Che cos’è una macchina virtuale? Tipi, vantaggi e casi d’uso

Le macchine virtuali (VM) sono un elemento fondamentale dell’infrastruttura IT. Sono emulazioni software di computer fisici che offrono flessibilità logistica e computazionale.

In questo articolo ti spiegherò cosa sono le macchine virtuali, come funzionano, i loro vantaggi, i casi d’uso più comuni e altro ancora!

Che cos’è una macchina virtuale (VM)?

Una macchina virtuale è una tecnologia che emula sistemi di calcolo completi: CPU, memoria, storage, interfacce di rete e sistema operativo.

Le VM prendono in prestito risorse dal computer fisico per generare questi computer virtuali. Ad esempio, se un computer ha 8 CPU e 16 GB di RAM, possiamo virtualizzare un ambiente con 4 CPU e 8 GB di RAM, suddivise dall’hardware fisico.

Ci affidiamo agli hypervisor, software che controllano la virtualizzazione delle risorse hardware e gestiscono più ambienti virtuali, per amministrare più VM su un unico set di hardware.

Macchine virtuali vs. macchine fisiche

È importante capire in che modo una macchina virtuale può differire da una fisica.

Iniziamo chiarendo la differenza tra hardware e software. L’hardware si riferisce ai componenti fisici di un sistema, come scheda madre, CPU, memoria, GPU e storage. Il software, come il sistema operativo o altri programmi, gira sull’hardware.

Le macchine fisiche operano direttamente sull’hardware. Le VM, invece, eseguono software che crea hardware “virtualizzato”. Come accennato, il sistema di base potrebbe avere 64 GB di RAM, ma possiamo virtualizzarne 32 GB da condividere con la macchina virtuale.

Poiché le VM possono condividere le risorse hardware, possiamo allocare in modo efficiente solo le risorse necessarie a ciascuna VM. Ad esempio, con un server potente, possiamo eseguire più VM che svolgono molte attività in parallelo utilizzando solo le risorse necessarie a ciascuna VM per svolgere il proprio compito. Questo può migliorare l’utilizzo complessivo delle risorse e i costi.

La seguente tabella confronta affiancate macchine virtuali e fisiche:

Tipi di macchine virtuali

Esistono due principali tipi di macchine virtuali: di sistema e di processo. Una emula un intero sistema operativo, l’altra una singola applicazione:

Macchine virtuali di sistema

Le VM di sistema sono ciò a cui pensiamo più spesso quando parliamo di VM. Simulano un intero sistema operativo, come un computer Linux completo. Un singolo hardware può simulare più istanze di OS in questo modo. È utile quando servono più ambienti per svolgere attività diverse.

Le macchine virtuali nel cloud ne sono un esempio comune. In esse, interi ambienti OS sono ospitati e accessibili in remoto via Internet, rendendole ideali per infrastrutture scalabili.

Macchine virtuali di processo

Le VM di processo sono singoli processi che girano su un sistema operativo host. Non sono un intero sistema a sé, ma ambienti più piccoli che permettono a qualsiasi computer di eseguire un’applicazione che potrebbe non essere nativa del sistema operativo di base. Ad esempio, la Java Virtual Machine consente a qualsiasi macchina di eseguire applicazioni Java in modo nativo.

Le VM di processo sono più leggere rispetto alle VM di sistema e sono ampiamente utilizzate per eseguire applicazioni specifiche isolate, soprattutto in scenari di sviluppo e debugging.

Componenti di una macchina virtuale

Ogni macchina virtuale ha alcuni componenti chiave. Sebbene l’implementazione esatta possa variare, dovrebbero includere parti simili. Rivediamole in questa sezione.

1. Hypervisor

In generale, un hypervisor è lo strato software che gestisce e inizializza le macchine virtuali. Gestisce le risorse tra la VM e la macchina fisica.

Esistono due tipi di hypervisor:

• Hypervisor di tipo 1 si appoggiano direttamente al bare metal e girano sul server stesso. Di solito hanno accesso diretto alle risorse del server.
• Hypervisor di tipo 2 sono generalmente installati su un sistema operativo host. Non hanno il pieno controllo delle risorse del computer e sono invece gestiti dal sistema operativo host.

2. Hardware virtuale

L’hypervisor alloca l’hardware virtuale alla VM. Ciò significa separare virtualmente le risorse fisiche della macchina e assegnarle all’ambiente virtuale. Questo può voler dire suddividere RAM, core CPU e altre risorse di calcolo in modo che la VM possa eseguire processi.

3. Sistema operativo guest

Il sistema operativo guest gira all’interno della VM. Non deve essere lo stesso dell’host e può essere qualsiasi sistema operativo. VM diverse sullo stesso hypervisor o server possono anche avere OS differenti a seconda dei casi d’uso.

