Virtualisierung im Mittelstand: HyperV und VMWare vSphere

VMWare vSphere

VMware vSphere ist eine Sammlung verschiedener Software-Features für den Bereich der Rechenzentrums- und Servervirtualisierung und unterstützt alle gängigen Betriebssysteme.

Der Begriff „virtuell“ entstammt ursprünglich dem lateinischen Wort „virtus“ und bedeutet Kraft, Tugend, Männlichkeit oder Fähigkeit. Im Laufe der Zeit unterschied man zwischen „reell“ von real und „virtuell“, wodurch das Wort eine andere Bedeutung bekam: Virtuelles wurde zu etwas von unwirklicher, scheinbarer und nicht tatsächlicher Form. Es imitiert eine Sache und hat – obwohl es nicht so aussieht – dieselben Eigenschaften und Fähigkeiten wie diese ursprüngliche Sache selbst. Genau dies passiert bei Virtualisierung von Computerservern. Hier werden Hardware, Software oder auch ganze Umgebungen imitiert, um das Zusammenspiel aller IT-Komponenten zu optimieren und Kosten zu sparen. Wie funktioniert Virtualisierung und welche Vorteile bietet sie? Ein Überblick. 

Wie funktioniert Servervirtualisierung?

Server Virtualisierung ist die Verschleierung und Maskierung der eigenen Server-Ressourcen, einschließlich der Anzahl, Leistung, Art, Kompatibilitäten und Identitäten der einzelnen physischen Server. Ein wichtiger Bestandteil der Virtualisierung ist Emulation. 

Was ist Emulation?

Ein Emulator (vom lateinischen „aemulor“, zu Deutsch „nacheifern, zu erreichen suchen, nachahmen“) bildet ein Hard- oder Softwaresystem nach und verhält sich wie das nachgeahmte System, hat aber keinen direkten Zugriff auf die Hardware. Er nutzt wie eine normale Software die Funktionen des Betriebssystems. 
Hardware Emulation kann dabei ganze Hardware-Komponenten (CPU, Chipsatz, I/O-Karten etc.) nachahmen. Ein Beispiel ist der Super-Nintedo-Emulator ZSNES, mit dem es möglich wurde Spiele, die eigentlich für eine Nintendo Konsole gedacht waren, mit einem einfachen PC zu spielen. 
Software-Emulatoren sind Programme, die es ermöglichen, Software mit einer fremden Architektur auf der bestehenden Basissoftware laufen zu lassen. Wer heute Monkey Island oder Siedler II spielen möchte, benötigt einen MSDoS Emulator und wer ein Linux Betriebssystem nutzt, kann innerhalb des Hosts (in diesem Fall Linux) eine Windows Version als Gast emulieren. 

Was ist Virtualisierung?

Die Grenze zwischen Virtualisierung und Emulation verschwimmt. Virtualisierung ist im Grunde eine Emulation mit bestimmten Einschränkungen. Der wohl wichtigste Unterschied besteht darin, dass das Gast-System, und die Host-Umgebung die gleiche CPU-Architektur ansteuern. Emuliert werden entweder alle restlichen Komponenten (Vollvirtualisierung) oder nur die Bootumgebung oder bestimmte Teile des Chipsatzes (Paravirtualisierung). 
Dabei können auch mehrere Gast-Systeme, in Form von virtuellen Maschinen, in einem Host-System laufen und verschiedene Laufzeitumgebungen und Rahmenbedingungen emulieren. Die Steuerung und Ressourcenzuteilung an die Gast-Systeme führt eine spezielle, allein für diesen Zweck entwickelte Zwischeninstanz, der Hypervisor, durch. Er ist in der Lage, Zugriffe so aufzuteilen bzw. zu verschieben, dass kein Gast den anderen behindert. Da er die Grundlage für die virtuellen Maschinen bildet, wird er auch Virtual-Machine-Monitor genannt. Hypervisoren können selbst die unterste Softwareschicht ersetzen und als „Mini-Betriebssystem“ fungieren (Typ 1 oder Bare Metal Hypervisor) oder innerhalb eines Betriebssystems laufen (Typ 2 oder Hosted Hypervisor). 

Welche Formen der Server Virtualisierung gibt es?

Da eine Server-Infrastruktur aus verschiedenen Hardware und Softwarekomponenten besteht, sind auch die Möglichkeiten und Reichweiten von Virtualisierungen groß. Sie reichen von der Imitation ganzer Hardwaresätze bis zur Virtualisierung einzelner Applikationen. Wichtigste Unterscheidungsmerkmale sind Grade zu denen ein Gast-System auf den Host Zugriff hat. 

