Galileo Computing < openbook > Galileo Computing - Professionelle Bücher. Auch für Einsteiger.
Professionelle Bücher. Auch für Einsteiger.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Leitfaden für die Nutzung des Buchs und der beiliegenden DVDs
Das Terminal – sinnvoll oder überflüssig?
1 Die Wurzeln von Ubuntu
2 Was ist Ubuntu?
3 Die Versionen im Detail
4 Daten sichern, migrieren und synchronisieren
5 Die Installation
6 Erste Schritte
7 Kubuntu
8 Programme und Pakete installieren
9 Internet und E-Mail
10 Office
11 Grafik und Bildbearbeitung
12 Multimedia
13 Programmierung und Design
14 Software- und Paketverwaltung
15 Architektur
16 Backup und Sicherheit
17 Desktop-Virtualisierung
18 Serverinstallation
19 Administration und Monitoring
20 Netzwerke
21 LAN-Server – im Firmennetzwerk oder als Multimediazentrale
22 Der Server im Internet
23 Servervirtualisierung mit KVM
24 Servervirtualisierung mit Xen
25 Hilfe
26 Befehlsreferenz
A Mark Shuttleworth
Stichwort

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Ubuntu GNU/Linux von Marcus Fischer
Das umfassende Handbuch, aktuell zu Ubuntu 11.04 »Natty Narwhal«
Buch: Ubuntu GNU/Linux

Ubuntu GNU/Linux
geb., mit 2 DVDs
1118 S., 39,90 Euro
Galileo Computing
ISBN 978-3-8362-1765-1
Pfeil 17 Desktop-Virtualisierung
  Pfeil 17.1 Überblick
  Pfeil 17.2 Konzepte
    Pfeil 17.2.1 Virtuelle Maschinen, Server und Laufzeitumgebungen
    Pfeil 17.2.2 Paravirtualisierung
    Pfeil 17.2.3 Hardwareunterstützte Virtualisierung
  Pfeil 17.3 Grundsätzlicher Aufbau
    Pfeil 17.3.1 Generelles Problem bei der x86-Virtualisierung
    Pfeil 17.3.2 Möglichkeiten der x86-Virtualisierung
    Pfeil 17.3.3 Machtmissbrauch
    Pfeil 17.3.4 Ungenutzte Ringe
  Pfeil 17.4 Intel VT-x und AMD-V
    Pfeil 17.4.1 Gründe für Performance-Probleme
    Pfeil 17.4.2 Pacifica und Vanderpool sind inkompatibel
  Pfeil 17.5 Virtualisierungssoftware
  Pfeil 17.6 VMware Player
    Pfeil 17.6.1 Installation unter Windows
    Pfeil 17.6.2 Installation unter Linux
    Pfeil 17.6.3 Nutzung der virtuellen Maschine
    Pfeil 17.6.4 Installation einer vorkonfigurierten VM
    Pfeil 17.6.5 VMware Tools
    Pfeil 17.6.6 Erstellung einer neuen VM
    Pfeil 17.6.7 Deinstallation unter Linux
  Pfeil 17.7 VMware Workstation
    Pfeil 17.7.1 Professionelle Funktionen
    Pfeil 17.7.2 Installation
    Pfeil 17.7.3 Betrieb
    Pfeil 17.7.4 VMware Tools
  Pfeil 17.8 VirtualBox
    Pfeil 17.8.1 Proprietäre Version
    Pfeil 17.8.2 VirtualBox OSE
  Pfeil 17.9 QEMU
    Pfeil 17.9.1 Installation
    Pfeil 17.9.2 Gastsysteme installieren


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17.2 Konzepte  Zur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Wie Sie wahrscheinlich schon bemerkt haben, gibt es unterschiedliche Konzepte und Möglichkeiten der Virtualisierung. Um den umfassenden und verallgemeinernden Begriff »Virtualisierung« näher definieren zu können, müssen wir uns kurz mit Begriffen wie »virtuelle Maschine«, »virtueller Server«, »virtuelle Laufzeitumgebung« und »Virtualisierungssoftware« beschäftigen.


