Tema 10: Virtualización: tipos y aplicaciones en la administración pública

Sistemas de almacenamiento y su virtualización

La administración del almacenamiento en un CPD combina tres grandes pilares: la agregación de discos mediante RAID, la conexión del almacenamiento a los servidores (DAS, NAS y SAN) y la virtualización del espacio (provisionamiento fino o grueso). Todos ellos persiguen mejorar rendimiento, disponibilidad y aprovechamiento de la capacidad.

RAID: agregación de discos

RAID es el acrónimo de Redundant Array of Independent Disks (matriz redundante de discos independientes). Su función principal es mejorar el almacenamiento de datos combinando múltiples discos duros en una única unidad lógica, aumentando el rendimiento, la capacidad y/o la tolerancia a fallos. Los niveles se estandarizan por la SNIA (Common RAID Disk Drive Format). Las tres técnicas base son:

• Striping (división): reparte los datos entre varios discos para leer/escribir en paralelo.

• Mirroring (espejo): copia idéntica de los datos en dos o más discos.

• Parity (paridad): información redundante de control que permite reconstruir un disco perdido.

Niveles principales

• RAID 0 es un nivel que distribuye los datos equitativamente entre dos o más discos. Mejora el rendimiento pero NO es tolerante a fallos: si un disco falla, se pierde toda la información. Es incorrecto afirmar que RAID 0 sea tolerante a fallos.

• RAID 1 es un nivel que duplica (espeja) los datos en dos discos diferentes, ofreciendo una copia exacta y completa. NO utiliza paridad para recuperar datos (esa es su diferencia con los niveles de paridad); es incorrecto decir que RAID 1 usa paridad.

• RAID 5 permite acceso independiente con paridad distribuida entre todos los discos del conjunto. Tolera un único fallo de dispositivo sin pérdida de datos.

• RAID 4 distribuye la información a nivel de bloques pero con un único disco de paridad dedicado (no dos). Por ello, afirmar que RAID 4 usa dos discos de paridad dedicados es incorrecto.

Conexión del almacenamiento: DAS, NAS y SAN

Según cómo se presente el almacenamiento y a qué nivel opere, distinguimos:

NAS (Network Attached Storage)

El NAS es un dispositivo de almacenamiento compartido basado en archivos. Opera a nivel de fichero (file-level) y se conecta a la red de datos (LAN/Ethernet) empleando protocolos estándar de comunicaciones como TCP/IP. Comparte carpetas y archivos mediante protocolos de red de ficheros, siendo los más habituales:

• NFS (Network File System) — entornos Unix/Linux.

• CIFS/SMB (Common Internet File System / Server Message Block) — entornos Windows.

Así, los protocolos que pueden usarse para compartir archivos en un NAS son NFS y CIFS. El NAS es ideal para compartición de ficheros, colaboración y copias de seguridad sobre red IP.

SAN (Storage Area Network)

La SAN es una red dedicada de almacenamiento de alta velocidad que opera a nivel de bloque (block-level), no de fichero. Es el sistema donde se ubican los datos que deben ser accesibles a gran velocidad y se almacenan en bloques (bases de datos, máquinas virtuales). Un servidor se conecta a una SAN mediante tecnologías como Fibre Channel (canal de fibra) o iSCSI. Por tanto, si un sistema de almacenamiento es remoto y utiliza tecnología Fibre Channel, hablamos de una SAN; Fibre Channel es la tecnología de red característica de estas arquitecturas.

Resumen NAS vs SAN: NAS opera a nivel de fichero y SAN a nivel de bloque. NAS presenta y gestiona el sistema de archivos a los clientes; SAN entrega bloques "en crudo" y deja que el servidor gestione el sistema de ficheros.

Tecnologías de bus y transporte

• SATA (Serial ATA): tecnología de almacenamiento en disco mediante bus serie, para conexión de unidades internas.

• InfiniBand: bus de comunicaciones serie de alta velocidad, baja latencia y baja sobrecarga de CPU, diseñado tanto para conexiones internas como externas, muy usado en clústeres de alto rendimiento y almacenamiento.

• Fibre Channel: transporte serie de alta velocidad usado principalmente en arquitecturas SAN.