Vollständige Virtualisierung

Wird von Virtualisierung im Server Bereich gesprochen, ist meistens vollständige Virtualisierung gemeint. Hierbei sind die einzelnen VMs strikt voneinander getrennt und jede einzelne agiert, als würde sie als einzige auf der Hardware laufen. Ein komplett eigenständiger Rechner wird simuliert, der unabhängig von allen anderen Instanzen operiert. Dabei werden alle Befehle an die CPU vom Hypervisor koordiniert, das Gast-System hat also keinerlei Zugriff auf die real existierende Hardware, lediglich auf die vom Hypervisor emulierten IT-Komponenten. Diese Form kommt einer klassischen Emulation am nächsten. Beispielsweise Virtual PC, Vmware Workstation und Virtualbox basieren auf diesem Ansatz. 

Paravirtualisierung

Paravirtualisieurng basiert ebenfalls auf einem Host/Gast-Paradigma und verwendet einen Hypervisor. Zur Verbesserung der Virtualisierungs-Leistung kann ein Gast-Betriebssystem aber durchaus erkennen, dass ein Hypervisor vor die tatsächliche Basisarchitektur geschaltet ist. Dabei wird eine spezielle Softwareschicht zwischen Host-Hardware und Gast-Betriebssystemen geschoben, die über spezielle Schnittstellen vorhandene Ressourcen den Gast-Systemen zugänglich macht. Die Gast-Systeme erhalten also tatsächlichen Zugriff auf Teile der physischen Hardware. Das Gast-Betriebssystem muss dafür allerdings spezifisch auf den Hypervisor zugeschnitten sein. Diese Änderung heißt Portierung und bezeichnet das Umarbeiten einer bereits vorhandenen Software zur Verwendung in einer anderen Laufzeitumgebung oder Plattform. Der Open-Source-Hypervisor Xen basiert beispielsweise auf diesem Modell. 

Virtualisierung auf Betriebssystemebene

Hier wird in allen Gast-Systemen das gleiche Betriebssystem verwendet, allerdings unterscheiden sich Zugriffsrechte auf Dateien und Programme. Dadurch kann man auf einem Server verschiedene Nutzeraccounts erstellen. Programme und Bibliotheken auf der gleichen Hardware können geteilt werden, sodass ein OS auf einem virtuellen Server mehrere Gäste gleichzeitig bedienen kann. Beispiele sind FreeBSD Jail, Solaris Zones/Containers, Linux-VServer oder OpenVZ. 

Gründe für Server Virtualisierung

Die Gründe den eigenen Server zu Virtualisieren sind vielseitig und oft bietet sich dieser Schritt nicht nur bei mittelständischen, sondern bereits bei kleinen Unternehmen an. Hauptvorteile sind Ressourcenersparnisse und bessere Auslastung der unternehmenseigenen Hardware. Die wichtigsten Aspekte im Überblick: 

• Auslastung: Anwendungen können einen Server komplett blockieren, ohne ihn tatsächlich auszulasten. So entstehen ungenutzte Kapazitäten, die durch eine Virtualisierung des Servers freigelegt werden können.
• Sicherheit: Wird jeder Netzwerkdienst (beispielsweise Webserver, Mailserver etc.) in eine separate virtuelle Umgebung verschoben, kann die Sicherheit des Gesamtsystems gesteigert werden. Da die verschiedenen VMs unabhängig voneinander agieren, ist das Infektionsrisiko durch Malware für parallel laufende Gast-Systeme extrem gering, sollte nur eines der Gast-Systeme betroffen sein.
• Gesenkte Hardwarekosten: Auf Virtualisierten Servern können ältere Anwendungen einwandfrei betrieben werden, da die benötigte Umgebung emuliert werden kann. Auch neue, besser kompatible Hardware muss nicht unbedingt neu angeschafft werden. Somit sinken die Hardwarekosten und die Laufzeit älterer Programme.
• Platz- und Energieeinsparungen: Werden verschiedene Server Virtualisiert, wird nicht nur weniger Hardware benötigt, sondern die Energiekosten und der benötigte Platz nehmen ebenfalls ab.
• Verfügbarkeiten des Systems (Business Continuity): Mit der Virtualisierung erweitern sich die Optionen für Disaster Recovery (DR) und Business Continuity (BC). Denn das Backup einer virtuellen Maschine kann einfach darin bestehen, Dateien und die Konfigurationsdaten automatisiert zu kopieren und an einem Ort außerhalb der VM zu speichern.
• Testumgebung: In einer VM können Programme und Applikationen probehalber installiert und getestet werden, ohne die Stabilität des Gesamtsystems zu gefährden
• Zentralisierung: Durch die Steuerung über den Hypervisor mithilfe von grafischer Visualisierung lässt sich die Server-Infrastruktur einfacher überwachen und steuern. Einzelne VMs können nach Bedarf hinzugefügt oder neu konfiguriert werden, ohne den Hardwarebestand tatsächlich anzutasten.