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17.2.1 Virtuelle Maschinen, Server und Laufzeitumgebungen  Zur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Um diese Begriffe fassen zu können, müssen wir gar nicht in die Weiten des Internets eintauchen. Auch Sie sind garantiert schon einmal einer virtuellen Maschine (VM) begegnet, spätestens wenn Sie Java auf Ihrem Computer installiert haben. Bei der Programmiersprache Java haben Sie es mit sogenannten Java Virtual Machines (JVM) zu tun, die Ihnen eine hypothetische Maschine zur Verfügung stellen. Hierbei handelt es sich um eine virtuelle Ausführungsumgebung mit einem virtuellen Prozessor und emulierten Schnittstellen.

Hier liegt auch das Geheimnis, warum Applikationen, die in Java geschrieben sind, auf jedem beliebigen Betriebssystem ausführbar sind, auf dem die virtuelle Java-Laufzeitumgebung installiert ist. Die Applikationen werden in einer virtuellen Maschine vom darunterliegenden Betriebssystem separiert und agieren so unabhängig von diesem.

Virtuelle Server hingegen bilden ein vollständiges Computersystem nach und nicht nur eine Laufzeitumgebung für einzelne Applikationen. Virtuelle Server können somit ganze Betriebssysteme beherbergen. Der virtuelle Server ist für das darunterliegende Betriebssystem, den sogenannten Host, nur eine Anwendung und läuft damit unabhängig von der verwendeten Hardware.

Virtuelle Maschinen teilen einen Computer in mehrere parallele Einheiten auf. Hierbei stellt eine virtuelle Maschine entweder einen virtuellen Server oder eine virtuelle Laufzeitumgebung dar. Virtuelle Server sind vollständig nachgebildete Computersysteme, die ein Betriebssystem beherbergen können. Virtuelle Laufzeitumgebungen sind demgegenüber nur Umgebungen für einzelne Anwendungen.

Wir wollen uns im Folgenden der Virtualisierung von ganzen Betriebssystemen (virtuelle Server) zuwenden und die virtuelle Laufzeitumgebung außer Acht lassen.


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17.2.2 Paravirtualisierung  Zur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Die Technik der Paravirtualisierung können Sie sich vereinfacht als Kompromiss zwischen einer vollständigen Virtualisierung und derjenigen auf Betriebssystemebene vorstellen. Dies bedeutet explizit, dass mehrere voneinander getrennte virtuelle Maschinen mit eigenen Betriebssystemen auf eine gemeinsame Hardware zugreifen. Gesteuert und verwaltet wird dies durch einen Hypervisor. Das Wort Para stammt aus dem Griechischen und bedeutet u. a. »nebenher«.

Im Unterschied zur vollständigen Virtualisierung muss bei einer Paravirtualisierung das Gastsystem angepasst werden, da es nicht direkt mit der Hardware, sondern durch den Hypervisor mit ihr kommuniziert. Dies geschieht durch separat bereitgestellte Schnittstellen. In Abbildung ist die grundsätzliche Wirkungsweise der Paravirtualisierung schematisch dargestellt.

Der Host besteht aus einem angepassten Kernel und einem privilegierten Betriebssystem zur Verwaltung der virtuellen Maschinen. Die Paravirtualisierung setzt hierbei unter dem eigentlichen Kernel an.

Eine zusätzliche Schicht, der sogenannte Hypervisor, sitzt zwischen der eigentlichen Hardware und dem Kernel des Hosts. Dieser wiederum stellt im Regelfall alle notwendigen Treiber für die virtuellen Maschinen zur Verfügung. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass eine Virtualisierung auf jeder Hardware möglich ist, auf der auch der Host läuft.

Abbildung 17.1  Paravirtualisierung

Vor- und Nachteile

Paravirtualisierung ist höchst effizient: Von allen Hypervisor-Ansätzen ist diese Technik die leistungsstärkste. Die virtuellen Maschinen kommunizieren quasi direkt mit der Hardware, und dadurch entsteht ein sehr geringer Overhead. Allerdings müssen die Gastsysteme angepasst werden. Dies erfordert Zugriff auf den Quelltext des Betriebssystems und erklärt die Fokussierung auf Open-Source-Systeme wie beispielsweise Linux.

Dieser Nachteil wird durch die hardwarebasierte Virtualisierung wettgemacht. Auf diese Technik gehe ich im folgenden Abschnitt ein.

