Introduzione alla virtualizzazione

La virtualizzazione di hardware, software, spazio di archiviazione o componenti di rete garantisce un’astrazione delle risorse IT fisiche, in modo da ottenere un migliore utilizzo.

Che cos’è la virtualizzazione?

La virtualizzazione consiste in un’astrazione dalle risorse fisiche dell’IT con lo scopo di distribuirle in modo flessibile e in base alle necessità. In questo modo ci si assicura un migliore utilizzo delle risorse. Si possono astrarre sia i componenti hardware che quelli software. Una componente IT creata con la virtualizzazione si indica come componente virtuale o logica e può essere utilizzata esattamente come il suo corrispettivo fisico.

Uno dei vantaggi principali della virtualizzazione è il livello di astrazione tra le risorse fisiche e la rappresentazione virtuale, alla base di diversi servizi cloud che acquisiscono una sempre maggiore importanza nella quotidianità aziendale. Il concetto di virtualizzazione deve innanzitutto essere separato da quelli (a volte molto simili) di simulazione ed emulazione.

Virtualizzazione: né simulazione né emulazione

Chi si occupa di virtualizzazione s’imbatterà inevitabilmente nei concetti di simulazione ed emulazione, che spesso vengono utilizzati come sinonimi, ma che si differenziano l’uno dall’altro, nonché dal concetto di virtualizzazione.

• Simulazione: con simulazione si indica la completa riproduzione di un sistema per mezzo di un software. In questo caso, la “completezza” sta a significare che non soltanto sono imitate le funzioni nell’interazione con altri sistemi, ma anche tutte le componenti del sistema e la loro logica. I simulatori sono utilizzati per compilare, con finalità di analisi, programmi che sono stati sviluppati per un particolare sistema su un altro sistema.
• Emulazione: mentre la simulazione mira a riprodurre sistemi, l’emulazione presenta le funzioni delle componenti hardware o software ma non la logica a loro intrinseca. Il fine dell’emulazione è infatti di ottenere con il sistema riprodotto gli stessi risultati ottenuti dal corrispettivo reale. A differenza del simulatore, l’emulatore può perciò sostituire completamente i sistemi che riproduce.

I simulatori e gli emulatori tornano utili in tre scenari:

• Per la riproduzione di un ambiente hardware in modo da poter eseguire un sistema operativo che era stato in realtà sviluppato per altre piattaforme di processori.
• Per la riproduzione di un sistema operativo per eseguire applicazioni che sono state progettate per altri sistemi.
• Quando occorre riprodurre un ambiente hardware per un software divenuto obsoleto, le cui componenti originali non sono più disponibili.

Oltre a quella tra simulatori ed emulatori, occorre fare un’ulteriore distinzione per le soluzioni software che forniscono semplicemente un livello di compatibilità per superare le incompatibilità tra diverse componenti hardware e software. In questo caso viene riprodotto non l’intero sistema, ma soltanto una parte di un sistema, per esempio un’interfaccia. Tra gli esempi noti rientrano Wine (un acronimo ricorsivo per Wine Is Not an Emulator) e Cygwin.

Come funziona la virtualizzazione?

La virtualizzazione assomiglia ai concetti di simulazione ed emulazione, anche se serve a un altro scopo. I simulatori e gli emulatori implementano un modello di un sistema informatico realizzato mediante software che serve a colmare le incompatibilità. Nel migliore dei casi, la virtualizzazione dovrebbe essere concepita in modo da dover essere simulata o emulata il meno possibile. Al suo posto le tecnologie di virtualizzazione dovrebbero stabilire soltanto un grado di astrazione che consenta di fornire risorse IT indipendentemente dalla loro base fisica.

Per fare un esempio: a scopo di test vengono eseguite sul proprio computer Windows 10 una o più versioni virtuali di Windows 10; viene anche usato un software di virtualizzazione. Se, invece, si volesse avviare sullo stesso computer due versioni virtuali di Ubuntu, servirebbe un software di virtualizzazione capace di colmare le incompatibilità tra il sistema Windows su cui si opera e il sistema Linux che si deve eseguire attraverso l’emulazione.

Numerose soluzioni software utilizzate nell’ambito della virtualizzazione contengono emulatori e nella pratica i due concetti spesso si sovrappongono.

