Virtualisierung ist im Firmenkontext und beim professionellen Betrieb von Servern längst nicht mehr wegzudenken. Auf einem physikalischen Rechner können mehrere virtuelle Gastsysteme betrieben werden. Einige wesentliche Vorteile sind:
Während das freie Betriebssystem Linux im Desktop-Bereich und bei Privatanwendern eher ein Exot ist, gilt es im Server-Bereich längst als etabliert. Eine dementsprechend große Rolle spielt es als Basis für die Virtualisierung.
Die durch die Firma Qumranet im Jahr 2006 vorgestellte Kernel-based Virtual Machine (KVM) wurde bereits Anfang 2007 offiziell in den Linux-Kernel 2.6.20 übernommen. Im Folgejahr wurde Qumranet vom Linux-Distributor RedHat aufgekauft. Für die Weiterentwicklung der Technologie gründete RedHat mit IBM die Open Virtualization Alliance (OVA). An dieser beteiligten sich Unternehmen wie Suse, Intel und HP.
KVM ist eng mit der Emulationssoftware QEMU verbunden. Diese stellt meistens Funktionen zur Virtualisierung der Hardware zur Verfügung, während Linux-KVM die Zuteilung der Ressourcen vom Wirtssystem verwaltet. Daher findet man häufig auch die Bezeichnung KVM/QEMU. Da KVM ein integraler Bestandteil von Linux ist, kann die Virtualisierungslösung nicht auf Windows-Rechnern eingesetzt werden. Windows wird aber neben den meisten unixoiden Betriebssystemen wie Linux, Solaris und BSD als Gastsystem unterstützt. KVM ist standardmäßig in den meisten Linux-Distributionen enthalten, muss aber aktiviert werden.
Um die Funktionsweise der Kernel-based Virtual Machine zu verstehen, braucht es zunächst einen Exkurs in die Grundlagen der Virtualisierung. Virtualisierung bedeutet, dass auf einem Wirtsrechner (Host) ein oder mehrere vollwertige Betriebssysteme (Gastsysteme) ausgeführt werden können. Dabei wird die dem Gastsystem zur Verfügung gestellte Hardware entweder softwareseitig nachgebildet (emuliert) oder, durch einen Hypervisor gesteuert, realen Hardware-Ressourcen zugeteilt. Beim Hypervisor handelt es sich um eine Verwaltungs- und Übersetzungsschicht zwischen realer und virtueller Hardware. Je nach Art der Virtualisierung ist also ein Übersetzen der Anforderungen an die reale Hardware notwendig oder es erfolgt nur die Zuteilung der geforderten Aktionen, beispielsweise eine Berechnung im Prozessor.
Man unterscheidet verschiedene Arten der Virtualisierung:
Zudem kann man zwischen zwei Typen von Hypervisoren unterscheiden:
Linux-KVM ist ein Hypervisor des Typs 2 und nutzt die hardwareunterstützte Paravirtualisierung. Besonders macht ihn allerdings die direkte Einbindung in den Kernel.
„Kernel“ ist das englische Wort für „Kern“ – es handelt sich um den „Kern“ eines Betriebssystems. In ihm sind die Grundfunktionen des Betriebssystems integriert, z. B. der Zugriff auf die Hardware und die Zuteilung von Rechenzeit an die Prozessoren in einem Multitasking-System. Zugriffe auf den Kernel sind besonders geschützt (Kernel-Mode) und die an ihn gestellten Anforderungen werden durch Prozessoren maximal privilegiert behandelt.
Aufgrund der engen Anbindung an den Kernel wird diskutiert, ob das System nicht sogar Elemente eines Typ-1-Hypervisors aufweist.
Das Gesamtpaket KVM besteht aus mehreren Komponenten:
Insbesondere beim Betrieb von professionellen Serveranlagen wird die Kernel-based Virtual Machine häufig verwendet. Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) bezeichnete sie 2017 im Rahmen einer Sicherheitsstudie als relevanteste Virtualisierungslösung im Open-Source-Bereich.
Zusätzliche Bedeutung bekommt die Linux-KVM durch die Einbindung als Hypervisor in die beliebte Cloud-Software-Lösung OpenStack.
Abschließend betrachten wir kurz einige Vor- und Nachteile der Virtualisierungslösung:
Vorteile:
Nachteile:
Im Bereich frei zugänglicher Software mit ähnlicher Funktionalität ist vorrangig XEN als Alternative zu nennen, eine Virtualisierungslösung, die ebenfalls eng an Linux angebunden, aber nicht im Kernel integriert ist.
Der etablierte kommerzielle Anbieter VMWare bietet mit seinen ESXi-Servern Alternativen zur Paravirtualisierung und mit seiner Workstation zur Vollvirtualisierung. Der VMWare-Player ist für den Privatgebrauch kostenlos.
Virtualbox ist eine ebenfalls freie Alternative zur Vollvirtualisierung, die für alle gängigen Betriebssysteme als Basis zur Verfügung steht.
Microsoft hat für Windows mit dem System Hyper-V eine Virtualisierungslösung zur Paravirtualisierung, deren Funktionsweise mit Linux-KVM vergleichbar ist. Sie verfügt über einen dedizierten Windows-Hyper-V-Server und eine eingebettete Funktionalität in den Server-Betriebssystemen. Auch in den Versionen Windows 10 Professional und Enterprise ist Hyper-V enthalten.
Flexibilität und Skalierbarkeit sind zwei nahezu unschlagbare Argumente für die Nutzung von Virtualisierung. Gastbetriebssysteme können schlank gehalten und für bestimmte Anwendungszwecke verwendet werden. Sichert man die Systeme regelmäßig auf räumlich getrennten Speichermedien, ist das Ausfallrisiko zu vernachlässigen.
Wer Linux für seinen Server nutzt, kommt praktisch nicht mehr daran vorbei, KVM zumindest in Erwägung zu ziehen. Die Aufnahme in den Kernel und die Entwicklung durch etablierte Hersteller sind gute Gründe, sich dafür zu entscheiden.
Software-Container werden als Revolution in der Server-Administration betrachtet. Die Idee, Anwendungen in virtuellen Laufzeitumgebungen zu isolieren, ist zwar nicht neu, mit Plattformen wie Docker stehen Nutzern nun jedoch weitreichende Funktionalitäten zur Verfügung, die den Umfang mit Server-Containern deutlich erleichtern. Was leisten Application-Container?
Die Container-Technologie hat die klassische Anwendungsvirtualisierung aufgemischt. Sie verspricht mehr Flexibilität, höhere Skalierbarkeit und ein Rundum-sorglos-Paket in puncto Benutzerfreundlichkeit. Bevor man aber beispielsweise zu Linux-Containern (LXC) greift, sollte man sich die Features, Vor- und Nachteile, Anwendungsfälle sowie die klaren Grenzen genauer der Technologie ansehen.
Was ist ein Kernel? Vielen ist zumindest der Begriff geläufig, doch die wenigsten wissen, was es mit dem innersten Element des Betriebssystems auf sich hat. Ohne einen Kernel könnten wir allerdings weder an PCs und Macs noch an Smartphones oder Tablets arbeiten. Die Schnittstelle zwischen Hard- und Software gehört damit zu den wichtigsten Bestandteilen eines Computersystems.
