Server Virtualisierung: Vorteile, Typen und Funktionsweise

Die Virtualisierung, wie wir sie heute verstehen, hat seit den 1960er Jahren einen langen Weg zurückgelegt. 

Anfangs wurden bei der Virtualisierung die Herausforderungen im Bereich Speicher nicht berücksichtigt, und die Daten jeder virtuellen Maschine blieben an einen einzelnen physischen Rechner restlich gebunden. Dies führte dazu, dass Anwendungen und Daten bei einem Hardwareausfall verloren gingen. 

Um dieses Problem zu lösen, wurden Technologien wie vMotion und Fault Tolerance von VMware eingeführt. Diese Technologien ermöglichen die Live-Migration von VMs zwischen Servern. 

VM-Mobilität und Failover erfordern ein gemeinsames Speichernetzwerk, SAN oder NAS. Hier spielt die Speichervirtualisierung eine wichtige Rolle. 

Während die Servervirtualisierung also die Rechenressourcen abstrahiert, abstrahiert die Speichervirtualisierung die Datenspeicherung und ermöglicht es IT-Teams, skalierbare, flexible und fehlertolerante Umgebungen aufzubauen. 

In den folgenden Abschnitten werden wir verstehen, wie Virtualisierung funktioniert, welche verschiedenen Arten es gibt und wie sich Server- und Speichervirtualisierung gegenseitig ergänzen. Wir werden auch die Vorteile und Herausforderungen dieser Ansätze verstehen.

Virtualisierung wird durch den Hypervisor ermöglicht. Dabei handelt es sich um eine leichtgewichtige Software-Schicht, die auf einem physischen Server installiert ist und die zugrunde liegende Hardware abstrahiert. Sie ermöglicht auch die Erstellung mehrerer virtueller Maschinen. 

Jede VM arbeitet als unabhängiges System mit eigenem Betriebssystem, eigenen Anwendungen und virtualisierter Hardware. 

Es gibt zwei Arten von Hypervisoren:

1. Hypervisoren vom Typ 1 oder Bare Metal: Diese werden direkt auf dem physischen Server installiert und ersetzen das Betriebssystem des Hosts. Hypervisoren vom Typ 1 werden in Unternehmensumgebungen und Rechenzentren eingesetzt, da sie eine bessere Leistung, Sicherheit und Ressourceneffizienz bieten. Beispiele hierfür sind VMware ESXi, Microsoft Hyper-V, KVM, Oracle VM Server und Citrix Xen Server. 
2. Hypervisoren vom Typ 2: Diese werden als Software auf einem bestehenden Betriebssystem gehostet und ausgeführt. Sie ermöglichen die Ausführung mehrerer Betriebssysteme auf demselben PC. Beispiele hierfür sind Oracle VirtualBox, VMware Workstation und VMware Fusion. 

Sobald der Hypervisor installiert ist, kann ein Administrator virtuelle Maschinen erstellen, indem er ihnen virtuelle Ressourcen vom physischen Host zuweist. 

Jeder virtuellen Maschine wird eine vCPU (virtuelle CPU) zugewiesen, die einen Teil der Rechenleistung des physischen Prozessors darstellt, ein vRAM (virtueller RAM), der einen Teil des Gesamtspeichers des Hosts darstellt, ein virtuelles Speichergerät, bei dem es sich um eine virtuelle Festplatte handelt (z. B. VMDK für VMware und VHD für Hyper-V) und schließlich eine vNIC (virtuelle Netzwerkkarte), bei der es sich um einen softwaredefinierten Netzwerkadapter handelt. Hier ein Beispiel: 

Nehmen wir an, wir verfügen über einen Server mit 24 CPU-Kernen, 96 Gigabyte RAM, 1 Terabyte Speicherplatz und zwei 10-GbE-Netzwerkadaptern, auf dem drei virtuelle Maschinen gehostet werden sollen. Diese virtuellen Maschinen können wie folgt erstellt werden:

Der Hypervisor kann Workloads dynamisch der physischen Hardware zuweisen und sicherstellen, dass Ressourcen effizient genutzt werden, während die Isolation zwischen virtuellen Maschinen aufrechterhalten bleibt.

Wir haben verstanden, wie die Servervirtualisierung die Ausführung mehrerer Workloads auf einem einzigen physischen Rechner ermöglicht. Dies wird durch die Abstraktion von Hardware-Ressourcen erreicht. 

Es gibt jedoch verschiedene Virtualisierungsmethoden, da jede Methode einen Kompromiss zwischen Leistung, Kompatibilität und VM-Isolation darstellt. 

Frühe Virtualisierungsbemühungen mussten diese drei Faktoren gegeneinander abwägen.

1. Kompatibilität: Sollte jedes Betriebssystem ohne Änderungen ausgeführt werden können? 
2. Leistung: Sollte der Virtualisierungsaufwand, d. h. die übermäßige Nutzung von CPU- und Speicherressourcen, vermieden werden?
3. Skalierbarkeit: Sollte die Virtualisierung für Cloud-native Workloads leichtgewichtig genug sein?

Es haben sich drei Haupttypen der Servervirtualisierung entwickelt, die jeweils für unterschiedliche Szenarien optimiert sind. Sehen wir uns diese Typen einmal genauer an:

Vollständige Virtualisierung

Dieser Ansatz bietet eine vollständige Hardware-Emulation und ermöglicht es Gastbetriebssystemen, ohne Änderungen ausgeführt zu werden. 

Der Hypervisor verwaltet alle Interaktionen zwischen dem Gastbetriebssystem und der physischen Hardware. Dies gewährleistet eine starke Isolierung. 

Dieser Ansatz unterstützt zwar jedes Betriebssystem, das auf der Hardware läuft, verursacht jedoch auch einen Leistungsaufwand, da privilegierte Befehle emuliert werden müssen. Beispiele hierfür sind VMware ESXi, Microsoft Hyper-V und KVM.

Paravirtualisierung

Dieser Ansatz optimiert die Leistung, indem er dem Gastbetriebssystem mitteilt, dass es in einer virtualisierten Umgebung ausgeführt wird. Anstelle einer Hardware-Emulation kommuniziert das Gastbetriebssystem über spezielle Hypercalls mit dem Hypervisor.

Dies reduziert den Virtualisierungsaufwand, erfordert jedoch auch Änderungen am Betriebssystem oder spezielle Treiber. Xen im paravirtualisierten Modus und KVM mit virtIO-Treibern verwenden diese Methode.

Virtualisierung auf Betriebssystemebene

Dies wird auch als Containerisierung bezeichnet und verfolgt einen anderen Ansatz, der keine separaten Hypervisoren erfordert. Stattdessen wird ein einziger Betriebssystemkern verwendet, um mehrere isolierte Instanzen (jeweils als Container bezeichnet) auszuführen. 

Dieser Ansatz ermöglicht IT-Administratoren eine effiziente Ressourcennutzung und schnelle Skalierbarkeit. Allerdings müssen alle Container denselben Betriebssystemkern verwenden. Technologien wie Docker, Kubernetes und LXC machen diese Methode ideal für Cloud-native Anwendungen und Microservices.