, al minimizar el riesgo de que un solo sistema se bloquee o sea violado, convirtiéndose en un problema. Normalmente no hay comunicación entre las máquinas virtuales, y no dependen unas de otras, por lo que es fácil apagar las máquinas problemáticas o aislar rápidamente los problemas de seguridad.

Flexibilidad y portabilidad

Las máquinas virtuales ofrecen una gran flexibilidad a las infraestructuras informáticas porque pueden replicarse fácilmente. Esto simplifica las cosas cuando hay que lanzar varios entornos simultáneamente, ya que pueden compartir las mismas instrucciones de inicio. Esto también facilita las pruebas, las copias de seguridad y la recuperación ante desastres.

Casos de uso habituales de las máquinas virtuales

Hablemos de algunos de los usos más comunes de las máquinas virtuales. Pueden realizar cualquier tarea que se pueda hacer en un ordenador normal y ¡son inestimables para una gran variedad de operaciones!

Entornos de prueba y desarrollo

Los desarrolladores suelen utilizar las máquinas virtuales para crear entornos de prueba y desarrollo de nuevos programas o parches. Las máquinas virtuales facilitan la comprobación de los cambios de un programa en varios ecosistemas para realizar pruebas exhaustivas sin afectar a la máquina anfitriona. Se puede utilizar un único script para desplegar el mismo cambio en una amplia variedad de máquinas virtuales para realizar pruebas.

Consolidación de servidores

Los profesionales consolidan varios servidores físicos en menos utilizando máquinas virtuales. Esto reduce los costes generales de mantenimiento del hardware y ahorra espacio en las salas de servidores. También mejora la utilización de los recursos, ya que las máquinas físicas ya no están atadas a un entorno o tarea singular.

Ejecutar aplicaciones heredadas

A medida que cambia la tecnología, es posible que los sistemas operativos modernos ya no puedan soportar los procesos heredados. El uso de una VM puede mantener estas aplicaciones heredadas mientras se modernizan, de modo que las operaciones puedan continuar sin problemas.

Recuperación en caso de catástrofe y copias de seguridad

Con el creciente volumen de datos e información, las máquinas virtuales pueden servir como copias de seguridad rápidas de entornos enteros para aumentar la solidez de un sistema. Si una única máquina virtual se bloquea en un servidor físico, otras copias de la misma máquina virtual pueden seguir funcionando o tomar el relevo. Se trata de un componente esencial de la computación en nube.

Computación en nube

La mayor parte de la nube funciona con virtualización. Las plataformas en la nube como AWS, Azure y Google Cloud pueden proporcionar una infraestructura escalable y flexible porque es fácil poner en marcha y cerrar máquinas virtuales. Pueden hacer rápidamente copias virtuales de sitios web o programas enteros para satisfacer la creciente demanda y luego desactivarlos cuando ya no se necesiten.

Para saber más sobre cómo la computación en nube aprovecha la virtualización, consulta el curso sobre cómo entender la computación en nube.

Máquinas virtuales en Ciencia de Datos

Gracias a su flexibilidad y utilidad, ¡las máquinas virtuales son herramientas excelentes para la ciencia de datos! He aquí algunos de sus muchos usos en este ámbito:

Entornos de desarrollo aislados

Al igual que los ingenieros de software pueden utilizar las máquinas virtuales para crear entornos de desarrollo únicos, los científicos de datos pueden utilizar las máquinas virtuales para crear entornos aislados para diferentes proyectos de datos. 

Por ejemplo, podrías utilizar una máquina virtual para construir un modelo predictivo en Python y otra para preprocesar datos con R. Esta separación permite que varios proyectos de cálculo intensivo se ejecuten en distintos entornos simultáneamente, lo que mejora la eficiencia.

Reproducibilidad en experimentos de ciencia de datos

Los científicos de datos necesitarán a menudo poder reproducir los resultados. Por ejemplo, al entrenar un modelo de aprendizaje profundo, puedes compartir una máquina virtual con tus compañeros de trabajo que incluya la misma versión de TensorFlow, bibliotecas y conjuntos de datos. Esto garantiza la coherencia de los experimentos y elimina el riesgo de que las diferencias ambientales afecten a los resultados.

Escalabilidad para proyectos de big data

A medida que crecen los proyectos, pueden ser necesarios varios clusters de máquinas virtuales en la nube. Imagina entrenar un modelo de procesamiento del lenguaje natural en terabytes de datos de texto; los proveedores de la nube como AWS pueden distribuir automáticamente la carga de trabajo entre varias máquinas virtuales. Por ejemplo, herramientas como Apache Spark pueden aprovechar los clusters virtuales para realizar cálculos a gran escala de forma eficiente.

Programas populares de máquinas virtuales

Hay muchas herramientas que te permiten ejecutar máquinas virtuales en tu ordenador y en entornos empresariales. Aquí tienes algunas de las más populares:

VMware

VMware es una de las herramientas de virtualización más populares para entornos empresariales. Ofrece un soporte sólido y soluciones basadas en la nube. VMware trabaja con los clientes para proporcionarles herramientas de virtualización de escritorios y servidores, en función de sus necesidades. Su hipervisor principal es el hipervisor VMware ESXi Tipo 1, que permite virtualizar servidores fácilmente y viene con una interfaz HTML 5 fácil de usar.

Microsoft Hyper-V

Hyper-V de Microsoft es un hipervisor adaptado al entorno Windows Server. Eso significa que toda virtualización requiere un SO Windows para funcionar y utiliza particiones de disco. Permite virtualizar fácilmente escritorios virtuales en el entorno Windows Server y es una solución excelente para quienes deseen permanecer en el ecosistema Windows o incluso Azure.

VirtualBox

VirtualBox es uno de los programas de virtualización de código abierto más populares. Permite a los usuarios crear escritorios virtuales de cualquier tipo en sus propios ordenadores. Ofrece una interfaz sencilla y puede utilizar imágenes de disco para facilitar la reproducibilidad. Es una gran herramienta de introducción al mundo de la virtualización y muy recomendable para practicar y experimentar.

KVM (Máquina virtual basada en el núcleo)

El núcleo Linux te permite crear máquinas llamadas KVM. Todos los sistemas Linux modernos vienen con KVM y permiten a los usuarios convertir cualquier pieza de hardware basada en Linux en un hipervisor. Aprovecha el hardware existente y suele gestionarse mediante software de virtualización como Red Hat.

Conclusión

Las máquinas virtuales son una parte integral del ecosistema informático, ya que te permiten crear rápidamente varios entornos virtuales a partir de un único servidor. A menudo se gestionan mediante un software hipervisor, que crea y asigna recursos según sea necesario.  Esto permite una mayor utilización de los recursos, reproducibilidad, resistencia y eficacia, especialmente cuando varios procesos deben ejecutarse en paralelo.

Para explorar estos conceptos y comprender cómo se comparan las máquinas virtuales con tecnologías como los contenedores, consulta el curso sobre conceptos de virtualización y contenedorización. Es una forma estupenda de profundizar en el conocimiento de estas tecnologías esenciales.