Virtualização na computação em nuvem: Conceitos, tipos e casos de uso

Se você já se perguntou como os provedores de nuvem podem executar inúmeros aplicativos globalmente sem racks de servidores para cada um deles, a resposta está na virtualização. É uma das principais tecnologias que alimentam a nuvem, trabalhando silenciosamente nos bastidores para tornar a computação moderna eficiente, escalável e econômica.

Neste artigo, mostrarei a você o que a virtualização realmente significa, como ela funciona no contexto da computação em nuvem e por que ela é um divisor de águas para qualquer pessoa que esteja implantando aplicativos, gerenciando a infraestrutura ou procurando tomar decisões de arquitetura mais inteligentes.

Se você é novo no assunto, o curso Understanding Cloud Computing oferece uma base sólida antes de mergulhar na virtualização.

Entendendo a virtualização

A virtualização é um processo que abstrai (simplifica) os recursos físicos de hardware e os apresenta como ambientes de computação lógicos e isolados. Isso é obtido com a introdução de uma camada de software que separa os aplicativos e os sistemas operacionais da máquina física.

O resultado é uma máquina virtual (VM), um sistema autônomo com sua própria CPU, memória, armazenamento e interface de rede virtuais, executado sobre o hardware real do host.

Essa simplificação é o que permite que várias VMs coexistam em um único servidor físico, cada uma operando de forma independente. Ele melhora drasticamente a utilização de recursos e forma a base técnica dos modelos de serviço em nuvem, como IaaS e PaaS.

Para saber mais sobre como os contêineres e as máquinas virtuais se comparam em termos de desempenho e casos de uso, confira esta comparação detalhada para desenvolvedores.

O papel da virtualização na computação em nuvem

A virtualização desempenha várias funções na computação em nuvem, incluindo a alocação de recursos independente do hardware e a multilocação.

• Alocação dinâmica de recursos: Os ambientes virtualizados podem ser ampliados ou reduzidos rapidamente com base nas demandas de carga de trabalho.
• Independência de hardware: As VMs e os contêineres podem ser executados em qualquer host físico compatível, tornando as cargas de trabalho em nuvem altamente portáteis.
• Multi-tenancy: Um único servidor físico pode hospedar com segurança vários locatários com ambientes isolados.

O papel da virtualização na computação em nuvem. Imagem do autor.

Plataformas de nuvem como AWS, Azure e GCP dependem de hipervisores e ferramentas de orquestração de contêineres para implementar e gerenciar cargas de trabalho virtualizadas em escala, garantindo que os usuários recebam um serviço confiável e consistente, independentemente da infraestrutura subjacente.

Componentes principais da virtualização

A virtualização moderna depende de componentes interdependentes para fornecer e gerenciar ambientes virtuais. Vamos dar uma olhada nelas nesta seção.

Hipervisor

Um hipervisor, ou monitor de máquina virtual (VMM), é uma camada de software responsável pela criação e execução de máquinas virtuais. Ele aloca recursos físicos (CPU, memória, armazenamento) em várias VMs e gerencia sua execução.

Há dois tipos de hipervisores:

• Tipo 1 (bare-metal): É executado diretamente no hardware físico sem um sistema operacional host. Os exemplos incluem o VMware ESXi e o Microsoft Hyper-V. Eles são usados em data centers e ambientes de nuvem para alto desempenho e segurança.
• Tipo 2 (hospedado): É executado em cima de um sistema operacional host. Os exemplos incluem o VMware Workstation e o VirtualBox. Eles são mais comuns em ambientes de desenvolvimento e teste.

O hipervisor mantém o isolamento e a equidade dos recursos, impedindo que uma VM monopolize os recursos do sistema ou afete outras.

Máquinas virtuais (VMs)

Uma máquina virtual é um computador definido por software que opera como uma máquina física. Cada VM contém uma pilha de hardware virtualizada (CPU, memória, disco e dispositivos de E/S), um sistema operacional e aplicativos com processos.

As VMs podem ser pausadas, clonadas, migradas entre hosts ou restauradas a partir de snapshots. Essa flexibilidade oferece suporte ao fornecimento contínuo, à recuperação de desastres e à automação da infraestrutura.

Para que você tenha uma visão geral mais ampla das máquinas virtuais e de como elas são usadas em todos os setores, este guia sobre tipos e benefícios de VM é uma ótima leitura.

