O que é uma máquina virtual? Tipos, benefícios e casos de uso

As máquinas virtuais (VMs) são um componente essencial da infraestrutura de TI. Eles são emulações baseadas em software de computadores físicos que oferecem flexibilidade logística e computacional.

Neste artigo, explicarei as máquinas virtuais, como elas funcionam, seus benefícios, casos de uso comuns e muito mais!

O que é uma máquina virtual (VM)?

Uma máquina virtual é uma tecnologia que emula sistemas de computação completos, desde a CPU, a memória, o armazenamento, as interfaces de rede e o sistema operacional. 

As VMs emprestam recursos do computador físico para gerar esses computadores virtuais. Por exemplo, se um computador tiver 8 CPUs e 16 GBs de RAM, podemos virtualizar um ambiente com 4 CPUs e 8 GBs de RAM, separado do hardware físico. 

Contamos com hipervisores, software que controla a virtualização de recursos de hardware e gerencia vários ambientes virtuais, para gerenciar várias VMs em um único conjunto de hardware.

Máquinas virtuais vs. Máquinas físicas

É importante que você entenda como uma máquina virtual pode ser diferente de uma máquina física.

Vamos começar esclarecendo a diferença entre hardware e software. Hardware refere-se aos componentes físicos de um sistema, como placa-mãe, CPU, memória, GPU e armazenamento. O software, como o sistema operacional ou outros programas, é executado no hardware. 

As máquinas físicas são executadas diretamente no hardware. Por outro lado, as VMs executam um software que cria um hardware "virtualizado". Como mencionamos anteriormente, o sistema básico pode estar sendo executado em 64 GB de RAM, mas podemos virtualizar 32 GB de RAM para compartilhar com a máquina virtual.

Como as VMs podem compartilhar recursos de hardware, podemos alocar com eficiência apenas os recursos necessários que uma VM precisa. Por exemplo, se tivermos um servidor potente, poderemos executar várias VMs que realizam muitas tarefas em paralelo, com apenas os recursos necessários para que cada VM realize sua tarefa. Isso pode melhorar a utilização geral dos recursos e o custo. 

A tabela a seguir compara máquinas virtuais e físicas lado a lado:

Tipos de máquinas virtuais

Há dois tipos principais de máquinas virtuais: sistema e processo. Um emula um sistema operacional inteiro, enquanto o outro emula um único aplicativo: 

Máquinas virtuais do sistema

As VMs de sistema são o que pensamos com mais frequência quando falamos de VMs. Eles simulam um sistema operacional inteiro, como um computador Linux inteiro. Uma única peça de hardware pode simular várias instâncias do sistema operacional dessa forma. Isso é útil se precisarmos de vários ambientes para fazer coisas diferentes.

As máquinas virtuais em nuvem são um exemplo comum. Neles, ambientes inteiros de sistema operacional são hospedados e acessados remotamente pela Internet, o que os torna ideais para uma infraestrutura dimensionável.

Processar máquinas virtuais

As VMs de processo são processos únicos executados em um sistema operacional host. Eles não são um sistema completo em si, mas ambientes menores que permitem que qualquer computador execute um aplicativo que pode não ser nativo do sistema operacional básico. Por exemplo, a Java Virtual Machine permite que qualquer máquina execute aplicativos Java nativamente.

As VMs de processo são leves em comparação com as VMs de sistema e são amplamente usadas para executar aplicativos isolados específicos, especialmente em cenários de desenvolvimento e depuração.

Componentes de uma máquina virtual

Toda máquina virtual tem alguns componentes principais. Embora a implementação exata possa ser diferente, todas elas devem incluir partes semelhantes. Vamos analisá-los nesta seção.

1. Hipervisor

Em termos gerais, um hipervisor é a camada de software que gerencia e inicializa as máquinas virtuais. Ele gerencia os recursos entre a VM e a máquina física. 

Há dois tipos diferentes de hipervisores:

• Hipervisores do tipo 1 ficam sobre o bare metal e são executados no próprio servidor. Geralmente, eles têm acesso direto aos recursos do servidor. 
• Hipervisores do tipo 2 geralmente são instalados em um sistema operacional host. Eles não têm controle total dos recursos do computador e, em vez disso, são gerenciados pelo sistema operacional do host.

2. Hardware virtual

O hipervisor alocará o hardware virtual para a VM. Isso significa separar virtualmente os recursos físicos da máquina e fornecê-los ao ambiente virtual. Isso pode significar dividir a RAM, os núcleos da CPU e outros recursos de computação para que a VM possa executar processos.

3. Sistema operacional convidado

O sistema operacional convidado é executado dentro da VM. Ele não precisa ser o mesmo sistema operacional que o host e pode ser qualquer sistema operacional. VMs diferentes no mesmo hipervisor ou servidor podem até ter sistemas operacionais diferentes, dependendo dos casos de uso.

4. Disco virtual

As VMs geralmente têm discos virtuais para armazenar informações temporariamente enquanto estão em execução. Às vezes, transferimos dados de um disco virtual para o sistema de armazenamento real do computador host, mas isso é feito com cuidado para evitar danos ao host.

Diagrama de arquitetura de um servidor que executa três máquinas virtuais. Fonte da imagem: DataCamp.

Máquinas virtuais vs. Contêineres

Outro método popular de virtualização é a conteinerização. Embora possam ter objetivos semelhantes, as máquinas virtuais e os contêineres são bastante diferentes na implementação. Vamos ver suas diferenças.

• As máquinas virtuais são projetadas para replicar a totalidade de um dispositivo, inclusive seu hardware. Isso significa que uma VM replicará coisas como placa-mãe, CPU, dispositivo de rede e assim por diante para garantir que todos os aplicativos executados na VM pareçam estar sendo executados em hardware independente. 
• Os contêineres, no entanto, são projetados para executar aplicativos de software específicos, independentemente do ambiente. Eles não inicializam seus recursos, mas são executados nos recursos do computador host.

Diagrama de arquitetura de um servidor que executa três contêineres. Fonte da imagem: DataCamp.

Quando usar VMs ou contêineres

Use VMs quando você precisar executar vários sistemas operacionais em paralelo e exigir um gerenciamento discreto de recursos. As VMs também são preferíveis quando você precisa de uma quantidade consistente e previsível de recursos para seus processos.

Os contêineres, por outro lado, são ideais para a implantação de aplicativos leves. Como os contêineres compartilham recursos, é importante garantir que o seu servidor possa lidar com vários contêineres ao mesmo tempo e alocar recursos adequadamente.

Se você não conhece esses conceitos, talvez ache o curso sobre conceitos de virtualização e conteinerização útil para entender seus casos de uso. Para saber mais sobre a diferença entre VMs e contêineres, confira a publicação do blog que compara contêineres e máquinas virtuais.

Benefícios das máquinas virtuais

As máquinas virtuais têm muitos benefícios, incluindo maior eficiência de recursos e segurança. O uso adequado das VMs pode tornar sua infraestrutura de tecnologia mais simples e mais robusta. Vamos dar uma olhada mais de perto em seus benefícios:

Eficiência de recursos e economia de custos

Como as VMs compartilham o mesmo hardware, você pode obter muito mais utilização de seus servidores físicos usando VMs. A combinação de diferentes ambientes reduz a necessidade de comprar hardware específico para um determinado caso de uso e, em vez disso, permite o uso compartilhado de recursos e a economia geral de custos.

Isolamento e segurança

Como cada VM é executada independentemente do sistema host, ela é naturalmente isolada. Isso aumenta a segurança ao minimizar o risco de um único sistema falhar ou ser violado, tornando-se um problema. Normalmente, não há comunicação entre as VMs e elas não dependem umas das outras, portanto, é fácil desligar VMs problemáticas ou isolar problemas de segurança rapidamente.

Flexibilidade e portabilidade

As VMs oferecem grande flexibilidade para as infraestruturas de TI porque podem ser facilmente replicadas. Isso simplifica as coisas quando vários ambientes precisam ser iniciados simultaneamente, pois eles podem compartilhar as mesmas instruções de inicialização. Isso também permite que você faça testes, backups e recuperação de desastres com facilidade.

Casos de uso comuns para máquinas virtuais

Vamos discutir alguns dos usos mais comuns das VMs. Eles podem executar qualquer tarefa que possa ser feita em um computador normal e são inestimáveis para uma variedade de operações!

Ambientes de teste e desenvolvimento

Os desenvolvedores costumam usar VMs para criar ambientes de teste e desenvolvimento para novos softwares ou patches. As VMs facilitam o teste de alterações em um programa em vários ecossistemas para testes completos sem afetar a máquina host. Um único script pode ser usado para implementar a mesma alteração em uma ampla variedade de VMs para teste.

Consolidação de servidores

Os profissionais consolidam vários servidores físicos em menos servidores usando VMs. Isso reduz os custos gerais de manutenção de hardware e economiza espaço nas salas de servidores. Ele também melhora a utilização de recursos, pois as máquinas físicas não estão mais vinculadas a um único ambiente ou tarefa.

Execução de aplicativos legados

À medida que a tecnologia muda, os sistemas operacionais modernos podem não ser mais capazes de suportar processos legados. O uso de uma VM pode manter esses aplicativos legados enquanto eles estão sendo modernizados, para que as operações possam continuar sem problemas.

Recuperação de desastres e backups

Com o crescente volume de dados e informações, as VMs podem servir como backups rápidos de ambientes inteiros para aumentar a robustez de um sistema. Se uma única VM falhar em um servidor físico, outras cópias da mesma VM poderão continuar a ser executadas ou assumir o controle. Esse é um componente essencial da computação em nuvem.