Le diverse forme di virtualizzazione

Nel moderno panorama IT esistono diverse forme di virtualizzazione che si riferiscono all’astrazione di risorse IT: software, spazio di archiviazione, dati o componenti di rete. In generale si distingue tra:

• Virtualizzazione dell’hardware
• Virtualizzazione del software
• Virtualizzazione dello spazio di archiviazione
• Virtualizzazione dei dati
• Virtualizzazione delle reti

Virtualizzazione dell’hardware

Il concetto di virtualizzazione dell’hardware si riferisce a tecnologie che permettono di fornire componenti hardware attraverso software indipendentemente dalla loro base fisica. Il primo esempio di virtualizzazione dell’hardware è la macchina virtuale (conosciuta con l’abbreviazione VM).

Una VM è un computer virtuale che si comporta con l’utente finale allo stesso modo di un computer fisico dotato di hardware e sistema operativo. Il livello di astrazione tra la base fisica e il sistema virtuale in una virtualizzazione hardware vengono generati da diversi tipi di hypervisor.

Gli hypervisor gestiscono le risorse hardware messe a disposizione dal sistema host, come CPU, RAM, spazio di archiviazione e periferiche, e le condividono con un numero qualsiasi di sistemi guest. A livello tecnico ciò può avvenire con una virtualizzazione completa o una paravirtualizzazione.

• Virtualizzazione completa: con la virtualizzazione completa l’hypervisor di ciascuna macchina virtuale riproduce un ambiente hardware completo. In questo modo ogni VM dispone di un proprio contingente di risorse hardware fornito dall’hypervisor e può eseguirvi applicazioni. Invece, l’hardware fisico del sistema host rimane nascosto al sistema operativo guest. Questo approccio consente il funzionamento di sistemi guest non modificati. Le soluzioni software più popolari per la virtualizzazione completa sono Oracle VM VirtualBox, Parallels Workstation, VMware Workstation, Microsoft Hyper-V e Microsoft Virtual Server.
• Paravirtualizzazione: mentre con la virtualizzazione completa viene fornito un ambiente hardware virtuale per ogni VM, per la paravirtualizzazione l’hypervisor mette a disposizione soltanto un’interfaccia di programmazione (API) che consente ai sistemi operativi guest di accedere all’hardware fisico del sistema host. La paravirtualizzazione offre quindi un vantaggio in termini di prestazioni rispetto alla virtualizzazione completa. Tuttavia, il prerequisito è che il kernel del sistema operativo guest sia stato progettato per le API. Ciò significa che solo i sistemi guest modificati possono essere paravirtualizzati. Ciò richiede, tuttavia, che il kernel del sistema operativo guest venga portato all’API, in modo che soltanto i sistemi guest modificati possano essere paravirtualizzati.

Per gli utenti finali una macchina virtuale non presenta differenze rispetto a un computer fisico. La virtualizzazione hardware riguarda perciò la possibilità di scegliere una varietà di server virtuali per diversi utenti sulla base di una potente piattaforma di elaborazione: la base del popolare modello di hosting condiviso.

Un ulteriore campo di applicazione della virtualizzazione hardware è il consolidamento dei server in ambito aziendale. Ciò comporta essenzialmente tre vantaggi:

• Un miglior utilizzo del server
• Una distribuzione efficace dei supporti di memorizzazione
• Un minor consumo di energia per funzionamento e raffreddamento

La virtualizzazione dell’hardware è un concetto di virtualizzazione relativamente sicuro. Ogni sistema guest è eseguito isolatamente in un ambiente hardware virtuale. Se uno dei sistemi guest viene attaccato da hacker o danneggiato da un malware nelle sue funzioni, ciò di solito non ha alcun effetto sugli altri sistemi guest sullo stesso sistema host.

Vantaggi e svantaggi della virtualizzazione dell’hardware:

Virtualizzazione del software

Se anziché componenti hardware vengono virtualizzate componenti software, si parla di virtualizzazione del software. Gli approcci comuni a questo concetto di virtualizzazione sono:

• Virtualizzazione delle applicazioni
• Virtualizzazione del desktop
• Virtualizzazione del sistema operativo

Virtualizzazione delle applicazioni

Con virtualizzazione delle applicazioni (in inglese application virtualization) si intende l’astrazione di singole applicazioni dal sistema operativo sottostante. I sistemi di virtualizzazione delle applicazioni consentono di eseguire programmi in ambienti di runtime isolati e di distribuirli su più sistemi senza richiedere modifiche ai sistemi operativi locali, ai file system o al rispettivo registry.

La virtualizzazione delle applicazioni è particolarmente adatta per l’implementazione locale, ad esempio per proteggere il sistema operativo sottostante da possibili codici maligni. In alternativa, le applicazioni virtualizzate possono essere fornite su un solo server per diversi client nella rete. In questo caso gli utenti finali accedono ad applicazioni virtualizzate attraverso lo streaming delle applicazioni.

L’incapsulamento delle applicazioni, incluso l’ambiente di runtime, consente inoltre di copiare ed eseguire i programmi su supporti di archiviazione portatili come chiavette USB.

Lo scopo della virtualizzazione delle applicazioni è di dissociare i programmi dal sistema operativo sottostante, in modo da poterli adattare e gestire centralmente. In un contesto aziendale questo concetto si utilizza ad esempio per fornire le applicazioni di Office.

Vantaggi e svantaggi della virtualizzazione delle applicazioni:

La virtualizzazione del desktop

La virtualizzazione del desktop indica un concetto per il quale gli ambienti desktop vengono forniti centralmente e possono essere utilizzati attraverso una rete. Questo approccio trova applicazione in primo luogo in contesti aziendali.

La virtualizzazione del desktop si basa su una struttura client-server. Lo scambio di dati tra il server e il client avviene attraverso i cosiddetti protocolli remote display. A seconda di dove venga utilizzata la potenza di calcolo per fornire un desktop virtuale, viene fatta una distinzione tra approcci basati su host e client.

• Virtualizzazione desktop basata sull’host: per virtualizzazione desktop basata sull’host si intendono tutti gli approcci nei quali i desktop virtuali vengono eseguiti direttamente sul server. In questo caso la potenza di calcolo totale per fornire l’ambiente desktop e per il funzionamento delle applicazioni viene messa a disposizione dall’hardware del server. Gli utenti accedono al desktop virtuale basato sull’host con un numero di dispositivi client a piacere attraverso la rete. La virtualizzazione desktop basata sull’host può essere implementata utilizzando le seguenti modalità:

  • Macchina virtuale basata sull’host: con questo approccio alla virtualizzazione ogni utente si connette a un dispositivo client con una propria macchina virtuale sul server. Si distingue tra una virtualizzazione desktop persistente, nella quale un utente si connette alla stessa VM in ogni sessione e una non persistente, in cui le macchine virtuali vengono assegnate casualmente.
  • Terminal service: quando il client viene utilizzato solo come dispositivo di visualizzazione per ambienti desktop ospitati centralmente, si parla di terminal services o di virtualizzazione della presentazione, che vengono messi a disposizione da un cosiddetto terminal server.
  • Blade server: con l’aiuto di un blade server l’utente finale può accedere da remoto a macchine fisiche separate. Si tratta di un server modulare o di un alloggiamento del server che contiene diversi computer a scheda singola, i cosiddetti blades (in italiano: fogli).

• Virtualizzazione del desktop basata sul client: se la virtualizzazione del desktop avviene basandosi sul client, le risorse per il funzionamento dell’ambiente desktop devono essere fornite dal relativo dispositivo client.

• Macchine virtuali basate sul client: con questa modalità di virtualizzazione l’ambiente desktop della macchina virtuale viene eseguito sul dispositivo client. Normalmente viene utilizzato un hypervisor.

• Streaming del sistema operativo: con lo streaming del sistema operativo (OS streaming), il sistema operativo dell’ambiente desktop viene eseguito sull’hardware locale. Solamente il processo di avvio viene eseguito da remoto tramite un’immagine sul server.

Vantaggi e svantaggi della virtualizzazione del desktop:

Virtualizzazione a livello del sistema operativo

I concetti di virtualizzazione a livello del sistema operativo poggiano su funzioni native del kernel dei sistemi operativi simili a Unix che consentono di eseguire in parallelo più istanze isolate dello spazio utente. A differenza della virtualizzazione dell’hardware, in questo modo non si riproduce un sistema guest completo inclusivo del kernel, bensì le applicazioni si distribuiscono a livello del sistema operativo ai kernel del sistema host.

