Virtualisierung (Informatik)

Virtualisierung bezeichnet in der Informatik die Nachbildung eines Hard- oder Software-„Objekts“ durch ein ähnliches Objekt vom selben Typ mit Hilfe einer Software-Schicht. Dadurch lassen sich virtuelle (d. h. nicht-physische) Dinge wie emulierte Hardware, Betriebssysteme, Datenspeicher oder Netzwerkressourcen erzeugen. Dies erlaubt es etwa, Computer-Ressourcen (insbesondere im Server-Bereich) transparent zusammenzufassen oder aufzuteilen, oder ein Betriebssystem innerhalb eines anderen auszuführen.

Zur sprachlichen Herkunft des Begriffs siehe Virtualität.

Primäres Ziel ist, eine Abstraktionsschicht zwischen Anwender (etwa einem Betriebssystem) und Ressource (etwa der Hardware des Computers, über die ein Betriebssystem üblicherweise exklusive Kontrolle hat) bereitzustellen.

Dadurch können andere physische Gegebenheiten vorgetäuscht werden, als tatsächlich vorhanden sind: So kann einem Betriebssystem die Alleinnutzung eines Computers vorgegaukelt werden, wobei es tatsächlich innerhalb eines anderen Betriebssystems als reguläres Anwendungsprogramm läuft - auf durch die Abstraktionsschicht emulierter Hardware.

Dies ermöglicht auch die Zusammenfügung mehrerer (heterogener) Hardwareressourcen zu einer homogenen Umgebung; etwa die Bündelung mehrerer verschiedener Netzwerkadapter zu einem virtuellen, vereinigten Adapter.

Da Virtualisierung zu erheblicher Hardware-Einsparung führen kann, ist sie eine wichtige Green IT-Maßnahme. Virtualisierung hat, bei richtiger Nutzung, einen deutlich-positiven Umwelteffekt.

Softwarevirtualisierung

Diese Art der Virtualisierung kann für mehrere Zwecke eingesetzt werden, z. B. um ein Betriebssystem oder nur eine Anwendung zu simulieren.

Erzeugung virtueller Betriebsumgebungen

Betriebssystemvirtualisierung mittels OS-Container

Bei Virtualisierung auf Betriebssystemebene wird anderen Computerprogrammen eine komplette Laufzeitumgebung virtuell innerhalb eines geschlossenen Containers (unter BSD: Jail, unter Solaris: Zone) zur Verfügung gestellt. Es wird kein weiteres Betriebssystem gestartet; deshalb ist es unmöglich, verschiedene Betriebssysteme (oder auch nur verschiedene Versionen desselben Betriebssystems) gleichzeitig als Gastbetriebssysteme zu betreiben - der Hauptnachteil dieses Konzepts. In Containern können auch keine Treiber geladen werden. Der Vorteil dieses Konzepts besteht wegen des Verzichts auf einen Hypervisor darin, besonders effizient mit den Ressourcen umzugehen (insbesondere hinsichtlich der Prozessor-Last und des Haupt- und Massenspeicherbedarfs), weshalb man auch von „leichtgewichtiger“ Virtualisierung spricht. Bei der Betriebssystemvirtualisierung läuft eben immer nur ein Host-Kernel, wobei UML eine gewisse Sonderrolle zukommt, da dort ein spezieller User-Mode-Kernel unter der Kontrolle des Host-Kernels läuft.

Systemvirtualisierung mittels Hypervisor

Anwendungsvirtualisierung

Hardwarevirtualisierung

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

Systemvirtualisierung auf Hardwareebene

Die Trennung eines Computersystems in eigenständige Betriebssysteminstanzen bezeichnet man als Serverpartitionierung.

Partitionierung

Partitionierung bezeichnet die Aufteilung einer einmalig vorhandenen, gewöhnlich großen Ressource (wie z. B. eines Festplattenspeichers oder einer Netzwerkverbindung) in eine Anzahl kleinerer und handlicherer Exemplare des gleichen Typs. Dies wird häufig auch als Zoning bezeichnet, so z. B. bei Storage Networks.

Domaining

Domaining wird z. B. in Form von Virtual Hosts für einen HTTP-Server angewandt.

Prozessorvirtualisierung

Bei der System- oder Betriebssystemvirtualisierung werden vom Virtual Machine Monitor Befehle der Gastsysteme (virtueller Maschinen) entgegengenommen, die auf der nativen Hardware ausgeführt werden sollen. Vor Einführung der Prozessorvirtualisierung mussten bestimmte (evtl. sicherheitskritische) Befehle, die ein Gastsystem über den Virtual Machine Monitor an die Hardware schickte, 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 sich selbständig um die Abgrenzung zwischen Gastsystem-Prozessen und VMM-Prozessen kümmert. Durch den Wegfall der Modifikationen des VMMs kann eine höhere Rechenleistung des Gesamtsystems erzielt werden.

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

Speichervirtualisierung

Abstraktion der physischen Speicherform eines Datenspeichers wird als Speichervirtualisierung bezeichnet.

Netzwerkvirtualisierung

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.

Siehe auch

• x86-Virtualisierung
• Cloud Computing
• Rechenzentrum

Weblinks

• Fachartikel zur konsolidierten Verwaltung von virtuellen und physischen Serversystemen
• Vorlesungsfolien – von Christian Baun – Hochschule Mannheim (PDF; 293 kB)
• Das Who's Who der Virtualsierungstechniken – elektroniknet.de
• Virtuelle Netzwerke (sic) in einer Virtuellen Infrastruktur