Was ist ein Hy­per­vi­sor?

Ein Hy­per­vi­sor ist eine Software oder Firmware, die virtuelle Maschinen erstellt und verwaltet, indem sie die Hardware-Res­sour­cen eines phy­si­schen Computers abs­tra­hiert und mehreren Be­triebs­sys­te­men gleich­zei­tig zu­gäng­lich macht. Statt ein kom­plet­tes System auf­zu­bau­en (inklusive Hardware und darauf auf­bau­en­dem Be­triebs­sys­tem), erstellt man einfach eine virtuelle Version davon – quasi die Illusion einer PC-Umgebung.

Wie funk­tio­niert ein Hy­per­vi­sor?

Erstellt man eine virtuelle Maschine (VM), läuft diese auf der Basis einer nicht vir­tu­el­len, tat­säch­li­chen Maschine – bei­spiels­wei­se auf einem PC. Die VM ist also auf die physische Hardware an­ge­wie­sen. Deshalb gibt es eine Schicht zwischen den beiden Ebenen, die für die Ver­wal­tung zuständig ist: den Hy­per­vi­sor. Der Hy­per­vi­sor ist eine Software, die das Ma­nage­ment der be­nö­tig­ten Res­sour­cen übernimmt. Das auch als Virtual Machine Monitor (VMM) bekannte Programm weist innerhalb des Systems Res­sour­cen zu. Auf diese Weise können auch mehrere und un­ter­schied­li­che virtuelle Maschinen auf einem Host-System laufen, da der Hy­per­vi­sor dafür sorgt, dass diese sich un­ter­ein­an­der nicht behindern und alle die be­nö­tig­ten Ka­pa­zi­tä­ten zur Verfügung haben.

Der Hy­per­vi­sor erstellt also eine Abs­trak­ti­ons­schicht zwischen der Hardware und den darauf laufenden Be­triebs­sys­te­men. Dies geschieht, indem er Hardware-Res­sour­cen in logische Einheiten aufteilt und jeder VM eine eigene Umgebung vor­gau­kelt. Die VMs haben dadurch das Gefühl, direkt auf echter Hardware zu laufen, obwohl sie sich die Res­sour­cen mit anderen VMs teilen.

Spei­cher­ver­wal­tung

Bei der CPU-Vir­tua­li­sie­rung nutzt der Hy­per­vi­sor Techniken wie Time-Slicing, um die Re­chen­leis­tung fair zwischen den VMs auf­zu­tei­len. Moderne Pro­zes­so­ren verfügen über spezielle Vir­tua­li­sie­rungs­funk­tio­nen (z. B. Intel VT-x oder AMD-V), die den Hy­per­vi­sor un­ter­stüt­zen und den Overhead re­du­zie­ren.

Ar­beits­spei­cher (RAM) hingegen wird durch Paging- und Mapping-Techniken verwaltet. Der Hy­per­vi­sor ordnet phy­si­schen Spei­cher­blö­cken virtuelle Spei­cher­adres­sen zu, sodass jede VM nur ihren eigenen Spei­cher­be­reich sieht. Wenn der Speicher knapp wird, kann er Me­cha­nis­men wie Memory Over­com­mit­ment oder Bal­loo­ning einsetzen, um Speicher effizient zwischen den VMs zu verteilen.

I/O- und Ge­rä­te­ma­nage­ment

Virtuelle Maschinen greifen auf Hard­ware­ge­rä­te wie Fest­plat­ten, Netz­werk­kar­ten oder Gra­fik­kar­ten über virtuelle Schnitt­stel­len zu. Der Hy­per­vi­sor emuliert diese Geräte oder leitet Anfragen direkt an die physische Hardware weiter (Direct-I/O- oder Pass-Through-Techniken). Dies sorgt für eine Balance zwischen Kom­pa­ti­bi­li­tät und Leistung.

Isolation und Si­cher­heit

Ein we­sent­li­cher Vorteil der Vir­tua­li­sie­rung ist die Isolation zwischen den VMs. Jede VM läuft in einer eigenen Umgebung, sodass Fehler oder Angriffe in einer VM keine direkten Aus­wir­kun­gen auf andere Virtuelle Maschinen oder das Host-System haben. Der Hy­per­vi­sor setzt ver­schie­de­ne Si­cher­heits­me­cha­nis­men ein, um eine strikte Trennung zu ge­währ­leis­ten, darunter Spei­cher­schutz, Zu­griffs­kon­trol­len und Sand­boxing-Techniken.

Ver­schie­de­ne Arten von Virtual Machine Monitors

Man un­ter­schei­det zwei ver­schie­de­ne Arten von Virtual Machine Monitors: Typ-1- vs. Typ-2-Hy­per­vi­so­ren. Beide zeichnen sich jeweils durch ganz spezielle Vorteile aus. Unsere erst­ge­nann­te Variante ist auch die ältere. Bereits in den 1960er-Jahren hat man Versuche zur Vir­tua­li­sie­rung mit dieser Tech­no­lo­gie in Angriff genommen.

Typ-1-Hy­per­vi­sor

Die erste Art von Hy­per­vi­so­ren be­zeich­net man als Bare-Metal-Hy­per­vi­so­ren oder Native Hy­per­vi­so­ren. Diese Form des VMM wird direkt auf der phy­si­schen Hardware auf­ge­setzt und ist nicht mit dem Be­triebs­sys­tem des Hosts verbunden. Deshalb muss ein solcher Hy­per­vi­sor auch jegliche Ge­rä­te­trei­ber selbst be­inhal­ten. Der Res­sour­cen­ver­brauch ist beim Typ-1-Hy­per­vi­sor ver­gleichs­wei­se klein, denn die Re­chen­leis­tun­gen laufen nicht erst über das Be­triebs­sys­tem des Hosts. Diese Form des Hy­per­vi­sors richtet sich in erster Linie an Anwender, die damit einen Server für die Vir­tua­li­sie­rung schaffen wollen. Für kleinere Projekte im Heim­an­wen­der­be­reich ist ein Typ-1-Hy­per­vi­sor zu aufwendig.

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Typ-2-Hy­per­vi­sor

Die zweite Variante (auch als Hosted Hy­per­vi­sor bekannt) benötigt ein be­stehen­des Be­triebs­sys­tem, das wiederum auf der phy­si­schen Hardware aufbaut. Ein Typ-2-Hy­per­vi­sor wird also in­stal­liert wie jedes andere Programm auch. An­schlie­ßend verwaltet der VMM dann die Vir­tua­li­sie­rung. Die Ge­rä­te­trei­ber müssen hier nicht im Hy­per­vi­sor in­stal­liert sein, da das ei­gent­li­che Be­triebs­sys­tem diese einfach an die Software übergeben kann. Dieser Komfort geht aber zulasten der Per­for­mance. Ein großer Teil der Res­sour­cen geht bereits an das Be­triebs­sys­tem des Hosts verloren. Durch die einfache In­stal­la­ti­on und Kon­fi­gu­ra­ti­on sind Typ-2-Hy­per­vi­so­ren aber perfekt für kleinere Projekte geeignet.

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