Computing-Funktionen von vSphere: virtuelle Maschinen und virtuelle Hardware

In einer physischen Umgebung wird das Betriebssystem direkt auf dem Server installiert. Es interagiert über Treiber mit der Serverhardware. Für jedes Betriebssystem müssen die richtigen Treiber und Funktionen bereitgestellt werden, damit die physische Hardware und die speziellen E/A-Komponenten, darunter beispielsweise Hostbus- und Netzwerkadapter, unterstützt werden.

Sobald das Betriebssystem auf dem physischen System installiert wurde, ist eine Verlagerung oder Migration auf einen anderen physischen Host äußerst schwierig, da das Betriebssystem speziell für diese Hardware konfiguriert wurde.

Eine virtuelle Maschine (VM) ist ein Softwarekonstrukt, das über den vSphere-Hypervisor (auch „VMkernel“ genannt) gesteuert wird. Sämtliche Konfigurationsdaten, Statusinformationen und Daten der virtuellen Maschine werden in einem separaten Datensatz gekapselt, der in einem Datastore gespeichert ist. Durch diese Kapselung sind virtuelle Maschinen mobil und lassen sich einfach sichern oder klonen.

Jede virtuelle Maschine verfügt über virtuelle Hardware, die einem installierten Gastbetriebssystem und seinen Anwendungen als physische Hardware präsentiert wird. Den Gastbetriebssystemen werden somit herkömmliche Hardwaregeräte angezeigt – sie erkennen nicht, dass es sich um virtuelle Geräte handelt. Virtuelle Maschinen verfügen über eine einheitliche Hardware (mit Ausnahme von wenigen Optionen, die vom Systemadministrator gesteuert werden können). Durch die einheitliche Hardware können virtuelle Maschinen flexibel zwischen vSphere-Hosts verschoben werden.

Virtuelle Maschinen verfügen in der Regel über ein Betriebssystem, VMware Tools und virtuelle Ressourcen und Hardware, die ähnlich wie ein normaler physischer Computer verwaltet werden. Die Installation eines Gastbetriebssystems auf einer virtuellen Maschine erfolgt auf die gleiche Weise wie die Installation eines Betriebssystems auf einem physischen Computer. Für die Installation ist eine CD/DVD-ROM oder ein ISO-Image mit den Installationsdateien vom Betriebssystemanbieter erforderlich.

VMware Tools verbessert die Performance des Gastbetriebssystems der virtuellen Maschine sowie das Management der virtuellen Maschine. So erhalten Sie mehr Kontrolle über deren Bedienung.

Alle VMs verfügen über eine Hardwareversion. Dieses gibt an, welche virtuellen Hardwarefunktionen von der virtuellen Maschine unterstützt werden, z.B. BIOS oder EFI, Anzahl an virtuellen Slots, maximale Anzahl an CPUs, maximale Arbeitsspeicherkonfiguration sowie weitere Hardwareeigenschaften. Die Version des vSphere-Hosts, auf dem die virtuelle Maschine erstellt wird, legt die Hardwareversion der virtuellen Maschine fest.

Die Konfiguration einer virtuellen Maschine umfasst mindestens eine virtuelle CPU (vCPU). Wenn eine vCPU ausgeführt werden muss, weist der VMkernel die vCPU einem verfügbaren HEC (Hardware Execution Context) zu. Ein HEC ist die Prozessoreigenschaft, die das Scheduling einer Threadausführung ermöglicht, die einem CPU-Core oder einem Hyperthread entspricht (sofern die CPU Hyperthreading unterstützt). Hyperthread- oder Multicore-CPUs bieten zwei oder mehr HECs, auf denen die Ausführung der vCPUs geplant werden kann.

Durch den Einsatz der virtuellen symmetrischen Mehrprozessorfunktion von vSphere (VMware® Virtual SMP) können virtuelle Maschinen mit bis zu 64 vCPUs konfiguriert werden. Für das Scheduling einer virtuellen Maschine mit einer vCPU wird beispielsweise immer ein HEC genutzt. Für das Scheduling einer virtuellen Maschine mit zwei vCPUs werden immer zwei HECs genutzt usw. Die maximale Anzahl an vCPUs, die einer virtuellen Maschine zugewiesen werden kann, entspricht der maximalen Anzahl an verfügbaren HECs auf der Serverhardware.

