Open Source im professionellen Einsatz
Linux-Magazin 04/2006

Virtualisierung kennt viele Spielarten - vom Soft-PC bis zur OS-Partition

Mehrarbeit für CPUs

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Virtualisierung ist nicht gleich Virtualisierung. Es gibt verschiedene Konzepte, Projekte und Produkte mit jeweils eigenen Stärken und Schwächen. Wer sie genau kennt, kann das beste Verfahren für seine Bedürfnisse auswählen. Allen gemeinsam ist: Die CPUs bekommen mehr zu tun.

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Mit ungenutzten CPU-Zyklen lassen sich nicht nur Außerirdische suchen wie bei SETI@Home. Wo ein Rechner allein das Leistungsvermögen einer modernen CPU nicht auszuschöpft, da können sich mehrere bedienen. Viele virtuelle Server auf wenigen physischen Hosts ermöglichen dabei neben der besseren Auslastung der Ressourcen oft auch eine Konsolidierung der Systemlandschaft.

En vogue

Virtualisierung ist derzeit zwar ein Megatrend - aber kein neuer Gedanke. Spätestens seit Einführung der Programmiersprache Java ist jeder schon mal einer virtuellen Maschine begegnet. Vorher gab es bereits das P-System von UCSD-Pascal, eine der ersten virtuellen Maschinen für Pascal.

Genauso alt ist Virtualisierung auf Betriebssystemebene. Die erste virtuelle Maschine war IBMs VM/CMS aus den späten 60er Jahren. Unter dem Namen Z/VM ist diese Technik nach wie vor aktuell, erlaubt sie es doch, Linux effizient auf den Z-Series-Servern von IBM einzusetzen [19].

Virtuelle Maschinen

Eine virtuelle Maschine emuliert eine Ausführungsumgebung, das heißt, dass sie die Schnittstellen dieser Umgebung nachahmt. Eine Simulation würde außerdem alle internen Zustände dieser Umgebung darstellen.

In der Programmiersprache Java spricht man von einer Java Virtual Machine (JVM) als Emulation einer hypothetischen Maschine gemäß einer Spezifikation [16]. Die internen Zustände sind für den Anwender dabei nicht von Bedeutung. Die JVM agiert als ein virtueller Prozessor mit virtueller Ausführungsumgebung.

Das Gleiche lässt sich auch mit einem ganzen Rechnersystem machen. Typischerweise wird diese Aufgabe nicht komplett durch Hardware gelöst, sondern erfordert eine unterstützende Softwarekomponente - eine Art rudimentäres Betriebssystem -, die man dann als Virtual Machine Monitor (VMM) oder Hypervisor bezeichnet (Abbildung 1). Allerdings muss die Hardware, insbesondere natürlich die CPU, einige Anforderungen erfüllen [1].

VMware [2] und Virtual PC beziehungsweise Virtual Server [3] ermöglichen diese Form der Virtualisierung auf der x86-Architektur. Allerdings erfüllen die Intel- und AMD-Prozessoren derzeit noch nicht alle Anforderungen, um eine effiziente Virtualisierung zu ermöglichen [1]. Dazu wäre es notwendig, dass jede Maschineninstruktion, die einen Zugriff auf Ressourcen des Rechnersystems ermöglicht, einen Software-Interrupt auslöst, wenn sie in einem nicht-privilegierten Modus des Prozessors ausgeführt wird [17]. Erst Intels Vanderpool- [4] und AMDs Pacifica-Prozessoren [5] werden diese Möglichkeit effizient bereitstellen. Derzeit müssen Produkte wie VMware oder Virtual PC dagegen einige Umwege gehen, die die Performance teilweise stark beeinträchtigen.

Auch Xen [6] ist eine Hypervisortechnik, die allerdings ohne Vanderpool- oder Pacifica-Prozessoren noch eine Anpassung des Gastbetriebssystems erfordert. Aus diesem Grunde spricht man hier auch von Para-Virtualisierung. Letztlich zeichnen sich die volle und die Para-Virtualisierung dadurch aus, dass sie eine vollständige Ausführungsumgebung entsprechend einem physikalischen Rechnersystem zur Verfügung stellen. Daher ist es in diesem Fall auch notwendig, dass in der virtuellen Maschine wiederum ein eigenständiger Betriebssystemkern abläuft. Dabei darf der Gast auch einen vollkommen anderen Kern verwenden, als ihn sein Wirtssystem benutzt.

Die Kerne von Wirts- und Gastsystem können aber auch identisch sein. In diesem Fall wäre es grob betrachtet eigentlich unsinnig, den Weg über eine virtuelle Maschine zu gehen, denn schließlich stellt der Virtual Machine Monitor eine Ausführungsumgebung bereit, die bereits das Wirtssystem bietet.

Bei genauerer Betrachtung kann es allerdings sehr wohl gute Gründe dafür geben, genau dies zu tun. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, mehrere physische Rechnersysteme auf einem leistungsfähigen zusammenzufassen und auf diese Weise Kosten und Administrationsaufwand zu sparen.

Es ist sehr wichtig, bereits im Vorfeld die Ziele der angestrebten Virtualisierung zu erfassen. Die auszubalancierenden Kriterien sind Sicherheit, Performanz, Kosten und Komplexität. Einen Überblick über die unterschiedlichen Virtualisierungsansätze gibt [7].

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