Beispiel: Xen

Xen ist der bekannteste Vertreter der Paravirtualisierung. Da ich im weiteren Verlauf des Buches detailliert auf die Funktionsweise von Xen eingehe, verzichte ich an dieser Stelle auf eine genauere Beschreibung. Sie erfahren mehr über Xen im Kapitel »Servervirtualisierung mit Xen«.


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17.2.3 Hardwareunterstützte Virtualisierung  topZur vorigen Überschrift

Virtualisierung kann nicht nur durch Emulation erreicht werden. Mit der geeigneten Hardware lässt sich noch viel mehr erzielen. Wie die gesamte Virtualisierung, so ist auch die hardwareunterstützte Virtualisierung eine sehr alte Technik. Die Geschichte reicht mehr als 40 Jahre zurück. Allerdings kam diese Technik nur auf großen Servern und Mainframes zum Einsatz, auf Desktop-PCs spielte sie nie eine große Rolle.

Einfluss auf Prozessoren

Dies hat sich in den letzten Jahren stark verändert, und so ist auch hier die Virtualisierung massiv auf dem Vormarsch. Die Nachfrage steigt, und so ist es nicht verwunderlich, dass die großen Prozessorhersteller, z. B. Intel und AMD, ihr Stück vom Kuchen haben möchten. So gab es seit Ende 2005 zuerst von Intel und ein Jahr später von AMD eine neue Generation von Prozessoren, die einen Teil der Virtualisierungsfunktionalität auf CPU-Ebene abbilden.

Abbildung 17.2  Zwei verschiedene Arten der Virtualisierung: links durch eine Virtualisierungssoftware(z. B. VMware), rechts durch Virtualisierung auf Hardwareebene (z. B. Intel mit Vanderpool) (Bildquelle: Wikipedia).

Vorteile

Die Vorteile dieser Funktionsverlagerung in die Hardware sind vielfältig:

  • Die virtuellen Maschinen haben eine wesentlich höhere Leistung mit geringerem Overhead.
  • Aufgrund der Unterstützung durch den Prozessor ist die Architektur der Virtualisierungslösung schlanker. Die Unzulänglichkeiten der Prozessorarchitektur müssen nicht mehr berücksichtigt werden, und somit wird eine höhere Stabilität erreicht.
  • Die Gastsysteme müssen nicht mehr angepasst werden. Somit können auch proprietäre Betriebssysteme wie Microsoft Windows in einer virtuellen Umgebung installiert werden.
  • Die Separierung der virtuellen Maschinen untereinander ist konsequenter umgesetzt, da diese Trennung bereits im Prozessor umgesetzt wird.
  • Die Erweiterung der Virtualisierungsbefehlssätze in die CPU ist bei Intel und AMD ähnlich. Dadurch existiert eine gewisse Standardisierung, die unter Umständen zu einer Interoperabilität der Virtualisierungslösungen führen wird. Die ersten Anzeichen für diese Austauschbarkeit und Vereinfachung sind zurzeit bei Parallels zu beobachten, die ihre Consumer- und Firmenlösungen zusammenlegen.

Nachteile

Nachteile lassen sich bei dieser Virtualisierungstechnik nicht entdecken, wenn man einmal davon absieht, dass die Anwender oder Administratoren teilweise neue Hardware brauchen, wenn sie auf diese Technik umsteigen wollen.

Welche Prozessoren bieten diese Technik?

Prozessoren, die sich für Hardwarevirtualisierung eignen, tragen folgende Bezeichnungen:

  • Intel VT-x (Virtualization Technology)
    Codename »Vanderpool«. Bei Intel ist die Erkennung, ob die Prozessoren Hardwarevirtualisierung unterstützen, viel einfacher.
  • AMD SVM (Secure Virtual Machine)
    Codename »Pacifica«. Bei AMD sind prinzipiell Sempron-Prozessoren nicht hardwarevirtualisierungsfähig. Alle Opteron- und Athlon-Prozessoren, die auf dem AM2-Socket Platz finden, unterstützen heute AMD-V.

Die Vorteile einer hardwareunterstützten Virtualisierungslösung liegen auf der Hand:

  • Beliebige unmodifizierte Betriebssysteme können als virtuelle Maschinen ausgeführt werden.
  • wesentlich höhere Leistungsfähigkeit der virtuellen Maschinen
  • höhere Stabilität durch geringere Notwendigkeit der Emulation
  • mehr Sicherheit durch höhere Isolation zwischen Host und VM
  • hardwarebedingte Standardisierung

Neben der höheren Geschwindigkeit bei den neuen Prozessoren, wovon natürlich jede Anwendung und auch Virtualisierung profitiert, kann Xen hier seine Stärken voll ausspielen.