Virtualización del almacenamiento y provisionamiento

La virtualización de almacenamiento abstrae la capacidad física presentándola como recursos lógicos flexibles. Existen varios tipos (basada en host, basada en red/appliance, basada en cabina o array), de modo que, ante un enunciado que las liste todas, la respuesta suele ser que todas son tipos de virtualización.

Dentro de la gestión del espacio destacan dos técnicas de aprovisionamiento:

• Thin provisioning (aprovisionamiento fino): técnica/método de virtualización de almacenamiento que asigna el espacio de forma dinámica, bajo demanda y de manera justa y puntual, sin reservar físicamente todo el espacio desde el inicio. Optimiza el uso de la capacidad (se consume según se necesita).

• Thick provisioning (aprovisionamiento grueso): técnica que reserva el espacio en disco de forma estática para una partición desde el principio. Su beneficio es mejor rendimiento y estabilidad gracias a esa reserva fija, a costa de un menor aprovechamiento inicial de la capacidad.

• Subasignación (suballocation): creación de particiones de almacenamiento más pequeñas de lo que realmente se necesita, para un uso más granular del espacio.

Fuentes

• SNIA — Standard RAID levels y Common RAID Disk Drive Format (DDF): https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_RAID_levels

• SNIA Dictionary (definiciones de almacenamiento, SAN, NAS, thin/thick provisioning): https://www.snia.org/education/dictionary

• IBM — SAN vs NAS (block-level vs file-level, NFS/CIFS/SMB, Fibre Channel): https://www.ibm.com/think/topics/san-vs-nas

Virtualización de sistemas y puestos de usuario

La virtualización es la tecnología que permite crear versiones lógicas (software) de recursos físicos —servidores, almacenamiento, redes o escritorios— de modo que un mismo hardware pueda ser compartido y aprovechado por varias cargas de trabajo aisladas entre sí. Su propósito principal es ejecutar múltiples sistemas operativos simultáneamente sobre un único servidor físico para optimizar los recursos (CPU, memoria, disco), aumentar la consolidación, reducir costes y ganar flexibilidad. Es importante destacar que la virtualización NO requiere aumentar la inversión en hardware específico: al contrario, reduce el número de máquinas físicas necesarias y exprime el hardware ya disponible.

El hipervisor

El componente central es el hipervisor (VMM, Virtual Machine Monitor), que crea, ejecuta y gestiona las máquinas virtuales (VM) y reparte los recursos físicos entre ellas. Existen dos tipos:

• Hipervisor de tipo 1 (nativo o "bare-metal"): se ejecuta directamente sobre el hardware físico, sin necesidad de un sistema operativo anfitrión. Ofrece mayor rendimiento y es el habitual en entornos de servidor. Ejemplos: VMware ESXi, Microsoft Hyper-V, Citrix Hypervisor (XenServer), KVM.

• Hipervisor de tipo 2 (alojado): se ejecuta como una aplicación sobre un sistema operativo anfitrión ya instalado. Ejemplos: VMware Workstation, Oracle VirtualBox.

Un rasgo clave del aislamiento es que el reinicio o fallo de una máquina virtual no tiene ningún efecto sobre el resto de máquinas virtuales que conviven en el mismo servidor: cada VM es independiente.

Principales soluciones de virtualización

Todas ellas son soluciones de virtualización. Nutanix destaca por ofrecer infraestructura hiperconvergente (HCI) en la nube, integrando cómputo, almacenamiento y red, y permitiendo el almacenamiento en un Data store único.

Entorno VMware

VMware es el referente del mercado. Sus conceptos habituales en el examen:

• vSphere: es la plataforma de virtualización de computación en nube de VMware (suite que engloba el hipervisor ESXi y vCenter Server).

• Datastore: es un espacio de almacenamiento independiente que centraliza los datos físicos de una máquina virtual (ficheros de configuración, discos VMDK, snapshots, logs). Se apoya en sistemas de ficheros como VMFS o en NFS.

• VMDK (Virtual Machine Disk): fichero que representa el disco duro virtual de una VM.

• vmkfstools: comando del ESXi Shell que se utiliza para crear un archivo de disco virtual (VMDK) y gestionar volúmenes VMFS. La opción -c crea el disco (formatos: zeroedthick, eagerzeroedthick, thin).