4. Disco virtuale

Le VM hanno spesso dischi virtuali per archiviare temporaneamente le informazioni mentre sono in esecuzione. A volte trasferiamo i dati da un disco virtuale al sistema di archiviazione reale del computer host, ma ciò viene fatto con attenzione per evitare danni all’host.

Diagramma architetturale di un server che esegue tre macchine virtuali. Fonte immagine: DataCamp.

Macchine virtuali vs. container

Un altro metodo di virtualizzazione molto diffuso è la containerizzazione. Pur avendo obiettivi simili, macchine virtuali e container differiscono parecchio nell’implementazione. Vediamo le differenze.

• Le macchine virtuali sono progettate per replicare l’intero dispositivo, incluso l’hardware. Ciò significa che una VM replicherà elementi come scheda madre, CPU, dispositivo di rete e così via, assicurando che le applicazioni in esecuzione sulla VM sembrino girare su hardware indipendente.
• I container invece sono pensati per eseguire applicazioni software specifiche a prescindere dall’ambiente. Non inizializzano le proprie risorse ma utilizzano quelle del computer host.

Diagramma architetturale di un server che esegue tre container. Fonte immagine: DataCamp.

Quando usare VM vs. container

Usa le VM quando hai bisogno di eseguire più sistemi operativi in parallelo e richiedi una gestione discreta delle risorse. Le VM sono preferibili anche quando ti serve una quantità di risorse costante e prevedibile per i tuoi processi.

I container, invece, sono ideali per il deploy leggero di applicazioni. Poiché condividono le risorse, è importante assicurarsi che il server possa gestire più container contemporaneamente e allocare correttamente le risorse.

Se sei alle prime armi con questi concetti, potresti trovare utile il corso sui concetti di containerizzazione e virtualizzazione per comprenderne i casi d’uso. Per approfondire le differenze tra VM e container, dai un’occhiata al post del blog che confronta container e macchine virtuali.

Vantaggi delle macchine virtuali

Le macchine virtuali offrono molti vantaggi, tra cui maggiore efficienza nell’uso delle risorse e sicurezza. Usare correttamente le VM può rendere la tua infrastruttura tecnologica più semplice e robusta. Vediamo più da vicino i loro benefici:

Efficienza delle risorse e risparmio sui costi

Dal momento che le VM condividono lo stesso hardware, puoi ottenere un utilizzo molto maggiore dei server fisici. Combinare ambienti diversi riduce la necessità di acquistare hardware specifico per un certo caso d’uso e consente invece un uso condiviso delle risorse con un risparmio complessivo sui costi.

Isolamento e sicurezza

Poiché ogni VM gira in modo indipendente dal sistema host, è naturalmente isolata. Questo aumenta la sicurezza riducendo al minimo il rischio che il crash o la violazione di un singolo sistema diventino un problema. Di solito non c’è comunicazione tra VM, e non dipendono l’una dall’altra, quindi è facile spegnere rapidamente le VM problematiche o isolare i problemi di sicurezza.

Flessibilità e portabilità

Le VM offrono grande flessibilità alle infrastrutture IT perché possono essere replicate facilmente. Questo semplifica le cose quando bisogna avviare più ambienti contemporaneamente, poiché possono condividere le stesse istruzioni di avvio. Consente anche testing, backup e disaster recovery più semplici.

Casi d’uso comuni per le macchine virtuali

Vediamo alcuni degli usi più comuni delle VM. Possono svolgere qualsiasi attività eseguibile su un normale computer e sono preziose per molte operazioni!

Ambienti di test e sviluppo

Gli sviluppatori usano spesso le VM per creare ambienti di test e sviluppo per nuovo software o patch. Le VM facilitano il test delle modifiche a un programma su vari ecosistemi per un collaudo approfondito senza impattare la macchina host. Un singolo script può essere utilizzato per distribuire la stessa modifica su un’ampia varietà di VM ai fini del testing.

Consolidamento dei server

I professionisti consolidano più server fisici in un numero inferiore utilizzando le VM. Ciò riduce i costi complessivi di manutenzione dell’hardware e fa risparmiare spazio nelle sale server. Migliora anche l’utilizzo delle risorse, poiché le macchine fisiche non sono più legate a un singolo ambiente o compito.

Esecuzione di applicazioni legacy

Con il cambiare della tecnologia, i sistemi operativi moderni potrebbero non supportare più processi legacy. Usare una VM consente di mantenere queste applicazioni legacy durante la modernizzazione, così da proseguire le operazioni senza problemi.

