Hipervisor Explicado: Definição, Tipos e Exemplos do Mundo Real

O hipervisor é uma tecnologia bastante antiga, mas ainda super relevante para permitir virtualização. Os primeiros hipervisores a fornecer virtualização completa foram desenvolvidos pela IBM em 1967. Foram desenvolvidos como ferramenta de teste (chamada SIMMON) para o sistema operacional CP/CMS da IBM.

Mas o que exatamente é virtualização? Em termos simples, virtualização é um processo de criar uma versão baseada em software (ou virtual) de algo que usa uma quantidade fixa de armazenamento, rede e recursos computacionais. Funciona particionando o hardware subjacente e executando cada partição como uma Máquina Virtual separada e isolada, que tem seu próprio sistema operacional.

Agora, é aqui que o hipervisor entra. Eles tornam o processo de virtualização viável. Neste artigo de visão geral, explicamos diferentes tipos de hipervisores e como funcionam. Vamos começar com uma pergunta básica.

O Que é um Hipervisor?

Definição: Um hipervisor é hardware, software ou firmware de computador que cria máquinas virtuais e então gerencia e aloca recursos a elas eficientemente. Cada máquina virtual pode executar seu próprio sistema operacional e aplicações.

O computador no qual o hipervisor é instalado é chamado de máquina hospedeira (host), e todas as máquinas virtuais são chamadas de máquinas convidadas (guests). Um hipervisor facilita dividir os recursos da máquina hospedeira e alocá-los a máquinas convidadas individuais. Também permite gerenciar a execução de sistemas operacionais e aplicações convidadas em um único pedaço de hardware de computador.

Digamos que você tenha um PC com 16 GB de RAM e 500 GB de armazenamento rodando Linux, e queira rodar aplicações que requerem macOS. Neste caso, você pode criar uma máquina virtual rodando macOS e então usar um hipervisor para gerenciar seus recursos. Por exemplo, pode alocar 4 GB de RAM e 100 GB de armazenamento.

Do ponto de vista de uma máquina convidada, não há diferença entre ambiente físico e virtualizado. Máquinas virtuais não sabem que foram criadas por um hipervisor e que estão compartilhando recursos disponíveis. Elas rodam concorrentemente no hardware que as alimenta. E assim, dependem inteiramente da operação estável do hardware.

Hipervisores existem há mais de meio século, mas devido ao aumento na demanda por computação em nuvem nos últimos anos, sua importância tornou-se mais aparente.

Tipos de Hipervisores

Desde meados dos anos 1970, dois tipos diferentes de hipervisores têm sido usados para implementar virtualização:

Tipo 1 / Bare-metal / Hipervisores Nativos

Hipervisores Tipo-1 rodam diretamente no hardware do host. Como têm acesso direto ao hardware subjacente e não precisam passar pela camada do sistema operacional, também são chamados de hipervisores bare-metal.

Eles performam melhor, rodam mais eficientemente e são mais seguros que outros tipos de (Tipo-2) hipervisores. Por isso, grandes organizações e empresas preferem hipervisores bare-metal para trabalhos de computação em data center.

Enquanto a maioria dos hipervisores Tipo-1 permite que admins aloquem recursos manualmente baseados na prioridade da aplicação, alguns fornecem opções de alocação e gerenciamento dinâmico de recursos.

Os primeiros hipervisores, como o software de teste SIMMON, eram hipervisores tipo-1.

Exemplos Modernos: VMware ESXi, Nutanix AHV, Oracle VM Server for x86, Microsoft Hyper-V.

Tipo 2 / Hipervisores Hospedados

Como todos os programas de computador, hipervisores Tipo-2 rodam em um sistema operacional. Assim, dependem tanto do hardware subjacente quanto do software. Os sistemas operacionais convidados são construídos sobre o sistema operacional hospedeiro.

Embora estes hipervisores permitam criar múltiplas máquinas virtuais, eles não podem acessar diretamente o hardware do host e seus recursos. O sistema operacional pré-instalado controla alocação de rede, memória e armazenamento. Isso restringe os hipervisores a tomar decisões críticas e adiciona certa latência.

No entanto, são fáceis de configurar e gerenciar. Não requerem admin dedicado e são compatíveis com uma ampla gama de hardware. A maioria dos desenvolvedores os usa para propósitos de teste.

Exemplos: VMware Workstation, VirtualBox, QEMU, VMware Player, VMware Fusion e Parallels Desktop para Mac.

