Xen vs. KVM: Die beiden Open-Source-Hy­per­vi­so­ren im Vergleich

Im Zeitalter des Cloud-Com­pu­tings sind Hy­per­vi­so­ren wie KVM und Xen wichtiger als je zuvor – doch wie un­ter­schei­den sich die beiden Vir­tua­li­sie­rungs­tech­no­lo­gien? Unser „Xen vs. KVM“-Vergleich zeigt ihre Un­ter­schie­de und Ge­mein­sam­kei­ten auf.

Der Xen-Hy­per­vi­sor im Überblick

Der Hy­per­vi­sor Xen ist eine Open-Source-Vir­tua­li­sie­rungs­soft­ware, die es er­mög­licht, mehrere Gast-Be­triebs­sys­te­me auf einem einzelnen Host-Rechner gleich­zei­tig aus­zu­füh­ren. Die Zuteilung der Hardware-Res­sour­cen des Host-Rechners wird vom Xen-Hy­per­vi­sor über­nom­men.

Welcher Hy­per­vi­sor-Typ ist Xen?

Als so­ge­nann­ter Typ-1- oder Bare-Metal-Hy­per­vi­sor wird Xen direkt auf das physische System in­stal­liert. Er kom­mu­ni­ziert über eigene Treiber mit der Hardware. Host- und Gast­be­triebs­sys­te­me werden dann oberhalb des Xen-Hy­per­vi­sors in­stal­liert. Xen ordnet die in­stal­lier­ten Be­triebs­sys­te­me den so­ge­nann­ten Domänen dom0 und domU zu, um zwischen un­ter­schied­li­chen Pri­vi­le­gi­en­stu­fen zu un­ter­schei­den. Dabei gehört das Host-Be­triebs­sys­tem zu dom0 und genießt somit die höchste Pri­vi­le­gi­en­stu­fe. Alle Gast-Be­triebs­sys­te­me gehören als „un­ter­pri­vi­le­gier­te“ (engl. un­pri­vi­le­ged) Systeme zu domU.

Jegliche Kom­mu­ni­ka­ti­on zwischen dem Host-Be­triebs­sys­tem und der Hardware erfolgt al­ler­dings nicht direkt über die Treiber des Be­triebs­sys­tems, sondern mittels einer spe­zi­el­len Xen-API über den Hy­per­vi­sor. Die tiefe In­te­gra­ti­on des Xen-Hy­per­vi­sors sorgt für eine ef­fi­zi­en­te­re Nutzung der Hardware, weniger Overhead und eine geringere An­griffs­flä­che.

Xen: Ef­fi­zi­enz­stei­ge­rung durch Pa­ra­vir­tua­li­sie­rung

Eine Vir­tua­li­sie­rungs­tech­nik, die Xen zur Stei­ge­rung der Effizienz nutzt, ist die Pa­ra­vir­tua­li­sie­rung. Hierbei werden Hardware-Kom­po­nen­ten nicht vom Hy­per­vi­sor emuliert – dem Gast-System ist es also bewusst, dass es in einer vir­tua­li­sier­ten Umgebung aus­ge­führt wird. Dafür ist die Kom­mu­ni­ka­ti­on zwischen den Gast-Be­triebs­sys­te­men und dem Xen-Hy­per­vi­sor viel schneller, was für eine erhöhte Per­for­mance sorgt. Diese Technik stellt aber spezielle Ansprüche an die auf Xen in­stal­lier­ten Be­triebs­sys­te­me. Unter anderem sind die Un­ter­stüt­zung für Pa­ra­vir­tua­li­sie­rung im Be­triebs­sys­tem­kern sowie spe­zia­li­sier­te Treiber er­for­der­lich. Beide An­for­de­run­gen werden al­ler­dings schon seit Jahren von gängigen Be­triebs­sys­tem­ker­nen wie Linux und BSD erfüllt.

Falls die Pa­ra­vir­tua­li­sie­rung für ein Be­triebs­sys­tem unmöglich oder nicht erwünscht ist, un­ter­stützt Xen zu­sätz­lich auch die voll­stän­di­ge Vir­tua­li­sie­rung, wobei Hardware-Kom­po­nen­ten virtuell emuliert werden. Dies ver­lang­samt die Vir­tua­li­sie­rung, bietet dafür aber eine höhere Kom­pa­ti­bi­li­tät. So können auch Be­triebs­sys­te­me, die keine Pa­ra­vir­tua­li­sie­rung un­ter­stüt­zen, unter Xen aus­ge­führt werden.

Das zeichnet den KVM-Hy­per­vi­sor aus

KVM (engl. Kernel-based Virtual Machine) ist ebenfalls ein quell­of­fe­ner Hy­per­vi­sor, mit dem man mehrere Gast-Be­triebs­sys­te­me auf einem einzelnen phy­si­schen Rechner ausführen kann. Obwohl KVM und Xen grund­sätz­lich den gleichen Zweck erfüllen, sind sie nach un­ter­schied­li­chen Funk­ti­ons­prin­zi­pi­en aufgebaut und damit auch für un­ter­schied­li­che An­wen­dungs­fäl­le geeignet.

Welcher Hy­per­vi­sor-Typ ist KVM?

In der Ver­gan­gen­heit wurde KVM oft als Typ-2-Hy­per­vi­sor be­zeich­net, da er früher nur über die Treiber des Host-Be­triebs­sys­tems mit der Hardware kom­mu­ni­zie­ren konnte. Pa­ra­vir­tua­li­sie­rung war also unmöglich und alle Hard­ware­kom­po­nen­ten mussten von KVM für die Gast-Systeme emuliert werden.