Disaster recovery e backup

Con il crescente volume di dati e informazioni, le VM possono fungere da backup rapidi di interi ambienti per aumentare la robustezza di un sistema. Se una singola VM va in crash su un server fisico, altre copie della stessa VM possono continuare a girare o subentrare. Questo è un componente fondamentale del cloud computing.

Cloud computing

La maggior parte del cloud si basa sulla virtualizzazione. Piattaforme cloud come AWS, Azure e Google Cloud possono offrire infrastrutture scalabili e flessibili perché è facile avviare e spegnere macchine virtuali. Possono creare rapidamente copie virtuali di interi siti web o programmi per supportare la domanda crescente e poi disattivarle quando non servono più.

Per saperne di più su come il cloud computing sfrutta la virtualizzazione, dai un’occhiata al corso per comprendere il cloud computing.

Macchine virtuali nella data science

Grazie alla loro flessibilità e utilità, le VM sono strumenti eccellenti per la data science! Ecco alcuni dei molti usi in questo ambito:

Ambienti di sviluppo isolati

Così come gli ingegneri software possono usare le VM per creare ambienti di sviluppo specifici, i data scientist possono usarle per creare ambienti isolati per progetti di dati differenti.

Per esempio, potresti usare una VM per costruire un modello predittivo in Python e un’altra per il preprocessing dei dati con R. Questa separazione consente di eseguire in parallelo più progetti computazionalmente intensivi su ambienti diversi, migliorando l’efficienza.

Riproducibilità negli esperimenti di data science

I data scientist spesso devono poter riprodurre i risultati. Ad esempio, durante l’addestramento di un modello di deep learning, puoi condividere con i colleghi una VM che includa la stessa versione di TensorFlow, le librerie e i dataset. Questo assicura coerenza negli esperimenti ed elimina il rischio che differenze ambientali influiscano sugli esiti.

Scalabilità per progetti di big data

Con la crescita dei progetti, possono essere necessari più cluster di macchine virtuali nel cloud. Immagina di addestrare un modello di elaborazione del linguaggio naturale su terabyte di testi; provider cloud come AWS possono distribuire automaticamente il carico su più VM. Strumenti come Apache Spark, ad esempio, possono sfruttare cluster virtuali per gestire in modo efficiente elaborazioni su larga scala.

Software di virtualizzazione più diffusi

Esistono molti strumenti che ti permettono di eseguire macchine virtuali sul tuo computer e in ambienti enterprise. Ecco alcuni tra i più popolari:

VMware

VMware è uno degli strumenti di virtualizzazione più popolari in ambito enterprise. Offre supporto solido e soluzioni basate sul cloud. VMware collabora con i clienti per fornire strumenti per la virtualizzazione di desktop e server, a seconda delle necessità. Il suo hypervisor principale è VMware ESXi di tipo 1, che consente una facile virtualizzazione dei server e offre un’interfaccia HTML 5 intuitiva.

Microsoft Hyper-V

Hyper-V di Microsoft è un hypervisor pensato per l’ambiente Windows Server. Ciò significa che tutta la virtualizzazione richiede l’esecuzione su un OS Windows e utilizza partizioni su disco. Consente una facile virtualizzazione dei desktop virtuali nell’ambiente Windows Server ed è un’ottima soluzione per chi desidera restare nell’ecosistema Windows o anche in Azure.

VirtualBox

VirtualBox è uno dei software di virtualizzazione open source più diffusi. Consente agli utenti di creare desktop virtuali di qualsiasi tipo sui propri computer. Offre un’interfaccia semplice e può utilizzare immagini disco per una facile riproducibilità. È un ottimo strumento introduttivo al mondo della virtualizzazione e altamente consigliato per fare pratica ed esperienza.

KVM (Kernel-based virtual machine)

Il kernel Linux consente di creare macchine chiamate KVM. Ogni sistema Linux moderno include KVM e permette agli utenti di convertire qualsiasi hardware basato su Linux in un hypervisor. Sfrutta l’hardware esistente ed è spesso gestito tramite software di virtualizzazione come Red Hat.

Conclusione

Le macchine virtuali sono parte integrante dell’ecosistema IT perché consentono di creare rapidamente più ambienti virtuali da un singolo server. Sono spesso gestite da software hypervisor, che crea e alloca le risorse secondo necessità. Questo consente un maggiore utilizzo delle risorse, riproducibilità, resilienza ed efficienza, soprattutto quando devono essere eseguiti più processi in parallelo.

Per esplorare questi concetti e capire come le VM si confrontano con tecnologie come i container, dai un’occhiata al corso sui concetti di containerizzazione e virtualizzazione. È un ottimo modo per approfondire la comprensione di queste tecnologie essenziali!