Virtualisierung  von Computersystemen  I

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung  1

1.1  Wahl der Thematik  1

1.2  Ziel der Hausarbeit  1

2  Grundlagen der Virtualisierung  2

2.1  Charakteristik einer virtuellen Maschine  2

2.2  Prinzip der Virtualisierung  3

2.3  Hypervisor  4

2.3.1  Typ 1 Hypervisor  4

2.3.2  Typ 2 Hypervisor  5

2.4  Grundlegende Prozessorarchitektur  5

2.5  Arten der Virtualisierung  6

3  Vor- und Nachteile der Virtualisierung  9

3.1  Vorteile der Virtualisierung  10

3.2  Nachteile der Virtualisierung  12

4  Stand der Entwicklung  13

5  Anwendungsbereiche der Virtualisierung  16

5.1  Anwendung im Geschäftsbereich  16

5.2  Anwendung im Privatbereich  18

6  Zusammenfassungg  18

7  Literaturverzeichniss  20

Virtualisierung von Computersystemen 1

1 Einleitung

Die Virtualisierung ist zur Zeit eines der zentralen Themen in der IT Branche. Man begegnet ihr in Fachzeitschriften, Büchern und auf Online-Portalen. Überall dort finden sich Beträge und Neuigkeiten rund um die Virtualisierung. Doch die Virtualisierung ist kein neues Thema. Schon 1974 beschäftigten sich Popek und Gutenberg in Ihrer Arbeit „Formal requirements for virtualizable third generation architectures“ mit der Virtualisierung.[1] Zwei Jahre zuvor hatte IBM mit der VM/370 erste Erfahrungen in der Virtualisierung gesammelt hat. Auf dieser Hardware lief ein Miniatur-Betriebssystem, ebenfalls VM/370 genannt, das verschiedene virtuelle VM/370 Maschinen erzeugen konnte.[2]

Die folgende Arbeit beschäftigt sich mit dem Konzept der Virtualisierung von Computersystemen (Systemvirtualisierung). Dieses beschreibt ein Modell, in dem ein physikalisches Computersystem durch eine Abstraktionsschicht in eine oder mehrere virtuelle Maschinen unterteilt wird. Diese arbeiten dann als eigenständige, voneinander isolierte Systeme.

1.1 Wahl der Thematik

Gründe für die Wahl der Virtualisierung als Thema waren unter anderem das Bewusstsein über die zunehmende starke Bedeutung in der Informationstechnologie und die Überlegung, welche Themen bzw. Bereiche in der IT Branche zukünftig richtungsweisend sein werden. Ein weiterer Beweggrund ist das persönliche Interesse für dieses Gebiet sowie die Spezialisierung auf die Produkte der Firma VMware, dem führenden Hersteller im Bereich Virtualisierungslösungen. Demzufolge wurde das Thema Virtualisierung für die Hausarbeit gewählt.

1.2 Ziel der Hausarbeit

Ziel der Hausarbeit ist, dem Leser eine umfassende Übersicht über das Thema Virtualisierung zu geben. Es wird zunächst ein Überblick über die Grundlagen geschaffen. Vor diesem Hintergrund wird der Begriff der virtuellen Maschine erklärt sowie auf die Prinzipien und Arten der Virtualisierung eingegangen. Fortgeführt wird die Arbeit d u r c h e i n e A u s e i n a n d e r s e t z u n g m i t d e n v e r s c h i e d e n e n A r t e n d e r Virtualisierungsarchitekturen. Darauf aufbauend wird auf die Vor- und Nachteile dieses

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Konzeptes eingegangen sowie ein Überblick über den derzeitigen Stand der Technik geschaffen. Im Anschluss werden die Anwendungsbereiche, sowohl im Geschäftsbereich, als auch im Privatbereich dargestellt. Abschließend erfolgt eine Zusammenfassung, in der nochmals auf alle relevanten, dazugehörigen Aspekte eingegangen wird. Die Hausarbeit wird aufzeigen, wie weit aktuell das Konzept der Virtualisierung fortgeschritten ist und dem Leser verdeutlichen, dass das Thema Virtualisierung nicht nur eine Modeerscheinung, sondern ein ernstzunehmendes Konzept darstellt.

2 Grundlagen der Virtualisierung

2.1 Charakteristik einer virtuellen Maschine

Im Bezug auf die Systemvirtualisierung stellt eine virtuelle Maschine ein virtuelles System dar. Der Begriff definiert hierbei eine Software-Implementierung, die ein in sich geschlossenes und vollständiges System darstellt. Diese Implementierung bildet die gesamte Umgebung, die ein physikalisches Computersystem einem Betriebssystem (in nachfolgenden Abbildungen als OS bezeichnet) zur Verfügung stellt, nach. Dank dieser Vollständigkeit der Umgebung kann ein Betriebssystem völlig ohne ProgrammcodeÄnderungen in einer virtuellen Maschine ausgeführt werden. Charakteristische Eigenschaften einer virtuellen Maschine sind:[3]

• Eine virtuelle Maschine stellt ein Abbild eines physikalischen Systems dar. Die Umgebung des virtuellen Systems wird durch eine Abstraktionsschicht generiert. Das darin befindliche Betriebssystem soll sich ebenso verhalten, wie in einem gleichwertigen physikalischen System.