Mitt­ler­wei­le wurde KVM um die Option der Pa­ra­vir­tua­li­sie­rung erweitert – al­ler­dings funk­tio­niert diese anders als bei Xen: Anders als Xen wird KVM nicht unter dem Host-Be­triebs­sys­tem in­stal­liert. Statt­des­sen ist KVM direkt im Linux-Kern in­te­griert und nutzt somit die Software-Kom­po­nen­ten des Linux-Systems, um vir­tua­li­sier­te Systeme und deren Prozesse zu verwalten. Jedes Gast-Be­triebs­sys­tem verfügt unter KVM über seine eigene vir­tua­li­sier­te Hardware, inklusive Netz­werk­schnitt­stel­le, Fest­plat­ten­spei­cher, usw. Um diese voll­stän­di­ge Vir­tua­li­sie­rung zu be­schleu­ni­gen nutzt KVM die so­ge­nann­te Hardware-Assisted Vir­tua­liza­ti­on (dt. hard­ware­un­ter­stütz­te Vir­tua­li­sie­rung), die in den meisten modernen Pro­zes­so­ren bereits verbaut ist.

Doch nicht alle Kom­po­nen­ten werden unter KVM voll­stän­dig vir­tua­li­siert. Um aus­ge­führ­te Systeme und An­wen­dun­gen zu be­schleu­ni­gen, bietet KVM einige pa­ra­vir­tua­li­sier­te Schnitt­stel­len, die mittels der Virtio-API direkt mit dem Hy­per­vi­sor kom­mu­ni­zie­ren können. Die KVM-Pa­ra­vir­tua­li­sie­rung wird also haupt­säch­lich für Ein- und Ausgabe-Geräte angeboten, wie zum Beispiel für die Netz­werk­schnitt­stel­le. Bei KVM spricht man also eher von einer par­ti­el­len Pa­ra­vir­tua­li­sie­rung.

KVM vs. Xen: Welcher Hy­per­vi­sor bietet die bessere Per­for­mance?

Der größte Un­ter­schied zwischen den beiden Hy­per­vi­so­ren ist, in welcher Ebene des Software-Stacks sie arbeiten. Als Be­stand­teil des Linux-Kerns nutzt KVM die hard­ware­un­ter­stütz­te Vir­tua­li­sie­rung, um viele Hardware-Kom­po­nen­ten ohne ent­schei­den­den Per­for­mance-Nachteil voll­stän­dig zu vir­tua­li­sie­ren. Dabei werden die wich­tigs­ten IO-Schnitt­stel­len pa­ra­vir­tua­li­siert, was für die meisten Ser­ver­an­wen­dun­gen auch der wich­tigs­te Faktor sein dürfte. Xen auf der anderen Seite wird als Typ-1-Hy­per­vi­sor klas­si­scher­wei­se unter dem je­wei­li­gen Be­triebs­sys­tem in­stal­liert. Der Hy­per­vi­sor verwaltet die Ver­tei­lung der Hardware-Res­sour­cen dem­entspre­chend selbst. Das sorgt dafür, dass Xen theo­re­tisch eine ef­fi­zi­en­te­re und per­for­man­te­re Kom­mu­ni­ka­ti­on mit der Hardware bieten kann. Al­ler­dings weisen Xen und KVM durch KVMs Virtio-Treiber und hard­ware­un­ter­stütz­te Vir­tua­li­sie­rung ähnliche Per­for­mance auf.

CPU-Pinning

Natürlich performen die beiden Hy­per­vi­so­ren nicht bei allen An­wen­dun­gen gleich. Vor allem beim CPU-Pinning bietet KVM seinen Nutzenden mehr Power als Xen. Mittels CPU-Pinning kann KVM einem vir­tua­li­sier­ten Prozessor einen phy­si­schen Prozessor (bzw. einen Pro­zes­sor­kern) zuweisen, sodass nur dieses virtuelle System den Prozessor nutzen kann. Dies ist vor allem bei CPU-lastigen An­wen­dun­gen vor­teil­haft und ist nur bei KVM möglich.

Netzwerk-Per­for­mance

In Sachen Netzwerk-Per­for­mance hat Xen die Nase vorn. Obwohl beide Hy­per­vi­so­ren pa­ra­vir­tua­li­sier­te Netz­werk­schnitt­stel­len anbieten, hat jedes unter KVM vir­tua­li­sier­te System sein eigenes Netz­werk­ge­rät. Bei Xen teilen sich alle Gast-Systeme eine einzelne virtuelle Netzwerk-Schnitt­stel­le, was für eine erhöhte Effizienz sorgt.

Fazit

Die Frage, ob Xen oder KVM der bessere Hy­per­vi­sor ist, hängt von Ihren An­for­de­run­gen ab. Durch seine Position als Markt­füh­rer, die In­te­gra­ti­on im Linux-Kern und die Mög­lich­keit der voll­stän­di­gen Vir­tua­li­sie­rung ist KVM grund­sätz­lich leichter zu bedienen. Xen weist dafür durch seine komplette Pa­ra­vir­tua­li­sie­rung eine höhere theo­re­ti­sche Per­for­mance auf. Ent­schei­dend sind also ei­ner­seits die An­wen­dun­gen, die Sie vir­tua­li­sie­ren möchten, an­de­rer­seits Ihr Grad an Erfahrung.