Hypervisoren

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Hypervisoren

Cloud Computing wäre ohne Virtualisierung nicht denkbar. Und Virtualisierung wäre ohne den Hypervisor nicht möglich. Diese dünne Softwareschicht unterstützt das gesamte Cloud-Ökosystem.

Was sind Hypervisoren?

Bevor sich Hypervisoren durchsetzten, konnten die meisten physischen Computer nur ein Betriebssystem zur gleichen Zeit ausführen. Dadurch liefen sie stabil, da die Hardware nur Anfragen von diesem einen Betriebssystem verarbeiten musste. Der Nachteil dieses Konzepts war, dass Ressourcen verschwendet wurden, da das Betriebssystem nicht immer die gesamte Leistung des Computers nutzen konnte.

Ein Hypervisor löst dieses Problem. Dabei handelt es sich um eine dünne Softwareschicht, die es ermöglicht, dass mehrere Betriebssysteme gleichzeitig ausgeführt werden und dieselben physischen Rechenressourcen nutzen. Diese Betriebssysteme werden als virtuelle Maschinen (VMs) ausgeführt – Dateien, die eine komplette Hardwareumgebung in Software nachbilden.

Der Hypervisor, der auch als Virtual Machine Monitor (VMM) bezeichnet wird, steuert diese parallel ausgeführten VMs. Er trennt die VMs logisch voneinander, indem er jeder VM einen eigenen Anteil an der zugrunde liegenden Rechenleistung, Hauptspeicher- und Datenspeicherkapazität zuteilt. Dies verhindert, dass sich die VMs gegenseitig stören. Wenn beispielsweise ein Betriebssystem abstürzt oder von einem Sicherheitsvorfall betroffen ist, bleiben die anderen davon unberührt.

Um mehr über Virtualisierung und virtuelle Maschinen zu erfahren, informieren Sie sich hierüber unter "Virtualisierung: ein umfassender Überblick" und "Was ist eine virtuelle Maschine?"

Weitere Informationen dazu, wie VMs von Hypervisoren verwaltet werden, finden Sie im Video "Virtualisierung erläutert" (5:20):

Merkmale von Hypervisoren

Es gibt verschiedene Kategorien von Hypervisoren und verschiedene Marken von Hypervisoren innerhalb jeder Kategorie. Der Markt ist inzwischen so weit entwickelt, dass Hypervisoren im Unternehmensbereich zu einem Standardprodukt geworden sind, aber es gibt immer noch differenzierende Faktoren, die Ihre Wahl leiten sollten. Hierauf sollten Sie besonders achten:

  • Leistung: Suchen Sie nach Benchmarkdaten, die zeigen, wie gut der Hypervisor in einer Produktionsumgebung abschneidet. Idealerweise sollten Bare-Metal-Hypervisoren eine Gastbetriebssystemleistung unterstützen, die der nativen Geschwindigkeit nahe kommt.
  • Ökosystem: Sie benötigen eine gute Dokumentation und technischen Support, um Hypervisoren über mehrere physische Server hinweg in großem Umfang zu implementieren und zu betreiben. Achten Sie außerdem auf eine intakte Community von externen Entwicklern, die den Hypervisor mit eigenen Agenten und Plug-ins unterstützen können, die Funktionen wie Kapazitätsanalyse für Backup und Restore und Failover-Management bieten.
  • Management-Tools: Die Ausführung der VMs ist nicht das einzige, was Sie bei Verwendung eines Hypervisors managen müssen. Sie müssen die VMs einrichten, verwalten und prüfen und Sie müssen nicht mehr genutzte VMs bereinigen, um einen "VM-Wildwuchs" zu verhindern. Stellen Sie sicher, dass die Community (Anbieter oder Drittanbieter) die Hypervisor-Architektur mit umfassenden Management-Tools unterstützt.
  • Live-Migration: Dies ermöglicht Ihnen, VMs zwischen Hypervisoren auf verschiedenen physischen Maschinen zu verlagern, ohne sie zu stoppen. Dies kann für Failover und Lastausgleich nützlich sein.
  • Kosten: Berücksichtigen Sie die Kosten und die Gebührenstruktur, die mit der Lizenzierung der Hypervisor-Technologie verbunden sind. Denken Sie nicht nur an die Kosten für den Hypervisor selbst. Die Management-Software, die die Skalierbarkeit zur Unterstützung einer Unternehmensumgebung ermöglicht, kann oft teuer sein. Prüfen Sie schließlich die Lizenzierungsstruktur des Anbieters, die sich je nachdem, ob Sie sie in der Cloud oder lokal einsetzen, ändern kann.

Typ 1 vs. Typ 2

Es gibt im Wesentlichen zwei Kategorien von Hypervisoren: Typ 1 und Typ 2.