• Die Abstraktionsschicht besitzt die Kontrolle über die virtuelle Maschine. Sie befindet sich auf dem physikalischen System.

• Eine virtuelle Maschine ist völlig eigenständig gegenüber anderen virtuellen Maschinen. Sie besitzt ihren eigenen Arbeitsspeicher, zugeteilte Prozessor-Zeit, virtuelle Datenträger ebenso wie Ein- und Ausgabegeräte.

• Ein Gastbetriebssystem in einer virtuellen Maschine kann auf die anderen virtuellen Maschinen nur in der Art und Weise zugreifen, wie es bei separaten physikalischen Maschinen der Fall ist. Es kann weder direkt auf den Speicher, noch auf weitere

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Geräte der anderen Maschinen zugreifen. So wird stets ein hohes Mass an Stabilität und Sicherheit erreicht.

• Eine virtuelle Maschine besitzt, abhängig von der Abstraktionsschicht, immer die gleiche Hardware-Ausstattung. Völlig unabhängig auf welchem physikalischem System die virtuelle Maschine läuft, werden die gleichen Komponenten emuliert. Ausnahmen sind hier die CPU und der Arbeitsspeicher, auf den die virtuelle Maschine unter Kontrolle der Abstraktionsschicht direkt zugreift.

2.2 Prinzip der Virtualisierung

Das zentrale Prinzip der Systemvirtualisierung ist die Einführung einer logischen Abstraktionsschicht, die zwischen den tatsächlich vorhandenen Ressourcen und den virtuellen Maschinen vermittelt. Die tatsächlich vorhandenen Ressourcen, also das physikalische System das als Basis für die Virtualisierung, dient wird als Host- bzw. Wirt-System bezeichnet. Es kann vorkommen, dass dabei die Ressourcen gegenüber den virtuellen Maschinen verändert dargestellt werden. So kann eine eventuelle Heterogenität und Inkompatibilität überwunden werden. Bei der Virtualisierung betreibt man also im Kern immer eine Abstraktion vom Speziellen zum Allgemeinen eines Ressourcentyps. Dieses Vorgehen ermöglicht eine Ressource in einzelne Bereiche aufzuteilen und den einzelnen virtuellen Maschinen zur Verfügung zu stellen. Eine so genannter Virtual-Machine-Monitor (in nachfolgenden Abbildungen als VMM bezeichnet) erzeugt auf dem Host die virtuellen Maschinen. Sie verfügen über alle

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notwendigen Elemente wie Prozessor, Arbeitsspeicher, Festplatte, etc. Innerhalb dieses geschlossenen Systems kann ein Betriebssystem gestartet werden, das auf die virtuelle Hardware zugreift, als sei es ein echter Computer, ohne den Unterschied zu bemerken. In der Praxis gestaltet sich diese Aufgabe jedoch erheblich schwieriger. Immerhin gilt es, eine Vielzahl von benötigten Komponenten zu virtualisieren. Da die Abstraktionsschicht auf dem Host den exklusiven Zugriff auf die Hardware behält, kann ein Virtual-Machine-Monitor dem Gastbetriebssystem keinen direkten Zugriff auf die realen Ressourcen gewähren. Deshalb findet das Betriebssystem in der virtuellen Maschine auch eine andere Hardware vor, als tatsächlich im Host verbaut ist. So gibt es eine Reihe von emulierten, virtuellen Hardware Einheiten wie z.B. Chipsatz, Grafikkarte, Festplatten-Controller, Netzwerkkarten, etc.[3, 4]

2.3 Hypervisor

Die Abbildung der real vorhandenen Hardware des Systems wird durch eine Abstraktionsschicht, welche sich zwischen der Hardware und der virtuellen Maschine befindet, realisiert. Diese Abstraktionsschicht wird als Hypervisor bezeichnet. Bei der Virtualisierung stellt der Hypervisor eine Art Aufseher da. Er kontrolliert die virtuellen Maschinen und die darin befindlichen Gastbetriebssysteme (als Gastbetriebssystem wird bei der Systemvirtualisierung das Betriebssystem innerhalb einer virtuellen Maschine bezeichnet). Er kümmert sich um die Kommunikation zwischen den virtuellen Maschinen und den physikalisch vorhandenen Ressourcen. Es ist seine Aufgabe, die Befehle des Gastbetriebssystems, welche z.B. an den Prozessor, den Speicher oder die I/O-Geräte gesendet werden, zu überwachen und ggf. abzufangen. Diese werden dann stellvertretend ausgeführt, oder emuliert, ohne dass das Gastbetriebssystem davon Kenntnis bekommt bzw. beeinflusst wird.[5]

2.3.1 Typ 1 Hypervisor

Bei einem Typ 1 Hypervisor handelt es sich um einen Hypervisor, der direkt auf der Hardware ausgeführt wird. Er wird ebenso als ein „Bare-Metal Hypervisor“ bezeichnet. Ein Typ 1 Hypervisor muss also selbstständig mit der Hardware kommunizieren können, was voraussetzt, dass er selbst über die benötigten Treiber verfügt. Der Hypervisor ist in diesem Fall ein stark limitiertes Betriebssystem, welches nur über die notwendigsten