Computação em nuvem

A maior parte da nuvem é executada em virtualização. As plataformas de nuvem, como AWS, Azure e Google Cloud, podem fornecer uma infraestrutura dimensionável e flexível, pois é fácil ativar e desativar máquinas virtuais. Eles podem fazer rapidamente cópias virtuais de sites ou programas inteiros para dar suporte à demanda crescente e depois desativá-los quando não forem mais necessários.

Para saber mais sobre como a computação em nuvem utiliza a virtualização, confira o curso sobre como entender a computação em nuvem.

Máquinas virtuais na ciência de dados

Graças à sua flexibilidade e utilidade, as VMs são excelentes ferramentas para a ciência de dados! Aqui estão alguns de seus muitos usos nessa área:

Ambientes de desenvolvimento isolados

Assim como os engenheiros de software podem usar VMs para criar ambientes de desenvolvimento exclusivos, os cientistas de dados podem usar VMs para criar ambientes isolados para diferentes projetos de dados. 

Por exemplo, você pode usar uma VM para criar um modelo preditivo em Python e outra para pré-processar dados com o R. Essa separação permite que vários projetos com uso intensivo de computação sejam executados em ambientes diferentes simultaneamente, aumentando a eficiência.

Reprodutibilidade em experimentos de ciência de dados

Os cientistas de dados geralmente precisam ser capazes de reproduzir os resultados. Por exemplo, ao treinar um modelo de aprendizagem profunda, você pode compartilhar uma VM com seus colegas de trabalho que inclua a mesma versão do TensorFlow, bibliotecas e conjuntos de dados. Isso garante a consistência dos experimentos e elimina o risco de que as diferenças ambientais afetem os resultados.

Escalabilidade para projetos de big data

À medida que os projetos crescem, podem ser necessários vários clusters de máquinas virtuais na nuvem. Imagine treinar um modelo de processamento de linguagem natural em terabytes de dados de texto; provedores de nuvem como o AWS podem distribuir automaticamente a carga de trabalho em várias VMs. Por exemplo, ferramentas como o Apache Spark podem aproveitar os clusters virtuais para lidar com cálculos em grande escala de forma eficiente.

Software de máquina virtual popular

Há muitas ferramentas que permitem que você execute máquinas virtuais no seu computador e em ambientes corporativos. Aqui estão alguns dos mais populares:

VMware

A VMware é uma das ferramentas de virtualização mais populares para ambientes corporativos. Ele oferece suporte robusto e soluções baseadas na nuvem. A VMware trabalha com os clientes para fornecer ferramentas para virtualização de desktops e servidores, dependendo de suas necessidades. Seu principal hipervisor é o VMware ESXi Type 1, que permite a virtualização fácil de servidores e vem com uma interface HTML 5 fácil de usar.

Microsoft Hyper-V

O Hyper-V da Microsoft é um hipervisor adaptado ao ambiente do Windows Server. Isso significa que toda virtualização requer um sistema operacional Windows para ser executada e utiliza partições de disco. Ele permite a fácil virtualização de desktops virtuais no ambiente do Windows Server e é uma excelente solução para aqueles que desejam permanecer no ecossistema do Windows ou até mesmo no Azure.

VirtualBox

O VirtualBox é um dos softwares de virtualização de código aberto mais populares. Ele permite que os usuários criem áreas de trabalho virtuais de qualquer tipo em seus próprios computadores. Ele oferece uma interface simples e pode utilizar imagens de disco para facilitar a reprodução. Essa é uma excelente ferramenta introdutória ao mundo da virtualização e é altamente recomendada para que você possa praticar e adquirir experiência.

KVM (máquina virtual baseada em kernel)

O kernel do Linux permite que você crie máquinas chamadas KVMs. Todo sistema Linux moderno vem com o KVM e permite que os usuários convertam qualquer peça de hardware baseada em Linux em um hipervisor. Ele aproveita o hardware existente e geralmente é gerenciado com o uso de software de virtualização, como o Red Hat.

Conclusão

As máquinas virtuais são parte integrante do ecossistema de TI, pois permitem que você crie rapidamente vários ambientes virtuais a partir de um único servidor. Eles geralmente são gerenciados pelo software do hipervisor, que cria e aloca recursos conforme necessário.  Isso permite maior utilização de recursos, reprodutibilidade, resiliência e eficiência, especialmente quando vários processos precisam ser executados em paralelo.

Para explorar esses conceitos e entender como as VMs se comparam a tecnologias como contêineres, confira o curso sobre conceitos de virtualização e contêineres. É uma ótima maneira de aprofundar seu conhecimento sobre essas tecnologias essenciais!