• Snapshot: es la instantánea del estado de una máquina virtual en un momento determinado, que permite volver a ese punto (preserva disco, memoria y configuración).

Virtualización de puestos de usuario: VDI

La VDI (Virtual Desktop Infrastructure) es una tecnología de virtualización de escritorio que almacena y ejecuta el sistema operativo del puesto de usuario en un servidor centralizado de un centro de datos (CPD), en lugar de en el equipo físico del usuario. El usuario accede a su escritorio de forma remota desde un cliente ligero, PC o dispositivo móvil.

Ventajas: centralización de la gestión y las copias de seguridad, refuerzo de la seguridad (los datos no salen del CPD), rápido aprovisionamiento y acceso desde cualquier dispositivo. Conviene matizar un mito frecuente: la principal ventaja de VDI NO es el ahorro de costes de almacenamiento en el servidor (de hecho concentra el almacenamiento en el CPD); sus ventajas reales son la gestión centralizada y la seguridad.

Existen dos modalidades de escritorio virtual:

• VDI persistente: cada usuario tiene su propia imagen de escritorio, que conserva su configuración y cambios una vez cerrada la sesión (escritorio personalizado, uno a uno).

• VDI no persistente: los usuarios comparten una imagen maestra común y, al cerrar la sesión, el escritorio se restablece y NO conserva la configuración personalizada del usuario. (Por tanto, es FALSO afirmar que en modo no persistente cada usuario mantiene su propia imagen y configuración tras cerrar sesión: eso describe el modo persistente.)

Computación en la nube (Cloud Computing) y modelos de servicio

Según la definición del NIST (SP 800-145), la computación en la nube se compone de 5 características esenciales, 4 modelos de despliegue y 3 modelos de servicio:

1. SaaS (Software como Servicio): el proveedor ofrece la aplicación ya lista para usar. Los usuarios finales acceden a las aplicaciones a través de un navegador de Internet, sin instalar ni mantener nada. El proveedor se encarga del mantenimiento y la administración del servicio. Ejemplo típico: un programa de correo electrónico basado en la web (webmail).

2. PaaS (Plataforma como Servicio): proporciona a los desarrolladores un entorno completo para desarrollar y desplegar aplicaciones, eliminando la necesidad de gestionar el hardware y los sistemas operativos subyacentes. Su principal ventaja es que permite a los desarrolladores crear aplicaciones más rápidamente (mayor velocidad de desarrollo). Con PaaS no es necesaria la gestión del sistema operativo.

3. IaaS (Infraestructura como Servicio): ofrece recursos de infraestructura virtualizados (servidores, almacenamiento, red). Su objetivo es abstraer (indireccionar) los detalles de bajo nivel de la infraestructura, y su principal ventaja es proporcionar al cliente un mayor nivel de control sobre los recursos de infraestructura en comparación con PaaS o SaaS.

De menor a mayor control del cliente: SaaS → PaaS → IaaS. En IaaS el cliente gestiona SO, middleware y aplicaciones; en PaaS solo aplicaciones y datos; en SaaS únicamente el uso del software.

Fuentes

• NIST — Special Publication 800-145, The NIST Definition of Cloud Computing (5 características, 3 modelos de servicio SaaS/PaaS/IaaS, 4 modelos de despliegue): https://csrc.nist.gov/pubs/sp/800/145/final

• VMware / Broadcom TechDocs — Using vmkfstools in vSphere: Creating a Virtual Disk (comando vmkfstools, opción -c, datastore VMFS, formatos de disco VMDK): https://techdocs.broadcom.com/us/en/vmware-cis/vsphere/vsphere/8-0/vsphere-storage/using-vmkfstools-in-vsphere.html

• Microsoft Learn — Hyper-V on Windows Server (hipervisor de Microsoft): https://learn.microsoft.com/en-us/windows-server/virtualization/hyper-v/hyper-v-technology-overview

• Microsoft Learn / Azure — Persistent vs. non-persistent VDI y virtualización de escritorio (Azure Virtual Desktop): https://learn.microsoft.com/en-us/azure/virtual-desktop/environment-setup

• Nutanix — Hyperconverged Infrastructure (HCI): https://www.nutanix.com/info/hyperconverged-infrastructure