KVM Best Practices

Virtualisierungslösungen für den Enterprise-Bereich

Christoph Arnold, Michel Rode, Jan Sperling, Andreas Steil

• Verlag: dpunkt
• Jahr: 2012
• ISBN:
  9783864911170
• Auflage: 1
• Thema: Ciencia de la computación
• Thema: Redes de computadoras

Die im Linux-Kernel integrierte Hardwarevirtualisierung KVM gewinnt im Enterprise-Bereich zunehmend an Bedeutung.Nach einer kurzen Einführung in die Virtualisierung mit KVM werden Lösungen alltäglicher Aufgabenstellungen aus den Bereichen Netzwerk, Storage und Deployment primär mit Hilfe von libvirt erarbeitet und beschrieben. Weiterhin wird auf speziellere Themen wie Hochverfügbarkeit und Migration von physikalischen Systemen auf virtuelle Systeme eingegangen.Neben gängigen Enterprise-Distributionen finden dabei einige Community-Distributionen ebenfalls Erwähnung.

1 Virtualisierung

Dieses Kapitel bietet die Basis zum Verständnis der Virtualisierung. Ausgehend von der Begriffserklärung für Virtualisierung wird die Funk-tionsweise von Hypervisoren und virtuellen Maschinen vorgestellt. Darauf aufbauend folgt ein Vergleich zwischen den unterschiedlichen Virtualisierungsformen und ihrer praktischen Ausformungen bei aktuell gängigen Virtualisierungsprodukten. Insbesondere werden hierbei die beiden Virtualisierungslösungen Xen und VMware vorgestellt und separat betrachtet. KVM wird später in einem eigenen Kapitel detailliert dargestellt. Schließlich folgen noch Anmerkungen zum Einsatz und der Bedeutung der Virtualisierung in der gegenwärtigen Informationstechnologie.

1.1 Was ist Virtualisierung?

Virtualisierung gibt es im Bereich der Informatik schon seit Mitte der 60er-Jahre, als vor allem IBM mit Versuchssystemen unter anderem zur virtuellen Speicherverwaltung¹ die Grundlagen für ein hardwareunabhängigeres Design von Rechnersystemen legte. IBM entwickelte in den 90er-Jahren für seine Mainframe-Server (z.B. IBM System z) auch erstmals die Technik der logischen Partitionierung (engl. logical partition, LPAR), bei der die einfach vorhandenen Hardwareressourcen (CPUs, Arbeitsspeicher, Festplattenspeicher etc.) in mehrere Systeme – sogenannte Partitionen – aufgeteilt wurden. Deshalb spricht man in diesem Zusammenhang auch von Serverpartitionierung – im Gegensatz zu Virtualisierung, bei der etwas nachgebildet wird.

Die logische Partitionierung wird auf der Hardwareebene realisiert und hat daher kaum Performance-Einbußen zur Folge. Sie sorgt beispielsweise beim Arbeitsspeicher dafür, dass jeder Partition ein bestimmter Adressierungsbereich ohne Überschneidungen zugewiesen wird. Zur Prozessornutzung hatte in der Anfangsphase der logischen Partitionierung jede Partition ihre eigene Zentraleinheit (CPU); später dann konnte mit der Technik der Mikro-Partitionierung ein Prozessor mehrere logische Partitionen verwalten. Diese Techniken wurden im Laufe der Zeit auch in andere Großrechnerserien übernommen. Je nach Großrechnerserie können solche Systeme ihre Ressourcen auf 60 oder mehr logische Partitionen aufteilen. Aber nicht nur die Aufteilung von Rechnerressourcen, auch die Bündelung zu sogenannten Clustern hat der Virtualisierung neue Aufgabengebiete erschlossen. Statt teurer Großrechner wird für das Supercomputing immer mehr Standardhardware eingesetzt, deren Rechenleistung durch Virtualisierung zusammengefasst werden kann.

Im Laufe der Zeit haben sich weitere unterschiedliche Konzepte und damit verbundene Technologien – sowohl bei der Hardware als auch bei der Software – herausgebildet. Die Entwicklung hat sich – abgesehen von der Hardwareunterstützung (siehe Abschnitt 1.3.4, S. 10) – jedoch zunehmend in Richtung Software verschoben. Die heutigen Anbieter von Virtualisierungslösungen sind in den meisten Fällen Softwarefirmen.

So unterschiedlich die Lösungen virtueller Systemumgebungen auch sein mögen, sie alle dienen dem einen Zweck: vorhandene Systemressourcen effizient und sicher zu nutzen. Wenn es auch keine allgemeingültige Definition für Virtualisierung² gibt, so können doch alle diese Lösungen mit der folgenden Definition beschrieben werden:

Definition: Virtualisierung

Als Virtualisierung bezeichnet man Techniken, die Ressourcen eines Rechners aufteilen oder zusammenfassen und dabei das Funktionsverhalten der realen Maschine kapseln.

Unter Ressourcen versteht man im Zusammenhang mit der Virtualisierung Prozessor(en), Hauptspeicher sowie I/O-Ressourcen des Netzwerks und der Speichersysteme einschließlich Direct Memory Access (DMA)-Controller, die auch als Core-Four bezeichnet werden.

Diese Hardwareressourcen werden von einem Wirtsystem, dem Host, bereitgestellt und von der verwendeten Virtualisierungslösung transparent an die virtuellen (Gast-)Systeme verteilt.

Die Aufteilung der Ressourcen nennt man – wie schon bei LPAR – Partitionierung, wobei jede Partition ein eigenständiges Subsystem aus den vorhandenen Ressourcen darstellt, das dem virtuellen System zur Verfügung gestellt wird und eine Abstraktion der physikalischen Systembestandteile bildet. In diesem Sinne lässt sich Virtualisierung auch als eine Abstraktionsschicht beschreiben, die sich logisch zwischen Anwendung und Ressourcen einfügt.

1.2 Hypervisor und Virtual Machine Monitor

Möglich wird diese Ressourcenaufteilung durch eine logische Schicht zwischen dem Host- und dem virtuellen Gastsystem durch den sogenannten Hypervisor. Beim Hypervisor oder auch Virtual Machine Monitor (abgekürzt VMM) handelt es sich um eine Virtualisierungssoftware, die eine Ausführungsumgebung für virtuelle Maschinen schafft und ihre Steuerung ermöglicht. Der Hypervisor ist der Kern der meisten Virtualisierungsprodukte und erlaubt einem einzelnen physischen Rechner den gleichzeitigen Betrieb mehrerer virtueller Systeme. Die Gastinstanzen (engl. guests) teilen sich dann die Hardwareressourcen des Wirts (engl. host).

Für ein virtuelles System stellt sich diese Abstraktionsschicht wie eine normale Systemumgebung dar, auf die es exklusiven Zugriff hat. Der Hypervisor täuscht dem virtuellen System vor, dass es der alleinige Nutzer der entsprechenden Ressourcen ist.

Solch ein System wird – je nach Virtualisierungslösung – »virtuelle Maschine« (abgekürzt VM) oder »Container« genannt und stellt im Falle einer virtuellen Maschine meist eine komplette virtuelle Hardwareumgebung dar. Eine virtuelle Maschine meint in diesem Zusammenhang einen vollständigen Computer, der nicht aus Hardware besteht, sondern über Software abgebildet wird. Eine VM ist die Schnittstelle, die dem Gast (oder auch der Domain) vom Host bereitgestellt wird und auf der der Gast dann läuft.

Auf diesen Subsystemen können ganze Betriebssysteme oder auch nur Teile davon in einer Laufzeitumgebung gestartet werden.³ Sich als Betriebssystem darstellende virtuelle Maschinen wiederum können vollständig durch Software (z/VM), durch Software mit zusätzlicher Hardwareunterstützung oder allein durch Hardware (LPAR) realisiert werden.

Man unterscheidet zwei Typen von Hypervisor-Architekturen. Bei beiden Typen müssen Systemaufrufe eines Gastes, die direkt auf privilegierte Hardware (Speicher/CPU/Interrupts) zugreifen wollen, von der Hypervisor-Schicht abgefangen und interpretiert werden.⁴

Ein Typ-1-Hypervisor läuft ohne weitere Software direkt auf der Hardware und arbeitet dadurch recht ressourcenschonend. Der Hypervisor fängt privilegierte Operationen, die exklusiven Zugriff auf die Hardware brauchen, ab und ersetzt sie durch unprivilegierte Operationen. Typ-1-Hypervisoren sind sehr schlank und robust und gelten als die performantesten Servervirtualisierungsprodukte. Die virtuellen Maschinen nutzen die vom Hypervisor bereitgestellten Ressourcen. Allerdings muss der Hypervisor selbst die Treiber für die Hardware mitbringen. Bekannte Vertreter des Typ-1-Hypervisors sind beispielsweise IBM z/VM, Xen, VMware ESX oder Sun Logical Domains.

Ein Typ-2-Hypervisor dagegen setzt als Anwendung in Form der Virtualisierungssoftware auf ein vollwertiges (Host-)Betriebssystem auf und kann daher die Gerätetreiber des Betriebssystems, auf dem er läuft, nutzen. Im Wesentlichen funktioniert ein Typ-2-Hypervisor also wie ein Typ-1-Hypervisor, nur dass ein Hostbetriebssystem die Verwaltung der virtuellen Systeme übernimmt. Beispiele für den Typ-2-Hypervisor sind VMware Server/Workstation, Microsoft Virtual PC, QEMU, Parallels Workstation/Desktop.

Bei der x86-Architektur wurden entsprechende Funktionen ursprünglich über die Software des Hypervisors realisiert. Mit der Einführung der hardwareunterstützten Virtualisierung (siehe Abschnitt 1.3.4, S. 10) helfen spezielle Virtualisierungsfunktionen des x86-Prozessors (Intel-VT, AMD-V) bei der Ausführung solcher Systemaufrufe.

1.3 Virtualisierungstechniken

Mit der Zeit haben sich vier grundlegende Techniken zur Virtualisierung herausgebildet, die in den folgenden Abschnitten ausführlicher dargestellt werden: die Virtualisierung auf Betriebssystemebene, auch Prozessvirtualisierung genannt, die Vollvirtualisierung, die Paravirtualisierung und die hardwareunterstützte Virtualisierung.

1.3.1 Prozessvirtualisierung

Bei der Prozessvirtualisierung werden Prozesse auf Betriebssystemebene über unterschiedliche virtuelle Prozessräume verteilt. Den Prozessen wird dabei vorgespielt, sie könnten eine komplette Rechnerumgebung benutzen, sie sind aber tatsächlich isolierte Userspace-Instanzen (»Container« oder »Jails«) eines darunterliegenden Betriebssystems, weshalb auch der Begriff »Betriebssystemvirtualisierung« gebräuchlich ist. Dies geschieht auf Basis des bereits laufenden Kernels, es wird also kein neuer Kernel gestartet. Den einzelnen Prozessgruppen wird eine virtuelle Laufzeitumgebung innerhalb eines Containers zur Verfügung gestellt. Durch die unterschiedlichen Prozessräume innerhalb der Container entsteht der Eindruck mehrerer unabhängiger Systeme. Es gibt aber nur einen Prozessraum und dessen Kernel, der für eine strikte Trennung zwischen den einzelnen virtuellen Prozessräumen der Container sorgt. Durch die virtuellen Prozessräume lassen sich mehrere virtuelle Systeme logisch voneinander trennen.

Abb. 1-1 Prozessvirtualisierung – ein Kernel für alle virtuellen Systeme

Da sich diese Art der Virtualisierung an Prozessen und Prozessgruppen orientiert, spricht man auch von Prozessvirtualisierung. Diese Technik wird überwiegend dazu verwendet, Anwendungen so voneinander zu isolieren, dass ein Angreifer, der die Kontrolle über so eine Anwendung erlangt hat, nicht ohne Weiteres Zugriff auf die anderen Container erlangen kann. Solaris Zones und FreeBSD jails sind die klassischen Vertreter für Prozessvirtualisierung, aber auch die Linux-Projekte VServer und OpenVZ fallen in diese Kategorie. Auch beim User Mode Linux kann man von Prozessvirtualisierung sprechen. Es nimmt aber eine Sonderstellung ein, da dort ein spezieller User-Mode-Kernel unter Kontrolle des Hostkernels läuft.

Da es nur eine Kernel-Instanz gibt, die bereits Bestandteil des verwendeten Betriebssystems ist, gestaltet sich der Einsatz dieser Virtualisierung sehr einfach. Sie lässt sich gut und ohne großen Aufwand in bestehende Systeme integrieren. Dabei sind keine großen Performance-Einbrüche zu befürchten, da durch die Nutzung einer einzelnen Kernel-Instanz kein Prozessoverhead entsteht. Durch die Verwendung eines Kernels ergibt sich aber der Nachteil, dass alle Container auf eben diesen angewiesen sind. Somit können keine unterschiedlich konfigurierten Kernel-Instanzen oder gar Betriebssysteme laufen. Auch ist es nicht möglich, Laufzeitparameter des Kernels aus den Containern heraus zu verändern. Darüber hinaus ist die Implementierung der Prozessvirtualisierung überaus komplex, da für autarke Systeme eine vollständige Trennung aller Prozesse notwendig ist.

1.3.2 Vollvirtualisierung

Bei der Vollvirtualisierung (engl. full virtualization) wird die logische Schicht zwischen dem Host und dem Gast durch eine Softwarekomponente realisiert, die sich Hypervisor oder Virtual Machine Monitor (VMM) nennt. Dieser bildet das Bindeglied zwischen dem virtualisierten Gastsystem und dem Hostsystem, indem er die Hardwarezugriffe der virtuellen Maschine über den Host an die physikalische Hardware weiterreicht.

Mittels Vollvirtualisierung gelang es erstmals, beliebigige x86-Betriebssysteme virtuell auf der Intel-Architektur laufen zu lassen. Diese kann somit als Urahn der Intel-Virtualisierung bezeichnet werden. Bei der Vollvirtualisierung sind die Gastsysteme und deren Kernel ohne weitere Anpassung in der virtuellen Umgebung lauffähig. Ein Gastsystem benötigt lediglich die passenden Treiber der emulierten Hardware. Dabei ist man im Vergleich zur Prozessvirtualisierung nicht auf das auf dem Host laufende Betriebssystem beschränkt. Diese Freiheit wird durch die Emulation der Hardwarekomponenten erreicht. Im Unterschied zur vollständigen Emulation (siehe Abschnitt 1.3.5, S. 15) werden CPU-Befehle aber ohne weitere Übersetzung an die physikalischen Prozessoren des Hosts durchgereicht.

Als verdeutlichendes Beispiel sei hier der Zugriff auf den Arbeitsspeicher genannt.⁵ Der physikalisch vorhandene Arbeitsspeicher wird innerhalb vom Virtual Machine Monitor durch eine Shadow Page Table dargestellt. Mit deren Hilfe wird der Arbeitsspeicher einer virtuellen Maschine auf den des Hostsystems abgebildet, ohne dass diese einen direkten Zugriff darauf erhält. Am einfachsten kann man sich die Shadow Page Table als eine Tabelle vorstellen, in der der Speicherbereich X einer virtuellen Maschine dem Bereich Y im realen Arbeitsspeicher zugeordnet wird. Das Gastsystem sieht immer nur den Bereich X und erst der Virtual Machine Monitor setzt Zugriffe auf diesen Bereich in den realen Bereich um. Das Gastsystem kann nicht beurteilen, ob es in einer virtuellen Maschine läuft oder auf realer Hardware, weshalb diese Zugriffe als transparent bezeichnet werden. Alle Zugriffe auf reale H...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titel
• Impressum
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• 1 Virtualisierung
• 2 KVM-Architektur
• 3 Installation
• 4 libvirt-Tools
• 5 Storage
• 6 Netzwerk
• 7 Deployment
• 8 Backup
• 9 Migration
• 10 Hochverfügbarkeit
• 11 Troubleshooting
• Glossar
• Stichwortverzeichnis
• Fußnoten