Vantagens

Portabilidade: Um Hipervisor pode rodar múltiplas máquinas convidadas (virtuais) independentes da máquina hospedeira, e cada máquina convidada pode ter um sistema operacional diferente.

Um usuário autorizado pode deslocar cargas de trabalho e alocar memória, armazenamento e recursos computacionais através de múltiplas máquinas convidadas conforme requisitos. Quando uma aplicação específica precisa de mais potência, usuários podem conceder recursos adicionais (da máquina hospedeira) via hipervisor.

Custo-efetivo: Se você não instalar um hipervisor, pode precisar comprar hardware físico diferente para rodar ou testar diferentes aplicações. No entanto, usando um hipervisor, você pode configurar múltiplas instâncias de uma variedade de sistemas operacionais em uma única máquina física poderosa. Também reduz significativamente o custo de recursos computacionais e consumo de eletricidade.

Flexibilidade: Como o hipervisor isola o sistema operacional do hardware subjacente, as aplicações associadas não dependem mais de drivers de hardware particulares. Isso torna o sistema geral mais flexível para rodar uma variedade de software.

Seguro: O isolamento de cada convidado significa que um problema com um convidado não afeta os outros. Por exemplo, se um programa malicioso corrompe todos os arquivos em uma máquina virtual, os arquivos e aplicações nas outras máquinas são menos propensos a serem afetados.

Backup e recuperação do sistema: Máquinas virtuais são arquivos, e como qualquer arquivo convencional, podem ser copiados e restaurados. Replicação baseada em hipervisor é mais fácil e custo-efetiva que outras técnicas de replicação de máquinas virtuais. Também é neutra em hardware, o que significa que se pode armazenar qualquer arquivo duplicado em qualquer dispositivo de armazenamento com facilidade.

Desvantagens

Desempenho Comprometido: Como recursos são compartilhados em ambientes virtuais (embora guests permaneçam isolados uns dos outros), pode afetar desempenho significativamente.

Às vezes, a causa raiz subjacente permanece oculta. Por exemplo, se a carga aumenta em um programa ao ponto onde a alocação máxima de hardware é atingida, então a máquina convidada ou é paralisada ou começa a tomar recursos de outros guests rodando na mesma máquina hospedeira. Isso cria escassez de hardware, o que impacta a responsividade de outras aplicações ativas.

Risco: Virtualização vem com risco porque você está colocando todos os ovos na mesma cesta. Se a máquina hospedeira falha, todas as suas máquinas convidadas falharão também. Este tipo de risco é chamado de "ponto único de falha".

Complexidade Aumentada: Gerenciar múltiplas máquinas virtuais é mais complexo que gerenciar uma máquina física. Alguns hipervisores têm curva de aprendizado íngreme. E à medida que a virtualização se torna mais popular, mais novas habilidades são requeridas.

Tornando Virtualização Viável em Computadores Domésticos

Em meados dos anos 2000, fabricantes de microprocessadores começaram a adicionar assistência de virtualização de hardware a seus produtos como AMD-V e Intel VT-x. Em modelos de processador posteriores, integraram mais suporte de hardware que permitiu ganhos significativos de velocidade. Em 2019, todos os processadores modernos Intel e AMD suportam capacidades de máquina virtual.

Hipervisores também têm lugar em sistemas embarcados modernos. Estes são principalmente hipervisores Tipo-1 projetados com requisitos específicos. Diferente de hardware de computador, sistemas embarcados usam uma ampla gama de arquiteturas e ambientes menos padronizados.

Virtualização nestes sistemas facilita maior eficiência, canais de comunicação de alta largura de banda, isolamento, segurança e capacidades em tempo real. Por exemplo, OKL4 suporta várias arquiteturas, incluindo x86 e ARM. Foi implantado em mais de 2 bilhões de celulares, tanto como sistema operacional baseband quanto para hospedar sistemas operacionais virtuais.

Segurança

Segurança é um dos fatores mais cruciais em tecnologia de virtualização. Se um atacante ganha acesso não autorizado ao hipervisor, ele poderia então ganhar acesso a cada máquina convidada no software hospedeiro explorando caches de hardware compartilhados ou outras vulnerabilidades. Este tipo de ataque é chamado hyperjacking.

No entanto, hipervisores modernos são robustos e bem protegidos. Embora tenham havido algumas notícias de pequenos hacks, nenhum hyperjacking maior foi reportado até agora além de testes de "prova de conceito".