Servervirtualisierung: Eine Analyse der Potentiale und der Wirtschaftlichkeit am konkreten Beispiel einesKMU

Textprobe:

Kapitel 2. Virtualisierung:

2.1 Grundlagen der Virtualisierung:

Im Folgenden werden die Grundlagen der Virtualisierung dargelegt, um ein ganzheitliches Verständnis für die in dieser Arbeit beschriebenen Technologien zu vermitteln. Neben einer Definition des Begriffs der Virtualisierung wird ein historischer Überblick der Virtualisierung, deren Ausprägungsformen, der derzeit verfügbaren Technologien und entsprechender Produkte gegeben.
2.1.1 Was bedeutet Virtualisierung?
Virtualisierung ist ein zeitgenössisches Schlagwort, welches einen großen Bekanntheitsgrad und eine hohe Popularität sowohl im Kreise von IT-Spezialisten als auch bei leitenden IT-Verantwortlichen genießt. Sie hat sich 'im x86-Rechnerumfeld in den letzten zehn Jahren von einem Experiment im universitären Umfeld zu einer nicht mehr wegzudenkenden Technologie in der professionellen IT entwickelt.' Virtualisierung ist keine neue Erfindung, keine konkrete Technologie, sondern ein Konzept, welches bereits in den 1960er Jahren entwickelt wurde und im Wesentlichen der Partitionierung großer Mainframes zur effizienteren Nutzung der teuren Hardware diente. Die ursprüngliche 'Idee wurde lediglich auf [die in dieser Zeit] populäre. [x86-Architektur] portiert.' Seit mittlerweile drei Dekaden in der Entwicklung, ist die Virtualisierung heute in vielen Ausprägungen präsent und deckt bereits mehrere Aspekte der modernen IT ab, vom einzelnen Desktop bis hin zur gesamten Organisation. Viele Hersteller und Anbieter haben den Begriff der Virtualisierung aufgegriffen, um ihre Produkte zu kategorisieren und ihren Kunden den Aufbau einer umfassenden virtuellen Infrastruktur zu ermöglichen. Dabei wurde schnell deutlich, 'dass hinter dieser Technologie ein enormes Potenzial zur Optimierung der Rechnernutzung steckt', denn 'Virtualisierung scheint gleichzeitig Trend, Hype, Verheißung und Wundermittel in Sachen Kostenersparnis zu sein.'
Um den Begriff 'Virtualisierung' und das dazugehörige Konzept ganzheitlich zu definieren, müssen die zahlreichen Aspekte der Virtualisierung identifiziert und dargestellt werden. Zahlreiche Definitionen sind in der Literatur und im Internet zu finden. Demzufolge ist die Definition stark vom verwendeten Kontext des Begriffs abhängig. Folgende Definitionsansätze verdeutlichen den Facettenreichtum des Virtualisierungskonzepts und lauten wie folgt:

'Virtualisierung ist eine Methode, um Hardware innerhalb einer Software-Plattform zu emulieren.'
'Mit Hilfe der Virtualisierungstechnik lassen sich mehrere, gegeneinander abgeschottete Anwendungsumgebungen auf einer Plattform betreiben.'
Virtualisierung ist 'ein Sammelbegriff für eine Vielzahl unterschiedlicher software- und hardware-basierter Methoden, die es erlauben, Ressourcen eines Computers aufzuteilen und mehrere, voneinander unabhängige Systeme der gleichen Prozessorarchitektur auf einem leistungsfähigen Host-System zu betreiben.'
'In der Informatik bezeichnet man mit dem Begriff Virtualisierung ein Verfahren, das eine Aufteilung oder Verteilung verfügbarer Ressourcen auf mehrere Systeme ermöglicht.'
Bestimmte Konzepte wiederholen sich in allen aufgeführten Definitionen und kristallisieren sich heraus:
Abstraktion
Simulation / Emulation
Sharing
Partitionierung
Isolation / Kapselung
Aggregation
Daraus abgeleitet bedeutet Virtualisierung die parallele Ausführung von mehreren virtuellen Maschinen (VM) mit heterogenen Eigenschaften, d.h. inklusive ihrer jeweiligen Betriebssysteme und ihrer Anwendungen, auf ein und derselben Hardware (dem sog. Host). Eine Virtualisierungsschicht (synonym: Virtualisierungslayer ) realisiert diese Abstraktion, indem sie sich zwischen den virtuellen Maschinen und der physischen Hardware eingliedert und als Mittler zwischen beiden Welten fungiert. Die VMM täuscht dem Betriebssystem in der VM eine eigene Hardware mit eigenem BIOS vor, einen eigenen kompletten Rechner. Zudem sorgt die VMM für die erforderliche Isolation der VMs untereinander, um einen gegenseitige Beeinflussung auf Programmebene zu verhindern. 'Virtualisierung kann . als eine logische Schicht zwischen Anwendung und Ressource definiert werden, die die physikalischen Gegebenheiten versteckt.' Diesen Vorgang bezeichnet man als Abstraktion.