Welche Software wird für Virtualisierungen genutzt?

Je nach dem, welche Hardware in einem Unternehmen vorhanden ist und welche Anforderungen systemseitig an diese Hardware gestellt werden, bieten sich verschiedene Lösungen an, um die eigene IT-Infrastruktur zu optimieren. Die zwei Marktführer der Servervirtualisierung werden hier vorgestellt und eingeordnet. 

vSphere von VMWare: Unterschiedliche Systeme und mögliche Paravisualisierung

VMWare ist ein US-amerikanisches Unternehmen, das 1998 herausfand wie man die x86-Plattform virtualisiert und das so einen ganzen Markt für x86-Virtualisierung schaffte. VMware vSphere ist dabei heute eine Sammlung verschiedener Software-Features für den Bereich der Rechenzentrums- und Servervirtualisierung. Zentrale Bestandteile sind der Bare Metal Hypervisor VMware vSphere ESXi für x64-basierte Hardware, sowie VMware vCenter für die grafische unterstütze Verwaltung der gesamten emulierten Struktur. Es sind auch Gerätetreiber verfügbar, die Paravirtualisierung ermöglichen. Der VMkernel enthält proprietäre, urheberrechtlich Geschützte Software, die durch Linux Elemente und andere Open Source Technologie ergänzt wird. Nahezu alle gängigen OS und Programme können emuliert werden. 

HyperV: Vollvirtualisierung von Windows-Produkten

HyperV ist eine Hypervisor-basierte Virtualisierungstechnik von Microsoft für Computer mit x64-fähigem x86-Prozessor. Der HyperV Hypervisor kam mit Microsoft 8 auf den Markt und ermöglichte es erstmals jenseits der gängigen Server Betriebssysteme von Microsoft verschiedene Gast-Systeme in einem Host-System laufen zu lassen. Er kann auch als Bare Metal Hypervisor und somit standalone Miniatur-Betriebssystem fungieren. Diese Version ist dann kostenfrei, umfasst allerdings keinerlei möglicherweise nötigen Lizenzen für das Gast-System. Als Modul für Vollvirtualisierung laufen alle Prozesse ausschließlich über den VM-Monitor. HyperV ist vor allem auf die Virtualisierung von Windowsprodukten ausgelegt, vSphere kann dagegen Linux, Windows und auch Mac OS X Server gleichzeitig laufen lassen. 

Virtualisierung von Servern: Wann ist externe Hilfe angebracht?

Je nachdem wie viele Personalressourcen zur Verfügung stehen und wie der Stand des firmeninternen Know-hows ist, bietet es sich an verschiedene Schritte und Phasen von einem professionellen IT-Anbieter begleiten zu lassen. Dies gilt insbesondere für Planung, Migration alter Systeme sowie Administration. 

Planung von Servervirtualisierung

Zwar ist eine virtualisierte Server-Landschaft relativ flexibel in der späteren Rekonfiguration, eine fachgerechte Planung ist jedoch unabdingbar. Hier muss vor allem abgeklärt werden – abhängig von den im Unternehmen genutzten Betriebssysteme für Mitarbeiter und Server – welche Virtualisierungssoftware und -art zum Einsatz kommen soll. Zusätzlich muss festgestellt werden, wie viele VMs benötigt werden, welche Rechte eingeräumt und welche Hardware unterstützt beziehungsweise emuliert werden soll. Ebenfalls Lizenzfragen müssen geklärt werden, insbesondere bei proprietären Elementen. 

Migration und Neuordnung alter Serverstrukturen

Im nächsten Schritt müssen die alten Systeme in den virtualisierten Server migriert werden. Dazu muss eine fehlerfreie Installation des Hypervisors und die korrekte Einrichtung der VMs gemäß der Planung erfolgen, um dann sich bereits in Benutzung befindliche Programme, Daten und Systeme verlustfrei in die VMs zu integrieren. 

Administration des virtualisierten Servers

Einmal implementiert benötigt das System Wartung und Kontrolle, um eine bestmögliche Performanz zu garantieren. Dies betrifft nicht nur die konkrete Änderung von VMs und das Verschieben von Ressourcen, sondern kann nahtlos in IT-Monitoring übergehen. Die Administration virtualisierter Server kann auch an einen externen Dienstleister ausgelagert werden.