Virtualisierung

Mit Virtualisierung ist in der Regel das gleichzeitige Betreiben von Betriebssystemen auf einer Hardware gemeint. Daneben steht der Begriff für noch für verschiedenste Technologien in der IT.

Der Grundgedanke von Virtualisierung

Der Grundgedanke von Virtualisierung ist es, eine physikalisch nicht vorhandene Komponente mittels Software nachzubilden. Ein Anwender oder ein Programm kann diese virtuelle Komponente so verwenden, als ob sie tatsächlich physikalisch existieren würde.

Beispiel

In einem Computerspiel begegnet der Spieler anderen Personen. Mit diesen Personen sind einfache Gespräche möglich und etwa der Austausch von Spiel-Gegenständen. Trotzdem werden diese Personen von einem Programm erzeugt und gesteuert. In diesem Fall sind diese Personen nur virtuell vorhanden. Dasselbe gilt für die Landschaft in der sich das Spiel zuträgt und die Gegenstände.

Virtuelle Maschinen

Obwohl die Bedeutung von Virtualisierung sehr vielschichtig ist, ist damit überwiegend die Virtualisierung von Computern gemeint.

Bei der Virtualisierung von Computern (Betrieb einer Virtuellen Maschine) wird mittels Software die Hardware eines Computers nachgebildet (virtuelle Hardware). Diese Hardware umfasst etwa die CPU, das BIOS, Festplatten und Netzwerkkarten.

Auf dieser Virtuellen Maschine kann nun ein Betriebssystem installiert und betrieben werden. Die virtuelle Hardware ist insoweit zu einer physikalischen Hardware kompatibel, dass das installierte Betriebssystem voll funktionsfähig ist.

Virtuelle Hardware

Um innerhalb einer Virtuellen Maschine Daten dauerhaft speichern zu können und diese mit anderen virtuellen oder physikalischen Computern austauschen zu können, wird eine Anbindung der virtuellen Hardware an eine physikalische Hardware benötigt.

Um beispielsweise die Daten, die auf der virtuellen Festplatte abgelegt sind, dauerhaft zu erhalten, müssen diese letztendlich auf einer physikalischen Festplatte gespeichert werden. Auch für eine virtuelle Netzwerkkarte muss ein physikalisches Gegenstück vorhanden sein, um Daten etwa mit einem Computer im Internet austauschen zu können.

Die Vielfalt an physikalischer Hardware ist groß. Den Betriebssystemen in virtuellen Maschinen werden jedoch meist nur eine oder einige wenige unterschiedliche Typen an Hardware angeboten.

Beispiel

Die Virtualisierung VMware ESX bietet den darin installierten virtuellen Maschinen nur wenige "Bauarten" an Netzwerkkarten an, unter anderem: VMXNET2, VMXNET3 und Intel E1000.

Die wenigen unterschiedlichen virtuellen Komponenten innerhalb einer Virtuellen Maschine müssen aber mit der großen Bandbreite an unterschiedlichen Bauarten von physikalischer Komponenten verbunden werden können.

Beispiel

Ein Poweredge Server von DELL kann mit unterschiedlichen physikalischen Netzwerkkarten bestückt sein. Etwa von Broadcom, Intel oder eine Netzwerkkarte der eigenen Hausmarke. Den auf dieser Hardware virtualisierten Maschinen werden immer nur die Netzwerkkarten angeboten, die im VMware ESX vorhanden sind (VMXNET2, VMXNET3 oder Intel E1000).

Für Anbindung dieser wenigen virtuellen Hardware an die Vielfalt der physikalischen Hardware ist der sogenannte Hypervisor zuständig.

Hypervisor (Virtual Machine Monitor, VMM)

Der Hypervisor ist ein wesentlicher Bestandteil der Virtualisierung von Computern. Er ist für die Anbindung der virtuellen Hardware an die physikalische Hardware zuständig.

Wird physikalische Hardware von Virtuellen Maschinen genutzt, dann muss in erster Linie der gemeinsame Zugriff der unterschiedlichen Virtuellen Maschinen auf die physikalische Hardware koordiniert werden. Oftmals ist physikalische Hardware vom Konzept her nicht auf den gleichzeitigen Zugriff von Virtuellen Maschinen ausgelegt. Der Hypervisor übernimmt hier die zentrale Rolle und regelt die unterschiedlichen Zugriffe.

Hardware-Unterstützung von Virtualisierung

Zunehmend werden Hardware Komponenten so ausgelegt, dass sie aktiv eine Virtualisierung unterstützten. Damit wird die Geschwindigkeit der Virtuellen Maschinen erhöht.