Hypervisor vom Typ 1

Ein Hypervisor vom Typ 1 wird direkt auf der physischen Hardware des zugrunde liegenden Computers ausgeführt und interagiert direkt mit der zugehörigen CPU, dem Hauptspeicher und dem physischen Speicher. Aus diesem Grund werden Hypervisoren des Typs 1 auch als "Bare-Metal"-Hypervisoren bezeichnet. Ein Hypervisor des Typs 1 übernimmt die Rolle des Hostbetriebssystems.

  • Vorteile: Hypervisoren des Typs 1 sind hocheffizient, da sie direkten Zugriff auf physische Hardware haben. Dies erhöht auch ihre Sicherheit, da sich zwischen ihnen und der CPU nichts befindet, was ein Angreifer kompromittieren könnte.
  • Nachteile: Ein Hypervisor des Typs 1 benötigt häufig eine separate Managementmaschine, um verschiedene VMs zu verwalten und die Host-Hardware zu steuern.

Hypervisor vom Typ 2

Ein Hypervisor vom Typ 2 wird nicht direkt auf der zugrunde liegenden Hardware ausgeführt. Stattdessen wird er als Anwendung unter einem Betriebssystem ausgeführt. Hypervisoren des Typs 2 kommen selten in serverbasierten Umgebungen vor. Stattdessen eignen sie sich für PC-Benutzer, die mehrere Betriebssysteme ausführen müssen. Beispiele sind Ingenieure, Sicherheitsexperten, die Malware analysieren, und Geschäftsanwender, die Zugriff auf Anwendungen benötigen, die nur auf anderen Softwareplattformen verfügbar sind.

Hypervisoren vom Typ 2 verfügen oft über zusätzliche Toolkits, die der Benutzer im Gastbetriebssystem installieren kann. Diese Tools bieten erweiterte Verbindungen zwischen dem Gast- und dem Hostbetriebssystem, die es dem Benutzer oft ermöglichen, Cut-and-paste-Operationen zwischen den beiden Systemen auszuführen und auf Dateien und Ordner des Hostbetriebssystems aus der Gast-VM heraus zuzugreifen.

  • Vorteile: Ein Hypervisor des Typs 2 ermöglicht den schnellen und einfachen Zugriff auf ein alternatives Gastbetriebssystem neben dem primären System, das auf dem Hostsystem ausgeführt wird. Dadurch eignet er sich sehr gut zur Verbesserung der Produktivität der Endbenutzer. Ein Anwender kann den Hypervisor beispielsweise nutzen, um auf seine bevorzugten Linux-basierten Entwicklungstools zuzugreifen, und gleichzeitig ein Diktiersystem verwenden, das es nur für Windows gibt.
  • Nachteile: Zur Nutzung von Computer-, Speicher- und Netzressourcen muss ein Hypervisor des Typs 2 über das Hostbetriebssystem zugreifen, das den primären Zugriff auf die physische Maschine hat. Dies verursacht Latenzprobleme, die die Leistung beeinträchtigen. Es führt außerdem zu potenziellen Sicherheitsrisiken, wenn ein Angreifer das Hostbetriebssystem kompromittiert, da er dann jedes Gastbetriebssystem manipulieren kann, das im Hypervisor des Typs 2 ausgeführt wird.

Beispiele

VMware-Hypervisoren

  • ESXi-Hypervisor: VMware ESXi (Elastic Sky X Integrated) ist ein Hypervisor vom Typ 1 (oder Bare-Metal-Hypervisor), der auf die Servervirtualisierung im Rechenzentrum abzielt. ESXi verwaltet Sammlungen von virtuellen VMware-Maschinen.
  • vSphere-Hypervisor: Kunden können VMware ESXi gratis als Teil des kostenlosen vSphere-Hypervisors nutzen, der ein Basisangebot für die Servervirtualisierung darstellt. Unternehmen mit Enterprise-Cloud-Umgebungen lizenzieren vSphere, ein umfassenderes System, das eine Lizenz für vCenter Server von VMware enthält. Dies ist ein separater Server, der zur Verwaltung von vSphere-Umgebungen verwendet wird, die auf physischen Hosts ausgeführt werden. VSphere kann in einer Private Cloud-Umgebung lokal oder in einer gehosteten Cloud-Konfiguration ausgeführt werden.

