Grundlagen und Probleme der Virtualisierung

Ilse und Rudolf Wolf

In der Welt der Großrechner ist die Virtualisierung von Betriebssystemen schon längst selbstverständlich. Dort liegt der Schwerpunkt vor allem auf der effektiven Nutzung der vorhandenen Ressourcen. Dies ist auch einer der Hauptgründe warum die Virtualisierung für den PC in letzter Zeit so vorangeschritten ist. Ein heute handelsüblicher PC hat die Leistungsfähigkeit eines Großrechners von vor einigen Jahren.

Man unterscheidet verschiedene Arten der Virtualisierung. Diese kann dabei auf Betriebssystemebene, auf einer abstrakten Verwaltungsebene (Paravirtualisierung) oder auf Hardware-Ebene stattfinden.

Bei Virtualisierung auf Betriebssystemebene wird anderen Computerprogrammen eine komplette Laufzeitumgebung virtuell innerhalb eines geschlossenen Containers zur Verfügung gestellt, es wird kein zusätzliches Betriebssystem gestartet.

Bei Paravirtualisierung wird zwar ein zusätzliches Betriebssystem virtuell neu gestartet, jedoch wird keine Hardware virtualisiert oder emuliert, sondern die virtuell gestarteten Betriebssysteme verwenden eine abstrakte Verwaltungsschicht um auf gemeinsame Ressourcen (Netzwerkanbindung, Festplattenspeicher, Benutzerein-/ausgaben) zuzugreifen.

Bei Virtualisierung auf Hardware-Ebene können Betriebssysteme virtuell gestartet werden, ohne dass sie eine Verwaltungsschicht verwenden müssen. Den einzelnen Gast-Systemen wird dabei jeweils ein eigener kompletter Rechner mit allen Hardware-Elementen (Prozessor, Laufwerke, Arbeitsspeicher, usw.) vorgetäuscht. Der prinzipielle Vorteil ist, dass an den Betriebssystemen selbst kaum Änderungen erforderlich sind.

Die virtuell betriebenen Betriebssysteminstanzen werden Gast-Systeme genannt. Diese laufen dabei entweder unter einer Software-Schicht, deren Aufgabe es ist, diese Gast-Systeme laufen zu lassen (Hypervisor) oder sie laufen unterhalb eines normalen Betriebssystems (Host-System).

Host-basierte Virtualisierung

• Bei der host-basierten Server Virtualisierung wird ein physikalischer Server in mehrere virtuelle Server logisch aufgeteilt. Dies erfolgt durch eine Virtualisierungssoftware, welche die Hardware von der Software (Betriebssystem und Anwendungen) logisch entkoppelt. Dadurch können vorhandene Hardwareressourcen der Server-Systeme wie Arbeitsspeicher, Festplatten, dynamisch auf der logischen Ebene zugeordnet werden. Dies bietet folgende Vorteile: Die Nähe zur Applikation sowie auch den schnellen Speicherzugriff.

Durch die Entkopplung von Hard- und Software sinkt der Administrationsaufwand bei gleichzeitiger Verbesserung der Serverauslastung. Dadurch kann die Anzahl physischer Serversysteme reduziert werden (Serverkonsolidierung).

Die Virtualisierung auf Host-Ebene ist die derzeit am weitesten verbreitete Methode und existiert schon seit mehreren Jahren. Die Software der Logical Volume Manager (LVM) ist meist eng mit dem Dateisystem verknüpft und liegt direkt auf dem Server, entweder als integrierter Bestandteil im Betriebssystem oder als zusätzliche Applikation. Diese Variante erlaubt es, zum Beispiel Volumes über mehrere Speichersysteme innerhalb eines SANs einzurichten. Allerdings benötigt diese Technologie viele Host-Ressourcen. Außerdem muss für jeden Server ein eigener LVM installiert werden, ein zentrales Management ist nicht möglich.

Virtualisierung der Speicherinfrastruktur in einem SAN

Für das "Storage Area Network" gibt es drei unterschiedliche Ansätze: hostbasierte, speicherbasierte und netzwerkbasierte.

Die Hostbasierte Virtualisierung ist mit dem Logical-Volume-Manager verknüpft, der eine Virtualisierungsschicht im Server realisiert. Er aggregiert die im SAN zur Verfügung gestellten LUNs (Logical Unit Numbers) zu logischen Volumes.

Die speicherbasierte Virtualisierung ist in allen gängigen Speichersubsystemen eingefügt. Die in diesen Systemen installierten Magnetplatten werden in Gruppen zusammengefasst. Anteile dieser Kapazität werden als logisches Volume gegenüber dem Server dargestellt.

Die netzwerkbasierte Virtualisierung vereinigt die Vorteile der Host- und der speicherbasierten Virtualisierung zu einem übergreifenden Speichermanagement. Die Virtualisierung übernehmen spezielle Geräte, die SAN-Appliances. Dabei existieren zwei grundsätzlich unterschiedliche Wege zur Implementierungen, "In Band" und "Out of Band".

Bei der In-Band-Methode liegt die Virtualisierungs-Appliance im Datenpfad, sodass jede Operation auf ein logisches Volume in der Appliance auf die reale Adresse umgerechnet wird. Caches verringern so die eigentlich längere Laufzeit. Vorteile: In den angeschlossenen Servern sind keine zusätzlichen Treiber notwendig.

