Was ist ein Hypervisor? Definition | Typen | Beispiele

Der Hypervisor ist eine ziemlich alte Technologie, aber immer noch sehr relevant für die Ermöglichung der Virtualisierung. Die ersten Hypervisoren mit vollständiger Virtualisierung wurden 1967 von IBM entwickelt. Sie wurden als Testwerkzeug (mit dem Namen SIMMON) für das CP/CMS-Betriebssystem von IBM entwickelt.

Aber was genau ist Virtualisierung? Einfach ausgedrückt ist Virtualisierung ein Prozess der Erstellung einer softwarebasierten (oder virtuellen) Version von etwas, das eine feste Menge an Speicher-, Netzwerk- und Rechenressourcen verwendet. Es funktioniert, indem es die zugrunde liegende Hardware partitioniert und jede Partition als separate, isolierte virtuelle Maschine mit eigenem Betriebssystem ausführt.

Hier kommt Hypervisor ins Spiel. Sie machen den Prozess der Virtualisierung machbar. In diesem Übersichtsartikel haben wir verschiedene Arten von Hypervisoren und ihre Funktionsweise erklärt. Beginnen wir mit einer grundlegenden Frage.

Was ist ein Hypervisor?

Definition: Ein Hypervisor ist Computerhardware, -software oder -firmware, die virtuelle Maschinen erstellt und diese dann effizient verwaltet und ihnen Ressourcen zuweist. Jede virtuelle Maschine kann ihr eigenes Betriebssystem und ihre eigenen Anwendungen ausführen.

Der Computer, auf dem der Hypervisor installiert ist, wird als Host-Maschine bezeichnet, und alle virtuellen Maschinen werden als Gast-Maschinen bezeichnet. Ein Hypervisor macht es einfach, die Ressourcen des Host-Rechners aufzuteilen und einzelnen Gast-Rechnern zuzuordnen. Außerdem können Sie die Ausführung von Gastbetriebssystemen und -anwendungen auf einer einzigen Computerhardware verwalten.

Angenommen, Sie haben einen PC mit 16 GB RAM und 500 GB Speicher, der auf dem Linux-Betriebssystem ausgeführt wird, und Sie möchten Anwendungen ausführen, die macOS erfordern. In diesem Fall können Sie eine virtuelle Maschine mit macOS erstellen und dann einen Hypervisor verwenden, um deren Ressourcen zu verwalten. Sie können ihm beispielsweise 4 GB RAM und 100 GB Speicher zuweisen.

Aus Sicht eines Gastcomputers gibt es keinen Unterschied zwischen der physischen und der virtualisierten Umgebung. Virtuelle Maschinen wissen nicht, dass sie von einem Hypervisor erstellt werden und verfügbare Ressourcen gemeinsam nutzen. Sie laufen gleichzeitig auf der Hardware, die sie antreibt. Daher verlassen sie sich vollständig auf den stabilen Betrieb der Hardware.

Hypervisor gibt es seit mehr als einem halben Jahrhundert, aber aufgrund der steigenden Nachfrage nach Cloud-Computing in den letzten Jahren ist ihre Bedeutung deutlicher geworden.

Arten von Hypervisoren

Seit Mitte der 1970er Jahre werden zwei verschiedene Arten von Hypervisoren verwendet, um die Virtualisierung zu implementieren:

Typ 1 / Bare-Metal / Native Hypervisor

Typ-1-Hypervisoren laufen direkt auf der Hardware des Hosts. Da sie direkten Zugriff auf die zugrunde liegende Hardware haben und nicht die Betriebssystemschicht durchlaufen müssen, werden sie auch Bare-Metal-Hypervisoren genannt.

Sie arbeiten besser, laufen effizienter und sind sicherer als andere Arten von Hypervisoren (Typ 2). Aus diesem Grund bevorzugen große Organisationen und Unternehmen Bare-Metal-Hypervisor für Rechenzentrums-Computing-Jobs.

Während die meisten Typ-1-Hypervisor es Administratoren ermöglichen, Ressourcen basierend auf der Priorität der Anwendung manuell zuzuweisen, bieten einige dynamische Ressourcenzuweisungs- und Verwaltungsoptionen.

Die frühen Hypervisoren, wie die Testsoftware SIMMON, waren Typ-1-Hypervisoren.

Moderne Beispiele: VMware ESXi, Nutanix AHV, Oracle VM Server für x86, Microsoft Hyper-V.

Typ 2 / gehostete Hypervisor

Wie alle Computerprogramme laufen Typ-2-Hypervisoren auf einem Betriebssystem. Daher verlassen sie sich sowohl auf die zugrunde liegende Hardware als auch auf die Software. Die Gastbetriebssysteme bauen auf dem Hostbetriebssystem auf.

Mit diesen Hypervisoren können Sie zwar mehrere virtuelle Maschinen erstellen, können jedoch nicht direkt auf die Hosthardware und deren Ressourcen zugreifen. Das vorinstallierte Betriebssystem steuert die Netzwerk-, Arbeitsspeicher- und Speicherzuweisung. Dies schränkt die Hypervisoren ein, kritische Entscheidungen zu treffen, und fügt eine gewisse Latenz hinzu.

Sie sind jedoch einfach einzurichten und zu verwalten. Sie erfordern keinen dedizierten Administrator und sind mit einer breiten Palette von Hardware kompatibel. Die meisten Entwickler verwenden sie zu Testzwecken.

Beispiele: VMware Workstation, VirtualBox, QEMU, VMware Player, VMware Fusion und Parallels Desktop für Mac.

Vorteile

Portabilität: Ein Hypervisor kann mehrere (virtuelle) Gastmaschinen unabhängig von der Hostmaschine ausführen, und jede Gastmaschine kann ein anderes Betriebssystem haben.

Ein autorisierter Benutzer kann Arbeitslasten verlagern und Arbeitsspeicher, Speicher und Computerressourcen nach Bedarf auf mehrere Gastcomputer verteilen. Wenn eine bestimmte Anwendung mehr Leistung benötigt, können Benutzer über den Hypervisor zusätzliche Ressourcen (von der Hostmaschine) zuweisen.

Kosteneffizient: Wenn Sie keinen Hypervisor installieren, müssen Sie möglicherweise andere physische Hardware kaufen, um verschiedene Anwendungen auszuführen oder zu testen. Mit einem Hypervisor können Sie jedoch mehrere Instanzen verschiedener Betriebssysteme auf einer einzigen leistungsstarken physischen Maschine einrichten. Es reduziert auch die Kosten für Computerressourcen und den Stromverbrauch erheblich.

Flexibilität: Da der Hypervisor das Betriebssystem von der zugrunde liegenden Hardware isoliert, sind die zugehörigen Anwendungen nicht mehr auf bestimmte Hardwaretreiber angewiesen. Dies macht das Gesamtsystem flexibler, um eine Vielzahl von Software auszuführen.

Sicher:  Die Isolation jedes Gastes bedeutet, dass ein Problem mit einem Gast die anderen nicht beeinflusst. Wenn beispielsweise ein bösartiges Programm alle Dateien auf einer virtuellen Maschine beschädigt, ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass die Dateien und Anwendungen auf den anderen Maschinen betroffen sind.

Systemsicherung und -wiederherstellung: Virtuelle Maschinen sind Dateien, die wie jede konventionelle Datei kopiert und wiederhergestellt werden können. Die Hypervisor-basierte Replikation ist einfacher und kostengünstiger als andere Replikationstechniken für virtuelle Maschinen. Es ist auch hardwarenah, was bedeutet, dass man jede doppelte Datei problemlos auf jedem Speichergerät speichern kann.

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Nachteile

Eingeschränkte Leistung: Da Ressourcen in virtuellen Umgebungen gemeinsam genutzt werden (obwohl Gäste voneinander isoliert bleiben), kann dies die Leistung erheblich beeinträchtigen.

Manchmal bleibt die zugrunde liegende Ursache verborgen. Wenn beispielsweise die Auslastung eines Programms bis zu dem Punkt ansteigt, an dem die maximale Hardwarezuweisung erreicht ist, wird der Gastcomputer entweder blockiert oder beginnt, Ressourcen von anderen Gastsystemen zu greifen, die auf demselben Hostcomputer ausgeführt werden. Dies führt zu einem Hardwaremangel, der sich auf die Reaktionsfähigkeit anderer aktiver Anwendungen auswirkt.

Risiko: Virtualisierung birgt ein Risiko, da Sie alle Ihre Eier in einem Korb aufbewahren. Wenn der Hostcomputer ausfällt, werden auch alle seine Gastcomputer ausfallen. Diese Art von Risiko wird als „Single Point of Failure“ bezeichnet.

Erhöhte Komplexität:  Die Verwaltung mehrerer virtueller Maschinen ist komplexer als die Verwaltung einer physischen Maschine. Einige Hypervisor haben eine steile Lernkurve. Und da Virtualisierung immer beliebter wird, sind mehr neue Fähigkeiten erforderlich.

Virtualisierung auf Heimcomputern möglich machen

Mitte der 2000er Jahre begannen die Hersteller von Mikroprozessoren, ihre Produkte wie AMD-V und Intel VT-x um Hardware-Virtualisierungsunterstützung zu erweitern. In späteren Prozessormodellen integrierten sie mehr Hardwareunterstützung, die erhebliche Geschwindigkeitsgewinne ermöglichte. Ab 2019 unterstützen alle modernen Intel- und AMD-Prozessoren die Funktionen virtueller Maschinen.

Hypervisor haben auch in modernen eingebetteten Systemen einen Platz. Dies sind meist Typ-1-Hypervisoren, die mit bestimmten Anforderungen entwickelt wurden. Im Gegensatz zu Computerhardware verwenden eingebettete Systeme eine breite Palette von Architekturen und weniger standardisierten Umgebungen.

Die Virtualisierung in diesen Systemen ermöglicht eine höhere Effizienz, Kommunikationskanäle mit hoher Bandbreite, Isolation, Sicherheit und Echtzeitfähigkeiten. OKL4 unterstützt beispielsweise verschiedene Architekturen, einschließlich x86 und ARM. Es wurde auf mehr als 2 Milliarden Mobiltelefonen eingesetzt, sowohl als Basisband-Betriebssystem als auch zum Hosten virtueller Betriebssysteme.

Sicherheit

Sicherheit ist einer der wichtigsten Faktoren in der Virtualisierungstechnologie. Verschafft sich ein Angreifer unberechtigten Zugriff auf den Hypervisor, könnte er sich dann durch Ausnutzung gemeinsamer Hardware-Caches oder anderer Schwachstellen Zugriff auf jeden Gastcomputer der Host-Software verschaffen. Diese Art von Angriff wird Hyperjacking genannt.

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Moderne Hypervisor sind jedoch robust und gut geschützt. Obwohl es einige Neuigkeiten über kleine Hacks gab, wurde bisher kein größeres Hyperjacking gemeldet, außer dem Testen des Konzeptnachweises.