VMware bietet außerdem zwei Hauptfamilien von Typ-2-Hypervisor-Produkten für Desktop- und Laptop-Anwender an:

  • VMware Fusion: Dies ist das MacOS-bezogene Angebot des Unternehmens, mit dem Mac-Benutzer eine große Bandbreite an Gastsystemen betreiben können.
  • Workstation: Die Linux- und Windows-bezogene Plattform von VMware ist in zwei Ausführungen erhältlich: Pro (kostenpflichtige Version) und Player (kostenlos und dem persönlichen Gebrauch vorbehalten). Die Pro-Version ermöglicht es Benutzern, mehrere Betriebssysteme auf einem PC zu betreiben, und stellt auch eine Verbindung zu VMware vSphere her (so wie Fusion). Workstation-Player unterstützt nur ein einzelnes Gastbetriebssystem.
  • VirtualBox: Ein Hypervisor vom Typ 2, der unter Linux-, Mac OS- und Windows-Betriebssystemen ausgeführt wird. Oracle übernahm das Produkt beim Kauf von Sun Microsystems im Jahr 2010.

"VMware: ein umfassender Überblick" beschreibt ausführlich alle Angebote und Services von VMware.

Hyper-V-Hypervisor

Hyper-V ist der Hypervisor von Microsoft, der für die Verwendung auf Windows-Systemen konzipiert ist. Er wurde im Jahr 2008 als Teil von Windows Server ausgeliefert. Das bedeutete, dass die Kunden das gesamte Windows-Betriebssystem installieren mussten, um den Hypervisor nutzen zu können. Microsoft entwickelte danach eine dedizierte Version mit dem Namen Hyper-V Server, die unter Windows Server Core ausgeführt wurde. Dies ermöglichte den Administratoren das Ausführen von Hyper-V ohne eine Installation der Vollversion von Windows Server. Hyper-V ist auch auf Windows-Clients verfügbar.

Microsoft bezeichnet Hyper-V als Hypervisor des Typs 1, obwohl er sich von vielen Wettbewerbsprodukten unterscheidet. Hyper-V wird unter Windows installiert, wird aber direkt auf der physischen Hardware ausgeführt und liegt somit unter dem Hostbetriebssystem. Alle Gastsysteme werden dann über den Hypervisor ausgeführt, aber das Hostbetriebssystem erhält einen speziellen Zugriff auf die Hardware, was ihm einen Leistungsvorteil verschafft.

Citrix XenServer

XenServer, der jetzt als Citrix Hypervisor bezeichnet wird, ist ein kommerzieller Hypervisor des Typs 1, der Linux- und Windows-Betriebssysteme unterstützt. XenServer ist aus dem Open-Source-Projekt Xpen entstanden (Link befindet sich außerhalb von IBM).

Open-Source-Hypervisoren

Einige Hypervisoren, wie z. B. KVM, stammen aus Open-Source-Projekten. Die Verbindungen von Red Hat zur Open-Source-Community haben KVM zum Kern aller wichtigen OpenStack- und Linux-Virtualisierungsdistributionen gemacht.

Open-Source-Hypervisoren sind auch in kostenfreien Konfigurationen erhältlich. KVM kann allein oder als Teil der Open-Source-Virtualisierungslösung oVirt heruntergeladen werden, die von Red Hat schon seit Langem unterstützt wird.

Des Weiteren gibt es Xen, einen Open-Source-Hypervisor vom Typ 1, der auf Intel- und ARM-Architekturen ausgeführt wird. Der Hypervisor entstand aus einem Projekt an der University of Cambridge und das Team kommerzialisierte ihn später durch die Gründung von XenSource, das 2007 von Citrix gekauft wurde.

Im Jahr 2013 wurde das Open-Source-Projekt zu einem Gemeinschaftsprojekt unter der Linux Foundation. Viele Cloud-Service-Anbieter nutzen Xen als Basis für ihre Produktangebote.

Xen unterstützt mehrere Arten von Virtualisierung, einschließlich hardwaregestützter Umgebungen mit Intel VT und AMD-V. Er unterstützt auch Paravirtualisierung, die das Gastbetriebssystem für die Zusammenarbeit mit einem Hypervisor optimiert und so Leistungssteigerungen ermöglicht.

Hypervisor KVM

Linux verfügt ebenfalls über Hypervisor-Funktionen, die direkt in den Betriebssystemkern integriert sind. Die kernelbasierte virtuelle Maschine (KVM) wurde 2007 Teil der Linux-Kernel-Mainline und ergänzt QEMU, einen Hypervisor, der den Prozessor der physischen Maschine vollständig in Software emuliert.

KVM unterstützt Virtualisierungserweiterungen, bei denen Intel und AMD in die Prozessorarchitekturen integriert ist, um Hypervisoren besser zu unterstützen. Diese Erweiterungen, die als Intel VT bzw. AMD-V bezeichnet werden, ermöglichen es dem Prozessor, den Hypervisor beim Management mehrerer virtueller Maschinen zu unterstützen. Wo diese Erweiterungen zur Verfügung stehen, kann der Linux-Kernel KVM verwenden. Ansonsten wird QEMU genutzt.