Bei der Out-of-Band-Implementierung liegt die Virtualisierungs-Appliance außerhalb des Datenpfads. Der Server, der auf ein logisches Volume zugreifen will, holt sich zunächst vom Metadatenserver Infos über die physischen Volumes. Der Zugriff erfolgt dann vom Server aus direkt auf die physischen Platten. Die Performance gleicht der wie beim Zugriff auf reale Platten.

• Virtualisierung auf Blockebene

Ein Server verwaltet die im SAN angeschlossenen Storage-Systeme. Er teilt den physikalischen Speicher in logische Bereiche auf und ordnet diese den einzelnen Applikations- oder File-Servern zu. Die Hosts können dann auf diese Plattenbereiche oder Bandlaufwerke genauso zugreifen wie auf lokale Harddisks oder Laufwerke.

• Virtualisierung auf File-Ebene

Stellt ein zentrales Dateisystem in einem iSCSI oder FC-Speichernetzwerk bereit. Alle angeschlossenen Systeme können darauf parallel lesend und schreibend zugreifen. Die Verwaltung der Datenstrukturen erfolgt über einen Metadaten-Server, der den Zugriff auf das File-System steuert.

Durch die Virtualisierung auf File-Ebene hat der Anwender - nachdem die Daten erzeugt worden sind - sofort von allen am Speichernetzwerk angeschlossenen Systemen Zugriff auf diese Informationen. Er muss die Daten nicht mehr zur Bearbeitung auf die jeweiligen Applikations-Server oder Workstations kopieren. Da die Datei nicht doppelt vorhanden ist, wird gleichzeitig der Speicherbedarf optimiert.

Array-basiertes Volume Management

Im Speichersystem selbst wird schon seit Jahren RAID Virtualisierung betrieben. Hinter RAID verbirgt sich eine große Zahl unabhängiger Plattensysteme, wodurch sich die Performance und Ausfallsicherheit des Gesamtsystems erheblich verbessert.

Innerhalb der einzelnen Arrays bieten die meisten Hersteller mittlerweile weit reichende Virtualisierungsmöglichkeiten auf Blockebene, wodurch die Kapazitäten flexibel auf verschiedene Applikationen und sogar Hosts aufgeteilt werden können. Weil es bei diesem Ansatz umständlich ist, die Virtualisierung mehrerer Systeme zu verknüpfen und zentral zu verwalten, halten viele Experten diesen Ansatz mittelfristig für eine Sackgasse.

Virtualisierung kann Lizenzprobleme bringen

Vor dem Einsatz von Virtualisierung sollten daher die Lizenzbestimmungen genau studiert und gegebenenfalls mit dem Hersteller verhandelt werden, um Kostensteigerungen bei den Softwarelizenzen möglichst zu vermeiden.

Softwarelizenzen beziehen sich in der Regel auf die Anzahl der Prozessoren in einem Rechner. Werden beispielsweise acht verschiedene Software-Produkte jeweils in Virtuellen Maschinen auf einem 4-CPU-Server eingesetzt, würde in diesem Fall für jede der Software-Produkte eine 4-CPU-Lizenz nötig. Ähnliches gilt auch für Multicore-Prozessoren, soweit die Software-Lizenz das nicht bereits berücksichtigt.

Kommen beispielsweise sieben virtuelle Maschinen mit der gleichen Software auf einem 4-CPU-Server zum Einsatz, sind je nach Lizenzbestimmungen der Software-Anbieter vier, oder auch sieben Lizenzen erforderlich.

Zusammenfassung

Eine Vielfalt von Methoden, Begriffen und Ansätzen macht es den Anwendern schwer, sich aus den unterschiedlichen Möglichkeiten die optimale Lösung herauszusuchen, weil jede Variante Vor- und Nachteile aufweist.

• Virtualisierung auf Server-Ebene (Host-Based) - Vorteile: Nähe zur Applikation, Zugriff auf mehrere Speicher. Nachteile: Abhängigkeit von Änderungen an der Server-Software.
• Virtualisierung auf SAN-Ebene (Appliance-Based) - Vorteil: Zugriff auf mehrere Speicher und Server. Nachteile: Komplexe Integration und Tests, erschwerte Fehlersuche.
• Virtualisierung auf Speicher-Ebene (Array-Based) - Vorteile: Nähe zu den Daten, Zugriff für mehrere Server. Nachteile: Architekturänderung notwendig für Zugriff auf mehrere Speicher, Bindung an den Hersteller.

Virtualisierung verbessert Effizienz und Zuverlässigkeit der IT-Infrastruktur

• Die Kapazitätsauslastung der Speicher, die oft nur bei 30 Prozent liegt, lässt sich mindestens verdoppeln.
• Die Datenmigration erfolgt von einem Speicher zu einem anderen unterbrechungsfrei.
• In einem mehrstufigen Speicherkonzept lassen sich Kosten sparen, wenn Daten mit steigendem Alter auf immer billigere Medien transferiert werden.
• Backup und Restore sind ohne Belastung des LAN zu erledigen.