Virtuelle Maschinen und Hypervisoren

Virtualisierung ermöglicht es einem physischen Server, sich wie mehrere voneinander getrennte Computer zu verhalten. Jeder dieser Computer ist eine virtuelle Maschine (VM) mit eigenem Betriebssystem, eigenen Anwendungen, einer virtuellen CPU, Arbeitsspeicher und einer virtuellen Festplatte. Die VMs teilen sich die darunterliegende reale Hardware, bleiben aber voneinander isoliert.

Das bildet die Grundlage moderner Rechenzentren und der Cloud. Statt eine Anwendung pro physischem Rechner zu betreiben, kann ein einzelner leistungsfähiger Server Dutzende VMs hosten und dadurch Kosten, Energieverbrauch und benötigte Stellfläche drastisch reduzieren.

Ein Hypervisor (auch Virtual Machine Monitor genannt) ist die Softwareschicht, die VMs erstellt und ausführt. Er teilt die physischen Ressourcen von CPU, RAM und Speicher auf und weist jeder VM Anteile davon zu. Dabei hält er die VMs isoliert, sodass ein Absturz nicht die benachbarten VMs mitreißt.

Der Hypervisor plant den Zugriff auf die reale Hardware, ähnlich wie ein Betriebssystem die Ausführung von Anwendungen plant. Für jedes Gastbetriebssystem sieht es so aus, als besäße die VM einen vollständigen physischen Computer.

Ein Typ-1-Hypervisor läuft direkt auf der Hardware, ohne ein darunterliegendes Host-Betriebssystem. Da er direkt auf der Hardware arbeitet, ist er schnell, effizient und sicher. Deshalb wird er für Produktionsserver und Cloud-Umgebungen eingesetzt.

• VMware ESXi
• Microsoft Hyper-V
• KVM (Kernel-based Virtual Machine)
• Xen

Rechenzentren verwenden Typ-1-Hypervisoren, damit ein einzelner Host gleichzeitig viele Mandanten bedienen kann.

Ein Typ-2-Hypervisor läuft als Anwendung auf einem normalen Betriebssystem wie Windows oder macOS. Er lässt sich einfach installieren und eignet sich hervorragend für Tests, zum Lernen und für Desktop-Systeme. Allerdings ist er langsamer, weil Anfragen zunächst das Host-Betriebssystem durchlaufen.

• VMware Workstation und Fusion
• Oracle VirtualBox
• Parallels Desktop

Verwenden Sie Typ 2, um Linux auf Ihrem Laptop auszuführen, und Typ 1, um eine Serverfarm zu betreiben.

Der Host ist die physische Maschine einschließlich des Hypervisors, der alles ausführt. Ein Gastbetriebssystem ist das Betriebssystem, das innerhalb einer VM installiert ist. Sie können Gäste beliebig kombinieren: Auf einem einzigen Host könnten Windows Server, Ubuntu Linux und eine ältere Windows-Version parallel ausgeführt werden.

Jeder Gast glaubt, über dedizierte Hardware zu verfügen. Tatsächlich teilen sich alle Gäste den CPU- und Arbeitsspeicherpool des Hosts gemäß der Planung durch den Hypervisor.

Administratoren weisen jeder VM einen Anteil an vCPU (virtuellen Prozessorkernen), RAM und Festplattenspeicher zu. Überbelegung bedeutet, insgesamt mehr virtuelle Ressourcen zuzuweisen, als der Host physisch besitzt, und darauf zu setzen, dass nicht alle VMs gleichzeitig ihre maximale Leistung abrufen.

Bei sorgfältiger Planung erhöht dies die Effizienz. Bei unvorsichtiger Umsetzung entsteht jedoch Ressourcenkonflikt, bei dem VMs um CPU oder Arbeitsspeicher konkurrieren und langsamer werden. Durch die passende Dimensionierung jeder VM bleibt die Leistung vorhersehbar.

Ein Snapshot erfasst den exakten Zustand einer VM zu einem bestimmten Zeitpunkt. Wenn ein Patch oder eine Änderung Probleme verursacht, können Sie in wenigen Sekunden zum Snapshot zurückkehren. Beim Klonen wird eine vollständige VM kopiert, um schnell eine identische neue VM zu erstellen.

Diese Funktionen machen VMs deutlich flexibler als physische Server, bei denen der Wiederaufbau eines beschädigten Rechners Stunden dauern kann. Snapshots sind jedoch keine Backups, da sie auf demselben Host-Speicher liegen.

Container (wie Docker) sind eine leichtere Form der Virtualisierung. Statt jeweils ein vollständiges Gastbetriebssystem zu verwenden, teilen sich Container den Kernel des Hosts und enthalten nur die Anwendung und ihre Abhängigkeiten. Sie starten innerhalb von Millisekunden und benötigen deutlich weniger Arbeitsspeicher.

VMs isolieren auf Hardwareebene und enthalten jeweils ein vollständiges Betriebssystem; Container isolieren auf Betriebssystemebene. Beide Technologien sind verbreitet, und in vielen realen Umgebungen laufen Container zur zusätzlichen Isolation innerhalb von VMs.

Bei der Live-Migration wird eine laufende VM mit kaum oder keiner Ausfallzeit von einem physischen Host auf einen anderen verschoben. Der Hypervisor kopiert den Arbeitsspeicher der VM über das Netzwerk auf den neuen Host und schaltet anschließend nahtlos um, sodass Benutzer dies meist nicht bemerken.

Dadurch werden Hardwarewartung, Load Balancing und Failover ermöglicht, ohne Dienste herunterzufahren. VMware bezeichnet diese Funktion als vMotion. Sie ist ein wichtiger Grund dafür, dass virtualisierte Umgebungen eine hohe Verfügbarkeit erreichen.

Cloud-Anbieter betreiben riesige Hypervisor-Farmen. Wenn Sie einen Cloudserver mieten, erhalten Sie tatsächlich eine VM auf gemeinsam genutzter Hardware. Durch Virtualisierung kann der Anbieter Ihre VM innerhalb weniger Minuten bereitstellen, skalieren und nur die tatsächlich genutzten Ressourcen abrechnen.

Für Netzwerkadministratoren ist das wichtig, weil sich das Netzwerk nun auch innerhalb des Hosts erstreckt und virtuelle Maschinen über virtuelle Switches verbindet, die Sie in der nächsten Lektion kennenlernen werden.

Vorteile: Konsolidierung der Hardware, schnelle Bereitstellung, einfache Backups mithilfe von Snapshots, Isolation und Live-Migration für hohe Verfügbarkeit.

Kompromisse: Der Hypervisor verursacht einen geringen Overhead, Überbelegung birgt das Risiko von Ressourcenkonflikten, und viele VMs auf einem Host schaffen einen Single Point of Failure, wenn dieser Host ausfällt. Ein gutes Design verteilt kritische VMs auf mehrere Hosts, um dieses Risiko zu verringern.

Testen Sie Ihr Verständnis der Hypervisor-Typen.

Virtualisierung teilt einen physischen Server in viele isolierte virtuelle Maschinen auf, die von einem Hypervisor verwaltet werden. Typ-1-Hypervisoren laufen direkt auf der Hardware und eignen sich für Produktionsumgebungen; Typ-2-Hypervisoren laufen auf einem Host-Betriebssystem und eignen sich für Desktops und Tests. Jede VM erhält vCPU, RAM und Festplattenspeicher, unterstützt Snapshots, Klonen und Live-Migration und bildet einen Grundbaustein des Cloud-Computing.