Obwohl physische Server in Rechenzentren häufig so konfiguriert sind, dass sie über einen großen Arbeitsspeicher verfügen, wird jeweils immer nur eine kleiner Teil aktiv genutzt. Durch die Kombination mehrerer virtueller Maschinen auf einem physischen Server kann eine höhere aktive Nutzung des Arbeitsspeichers erzielt werden. Diese effizientere Nutzung von Arbeitsspeicherressourcen führt zu einer Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten für Rechenzentren.

Der vSphere VMkernel verwaltet den Arbeitsspeicher des Servers. In vSphere werden speziell von VMware entwickelte Funktionen eingesetzt, die eine effiziente Arbeitsspeichernutzung und höhere Konsolidierungsraten ermöglichen, so z.B. transparentes Page-Sharing, Zurückgewinnung von Gastarbeitsspeicher und Arbeitsspeicherkomprimierung.

Eine virtuelle Maschine kann mit einem Arbeitsspeicher von bis zu 1 TB konfiguriert werden.

In vSphere werden Freigaben und Beschränkungen genutzt, um sicherzustellen, dass virtuelle Maschinen, die gemeinsam auf einem Host (oder in einem Cluster) ausgeführt werden, ordnungsgemäßen Zugriff auf Ressourcen erhalten, darunter beispielsweise CPU, Arbeitsspeicher, Netzwerk und Storage.

Die Freigaben gewährleisten, dass virtuelle Maschinen einen bestimmten Prozentsatz an Ressourcen (CPU, RAM, Netzwerk oder Storage-E/A) erhalten. Durch festgelegte Standardvorgaben erhalten alle virtuellen Maschinen Zugriff auf den gleichen Prozentsatz an Ressourcen. Werden beispielsweise vier virtuelle Maschinen auf einem vSphere-Host ausgeführt, erhält jede VM Zugriff auf 25% der verfügbaren CPU-Ressource. Bei überschüssiger Kapazität können die virtuellen Maschinen die zusätzliche Kapazität nutzen.

Über Beschränkungen wird eine Obergrenze für die Ressourcenzuweisung festgelegt. Virtuelle Maschinen können so konfiguriert werden, dass maximal 1 GHz der virtuellen CPU genutzt werden kann – auch wenn weitere CPU-Kapazitäten verfügbar sind. Beschränkungen kommen häufig in gemeinsam genutzten Infrastrukturen zum Einsatz, in denen eine Kostenabrechnung auf Basis der Ressourcennutzung erfolgt.

Über Ressourcenpools können CPU- und Arbeitsspeicherressourcen hierarchisch nach Unternehmensanforderungen aufgeteilt und zugewiesen werden. Zu den Gründen, die für eine Aufteilung und Zuweisung von CPU- und Arbeitsspeicherressourcen sprechen, zählen die Einhaltung administrativer Grenzen, die Durchsetzung von Rückbelastungsrichtlinien oder die Berücksichtigung von geografischen Standorten bzw. Unternehmensabteilungen. Ressourcenpools werden zudem eingesetzt, um anderen Anwendern und Gruppen entsprechende Berechtigungen zuzuweisen.

Die Konfiguration von Ressourcenpools für CPU und Arbeitsspeicher ist sowohl auf eigenständigen vSphere-Hosts möglich, die sich nicht in einem Cluster befinden, als auch auf Hosts in einem Cluster mit aktiviertem VMware Distributed Resource Scheduler (DRS).

Wie auch für virtuelle Maschinen gelten für Ressourcenpools bestimmte Grenzwerte für Reservierung, Freigaben und Beschränkungen der CPU- und Arbeitsspeicherressourcen.

