Virtualisierung

Präsentation unter: http://www.coufal.info/presentations/virtualisierung.html

Klaus Coufal

Stand 2016

Übersicht

• Einführung und Ziel
• Idee
• Vorteile
• Nachteile
• Virtualisierungsarten
• Anwendungsbeispiele
• Quellen und Links

Einführung und Ziel

• Virtualisierung spielt heute in vielen Bereichen eine Rolle
• Virtualisierung ist ein mehrdeutiger Begriff
• Sowie eine Partition eine virtuelle Festplatte und ein VLAN ein virtuelles Netz darstellt, können auch komplette Computer virtualisiert werden
• Ursprünglich entwickelt, um einem Benutzer auf einem Mehrbenutzersystem seine eigene Umgebung anbieten zu können (1960er Jahre)
• Mögliche Virtualisierungsarten kennen und einsetzen können
• Ihre Vor- und Nachteile kennen und beurteilen
• Produkte für die Umsetzung kennen

Idee

• Ein "vollwertiger" Computer wird mit Hilfe von Software auf ein Rechnersystem abgebildet
• Dabei nutzt der virtuelle Computer mittels der Software die realen Ressourcen
• Im Idealfall bemerkt der virtuelle Computer den Unterschied nicht
• Dadurch können mehrere unterschiedliche Systeme auf einer Hardware ausgeführt werden
• Mittels Emulation können auch unterschiedliche "Hardware"plattformen ausgeführt werden
• Heute wird diese Technologie durch Hardwareerweiterungen unterstützt (VT-x, AMD-V, ...)
• In professionellen Betriebssystemen direkt verfügbar (Hyper-V, KVM, XEN, ...)

Vorteile

• Bessere Ausnutzung der Hardware
  • Weniger Systeme durch Hardwarekonsolidierung
  • Niedriger Stromverbrauch (weniger Systeme, weniger Kühlung)
  • Weniger Platz, einfachere Administration
• Ausfallssicherheit und Restore
  • Verschiebung auf andere Hardware im laufenden Betrieb
  • Neue Systeme als Kopie einer Vorlage ("Template")
  • Rückkehrmöglichkeit zu einem "Snapshot"
  • Einfaches "Restore" des Gesamtsystems (=eine Datei)
• Flexibilität
  • In der VM unabhängig von der Hardware (keine Treiberprobleme)
  • Unterschiedliche Versionen eines bzw. alte Betriebssysteme möglich
  • Einfache Isolation der Anwendungen

Nachteile

• Leistungsverlust (je nach Art 2% - 10%)
• Weiterreichen von Hardware (z.B.: Dongles, ...) problematisch
• Kaum Grafikbeschleunigung
• Bei Hardwareausfall mehrere Systeme betroffen
• Lizenzen (Bestimmungen nicht eindeutig, Mehrfachlizenzen, ...)
• Kosten für die Virtualisierungslösung
• Zusätzliche Kenntnisse notwendig
• Zusätzliche Fehlermöglichkeit

Virtualisierungsarten

• Partitionierung (Großrechnerbereich)
• Emulation
• Desktop- ↔ Servervirtualisierung
• Para- ↔ Vollvirtualisierung
• Betriebssystemvirtualisierung (Container)
• Hypervisor Typ-1- ↔ Hypervisor Typ-2-Virtualisierung
• Verschachtelte Virtualisierung

Partitionierung

• Hier werden schon von der Hardware Möglichkeiten angeboten
• Ressourcen werden über die Firmware verwaltet
• Jedes Teilsystem benötigt eigene Betriebssysteminstanz
• Großrechnerbereich (z.B.: IBM zSeries)
• Wird im x86-Bereich nicht eingesetzt

Emulation

• Hier wird die gesamte Hardware in Software abgebildet
• Daher kann auch eine andere Hardwarearchitektur zur Verfügung gestellt werden
• Dadurch auch große Leistungseinbußen
• Hohe Flexibilität (Komplettrechner in Software)
• Einsatz für die Entwicklung (z.B.: Handyapps am PC, Embedded Anwendungen, ...)
• Emulation älterer Systeme zur Steuerung (kein Softwaretransfer notwendig)
• Produkte: Bochs, QEMU, MS Virtual PC für MacOS, ...
• Auch Teilemulation existieren: z.B.: Wine emuliert nur Windowsschnittstellen