Eignet sich mein Prozessor?

Um herauszufinden, ob der Prozessor in Ihrem PC die nötige PAE-Erweiterung (Physical Address Extension) besitzt, die Sie für die hardwarebeschleunigte Virtualisierung benötigen, führen Sie das Kommando grep pae /proc/cpuinfo in einem Terminal aus:

flags: fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep
mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush dts acpi mmx fxsr
sse sse2 ss ht tm pbe nx lm pni monitor ds_c pl vmx
est tm2 cx16 xtpr lahf_lm

Wenn Sie wie in der oben stehenden Ausgabe die Abkürzung pae finden, dann unterstützt Ihr Prozessor die hardwarebeschleunigte Virtualisierung.

Um ein vollständig virtualisiertes Gastsystem zu betreiben, ist die Unterstützung von Gastprozessoren zwingend erforderlich. Wenn Sie nicht wissen, ob Ihr Prozessor dies beherrscht, hilft ebenfalls ein Blick in die oben ausgegebenen CPU-Flags. Suchen Sie bei Prozessoren von Intel nach der Abkürzung vmx, bei AMD-Prozessoren nach svm.

Wenn Sie diese Bezeichnung finden, wird die vollständige Virtualisierung von Ihrem Prozessor unterstützt. Allerdings ist die Option zur vollständigen Virtualisierung in vielen PCs standardmäßig abgeschaltet. Sie müssen sie erst im BIOS Ihres PCs einschalten.

Sie können aktuelle Versionen von Windows nur als Gastsystem installieren, wenn Ihr Prozessor die vollständige Virtualisierung unterstützt. Der Grund besteht darin, dass ein Betriebssystem sonst angepasst werden muss, damit es als Gast auf einer virtualisierten Umgebung wie Xen läuft. Damit scheiden normalerweise Betriebssysteme wie Windows aus, da sie nicht in Form von veränderbarem Quelltext vorliegen.

Physische vs. virtuelle CPU

Um ein Betriebssystem zu virtualisieren, müssen einige Bedingungen zwingend erfüllt sein. Man begann relativ früh in der Geschichte der Computer mit der Virtualisierung von Prozessoren. Die Konzepte des Time-Sharings und Multi-Programming revolutionierten die Verwendung einer CPU und veränderten unsere Vorstellung von einer CPU. Erstmals trennte man die Funktion einer CPU von der zugrundeliegenden Hardware. Man unterschied ab dem Zeitpunkt zwischen physischer und virtueller CPU.

Zur Erinnerung: Ein physischer Prozessor kann nur eine Aufgabe (Operation) auf einmal ausführen. Dies kann sich auch mit größter Anstrengung nicht ändern, aber es gibt einen Trick: Man unterbricht regelmäßig die Arbeit des Prozessors, speichert den aktuellen Bearbeitungsstand und gibt dem Prozessor damit die Gelegenheit, eine andere Aufgabe auszuführen, bevor auch diese Arbeit wieder unterbrochen wird. Diese Unterbrechungen geschehen beispielsweise alle zehn Millisekunden und sind so kurz, dass der Anwender davon nichts bemerkt.

Der grundlegende Unterschied besteht darin, dass jede Anwendung jetzt »denkt«, sie hätte einen eigenen Prozessor, der die ihm gestellten Aufgaben exklusiv bearbeitet. Wenn mehrere Anwendungen ihre Aufgaben an die CPU geben, entstehen auf diese Art mehrere »virtuelle Prozessoren«.

Achtung Die physische CPU und die virtuelle CPU sind nicht identisch!

Wenn das Betriebssystem läuft, befindet sich die CPU im privilegierten Modus. Dieser Modus ermöglicht die eben beschriebene Virtualisierung der CPU und erlaubt beispielsweise den Anwendungen den Zugriff auf realen Speicher. Nach dieser Übersicht möchte ich jetzt detaillierter auf die eben angesprochene Architektur eingehen. Ich beginne mit einer präzisen Beschreibung der x86-Architektur.



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