Bei CPUs von Intel oder AMD kann die Unterstützung der Virtualisierung ein- bzw. ausgeschaltet werden. Bei Intel wird diese Technologie VT-x genannt und bei AMD heißt sie AMD-V. Sind etwa VT-x oder AMD-V deaktiviert, dann können diese CPUs dennoch für Virtuelle Maschinen eingesetzt werden. Da der Hypervisor aber in diesem Fall bestimmte Funktionalitäten softwaremäßig nachbilden muss, leidet darunter die Ausführungsgeschwindigkeit.

Auch andere Komponenten, wie Grafikkarten und Netzwerkkarten, können eine Unterstützung für Virtualisierung bieten. Diese kann so weit gehen, dass die betreffende Komponente direkt in der Virtuelle Maschine verfügbar ist, ohne über eine virtuelle Hardware abgebildet zu werden.

Eine Technologie, mit der physikalische Netzwerkkarten sehr effektiv Virtuellen Maschinen zur Verfügung gestellt werden können, ist SR-IOV. Besonders Netzwerkkarten mit hohen Bandbreiten (10 Gigabit / Sekunde und mehr), kommt diese Technologie zugute, da diese hohe Bandbreite den Virtuellen Maschinen mit sehr wenigen Verlusten direkt zur Verfügung steht.

Virtualisierung auf Server-Hardware

Auf leistungsfähiger Server-Hardware lassen sich eine Vielzahl von Betriebssystemen betreiben, ohne, dass es bezüglich der Leistungsfähigkeit der Betriebssysteme zu Einbußen kommt. Meist handelt es sich dabei um Server-Betriebssysteme die im produktiven Betrieb in Unternehmen eingesetzt werden.

Virtualisierung auf PC-Hardware

Für die Virtualisierung kann auch herkömmliche PC Hardware zum Einsatz kommen, etwa VMware Workstation. VMware Workstation benötigt als Grundlage ein Windows Betriebssystem.

Solche Installationen haben auf der einen Seite geringe Anforderungen und eine hohe Flexibilität. Auf der anderen Seite aber eine geringere Leistungsfähigkeit und Stabilität. Daher werden sie überwiegend in Testumgebungen genutzt und nicht für den produktiven Einsatz.

Vorteile von Virtualisierung

Virtualisierung hat zwei wesentliche Vorteile:

• Vorhandene Hardware wird effektiver genutzt, etwa im Hinblick auf Energiekosten
• Die Handhabung von virtuellen Betriebssystemen ist einfacher als die von Betriebssystemen, die direkt auf physikalischer Hardware installiert werden.

Nachteile von Virtualisierung

Virtualisierung hat den Nachteil, dass bei einer schwerwiegenden Störung an der physikalischen Hardware alle darunter betriebenen Betriebssysteme in Mitleidenschaft gezogen werden. 

Virtualisierung und Hochverfügbarkeit

Hochverfügbarkeit war schon vor dem Aufkommen von Virtualisierung möglich (etwa durch Betriebssystem Cluster). Doch mit der Virtualisierung ist deren Einrichtung und Handhabung deutlich einfacher und störungsärmer geworden.   

Anbieter von Lösungen zur Virtualisierung

Das Angebot an Lösungen zur Virtualisierung ist sehr groß. Im Groben kann es für Produkte für den Bereich Server im produktiven Betrieb und den Bereich Arbeitsplätze, bzw. den Testbetrieb, unterschieden werden.

Hier einige bekannte Lösungen.

Virtualisierung produktive Server

• VMware ESX
• Microsoft Hyper-V auf Server-Betriebssystemen
• XEN (Freie Software des XEN-Project)
• Citrix XENServer, XENApp

Virtualisierung Workstations und Testsysteme

Für Windows

• VMware Workstation
• VMware Player
• Hyper-V unter Windows Arbeitsplatz-Betriebssystemen
• VirtualBox

Für Linux

• KVM
• LXC
• Parallels
• QEMU
• VirtualBox

Für Apple OS X / Mac OS

• VMware Fusion
• Parallels
• VirtualBox

Sonstige Formen von Virtualisierung

Neben der Virtualisierung von Hardware, ist Virtualisierung auch in anderen Bereichen eine weit verbreitete Technologie. Das gilt etwa für die Virtualisierung von Anwendungen, wie sie auf einem Terminalserver betrieben wird.

Auch die Virtualisierung von Speicherplatz (Storage Virtualisierung bzw. Speicher-Virtualisierung) wird eingesetzt. Hierbei ist der physikalische Speicherplatz der Daten etwa in Form von SANs vorhanden und wird von den Virtuellen Maschinen genutzt.

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