Heute wird der Themenkomplex Virtualisierung vielfach mit den Produkten aus dem Bereich der Servervirtualisierung von VMware, Microsoft und Xen-basierten Lösungen in Verbindung gebracht. Abseits des 'Klassikers' Servervirtualisierung erscheinen weitere, innovative Virtualisierungslösungen für viele Bereiche der IT, wie z.B. Storage-, Netzwerk-, Applikations- und Desktopvirtualisierung.
2.1.2 Historie der Virtualisierung:

Dieses Kapitel gibt einen chronologischen Überblick der bedeutendsten Ereignisse in der Evolution der Virtualisierung. Die Auflistung umfasst lediglich die signifikantesten technologischen Errungenschaften und die wesentlichen Fortschritte in den letzten 50 Jahren, die im Zuge der Virtualisierung erzielt wurden. Im allgemeinen Bewusstsein ist die Virtualisierung noch ein junges Teilgebiet der IT. Ein Blick in die Literatur und auf den Zeitstrahl im Anhang verdeutlicht jedoch, dass das Konzept schon früh geboren und stets weiter entwickelt wurde. Jedoch konnte erst der technologische Fortschritt der jüngsten Vergangenheit dazu beitragen, das Virtualisierungskonzept voranzutreiben und die für ein breites Einsatzszenario erforderliche Akzeptanz zu fördern.
In ihrer konzeptionellen Form war die Virtualisierung in den 1960er Jahren eher bekannt unter dem Begriff des 'Time Sharing'. Christopher Strachey, welcher als erster Professor im Bereich der Computerwissenschaft an der Universität von Oxford lehrte und mit seiner Abhandlung 'Time Sharing in Large Fast Computers' am 20. Juni 1959 den Start für die Virtualisierungstechnologie initiierte, ist als Namensgeber und Pionier zu betrachten. In seiner Publikation beschreibt er einen logischen Prozessor, auf welchem Programme wie auf einem realen Prozessor ausgeführt werden können. Ein 'Scheduler' ordnet den logischen dem realen Prozessor zu. Damit führte er den Vorläufer des heute bekannten Konzepts der Multiprogrammierung ein und ermöglichte damit die maximale Ausnutzung von Rechnerressourcen. Auf diese Weise konnten die zu seiner Zeit kostbaren Rechenzeiten effizienter genutzt werden. Diese Art der Multiprogrammierung fungierte zugleich als Vorläufer des heute üblichen Multi-tasking.
Im Dezember 1962 wurde in Manchester der zu dieser Zeit rechenstärkste Computer namens ATLAS der Weltöffentlichkeit präsentiert. Dieser bot eine Technologie, welche den Zugriff auf eine Speicherseite ermöglichte, die sich nicht im Hauptspeicher, sondern im Auslagerungsspeicher befand. Dieser einstufige virtuelle Speicher ermöglichte erstmals das sog. 'Demand Paging'. Damit konnte der Hauptspeicher virtualisiert werden, was beim ATLAS zu einer Kosteneinsparung führte. Im Jahr 1965 folgte das Experiment M44/44X, welches von IBM am Thomas J. Research Center durchgeführt wurde und der ATLAS-Architektur sehr ähnlich war. Es basierte auf dem IBM 7044 als Hauptrechner (alias M44), auf welchem mehrere virtuelle Maschinen simuliert wurden (alias 44X). Dieses Projekt kreierte den Begriff der 'virtuellen Maschine' und diente der Erforschung der Auslagerung von Arbeitsspeicher, dem Konzept der virtuellen Maschinen und der Messung der Rechenleistung. Es wurde IBM's Beitrag zum aufstrebenden Time Sharing Konzept.