Ogni istanza dello user space rappresenta un ambiente di runtime virtuale chiuso in se stesso, chiamato a seconda della tecnologia utilizzata container, partition, virtualization engine (abbreviato in VE) o jail. La virtualizzazione basata sul sistema operativo ha vissuto un revival con le piattaforme container come Docker. Nel frattempo, l’utente ha a disposizione con rtk, OpenVZ/Virtuozzo e runC collaudate alternative al leader di mercato.

La virtualizzazione delle istanze nello user space avviene grazie a meccanismi chroot nativi, di cui dispongono tutti i sistemi operativi simili a Unix. Chroot (abbreviazione per “change root”) è una chiamata di sistema che permette di cambiare la directory root di un processo in corso. I processi che vengono trasferiti in una directory root virtuale, se correttamente implementati, possono accedere solo ai file all’interno di quella directory. Il comando chroot da solo, tuttavia, non incapsula i processi in modo adeguato. La chiamata di sistema, in effetti, consente le funzioni di virtualizzazione di base, ma non è stata concepita per assicurare i processi. Le tecnologie container combinano perciò chroot con altre funzioni kernel native come cgroups e namespaces, per mettere a disposizione dei processi un ambiente di runtime isolato con accesso limitato alle risorse hardware. In questo caso si parla di processi di containerizzazione.

• Cgroups: i cgroups sono gruppi di controllo per la gestione delle risorse che consentono di limitare gli accessi dei processi alle risorse hardware.
• Namespaces: i namespaces sono spazi di nome per l’identificazione di sistema e di processo, per le comunicazioni interprocessuali e per le risorse della rete. Con namespaces si può limitare un processo e tutte le sue ramificazioni alla sezione desiderata del sistema che sta alla base.

Un container di software contiene un’applicazione che comprende tutte le dipendenze come librerie, programmi di assistenza o file di configurazione. Le applicazioni si possono containerizzare senza ulteriori adattamenti e si possono spostare da un sistema a un altro. Pertanto, il punto di forza di questo approccio container risiede nella distribuzione di applicazioni nella rete (deployment).

Quando i container sono utilizzati nell’ambito delle architetture di microservizi, gli utenti possono inoltre approfittare di un’alta scalabilità.

Vantaggi e svantaggi della virtualizzazione a livello del sistema operativo:

Virtualizzazione dello spazio di archiviazione

La virtualizzazione dello spazio di archiviazione (virtualizzazione dello storage) è un concetto di virtualizzazione che mira a raffigurare virtualmente le diverse risorse di memoria dell’azienda, come dischi rigidi, memoria flash o unità nastro e distribuirle in un pool di archiviazione interdipendente.

Anche l’archivio virtuale si può suddividere in quote e assegnare alle applicazioni selezionate. Nonostante la virtualizzazione, gli utenti possono sempre accedere ai file memorizzati attraverso gli stessi percorsi, anche se la posizione fisica di archiviazione cambia, grazie a una tabella di mappatura gestita dal software di virtualizzazione. Si parla quindi di mapping dei supporti di archiviazione fisici su un’unità logica (chiamati anche volumes).

Normalmente, in ambito aziendale la virtualizzazione dello spazio di archiviazione è implementata basandosi su blocchi. Con la memorizzazione a blocchi i dati vengono suddivisi in blocchi di dimensioni uguali. A ogni blocco di file viene assegnato un indirizzo univoco che viene salvato dal software di virtualizzazione nella tabella di mappatura centralizzata (mapping table).

Nella pratica, la virtualizzazione basata su blocchi si può implementare in base all’host, ai dispositivi e alle rete.

La virtualizzazione basata sull’host è utilizzata, di solito, in combinazione con le macchine virtuali. In questo caso un sistema host presenta a uno o più sistemi guest (vedi virtualizzazione dell’hardware) delle unità virtuali a un livello di astrazione. L’accesso all’hardware avviene attraverso i driver di periferica del sistema host.