Ferramentas de gerenciamento de virtualização

O gerenciamento de ambientes virtualizados em escala requer ferramentas especializadas. Essas plataformas oferecem:

• Monitoramento e relatórios: Informações em tempo real sobre a integridade, o desempenho e o uso de recursos da VM.
• Automação: Ferramentas como o VMware vCenter ou o Red Hat Virtualization Manager podem equilibrar automaticamente as cargas de trabalho ou ativar novas VMs com base em políticas.
• Provisionamento e gerenciamento do ciclo de vida: Os administradores podem definir modelos e implementar VMs sob demanda em clusters ou regiões.

Você pode explorar mais os fundamentosno curso Containerization and Virtualization Concepts,que aborda esses princípios com exemplos práticos.

Tipos de virtualização

A virtualização vem em várias formas, cada uma abordando diferentes aspectos da infraestrutura de computação. A seguir, resumirei os principais tipos e como eles contribuem para ambientes de nuvem eficientes e flexíveis.

Virtualização de servidores

A virtualização de servidores envolve a divisão de um único servidor físico em várias máquinas virtuais (VMs) isoladas, cada uma capaz de executar seu próprio sistema operacional e aplicativos de forma independente. Isso é feito usando um hipervisor, que abstrai o hardware físico e aloca recursos virtualizados de CPU, memória, armazenamento e rede para cada VM. 

Os principais benefícios da virtualização de servidores incluem melhor utilização do hardware, isolamento da carga de trabalho e a capacidade de executar sistemas operacionais heterogêneos no mesmo host físico.

Esse tipo de virtualização é fundamental para as ofertas de infraestrutura como serviço (IaaS) na computação em nuvem, em que os servidores físicos são abstraídos e oferecidos como recursos flexíveis e sob demanda.

Virtualização de armazenamento

A virtualização de armazenamento consolida vários dispositivos de armazenamento físico em diferentes servidores ou sistemas de armazenamento em um único pool de armazenamento lógico que pode ser gerenciado de forma centralizada.

A virtualização do armazenamento permite a alocação dinâmica de capacidade, melhor redundância e gerenciamento de dados mais eficiente. Ele desacopla o armazenamento do hardware subjacente, permitindo que os administradores dimensionem a capacidade ou migrem os dados sem interrupção do serviço. 

A virtualização do armazenamento é comumente usada em data centers e serviços de armazenamento em nuvem para garantir alta disponibilidade, classificação dos dados em camadas e utilização econômica.

Virtualização de rede

A virtualização de rede cria redes virtuais que operam independentemente do hardware de rede física subjacente. Ele usa tecnologias como VLANs, switches virtuais e SDN (Software-Defined Networking) para abstrair os recursos de rede, melhorando a escalabilidade dos ambientes de nuvem.

Essa virtualização permite que os administradores definam programaticamente as políticas de rede, segmentem o tráfego e implementem redes isoladas em uma infraestrutura compartilhada sem precisar refazer a fiação física ou adicionar novo hardware.

Virtualização de desktops

A virtualização de desktops oferece um ambiente de desktop completo aos usuários finais a partir de um servidor centralizado, geralmente usando a infraestrutura de desktop virtual (VDI). Em vez de ser executado no hardware local, o desktop (incluindo o sistema operacional, os aplicativos e as configurações do usuário) é executado em um servidor remoto e acessado pela rede.

Essa abordagem simplifica o gerenciamento de TI, melhora a segurança (já que os dados permanecem no data center) e permite o acesso flexível a ambientes consistentes entre dispositivos e locais.

Virtualização de aplicativos

Com a virtualização de aplicativos, os usuários podem executar aplicativos em ambientes isolados sem serem instalados diretamente no sistema operacional do usuário.

O aplicativo é empacotado com dependências e executado em um ambiente de tempo de execução virtual ou em contêiner. Isso evita conflitos entre aplicativos, simplifica a implementação e oferece suporte ao gerenciamento centralizado.

4 Benefícios da virtualização na computação em nuvem

Agora que abordamos os principais tipos de virtualização, vamos ver por que ela é tão amplamente adotada na computação em nuvem, começando com os principais benefícios que ela traz tanto para os provedores quanto para os usuários.

1. Eficiência de custo

Em sua essência, a virtualização minimiza a expansão do hardware. Em vez de implementar servidores separados para cada carga de trabalho, as equipes podem consolidar várias máquinas virtuais em um único host físico. Isso reduz drasticamente o investimento inicial em hardware e a manutenção contínua.