IBM stellte weiterführende Forschungen auf dem Gebiet virtueller Maschinen an, indem sie das CP/CMS-System am Cambridge Scientific Center entwickelte. Es war ein weiteres Time Sharing System, welches aus zwei Komponenten bestand: dem 'Control Program' (CP) und dem 'Cambridge Monitor System' (CMS). Das Projekt sollte die Realisierbarkeit vollständiger Virtualisierung beweisen. In Anlehnung an ein Multi-User-System wurden beim CP/CMS-Konzept mehrere Kopien von Single-User-Systemen in virtuellen Maschinen (VM) ausgeführt. Dabei wurde die physikalische Hardware innerhalb der VMs abstrahiert. Das erste CP/CMS-Systeme namens CP-40 war die Geburtsstunde des Hypervisor und ermöglichte erstmals die vollständige Virtualisierung eines Betriebssystems. ATLAS und M44/44X von IBM stellen die evolutionären Generationen der Virtualisierung da.
Robert P. Goldberg stellte im Februar 1972 die erste theoretische Abhandlung zum Thema virtueller Maschinen vor. In seiner Promovation 'Architectural Principles of Virtual Machines' definierte er die grundsätzlichen Elemente einer virtuellen Maschine und beschreibt die VM als effiziente Kopie einer realen Maschine. Die wesentlichen Aspekte einer VM stellen der VMM, die Trennung der Befehlssätze in sensitive ('privileged') und nicht-sensitive ('non-privileged') Instruktionen sowie die Isolation der VMs dar. In den 1980er und 1990er Jahren sorgte der massive Anstieg der Rechnerleistung, günstige x86-Hardware und die damit einhergehende Zunahme von Client-Server-Applikationen dafür, das Modell des verteilten Rechnens zu begünstigen und folglich die Virtualisierung in den Hintergrund zu drängen. Der x86-Befehlssatz wurde zur dominanten Architektur und etablierte das Client-Server-Modell mit seinem Axiom des verteilten Rechnens. Dieses Modell offenbarte jedoch seine Schwächen, u.a. in Form niedriger Ressourcenauslastung sowie steigender Kosten für Aufbau, Erhalt und Management der Infrastruktur.
Im Jahre 1988 wurde eine kleine Firma namens Connectix Corporation gegründet. Sie bot Lösungen für Apple Macintosh Systeme an und wurde für ihre Innovationskraft bekannt. Ein Beispiel hierfür ist deren Mode32, welches dazu beitrug, das Problem der 32bit-Speicheradressierung der Motorola 68020 und 68030 Prozessoren der früheren Macs zu lösen, da die verwendeten Betriebssysteme noch nicht 32bit-fähig waren. Weitere erfolgreiche Produkte stellten der SpeedDoubler, gefolgt vom RAM Doubler dar. Das entscheidende Produkt wurde mit dem 'Virtual PC' zur Marktreife gebracht. Es diente PowerPC-basierten Mac OS-Systemen als Virtualisierungslösung für Windows und ermöglichte die Emulation einer virtuellen Maschine für x86-basierte Betriebssysteme auf Basis einer ausgeklügelten 'Binary Translation Engine', die Anweisungen eines virtuellen x86-Prozessors auf eine physischen PowerPC-Prozessor eines Mac übersetzen konnte. Diese Art der Emulation ebnete den Weg für Connectix in die Virtualisierungstechnologie. Eine Weiterentwicklung dieses Produktes war 'Virtual PC for Windows' und gestattete es dem Intel®-Nutzer (IA32), auf einem Windows als Wirtssystem mehrere x86-Betriebssysteme als Gastsysteme einzusetzen.
Sun Microsystems, Inc. entwickelte 1991 die sog. 'Java Virtual Machine' (kurz: JVM), die ähnlich einer P-Maschine agiert. Die JVM ist für die Ausführung des Java-Bytecode verantwortlich. Dabei wird i.d.R. jedes Java-Programm in seiner eigenen VM ausgeführt. Die JVM wird auf dem realen Rechner emuliert. Ebenfalls von Sun Microsystems, Inc. wurde 1993 die kommerzielle Software 'Wabi' (Windows Application Binary Interface) entwickelt. Sie implementierte die Win16-API-Spezifikationen in Solaris und war erstmalig in der Lage, Software unverändert auf einem nicht-proprietären Betriebssystem zu betreiben und Programme auf einer anderen als der ursprünglich geplanten Architektur auszuführen. Der konkrete Einsatzzweck zielte auf die Ausführung von Windows-Applikationen direkt unter dem Betriebssystem Solaris, sowohl auf der SPARC- als auch der x86-Plattform.