La virtualizzazione basata sull’host non necessita di un hardware aggiuntivo, supporta qualsiasi dispositivo di archiviazione ed è facile da implementare. Inoltre, questo approccio offre rispetto ad altri la migliore performance, dato che ogni dispositivo di archiviazione è indirizzato direttamente e quindi senza tempi di latenza. Tuttavia, gli utenti devono tenere conto del fatto che la virtualizzazione dello spazio di archiviazione con la conseguente possibilità di ottimizzarne l’utilizzo, si limita all’host di riferimento.

Anche i disk array, ovvero i dispositivi di archiviazione di massa che possono essere utilizzati per distribuire i dischi sulla rete, offrono la possibilità di virtualizzare le risorse di archiviazione nell’ambito della virtualizzazione dello spazio di archiviazione basata sui dispositivi, utilizzando i cosiddetti schemi RAID. Il RAID (abbreviazione per Redundant Array of Independent Disks, disposizione ridondante di dischi rigidi indipendenti) è una modalità di gestione dei dati nella quale diverse unità fisiche sono riunite in una piattaforma di archiviazione virtuale.

Anche la virtualizzazione dello spazio di archiviazione basata sui dispositivi offre buone prestazioni attraverso una minima latenza I/O. A parte i disk array da unire, non sono necessari componenti hardware aggiuntivi.

Una virtualizzazione dello spazio di archiviazione basata sulla rete è particolarmente utile quando si raggruppano risorse di memoria da sistemi eterogenei in un pool di archiviazione virtuale. In un contesto aziendale viene solitamente implementata come parte di una storage area network (SAN).

Vantaggi e svantaggi della virtualizzazione dello spazio di archiviazione:

Virtualizzazione dei dati

La virtualizzazione dei dati abbraccia diversi tipi di virtualizzazione nell’ambito dell’analisi di data warehouse, che hanno lo scopo di fornire alle applicazioni un accesso ai dati astratto dalle circostanze fisiche. Per fare ciò viene creata la cosiddetta copia master, una riproduzione virtuale comprensiva dell’intero insieme dei dati.

La virtualizzazione dei dati è quindi un concetto di integrazione delle informazioni.

Nell’ambito dell’integrazione delle informazioni si utilizza ETL (Extract, Transform, Load) per estrarre i dati da fonti diversamente strutturate e riunirli in un database di destinazione fornendo loro una struttura unitaria. Anche la virtualizzazione dei dati consente di leggere dati da diverse fonti e di manipolarli; tuttavia, essi rimangono fisicamente nello stesso luogo, diversamente che con ETL. Le soluzioni software per la virtualizzazione dei dati integrano semplicemente i dati a livello virtuale e realizzano un accesso in tempo reale alla fonte fisica dei dati.

Vantaggi e svantaggi della virtualizzazione di dati:

Virtualizzazione della rete

La virtualizzazione della rete comprende diversi metodi che astraggono le risorse di rete a livello hardware e software dalla loro base fisica. Normalmente questo tipo di virtualizzazione viene utilizzato nell’ambito delle istanze di sicurezza, principalmente con due obiettivi:

• Aggregare le risorse di rete fisiche in un’unica unità logica per mezzo della virtualizzazione
• Suddividere le risorse di rete fisiche in diverse unità virtuali per mezzo della virtualizzazione

Un esempio evidente per la virtualizzazione della rete è la Virtual Private Network (VPN), una rete virtuale basata su una rete fisica. Nella pratica, le VPN si utilizzano per realizzare connessioni sicure attraverso canali meno sicuri: ad esempio quando un collaboratore esterno vuole raggiungere su internet la rete privata della propria azienda.

Un altro esempio di virtualizzazione della rete sono le cosiddette Virtual Local Area Network (VLAN), parti di rete virtuali basate su una rete fisica di computer.

Un approccio che permette di amministrare le risorse di rete virtuali in modo centrale, senza dover accedere manualmente ai componenti fisici della rete, è il Software-Defined Networking (SDN), che si basa sul disaccoppiamento del piano di controllo virtuale (control plane) dal livello di rete fisico, che è responsabile per l’inoltro dei pacchetti di dati (data plane).

Vantaggi e svantaggi della virtualizzazione della rete: