Die Virtuelle Maschine – eine Einführung

Die virtuelle Maschine (kurz VM) ist ein klassisches Konzept der Hardware-Virtualisierung und dient klassischerweise zur Bereitstellung virtueller Umgebungen im Rahmen von Software-Tests. Zahlreiche Software-Lösungen ermöglichen den Betrieb mehrerer Gastsysteme auf einem gemeinsamen Wirtssystem (Host). Doch wie funktionieren virtuelle Maschinen und welche Vor- und Nachteile sind mit diesem Virtualisierungskonzept verbunden? Wir führen Sie in die Grundbegriffe der Hypervisor-basierten Hardware-Virtualisierung ein und zeigen Ihnen anhand einer Schritt-für-Schritt-Anleitung, wie Sie virtuelle Umgebungen für Windows oder Linux bereitstellen.

Im Rahmen der Hardware-Virtualisierung lassen sich die Ressourcen eines physischen Systems auf mehrere virtuelle Systeme aufteilen. Dabei wird jedes Gastsystem inklusive aller Programme, die in diesem laufen, von der darunterliegenden Hardware getrennt.

In der Praxis kommen virtuelle Maschinen meist zum Einsatz, um bestimmte Prozesse und Anwendungen aus Sicherheitsgründen zu isolieren. VMs bieten im Vergleich zu anderen Virtualisierungskonzepten eine starke Kapselung und fungieren daher als Basis für Hosting-Produkte, bei denen mehrere Kunden-Server auf einer gemeinsamen Hardwareplattform betrieben werden. Die Bereitstellung virtueller Maschinen ist die Basis von Shared-Hosting- und VPS-Angeboten (Virtual Private Server). Da jedes Gastsystem in einer isolierten Laufzeitumgebung ausgeführt wird, wirken sich in einer VM gekapselte Prozesse weder auf das Host-System noch auf andere Gastsysteme auf derselben physischen Maschine aus.

Im Unternehmenskontext nutzt man virtuelle Maschinen, um Kosten für den Betrieb und die Wartung von IT-Infrastrukturen zu reduzieren. Unternehmen leisten sich mitunter eine umfangreiche IT-Infrastruktur, die die meiste Zeit des Tages brachliegt. Mit virtuellen Maschinen lassen sich Leerlaufzeiten dieser Art deutlich reduzieren. Statt jedem Anwendungsbereich der Unternehmens-IT eine eigene physische Maschine zur Verfügung zu stellen, gehen immer mehr Unternehmen dazu über, Mail-, Datenbank-, Datei- oder Anwendungs-Server in isolierten virtuellen Umgebungen auf derselben leistungsstarken Hardware-Plattform zu betreiben. Umgesetzt wird dieses Konzept im Rahmen der Serverkonsolidierung. Denn es in der Regel günstiger, eine große Rechenplattform für verschiedene virtuelle Systeme zu unterhalten, als mehrere kleine Rechner zu betreiben. Insbesondere Prozessoren sind in der Anschaffung nach wie vor teuer. Ungenutzte Prozessorzeit ist somit ein unnötiger Kostenfaktor, der sich durch einen Umstieg auf virtuelle Systeme vermeiden lässt.

Ein weiteres Anwendungsfeld virtueller Umgebungen ist die Software-Entwicklung. Programmierer, die Anwendungen für verschiedene Systemarchitekturen entwickeln, greifen für Software-Tests oft auf virtuelle Maschinen zurück. Zahlreiche Hypervisor-Produkte ermöglichen den parallelen Betrieb verschiedener Betriebssysteme oder System-Versionen. Virtuelle Maschinen lassen sich auf Knopfdruck erstellen, klonen und ohne Datenrückstände von der physischen Festplatte entfernen. Zudem haben fehlerhafte Prozesse innerhalb einer virtuellen Maschine aufgrund der Kapselung keine Auswirkungen auf das darunterlegende System.

Privatnutzer greifen in der Regel auf Hypervisoren mit Emulationsfunktionen zurück, um Anwendungen ausführen zu können, die ursprünglich für eine andere Systemarchitektur geschrieben wurden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass Hardware-Virtualisierung ebenso wie Emulation immer mit Performance-Einbußen einhergeht. Möchte ein Anwender beispielsweise ein Linux-Programm in einer VM auf seinem Windows-Rechner ausführen, müssen zusätzliche Ressourcen sowohl für den Hypervisor als auch für das Gastsystem aufgewendet werden. Einer derart gekapselten Linux-Anwendung steht somit nicht mehr die gesamte Leistung der zugrundeliegenden Hardware zur Verfügung. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem Overhead.

An ihre Grenzen kommt Hardware-Virtualisierung vor allem bei Ressourcen-intensiven Workloads. Laufen mehrere virtuelle Maschinen auf demselben Host-System, kann sich der Ressourcen-Bedarf der einen Maschine bei Leistungsspitzen zudem auf die Performance der anderen Maschinen auf demselben Host auswirken. Dem lässt sich entgegenwirken, indem jeder virtuellen Maschine ein festes Kontingent an Hardware-Ressourcen zugesichert wird. Achten Sie darauf, dass die Gesamtheit aller gleichzeitig in Anspruch genommenen virtuellen Ressourcen nie die zur Verfügung stehende Maximalleistung der physischen Maschine übersteigt.

Folgende Tabelle stellt die wesentlichen Vor- und Nachteile virtueller Maschinen gegenüber. Ob und wie stark die angeführten Vorzüge und Einschränkungen ins Gewicht fallen, hängt in erster Linie davon ab, in welchem Rahmen Sie VMs bereitstellen möchten und welchen Zweck Sie mit der Virtualisierung verfolgen.

Im Folgenden zeigen wir Ihnen anhand einer Schritt-für-Schritt-Anleitung, wie Sie eine virtuelle Maschine auf einem Windows-Host erstellen und in dieser Ubuntu-Linux als Gastsystem ausführen. Für das Tutorial verwenden wir Windows 7. Als Hypervisor-Software kommt Oracle VM VirtualBox zum Einsatz.

Zur Bereitstellung virtueller Betriebssysteme stehen Ihnen diverse Software-Lösungen zur Verfügung. Marktführend sind Produkte der Firmen Oracle, VMware und Parallels.

Folgende Tabelle zeigt die beliebtesten Hypervisor-Produkte für Windows, Linux und macOS sowie mögliche Gastsysteme.

Für das nachfolgende Tutorial haben wir den Hypervisor VM VirtualBox von Oracle verwendet. Die Software steht Nutzern unter der GNU General Public License (GNU GPLv2) kostenlos zur Verfügung. Wir empfehlen den Download von der Anbieter-Website. Gehen Sie dafür folgendermaßen vor:

1. Rufen Sie die URL http://www.oracle.com/technetwork/server-storage/virtualbox/downloads/index.html auf.
2. Wählen Sie das aktuelle Download-Paket für Ihr Betriebssystem aus (In unserem Fall Windows).
3. Speichern Sie die .exe-Datei mit den Binärdaten in einem beliebigen Verzeichnis auf Ihrem Rechner ab.

Um ein Gastsystem in einer virtuellen Maschine ausführen zu können, benötigen Sie ein Betriebssystem-Image. Dabei handelt es sich um ein Speicherabbild, das von der Hypervisor-Software als Systemfestplatte interpretiert werden kann. Ein solches kann im offenen Dateiformat .iso vorliegen. Gängige Virtualisierungslösungen arbeiten zudem mit herstellereigenen Container-Formaten für Image-Dateien wie beispielsweise .vmdk (VMware), .vhd (Xen und Microsoft Hyper-V) und .vdi (Oracle VM VirtualBox).

Für dieses Tutorial verwenden wir das quelloffene Betriebssystem Ubuntu 17.10.1, das sich als .iso-Datei von der offiziellen Ubuntu-Projekt-Website herunterladen lässt. Gehen Sie dazu folgendermaßen vor:

1. Rufen Sie die URL https://www.ubuntu.com/download/desktop auf.
2. Wählen Sie die aktuelle Version des Betriebssystems aus und klicken Sie auf „Download“
3. Speichern Sie die .iso Datei lokal auf Ihrem System.

Entscheiden Sie im nächsten Schritt, ob eine neue virtuelle Festplatte erzeugt werden soll oder ob Sie der virtuellen Maschine eine bereits bestehende virtuelle Festplatte zuweisen möchten.

In diesem Tutorial erzeugen wir eine neue virtuelle Festplatte, auf der wir das Gastsystem anschließend von Grund auf neu installieren.

Wählen Sie die Option „Create a virtual hard disk now“ und bestätigen Sie Ihre Auswahl mit einem Klick auf „Create“.

Bestätigen Sie Ihre Auswahl mit „Next“.

Im nächsten Schritt müssen Sie sich entscheiden, ob Sie der virtuellen Maschine einen festen Anteil des zur Verfügung stehenden Festplattenspeichers zuweisen möchten. Alternativ haben Sie die Möglichkeit, Speicherplatz auf der physischen Festplatte dynamisch zuzuweisen. In diesem Fall wird der VM kein festes Kontingent zugewiesen, stattdessen passen sich die in Anspruch genommenen Speicherressourcen auf der physischen Festplatte automatisch an den aktuell benötigten Speicherbedarf der VM an.

Die neu erstellte VM erscheint mit dem von Ihnen gewählten Namen in der Liste der zur Verfügung stehenden virtuellen Maschinen.

Für jede virtuelle Maschine legt VM VirtualBox einen Datei-Ordner an. Dieser wird automatisch in dem von Ihnen gewählten Speicherziel erstellt und enthält neben der VDI-Datei für die virtuelle Festplatte ein Log-File sowie eine Definition der VM.

Wir wählen die .iso-Datei mit dem Speicherabbild von Ubuntu 17.10.1.

Alle Änderungen, die Sie in Ihrer VM vornehmen, werden automatisch in die VDI-Datei geschrieben, die Sie im Rahmen der Konfiguration als virtuelle Festplatte erstellt haben. Möchten Sie das Gastsystem auf einem anderen Rechner ausführen, kopieren Sie lediglich den Dateiordner Ihrer virtuellen Maschine (inklusive VDI-Datei, Log-File und Definition) auf das entsprechende Gerät. Beachten Sie dabei, dass jeder Rechner, auf dem sie Ihre VM ausführen möchten, über eine kompatible Virtualisierungssoftware verfügen muss.