Lesen Sie mehr zu KVM (Link befindet sich außerhalb von IBM) bei Red Hat.

Red Hat Hypervisor

Der Red Hat Enterprise Virtualization Hypervisor basiert auf dem KVM-Hypervisor. Die Virtualisierungslösung bietet zusätzliche Funktionen rund um den Hypervisor. Dazu gehören ein Virtualisierungsmanager, der ein zentrales Managementsystem mit einer suchgesteuerten grafischen Benutzerschnittstelle bietet, sowie sichere Virtualisierungstechnologien, die den Hypervisor gegen Angriffe auf den Host oder auf virtuelle Maschinen absichern. Der Hypervisor von Red Hat kann viele Betriebssysteme, einschließlich Ubuntu, ausführen.

Virtual Desktop Integration (VDI)

Hypervisoren vom Typ 1 können mehr als nur Serverbetriebssysteme virtualisieren. Sie ermöglichen auch die Virtualisierung von Desktop-Betriebssystemen für Unternehmen, die ihre IT-Ressourcen für die Endbenutzer zentral verwalten möchten.

Virtual Desktop Integration (VDI) ermöglicht es Anwendern, auf Desktops zu arbeiten, die innerhalb virtueller Maschinen auf einem zentralen Server laufen, was die Verwaltung und Wartung der Betriebssysteme für IT-Mitarbeiter erleichtert.

In dieser Umgebung führt ein Hypervisor mehrere virtuelle Desktops aus. Jeder Desktop befindet sich in einer eigenen VM, die Teil von sogenannten virtuellen Desktop-Pools sind. Jede VM steht einem einzelnen Benutzer zur Verfügung, der über das Netz auf sie zugreift.

Der Benutzerendpunkt kann ein vergleichsweise kostengünstiger Thin Client oder ein mobiles Gerät sein. Dies bietet den Vorteil eines konsistenten Zugriffs auf dasselbe Desktop-Betriebssystem. Sie können dieselben Daten und Anwendungen auf jedem Gerät nutzen, ohne dass sensible Daten die sichere Umgebung verlassen.

Die Benutzer stellen keine direkte Verbindung zum Hypervisor her. Stattdessen greifen sie auf einen Verbindungsbroker zu, der sich dann mit dem Hypervisor abstimmt, um einen passenden virtuellen Desktop aus dem Pool zu beziehen.

Produkte wie VMware Horizon bieten alle diese Funktionen in einem einzigen Produkt, das von Ihrem eigenen lokalen Service bereitgestellt wird, oder über einen Provider von gehosteten Cloud-Services.

Problemlösung

Da es so viele verschiedene Arten von Hypervisoren gibt, erfordert die Fehlerbehebung im Einzelfall einen Besuch auf den Support-Seiten des Herstellers und eine produktspezifische Korrekturlösung. Zu den häufigsten Problemen gehört beispielsweise, dass Sie nicht alle Ihre VMs starten können. Dies kann geschehen, wenn Sie die physischen Hardwareressourcen des Hosts ausgeschöpft haben. Um dieses Problem zu beheben, können Sie entweder mehr Ressourcen zum Host-Computer hinzufügen oder die Ressourcenanforderungen für die VM mithilfe der Management-Software des Hypervisors reduzieren.

Ein weiteres gängiges Problem bei Hypervisoren, das den Start von VMs verhindert, ist ein beschädigter Prüfpunkt oder Snapshot einer VM. Aus diesem Grund sind VM-Backups ein wesentlicher Bestandteil einer Enterprise-Hypervisor-Lösung, aber Ihre Hypervisor-Management-Software erlaubt es Ihnen möglicherweise, die Datei auf den letzten gültigen Prüfpunkt zurückzusetzen und sie so zu starten. Dies kann jedoch bedeuten, dass Sie einen Teil Ihrer Arbeit verlieren.

Hypervisoren und IBM

IBM erfand den Hypervisor in den 1960er Jahren für seine Großrechner. Heute kann IBM z/VM, ein Hypervisor für IBM z Systems-Mainframes, Tausende von virtuellen Linux-Maschinen auf einem einzigen Mainframe-Computer ausführen. IBM PowerVM stellt AIX-, IBM i- und Linux-Betriebssysteme bereit, die auf IBM Power Systems ausgeführt werden.

IBM unterstützt eine Reihe von Virtualisierungsprodukten in der Cloud. IBM Cloud Virtual Server sind vollständig verwaltet und konfigurierbar, mit Optionen zur Skalierung, wenn Ihr Rechenbedarf wächst.

Wenn Sie Virtualisierungsfunktionen derzeit lokal ausführen, informieren Sie sich über die Lösungen der IBM VMware-Partnerschaft.

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