O resultado? Menor consumo de energia, requisitos de resfriamento reduzidos e menor área ocupada pelo data center, o que se traduz em economias substanciais de custo ao longo do tempo.

2. Escalabilidade e flexibilidade

O dimensionamento em um ambiente virtualizado não é apenas mais fácil, ele é incorporado. Diferentemente da infraestrutura tradicional, que geralmente requer provisionamento manual, as máquinas virtuais e os contêineres podem ser clonados ou redimensionados programaticamente em minutos.

Você precisa implementar dez novas instâncias para lidar com picos de tráfego? Esse é um script de automação simples em uma nuvem virtualizada. Você deseja reduzir a escala quando o uso cair? Os recursos podem ser liberados com a mesma rapidez. Esse controle dinâmico de recursos permite que os aplicativos nativos da nuvem sejam dimensionados de acordo com a demanda, em vez de serem restringidos por limites de hardware.

3. Recuperação de desastres e backup

A virtualização simplifica as estratégias de backup e recuperação por meio da abstração. Como as máquinas virtuais são arquivos, no final das contas, elas podem ser capturadas, replicadas e restauradas com o mínimo de complexidade.

Na prática, isso significa que as organizações podem:

• Tirar instantâneos pontuais de sistemas em execução
• Clone VMs entre data centers para redundância geográfica
• Automatize o failover e a restauração com ferramentas de orquestração

4. Utilização aprimorada de recursos

A TI tradicional geralmente resulta em infraestrutura subutilizada, como servidores funcionando com 20% a 30% da capacidade. A virtualização inverte esse modelo, permitindo a alocação precisa de recursos. A memória, a CPU e o armazenamento podem ser provisionados com base na demanda real, e não nas estimativas de pior caso.

Por exemplo, uma única máquina host que executa cinco VMs com carga leve pode atingir de 70 a 80% de utilização sem sacrificar o desempenho. Essa otimização permite que as organizações extraiam o máximo de valor de cada servidor, reduzindo o desperdício e a sobrecarga operacional.

Principais benefícios da virtualização na computação em nuvem. Imagem do autor.

Desafios e considerações

Como qualquer tecnologia avançada, a virtualização vem com seu próprio conjunto de ressalvas. Sua implementação eficaz exige atenção à arquitetura do sistema, às políticas de segurança e às nuances do licenciamento. 

Vamos analisar alguns desafios comuns nesta seção.

Sobrecarga de desempenho

Embora os hipervisores tenham se tornado cada vez mais eficientes, a virtualização ainda introduz uma camada de abstração que pode afetar o desempenho, especialmente para cargas de trabalho com uso intenso de E/S ou em tempo real.

Vamos detalhar isso:

• A sobrecarga de CPU ocorre quando várias VMs competem por núcleos físicos.
• Os gargalos de E/S surgem se o armazenamento e a rede não estiverem configurados para lidar com demandas simultâneas.
• A latência (informações atrasadas) aumenta ligeiramente devido às camadas adicionais de software entre os sistemas convidado e host.

Em ambientes de alto desempenho, esses problemas devem ser atenuados por meio de fixação de recursos, drivers otimizados ou até mesmo ignorando a virtualização para cargas de trabalho essenciais.

Riscos de segurança

A natureza multilocatário da virtualização significa que o isolamento é fundamental. Um passo em falso na configuração ou uma vulnerabilidade no hypervisor pode permitir que atividades mal-intencionadas se espalhem pelas VMs ou, pior ainda, violar o próprio sistema host.

Alguns dos principais riscos incluem:

• Ataques de fuga de VM, em que uma VM comprometida quebra o isolamento.
• Switches virtuais mal configurados ou armazenamento compartilhado que expõem dados confidenciais.
• A aplicação inconsistente de patches em hipervisores ou sistemas operacionais convidados cria superfícies de ataque.

Licenciamento e conformidade

Essa área geralmente surpreende as equipes durante as auditorias. Muitos fornecedores de software estruturam suas licenças com base em núcleos físicos, soquetes ou até mesmo no número de instâncias virtuais - regras que nem sempre se alinham bem às cargas de trabalho dinâmicas da nuvem.

Uma configuração virtualizada pode facilmente deixar de estar em conformidade se:

• A expansão da VM leva a implementações não rastreadas de aplicativos licenciados.
• O software é replicado em vários hosts para failover.
• As cargas de trabalho são movidas entre regiões ou data centers com requisitos de residência específicos.