Desktopvirtualisierung

• Servervirtualisierung weitverbreitet
• Desktopvirtualisierung bisher nur ein Thema für wenige Interessierte
• Oft nur Anwendungsvirtualisierung (z.B.: JVM, ...)
• Heute zunehmend wichtig, da
  • Höhere Betriebssicherheit
  • Bessere Wartbarkeit
  • Abwärtskompatibilität (z.B.: XPMode in Win7)
• zunehmend Aufbau von VDI (Virtual Desktop Infrastructure)
• Produkte: Citrix, Wyse, Terminalserver, Browserbasierende Lösungen, Thin Client-Lösungen, ...

Para- ↔ Vollvirtualisierung

• Paravirtualisierung
  • Angepasste Betriebssysteme
  • Hardwarenah und dadurch wesentlich performanter
  • nutzt Teile des Hypervisors mit (API des Hypervisors)
  • Weniger flexibel
  • Produkte: XEN, ...
• Vollvirtualisierung
  • Beliebiges Standardbetriebssystem
  • Weniger Performance da Hardware virtualisiert ist
  • Von den Möglichkeiten vollkommen unabhängig von Hypervisor
  • höhere Flexibilität
  • Produkte: KVM, VMWare Server und Workstation, Virtual Box, ...

Betriebssystemvirtualisierung (Container)

• Ein Betriebssystemkern
• Mehrere Systemumgebungen (Laufzeitumgebungen)
• Anwendungen laufen voneinander getrennt mit eigener Umgebung aber auf dem selben Kernel
• Geringer Overhead (nur ein Betriebssystem)
• Hohe Sicherheit durch die Trennung
• Gerne von Providern eingesetzt (z.B.: virtuelle Rootserver)
• Produkte: Docker, Jails, ...

Hypervisor Typ-1-Virtualisierung

• Bare-metal (native, Typ-1) Virtualisierung
• 
• Produkte: KVM, VMWare ESX/ESXi, Hyper-V-Server, ...

Hypervisor Typ-2-Virtualisierung

• Hosted (Typ-2) Virtualisierung
• 
• Produkte: Virtual Box, VMWare Workstation, VMWare Player, ...

Verschachtelte Virtualisierung

• Hier wird in einer virtuellen Maschine wieder mit einem Hypervisor gearbeitet
• Damit sind selbstverständlich hohe Leistungseinbußen verbunden
• Daher nur in Spezialfällen (Testbetrieb, Übungsbetrieb) sinnvoll
• Meist Verschachtelungen des gleichen Typs
• Es können aber auch die Typen gemischt werden
• Theoretisch auch Mehrfachverschachtelungen denkbar
• Nicht von allen Produkten unterstützt

Nested Hypervisor Typ-1-Virtualisierung

• Nested Bare-metal (native, Typ-1) Virtualisierung
• 
• Produkte: s.o.

Nested Hypervisor Typ-2-Virtualisierung

• Nested Hosted (Typ-2) Virtualisierung
• 
• Produkte: s.o.

Anwendungsbeispiele

• Virtualisierung am Desktop
  • XP Mode unter Windows 7
  • Servertest am Desktop
  • Vorführung Virtual PC
  • Vorführung Virtual Box
  • Vorführung VMWare
• Servervirtualisierung
  • Beim Provider (Viele Kundenserver, wenig Hardware)
  • Einfacher Transfer auf neue Hardware (z.B.: nach Hardwareschaden)
  • Bessere Hardwareauslastung
  • Ausfallssicherung
  • Cloudlösungen

Quellen und Links

• S5: A Simple Standards-Based Slide Show System
• Mein Informationsportal (www.coufal.info)
• Wikipedia: Liste der Virtualisierungsprodukte
• Virtualbox Startseite
• VMWare Startseite

Fragen

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit