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Virtualisierung von Computersystemen

Hausarbeit 2010 23 Seiten

Informatik - Internet, neue Technologien

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Wahl der Thematik.
1.2 Ziel der Hausarbeit

2 Grundlagen der Virtualisierung
2.1 Charakteristik einer virtuellen Maschine
2.2 Prinzip der Virtualisierung
2.3 Hypervisor
2.3.1 Typ 1 Hypervisor
2.3.2 Typ 2 Hypervisor
2.4 Grundlegende Prozessorarchitektur
2.5 Arten der Virtualisierung

3 Vor- und Nachteile der Virtualisierung
3.1 Vorteile der Virtualisierung
3.2 Nachteile der Virtualisierung

4 Stand der Entwicklung

5 Anwendungsbereiche der Virtualisierung
5.1 Anwendung im Geschaftsbereich
5.2 Anwendung im Privatbereich

6 Zusammenfassung

7 Literaturverzeichnis

1 Einleitung

Die Virtualisierung ist zur Zeit eines der zentralen Themen in der IT Branche. Man begegnet ihr in Fachzeitschriften, Buchern und auf Online-Portalen. Uberall dort finden sich Betrage und Neuigkeiten rund um die Virtualisierung. Doch die Virtualisierung ist kein neues Thema. Schon 1974 beschaftigten sich Popek und Gutenberg in Ihrer Arbeit „Formal requirements for virtualizable third generation architectures11 mit der Virtualisierung.[1] Zwei Jahre zuvor hatte IBM mit der VM/370 erste Erfahrungen in der Virtualisierung gesammelt hat. Auf dieser Hardware lief ein Miniatur-Betriebssystem, ebenfalls VM/370 genannt, das verschiedene virtuelle VM/370 Maschinen erzeugen konnte.[2]

Die folgende Arbeit beschaftigt sich mit dem Konzept der Virtualisierung von Computersystemen (Systemvirtualisierung). Dieses beschreibt ein Modell, in dem ein physikalisches Computersystem durch eine Abstraktionsschicht in eine oder mehrere virtuelle Maschinen unterteilt wird. Diese arbeiten dann als eigenstandige, voneinander isolierte Systeme.

1.1 Wahl der Thematik

Grunde fur die Wahl der Virtualisierung als Thema waren unter anderem das Bewusstsein uber die zunehmende starke Bedeutung in der Informationstechnologie und die Uberlegung, welche Themen bzw. Bereiche in der IT Branche zukunftig richtungsweisend sein werden. Ein weiterer Beweggrund ist das personliche Interesse fur dieses Gebiet sowie die Spezialisierung auf die Produkte der Firma VMware, dem fuhrenden Hersteller im Bereich Virtualisierungslosungen. Demzufolge wurde das Thema Virtualisierung fur die Hausarbeit gewahlt.

1.2 Ziel der Hausarbeit

Ziel der Hausarbeit ist, dem Leser eine umfassende Ubersicht uber das Thema Virtualisierung zu geben. Es wird zunachst ein Uberblick uber die Grundlagen geschaffen. Vor diesem Hintergrund wird der Begriff der virtuellen Maschine erklart sowie auf die Prinzipien und Arten der Virtualisierung eingegangen. Fortgefuhrt wird die Arbeit durch eine Auseinandersetzung mit den verschiedenen Arten der Virtualisierungsarchitekturen. Darauf aufbauend wird auf die Vor- und Nachteile dieses Konzeptes eingegangen sowie ein Uberblick uber den derzeitigen Stand der Technik geschaffen. Im Anschluss werden die Anwendungsbereiche, sowohl im Geschaftsbereich, als auch im Privatbereich dargestellt. AbschlieBend erfolgt eine Zusammenfassung, in der nochmals auf alle relevanten, dazugehorigen Aspekte eingegangen wird. Die Hausarbeit wird aufzeigen, wie weit aktuell das Konzept der Virtualisierung fortgeschritten ist und dem Leser verdeutlichen, dass das Thema Virtualisierung nicht nur eine Modeerscheinung, sondern ein ernstzunehmendes Konzept darstellt.

2 Grundlagen der Virtualisierung

2.1 Charakteristik einer virtuellen Maschine

Im Bezug auf die Systemvirtualisierung stellt eine virtuelle Maschine ein virtuelles System dar. Der Begriff definiert hierbei eine Software-Implementierung, die ein in sich geschlossenes und vollstandiges System darstellt. Diese Implementierung bildet die gesamte Umgebung, die ein physikalisches Computersystem einem Betriebssystem (in nachfolgenden Abbildungen als OS bezeichnet) zur Verfugung stellt, nach. Dank dieser Vollstandigkeit der Umgebung kann ein Betriebssystem vollig ohne Programmcode- Anderungen in einer virtuellen Maschine ausgefuhrt werden. Charakteristische Eigenschaften einer virtuellen Maschine sind:[3]

- Eine virtuelle Maschine stellt ein Abbild eines physikalischen Systems dar. Die Umgebung des virtuellen Systems wird durch eine Abstraktionsschicht generiert. Das darin befindliche Betriebssystem soll sich ebenso verhalten, wie in einem gleichwertigen physikalischen System.
- Die Abstraktionsschicht besitzt die Kontrolle uber die virtuelle Maschine. Sie befindet sich auf dem physikalischen System.
- Eine virtuelle Maschine ist vollig eigenstandig gegenuber anderen virtuellen Maschinen. Sie besitzt ihren eigenen Arbeitsspeicher, zugeteilte Prozessor-Zeit, virtuelle Datentrager ebenso wie Ein- und Ausgabegerate.
- Ein Gastbetriebssystem in einer virtuellen Maschine kann auf die anderen virtuellen Maschinen nur in der Art und Weise zugreifen, wie es bei separaten physikalischen Maschinen der Fall ist. Es kann weder direkt auf den Speicher, noch auf weitere Gerate der anderen Maschinen zugreifen. So wird stets ein hohes Mass an Stabilitat und Sicherheit erreicht. - Eine virtuelle Maschine besitzt, abhangig von der Abstraktionsschicht, immer die gleiche Hardware-Ausstattung. Vollig unabhangig auf welchem physikalischem System die virtuelle Maschine lauft, werden die gleichen Komponenten emuliert. Ausnahmen sind hier die CPU und der Arbeitsspeicher, auf den die virtuelle Maschine unter Kontrolle der Abstraktionsschicht direkt zugreift.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Charakteristische Eigenschaften einer virtuellen Maschine

2.2 Prinzip der Virtualisierung

Das zentrale Prinzip der Systemvirtualisierung ist die Einfuhrung einer logischen Abstraktionsschicht, die zwischen den tatsachlich vorhandenen Ressourcen und den virtuellen Maschinen vermittelt. Die tatsachlich vorhandenen Ressourcen, also das physikalische System das als Basis fur die Virtualisierung, dient wird als Host- bzw. Wirt- System bezeichnet. Es kann vorkommen, dass dabei die Ressourcen gegenuber den virtuellen Maschinen verandert dargestellt werden. So kann eine eventuelle Heterogenitat und Inkompatibilitat uberwunden werden. Bei der Virtualisierung betreibt man also im Kern immer eine Abstraktion vom Speziellen zum Allgemeinen eines Ressourcentyps. Dieses Vorgehen ermoglicht eine Ressource in einzelne Bereiche aufzuteilen und den einzelnen virtuellen Maschinen zur Verfugung zu stellen.

Eine so genannter Virtual-Machine-Monitor (in nachfolgenden Abbildungen als VMM bezeichnet) erzeugt auf dem Host die virtuellen Maschinen. Sie verfugen uber alle notwendigen Elemente wie Prozessor, Arbeitsspeicher, Festplatte, etc. Innerhalb dieses geschlossenen Systems kann ein Betriebssystem gestartet werden, das auf die virtuelle Hardware zugreift, als sei es ein echter Computer, ohne den Unterschied zu bemerken.

In der Praxis gestaltet sich diese Aufgabe jedoch erheblich schwieriger. Immerhin gilt es, eine Vielzahl von benotigten Komponenten zu virtualisieren. Da die Abstraktionsschicht auf dem Host den exklusiven Zugriff auf die Hardware behalt, kann ein Virtual-Machine- Monitor dem Gastbetriebssystem keinen direkten Zugriff auf die realen Ressourcen gewahren. Deshalb findet das Betriebssystem in der virtuellen Maschine auch eine andere Hardware vor, als tatsachlich im Host verbaut ist. So gibt es eine Reihe von emulierten, virtuellen Hardware Einheiten wie z.B. Chipsatz, Grafikkarte, Festplatten- Controller, Netzwerkkarten, etc.[3, 4]

2.3 Hypervisor

Die Abbildung der real vorhandenen Hardware des Systems wird durch eine Abstraktionsschicht, welche sich zwischen der Hardware und der virtuellen Maschine befindet, realisiert. Diese Abstraktionsschicht wird als Hypervisor bezeichnet. Bei der Virtualisierung stellt der Hypervisor eine Art Aufseher da. Er kontrolliert die virtuellen Maschinen und die darin befindlichen Gastbetriebssysteme (als Gastbetriebssystem wird bei der Systemvirtualisierung das Betriebssystem innerhalb einer virtuellen Maschine bezeichnet). Er kummert sich um die Kommunikation zwischen den virtuellen Maschinen und den physikalisch vorhandenen Ressourcen. Es ist seine Aufgabe, die Befehle des Gastbetriebssystems, welche z.B. an den Prozessor, den Speicher oder die I/O-Gerate gesendet werden, zu uberwachen und ggf. abzufangen. Diese werden dann stellvertretend ausgefuhrt, oder emuliert, ohne dass das Gastbetriebssystem davon Kenntnis bekommt bzw. beeinflusst wird.[5]

2.3.1 Typ 1 Hypervisor

Bei einem Typ 1 Hypervisor handelt es sich um einen Hypervisor, der direkt auf der Hardware ausgefuhrt wird. Er wird ebenso als ein „Bare-Metal Hypervisor11 bezeichnet. Ein Typ 1 Hypervisor muss also selbststandig mit der Hardware kommunizieren konnen, was voraussetzt, dass er selbst uber die benotigten Treiber verfugt. Der Hypervisor ist in dies]]em Fall ein stark limitiertes Betriebssystem, welches nur uber die notwendigsten Funktionen verfugt. Dazu zahlt unter anderem die Ansteuerung der Hardware, ggf. das Uberwachen und modifizieren der Prozessorbefehle des Gastbetriebssystems und das Scheduling der Gastbetriebssysteme. Sein Vorteil ist seine GroBe. Durch das Weglassen von unnotigen Komponenten ist er sehr schnell, stabil und bietet zudem weniger Potential fur Sicherheitslucken. Im Gegensatz hierzu wird nur spezielle Hardware uneingeschrankt unterstutzt und die Bedienbarkeit ist unkonfortabel.[5]

2.3.2 Typ 2 Hypervisor

Der Typ 2 Hypervisor unterscheidet sich insofern vom Typ 1 Hypervisor, als dass er innerhalb eines konventionellen Betriebssystems lauft. Vereinfacht dargestellt wird er also auf z.B. einem Windows XP System als Applikation installiert und fuhrt die virtuellen Maschinen aus. Diese Art des Hypervisors wird auch als „Hosted Hypervisor11 bezeichnet. Sie hat in der Kompatibilitat bzgl. der zur Verfugung stehenden Ressourcen groBe Vorteile. Die Virtualisierungsschicht muss hier selbst keine eigenen Treiber fur die vorhandene Hardware haben. Alles, was das darunter liegende Betriebssystem ansprechen und verwalten kann, steht auch der Virtualisierung zur Verfugung.

Durch das Betriebssystem auf dem Host entsteht jedoch auch ein entscheidender Nachteil. Zum einen werden durch ihn Ressourcen verbraucht und stehen den virtuellen Maschinen nicht mehr zur Verfugung. Zum anderen ergibt sich hier durch die Vielzahl an moglichen Hardware- und Softwarekonfigurationen auf dem Host, die letztendlich zur Instabilitat der Virtualisierung und folglich allen Gastbetriebssystemen fuhren konnen.[5]

2.4 Grundlegende Prozessorarchitektur

Fur einen x86 Prozessor gibt es grundsatzlich vier Privilegierungsstufen. Diese werden in der Informatik auch als Ringe bezeichnet. Die meisten Privilegien besitzt Ring 0 (Kernelmodus), die wenigsten Ring 3 (Benutzermodus). Abhangig von dem Ring, innerhalb dessen ein Programm (hier zahlt auch das Betriebssystem dazu) zur Laufzeit ausgefuhrt wird, besitzt es bestimmte Rechte oder nicht. Diese Rechte manifestieren sich in der Moglichkeit zur Ausfuhrung von privilegierten Befehlen und der Moglichkeit auf bestimmte Speicherbereiche zuzugreifen. Ein privilegierter Befehl wird mittels Hardware-Traps abgefangen. Ein Trap ist eine spezielle Ausnahme bzw. Ausnahme- behandlung in der Computertechnik (die aber kein Interrupt ist). Das Betriebssystem sitzt normalerweise im Ring 0 und darf selbst privilegierte Befehle ausfuhren und auf alle Speicherbereiche zugreifen.

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Details

Seiten
23
Jahr
2010
ISBN (eBook)
9783640698097
ISBN (Buch)
9783640698349
Dateigröße
1 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v155538
Institution / Hochschule
FOM Hochschule für Oekonomie & Management gemeinnützige GmbH, Stuttgart
Note
1,0
Schlagworte
Virtualisierung

Autor

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Titel: Virtualisierung von Computersystemen