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Virtualisierung (Informatik)

In der Informatik ist die eindeutige Definition des Begriffs Virtualisierung schwierig zu verfassen. Es gibt viele Konzepte und Technologien im Bereich der Hardware und Software, die diesen Begriff verwenden. Ein sehr offener Definitionsversuch könnte wie folgt lauten: Virtualisierung bezeichnet Methoden, die es erlauben, Ressourcen eines Computers zusammenzufassen oder aufzuteilen.

Primäres Ziel ist, dem Benutzer eine Abstraktionsschicht zur Verfügung zu stellen, die ihn von der eigentlichen Hardware – Rechenleistung und Speicherplatz – isoliert. Eine logische Schicht wird zwischen Anwender und Ressource eingeführt, um die physischen Gegebenheiten der Hardware zu verstecken. Dabei wird jedem Anwender (so gut es geht) vorgemacht, dass er (a) der alleinige Nutzer einer Ressource sei, bzw (b) werden mehrere (heterogene) Hardwareressourcen zu einer homogenen Umgebung zusammengefügt. Die für den Anwender unsichtbare bzw. transparente Verwaltung der Ressource ist dabei in der Regel die Aufgabe des Betriebssystems.

Inhaltsverzeichnis

Softwarevirtualisierung

Die Softwarevirtualisierung kann für mehrere Zwecke eingesetzt werden. z. B. zum Simulieren eines Betriebssystems oder nur einer Anwendung.

Erzeugung virtueller Betriebsumgebungen

Betriebssystemvirtualisierung mittels OS-Container

Bei Virtualisierung auf Betriebssystemebene wird anderen Computerprogrammen eine komplette Laufzeitumgebung virtuell innerhalb eines geschlossenen Containers oder „jails“ zur Verfügung gestellt, es wird kein zusätzliches Betriebssystem gestartet. Die OS-Container stellen eine Teilmenge des Wirtbetriebssystems dar. Vorteil dieses Konzepts liegt in der guten Integration der Container in das Gastbetriebssystem. Der Nachteil dieses Konzepts liegt in den Containern. Aus den Containern heraus können keine Treiber geladen bzw. andere Kernel geladen werden. Bei der OS-Virtualisierung läuft immer nur ein Kernel.

z. B.: OpenSolaris Zoning, BSD jails, Mac-on-Linux, OpenVZ, Virtuozzo, Linux-VServer

Systemvirtualisierung mittels Virtual Machine Monitor (VMM)

Bei Virtualisierung mittels eines Virtual Machine Monitors („Virtuelle Maschine“) werden die bereitstehenden nativen (= real physisch verfügbaren) Ressourcen intelligent verteilt. Dies kann durch Hardware-Emulation, Hardware-Virtualisierung oder Virtualisierung mittels Hypervisors stattfinden. Den einzelnen Gast-Systemen wird dabei jeweils ein eigener kompletter Rechner mit allen Hardware-Elementen (Prozessor, Laufwerke, Arbeitsspeicher, usw.) vorgespiegelt.

Der Vorteil ist, dass an den Betriebssystemen selbst (fast) keine Änderungen erforderlich sind und die Gast-Systeme alle ihren eigenen Kernel laufen haben, was eine gewisse Flexibilität im Gegensatz zur Betriebssystemvirtualisierung mit sich bringt.

Wenn weder diese Hardware-Elemente noch die Betriebssysteme der Gastsysteme diese Form der Virtualisierung unterstützen, muss die Virtualisierungssoftware eine Emulationsschicht benutzen, um jedem Gast-System vorzuspiegeln, es hätte die Hardware für sich allein. Diese Emulation ist oft weniger effizient als direkter Zugriff auf die Hardware, was dann zu einer verringerten Geschwindigkeit führen kann.

Bsp.: VMware Workstation, Microsoft Virtual PC, VirtualBox, Parallels Workstation

Hardware-Emulation (irreführend auch Full Virtualisation genannt)

Die Virtuelle Maschine simuliert die komplette Hardware und ermöglicht einem nichtmodifizierten Betriebssystem, das für eine andere CPU ausgelegt ist, den Betrieb.

(z. B. Bochs (hier anstatt Emulation Simulation), PPC-Version von Microsoft Virtual PC)

Hardware-Virtualisierung (Native Virtualisation, Full Virtualisation)

Die Virtuelle Maschine stellt dem Gastbetriebssystem nur Teilbereiche der physischen Hardware in Form von virtueller Hardware zur Verfügung. Diese reicht jedoch aus, um ein unverändertes Betriebssystem darauf in einer isolierten Umgebung laufen zu lassen. Das Gast-System muss hierbei für den gleichen CPU-Typ ausgelegt sein.

(z. B. VMware, x86-Version von Microsoft Virtual PC, Xen 3.0 auf Prozessoren mit Hardware-Virtualisierungstechnologien: Intel VT-x oder AMD Pacifica)

Paravirtualisierung

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 (Netzanbindung, Festplattenspeicher, Benutzerein/-ausgaben) zuzugreifen. In der Informatik ist Paravirtualisierung eine Technologie zur Virtualisierung, die eine Softwareschnittstelle bereitstellt, die ähnlich, aber nicht identisch zur tatsächlichen Hardware ist. Das Betriebssystem muss portiert werden um auf der virtuellen Maschine (VM) ausgeführt werden zu können, was die Rechteinhaber proprietärer Betriebssysteme aus strategischen Gründen ablehnen können. Die Portierung vereinfacht jedoch den Aufbau der VM und ermöglicht den darauf ausgeführten virtuellen Maschinen eine höhere Leistung.

z. B.: Red Hat Fedora Core 5 mit Xen 3.0, SUSE Linux Enterprise Server mit Xen oder auch VMware Server 2.0

Anwendungsvirtualisierung

Anwendungsvirtualisierung (application virtualization) ist das lokale Ausführen von Desktop- oder Server-Anwendungen, ohne dass diese installiert werden müssen (vergleiche dazu Softwareinstallation und Terminal Services). Der virtualisierten Anwendung wird dazu eine virtuelle Umgebung generiert, die alle Registry-Einträge, Dateien und andere Komponenten enthält, die das Programm zur Ausführung benötigt. Diese virtuelle Umgebung wirkt dabei wie eine Puffer-Lage zwischen der Anwendung und dem Betriebssystem und verhindert Konflikte mit anderen Applikationen oder dem Betriebssystem.

z. B. Microsoft SoftGrid, Citrix Application Streaming, Java VM, Altiris SVS, Thinstall VS, Sandboxie

Hardware-Virtualisierung

Hierfür können entweder das ganze System (Partitioning mit LPAR, Domaining) oder einzelne seiner Komponenten wie z. B. CPU (Intels Vanderpool oder AMDs Pacifica) virtualisiert werden.

Systemvirtualisierung auf Hardwareebene

Partitionierung

Partitionierung bezeichnet das Aufteilen einer einfach vorhandenen, gewöhnlich großen Ressource (wie z. B. Festplattenspeicher oder Netzbandbreite) in eine kleinere handlichere Anzahl von Systemen des gleichen Typs. Dies wird häufig auch als Zoning bezeichnet, in z. B. Storage Networks.

z. B. IBM LPAR

Domaining

z. B. Virtual Hosts HTTP-Server

Prozessorvirtualisierung

Bei der System- oder Betriebssystemvirtualisierung werden vom Virtual Machine Monitor Befehle von Gastsystemen (Virtuellen Maschinen) entgegengenommen, die auf der nativen Hardware ausgeführt werden sollen. Vor Einführung der Prozessorvirtualisierung mussten bestimmte (evtl. sicherheitskritische) Befehle, die vom Gastsystem über den Virtual Machine Monitor an die Hardware gesendet wurden, modifiziert werden.

Durch die Prozessorvirtualisierung von AMD und Intel können nun Befehle ohne Modifikation vom Virtual Machine Monitor direkt an den Prozessor geschickt werden. Der Prozessor kümmert sich selbständig um die Abgrenzung zwischen Gastsystem-Prozessen und VMM-Prozessen. Durch den Wegfall der Modifikationen des VMMs kann eine höhere Rechnenleistung des Gesamtsystems erzielt werden.

Bei Virtuellen Maschinen auf Basis emulierter Hardware muss der Virtual Machine Monitor nach wie vor die Befehle vor Ausführung auf der nativen Hardware modifizieren.

z. B. Intels Vanderpool, AMDs Pacifica

Speichervirtualisierung

z. B. Ardence, Cassatt

siehe auch Adaptive Computing

Netzwerk-Virtualisierung

Durch Virtual Local Area Networks werden Geräte in einem lokalen Netzwerk in Gruppen aufgeteilt, zwischen denen Verbindungen grundsätzlich unterbunden sind, aber gezielt ermöglicht werden können.

Ein Virtual Private Network bildet ein nach außen abgeschirmtes Netzwerk über fremde oder nicht vertrauenswürdige Netze.

Software für den gleichzeitigen Betrieb mehrerer virtueller Betriebssysteme auf einem Computer kann ein virtuelles Netzwerk bereitstellen, über das diese kommunizieren. Es können auch mehrere Netze simuliert werden, über die beispielsweise zur Erprobung wiederum ein Virtual Private Network aufgebaut wird.

Freie Virtualisierungslösungen