• Freigabe: Freigaben stellen sicher, dass dem Ressourcenpool eine bestimmte Menge an CPU- und Arbeitsspeicherressourcen zugewiesen wird.
• Reservierung: Dies ist die Mindestmenge an CPU- und Arbeitsspeicherressourcen, die vom Ressourcenpool benötigt wird.
• Beschränkung: Dies ist die maximale Menge an CPU- und Arbeitsspeicherressourcen, die diesem Ressourcenpool zugewiesen wird. Standardmäßig haben Ressourcenpools einen uneingeschränkten Zugriff auf die maximale Menge an verfügbaren Ressourcen.
• Erweiterbare Reservierung: Sie ermöglicht Ressourcenpools, die nicht in der Lage sind, eine Reservierungsanforderung zu erfüllen, das Durchsuchen der eigenen Hierarchie, um nicht reservierte Kapazitäten zu ermitteln und bereitzustellen.

Freigaben, Reservierungen und Beschränkungen können auch auf VM-Ebene angewendet werden. Dabei gelten die Einschränkungen der Ressourcen der einzelnen VM-Ressourcenpools.

Vorteile der Virtualisierung

Wie ein physischer Computer hostet eine virtuelle Maschine ihr eigenes Gastbetriebssystem und eigene Anwendungen. Sie verfügt über alle Komponenten, die sich auch in einem physischen Computer befinden (CPU, Grafikkarte, Festplatte, Netzwerkkarte usw.). Virtuelle Maschinen sind vollständig kompatibel mit allen x86-Standardbetriebssystemen, Anwendungen und Gerätetreibern. Somit können auf virtuellen Maschinen dieselben Softwareanwendungen wie auf einem physischen x86-Computer ausgeführt werden.

Obwohl mehrere virtuelle Maschinen die physischen Ressourcen eines einzelnen Computers gemeinsam nutzen können, bleiben sie doch vollständig voneinander isoliert – als wären es separate physische Maschinen. Befinden sich beispielsweise vier virtuelle Maschinen auf einem einzigen physischen Server, bleiben bei einem Ausfall einer der virtuellen Maschinen die anderen drei virtuellen Maschinen verfügbar. Die Verfügbarkeit und Sicherheit von Anwendungen, die in einer virtuellen Umgebung ausgeführt werden, ist im Vergleich zu herkömmlichen Anwendungen, die in einer nicht virtualisierten Umgebung ausgeführt werden, deutlich höher.

Eine virtuelle Maschine ist im Wesentlichen ein Softwarecontainer, bei dem ein vollständiger Satz an virtuellen Hardwareressourcen mit Betriebssystem und allen zugehörigen Anwendungen gebündelt bzw. gekapselt ist. Durch diese Kapselung sind virtuelle Maschinen äußerst portabel und leicht zu verwalten. Virtuelle Maschinen können wie jede andere Datei kopiert und von einem Ort an einen anderen Ort verschoben werden. Sie können zudem auf jedem Standard-Datenspeichermedium gespeichert werden, von einer kleinen USB-Flash-Speicherkarte bis hin zu einem Unternehmens-SAN (Storage Area Network).

Virtuelle Maschinen sind völlig unabhängig von der zugrunde liegenden physischen Hardware. Eine virtuelle Maschine kann beispielsweise mit virtuellen Komponenten (z.B. CPU, Netzwerkkarte, SCSI-Controller) konfiguriert werden, die nichts mit den physischen Komponenten der zugrunde liegenden Hardware gemeinsam haben. Virtuelle Maschinen auf demselben physischen Server können sogar verschiedene Arten von Betriebssystemen (Windows, Linux usw.) ausführen.

Werden die Eigenschaften von Kapselung und Kompatibilität kombiniert, kann eine virtuelle Maschine durch die erzielte Hardwareunabhängigkeit von einem x86-Computer auf einen anderen verschoben werden, ohne dass Änderungen am Gerätetreiber, am Betriebssystem oder an den Anwendungen vorgenommen werden müssen. Tatsächlich kann eine heterogene Kombination von Betriebssystemen und Anwendungen auf einem einzigen physischen Computer ausgeführt werden.