Casos de uso e exemplos

A virtualização vai além dos conceitos teóricos e potencializa os sistemas do mundo real em escala. Sua versatilidade faz com que seja uma solução ideal para todos os setores, desde a infraestrutura em nuvem pública até a TI empresarial e o desenvolvimento ágil de software. Vamos explorar como diferentes setores aplicam a virtualização na prática.

Provedores de serviços em nuvem

As principais plataformas de nuvem, como AWS, Microsoft Azure e Google Cloud Platform (GCP), foram criadas com base em estruturas de virtualização robustas.

• AWS: Inicialmente baseado no hipervisor Xen, o AWS fez a transição para seu sistema Nitro personalizado - uma combinação de hipervisor leve e hardware dedicado - para otimizar a segurança, o desempenho e o custo. O Nitro permite que as instâncias do EC2 sejam executadas em velocidades mais próximas às do bare-metal, mantendo o isolamento do locatário.
• Azure: A Microsoft utiliza o Hyper-V, seu hipervisor de nível empresarial, para executar máquinas virtuais e contêineres. O controlador de malha do Azure gerencia milhares de VMs, garantindo a disponibilidade e o dimensionamento entre os data centers.
• GCP: O Google usa o KVM (Kernel-based Virtual Machine), um hipervisor Linux nativo, integrado aos seus serviços Compute Engine. O GCP também oferece suporte à virtualização aninhada, que é valiosa para os clientes que executam seus próprios hipervisores dentro das VMs.

Essas plataformas mostram como a virtualização suporta arquiteturas multitenant massivas sem sacrificar o desempenho ou a segurança.

Ambientes de TI corporativos

A virtualização é frequentemente usada em ambientes corporativos para consolidar cargas de trabalho, estender os ciclos de vida do hardware e simplificar o gerenciamento do sistema.

Considere uma empresa de médio porte que mantinha 30 servidores físicos, cada um dedicado a uma única carga de trabalho. Ao adotar a virtualização de servidores, ela reduziu esse número para cinco hosts de alta capacidade que executam dezenas de VMs. Isso não apenas reduziu os custos de hardware e o consumo de energia, mas também tornou a manutenção e os upgrades do sistema muito menos perturbadores.

As empresas também usam a virtualização para implementar nuvens privadas, permitindo que os departamentos provisionem recursos sob demanda sem precisar de acesso à nuvem pública. Isso é especialmente valioso em setores com requisitos rigorosos de governança de dados.

Para que você entenda onde a virtualização se encaixa no modelo de nuvem mais amplo , esta comparação entre nuvens privadas e públicas oferece insights importantes.

Desenvolvimento e testes

Poucos domínios se beneficiam da virtualização tão diretamente quanto o desenvolvimento de software e a garantia de qualidade.

Aqui está o motivo: Os desenvolvedores precisam de ambientes consistentes e isolados para criar, testar e implementar aplicativos. As máquinas virtuais e os contêineres permitem que as equipes repliquem os ambientes de produção localmente ou em preparação sem afetar os sistemas ativos.

Um fluxo de trabalho típico pode incluir:

• Ativação de uma máquina virtual para testar novos recursos no nível do sistema operacional.
• Usar contêineres (por exemplo, Docker) para criar ambientes reproduzíveis para microsserviços.
• Executar testes automatizados em pipelines de CI/CD isolados e, em seguida, desmontar esses ambientes após a execução.

Essa abordagem melhora a confiabilidade do teste, acelera os ciclos de desenvolvimento e reduz o risco de bugs de implantação devido à incompatibilidade de ambiente.

Para ir além do básico e trabalhar com contêineres na prática, o curso Docker Intermediário oferece aprendizado prático com ferramentas do mundo real.

Conclusão

A virtualização é mais do que apenas uma ferramenta - é a camada de infraestrutura que torna possível a computação em nuvem moderna. A abstração do hardware em unidades dimensionáveis, flexíveis e portáteis permite que as organizações otimizem o uso de recursos, implementem aplicativos mais rapidamente e garantam a resiliência do sistema.

De plataformas de nuvem em hiperescala a departamentos de TI corporativos e equipes de desenvolvimento ágil, a virtualização oferece suporte à inovação e, ao mesmo tempo, mantém a infraestrutura eficiente e econômica. À medida que a adoção da nuvem cresce e as cargas de trabalho se tornam cada vez mais complexas, a virtualização continuará a ser um pilar crítico da transformação digital. 

Se você está apenas começando sua jornada na nuvem, este guia para iniciantes sobre computação em nuvem em 2025 é uma plataforma de lançamento útil.