Das Wine-Projekt (Wine is not an Emulator) wurde im gleichen Jahr (1993) von Bob Amstadt und Eric Youngdale initiiert. Sie ließen sich vom Erfolg des Wabi-Projekts inspirieren. Das ursprüngliche Ziel war die volle Unterstützung von Win16-Applikationen. Der Fokus des nach wie vor in Entwicklung befindlichen Wine liegt nun bei Win32-Applikationen. Wie das Akronym 'Wine' andeutet, handelt es sich bei Wine nicht um einen Emulator, sondern eine Portierung der Windows-API auf GNU/Linux und andere Unix-Derivate, wobei Systemaufrufe an den Unix- bzw. Linux-Kernel sowie das X Window System oder Cocoa (unter MacOS X) weitergereicht werden.
Mit einem modifizierten Linux-Kernel erzielte Jeff Dike 1999 einen weiteren Fortschritt. Der modifizierte Linux-Kernel konnte als unprivilegierter Prozess gestaltet und dadurch in mehreren Instanzen auf derselben Architektur ausgeführt werden. Er nannte diese Entwicklung 'User Mode Linux" (kurz: UML). Die Einsatzmöglichkeiten von UML sind vielfältig:
Zehn Jahre nach Gründung der Firma Connectix, im Jahr 1998, wurde die Firma VMware, Inc. von Diane Greene, ihrem Ehemann Dr. Mendel Rosenblum, Zachary Palmmer, Joseph Gayzowski und Edouard Bugnion gegründet. Die Gründungs-mitglieder patentierten noch im selben Jahr eine neue Virtualisierungstechnologie basierend auf Untersuchungen, die sie an der Stanford Universität betrieben hatten. Dieses Patent mit der Nummer 6,397,242 und der Bezeichnung 'Virtualization system including a virtual machine monitor for a Computer with segmented Architecture" wurde am 28.05.2002 ausgezeichnet. Das erste kommerzielle x86-basierte Virtualisierungsprodukt namens 'VMware Workstation' wurde am 08.02.1999 mit der VMWare Virtual Platform eingeführt. Im Jahr 2000 veröffentlichte VMware das Produkt GSX Server 1.0 (Type-2 VMM), im Jahr darauf den ESX Server 1.0 (Type-1 VMM). Beide Produkte werden bis heute weiter entwickelt. Diesen Produkten ist gemein, dass sie alle in der Lage sind, die x86-Architektur umfassend zu virtualisieren. Neben einem eigenen BIOS können sie der VM auch ein komplettes Set an Hardware bereitstellen, z.B. eine Grafikkarte, Netzwerk-Adapter, Festplatten, etc. Darüber hinaus kann der Host mittels entsprechender Treiber dem Gast auch Zugriff auf USB-, serielle und parallele Schnittstellen gewähren. Die Zugriffe auf die Hardware werden durch den VMM überwacht und gesteuert.
Mit der Übernahme von Connectix im Jahr 2003 steigt Microsoft in den Markt für Virtualisierungstechnologien ein. Dabei erwirbt Microsoft die Rechte an Virtual PC und der weit fortgeschrittenen Version Virtual Server. Letzteres wird als 'Microsoft Virtual Server 2005' im September 2004 veröffentlicht. Im April 2006 veröffentlichte Microsoft den 'Virtual Server 2005 R2 Enterprise Edition' als freien Download, um besser mit den freien Virtualisierungslösungen der Mitbewerber (VMware und Xen) konkurrieren zu können. Mit dem SP1 wurde dem Produkt nachträglich die Unterstützung für Intel® VT und AMD-VT hinzugefügt. Diese Hardwareunterstützung wiederum ist zwingend erforderlich für den im Juni 2008 veröffentlichten Typ-1-Hypervisor namens 'Hyper-V' (hostless oder bare-metal), welcher Bestandteil der x64-basierten Windows Server 2008 Produktpalette ist.
Um die Schwierigkeiten bei der vollständigen Virtualisierung von x86-Plattformen zu mindern, unternehmen Intel® und AMD seit dem Jahr 2005 Anstrengungen, hardwareseitige Unterstützung eine Befehlssatzerweiterung direkt in die CPUs zu implementiert. Diese Technologien namens Intel® VT und AMD-VT profitieren gegenüber reinen Softwarelösungen von einer höheren Geschwindigkeit.