Virtualisierung

Technik-Trend oder Hersteller-Hype?
Virtualisierung ist ein Begriff, unter dem in der IT sehr unterschiedliche Technologien zusammengefasst sind. Allen gemeinsam ist die Abstraktion physikalischer Ressourcen. Eine Virtualisierungsschicht kann auf der Server-Ebene ansetzen, auf der Ebene der Speichersubsysteme oder speicher- und serverneutral auf Netzwerkebene. Stark im Kommen ist die Virtualisierung von x86-Servern und die damit mögliche Konsolidierung alter Server. Als Lösungen stehen eine Reihe von Technologien zur Verfügung, die im Unixumfeld oft aus Open Source-Projekten hervorgegangen sind.
Die Basis bildet immer eine Software, die als Abstraktionsschicht zwischen Anwendung und Prozessor liegt. Sie wird Hypervisor oder Virtual Machine Monitor (VMM) genannt. Ein Hypervisor, ist ein Programm, das es ermöglicht, auf einem Prozessor mehrere Instanzen eines oder verschiedener Betriebssysteme laufen zu lassen. Der Hypervisor ist prozessorspezifisch. Er kontrolliert den Prozessor sowie alle Ressourcen der Hardware und stellt jeder Betriebssysteminstanz die benötigten Ressourcen zur Verfügung. Je nach Technik emuliert er die Hardware für jede Instanz (s. Hardwarevirtualisierung) oder übersetzt die Anforderungen an den Prozessor (s. Paravirtualisierung).

Hardwarevirtualisierung
Diese Technik stand am Beginn der Virtualisierungsbewegung. Die x86-Architektur hat Virtualisierung ursprünglich nicht unterstützt. So war es schwierig, virtuelle Maschinen sicher auf einem System zu betreiben, da die Trennung mehrerer Umgebungen nicht möglich war und privilegierte Systemaufrufe der Betriebssysteme zu Konflikten geführt hätten. Deshalb haben erste Generationen der Virtualisierungslösungen die komplette Hardware für jede virtuelle Maschine emuliert und mussten dabei alle Instruktionen der Betriebssysteme abfangen und umsetzen.

Betriebssystemvirtualisierung
Im Gegensatz zu Hardware- und Paravirtualisierung erlaubt die Virtualisierung des Betriebssystems es nur, viele virtuelle Instanzen eines Betriebssystems auf einem System zu erzeugen, nicht jedoch unterschiedliche Gast-OSs einzusetzen. Betriebssystemvirtualisierung, auch OS-Level- oder Shared-OS-Virtualisierung genannt, virtualisiert Server auf der Betriebssystem-(Kernel-)Ebene. Diese Virtualisierungsmethode bildet isolierte Partitionen oder virtuelle Umgebungen (Virtual Environments = VEs) auf einer einzelnen physikalischen Server- und Betriebssysteminstanz, so dass Hardware-, Software-, Rechenzentrums- und Verwaltungsressourcen mit maximaler Effizienz genutzt werden können. Zu den führenden Anbietern gehört SWSoft mit Virtuozzo, Sun hat mit der Containertechnik diesen Ansatz in Solaris implementiert und auch das neue AIX von IBM wird Virtualisierung in dieser Richtung bieten.

Paravirtualisierung
Von der Open Source Gemeinde initiierte Technologie, von Microsoft auch als “Enlightenment” bezeichnet. Dabei wird ein Gastbetriebssystem so modifiziert, dass es innerhalb einer virtuellen Maschine direkt die entsprechenden Instruktionen des Hypervisors aufruft, so dass kein Performanceverlust durch die Emulation der gesamten Hardware entsteht. Der Ansatz wurde an der University of Cambridge unter dem Namen Xen entwickelt. Viele Linux-Distributionen sind an Xen angepasst und Xensource arbeite mit Microsoft an der Paravirtualsierung des Windows Server.

Intel and AMD, haben ebenfalls die x86-Architekture weiterentwickelt und unterstützen jetzt hardwaremäßig Virtualisierung. Dazu haben sie u.a. Extensions auf dem Prozessor implementiert (s. Intel VT und s. AMD-V).Wenn die CPU im normalen Modus läuft, werden die Instruktionen wie bisher ausgeführt, im virtuellen Modus werden statt dessen von der CPU Routinen aufgerufen, die speziell in den Extensions dafür implementiert sind und ein sicheres Ausführen der Instruktionen der virtuellen Maschinen gewährleisten.

AMD V
Die von AMD entwickelte Virtualisierungstechnologie AMD-V basiert neben einem erweiterten Befehlssatz für virtuelle Maschinen vor allem auf einer performanten Prozessorarchitektur. Die Direct-Connect-Architektur mit dediziertem Hauptspeicher pro Prozessor beschleunigt virtuelle Maschinen. Der Tagged TLB (Translation Lookaside Buffer) erlaubt effizientes Switchen zwichen VMs, da die Tags genau angeben, welche Daten zu welcher virtuellen Maschine gehören. Der Hardwarecontroller hat den „Device Exclusion Vector“ (DEV) implementiert, der dem Hypervisor(VMM) mitteilt, ob ein Device Zugriffsrechte auf eine Speicherseite hat oder nicht. Damit erhöht sich die Sicherheit. Eine weitere Verbesserung hat AMD mit Nested Paging integriert, das hardwarebasierte Speichersuche erlaubt.

Intel VT
Die Intel Virtualisierungstechnik (VT) besteht aus einer Reihe von Prozessor- und I/O-Verbesserungen für Server und Workstations auf der Basis der neuesten Xeon- und Itanium-2-Prozessoren. Mit VT hat nur der VMM Zugriff auf einen zugewiesenen Speicherort, an dem Statusdaten von CPU und Betriebssystem abgelegt werden, und die Integrität des Übergabeprozesses bleibt erhalten. Sie unterstützt 64-Bit-Software

Ein neuer Ansatz alte Terminalstrukturen zeitgemäß zu machen, bietet die Virtualisierung von PCs auf dem Server. Bei Vmware heisst dieser Technik Virtual Desktop Infrastruktur (VDI). Der neue Trend geht über das Virtualisieren von Anwendungen wie in der klassischen Terminalemulation in Richtung zentral gehosteter, vollständig vom Anwender konfigurierbarer, virtueller PCs auf dem Server. Mit VDI von VMware lassen sich individuelle Desktops in virtuellen Maschinen hosten, die sich einfach auf dem Server managen und sichern lassen und auch über Thin Clients abrufbar sind.