Virtualisierung im Cloud Computing: Konzepte, Typen und Anwendungsfälle

Wenn du dich schon immer gefragt hast, wie Cloud-Anbieter zahllose Anwendungen weltweit betreiben können, ohne dass für jede einzelne ein Rack mit Servern benötigt wird, liegt die Antwort in der Virtualisierung. Sie ist eine der Kerntechnologien der Cloud, die im Verborgenen dafür sorgt, dass modernes Computing effizient, skalierbar und kostengünstig ist.

In diesem Artikel erkläre ich dir, was Virtualisierung wirklich bedeutet, wie sie im Zusammenhang mit Cloud Computing funktioniert und warum sie für jeden, der Anwendungen bereitstellt, die Infrastruktur verwaltet oder intelligentere architektonische Entscheidungen treffen will, eine entscheidende Rolle spielt.

Wenn du neu im Thema bist, bietet der Kurs Cloud Computing verstehen eine solide Grundlage, bevor du dich mit Virtualisierung beschäftigst.

Virtualisierung verstehen

Virtualisierung ist ein Prozess, der physische Hardwareressourcen abstrahiert (vereinfacht) und sie als logische, isolierte Computerumgebungen darstellt. Dies wird durch die Einführung einer Softwareschicht erreicht, die Anwendungen und Betriebssysteme von der physischen Maschine trennt.

Das Ergebnis ist eine virtuelle Maschine (VM)- ein in sich geschlossenes System mit eigener virtueller CPU, Arbeitsspeicher, Speicher und Netzwerkschnittstelle, das auf der eigentlichen Hardware des Hosts läuft.

Diese Vereinfachung ermöglicht es, dass mehrere VMs auf einem einzigen physischen Server koexistieren und unabhängig voneinander arbeiten können. Sie verbessert die Ressourcennutzung drastisch und bildet die technische Grundlage für Cloud-Service-Modelle wie IaaS und PaaS.

Wenn du genauer wissen willst, wie sich Container und virtuelle Maschinen in Bezug auf Leistung und Anwendungsfälle unterscheiden, schau dir diesen detaillierten Vergleich für Entwickler an.

Die Rolle der Virtualisierung im Cloud Computing

Die Virtualisierung spielt beim Cloud Computing mehrere Rollen, darunter die hardwareunabhängige Ressourcenzuweisung und die Mandantenfähigkeit.

• Dynamische Ressourcenzuweisung: Virtualisierte Umgebungen können je nach Arbeitsbelastung schnell nach oben oder unten skaliert werden.
• Hardwareunabhängigkeit: VMs und Container können auf jedem kompatiblen physischen Host laufen, was Cloud-Workloads hochgradig portabel macht.
• Multi-Tenancy: Ein einziger physischer Server kann mehrere Mieter mit isolierten Umgebungen sicher beherbergen.

Die Rolle der Virtualisierung im Cloud Computing. Bild vom Autor.

Cloud-Plattformen wie AWS, Azure und GCP stützen sich auf Hypervisoren und Container-Orchestrierungstools, um virtualisierte Arbeitslasten in großem Umfang bereitzustellen und zu verwalten und so sicherzustellen, dass die Nutzer/innen unabhängig von der zugrunde liegenden Infrastruktur einen zuverlässigen und konsistenten Service erhalten.

Schlüsselkomponenten der Virtualisierung

Moderne Virtualisierung beruht auf voneinander abhängigen Komponenten, um virtuelle Umgebungen bereitzustellen und zu verwalten. Schauen wir sie uns in diesem Abschnitt an.

Hypervisor

Ein Hypervisor oder Virtual Machine Monitor (VMM) ist eine Softwareschicht, die für die Erstellung und den Betrieb virtueller Maschinen verantwortlich ist. Sie weist mehreren VMs physische Ressourcen (CPU, Speicher, Storage) zu und verwaltet deren Ausführung.

Es gibt zwei Arten von Hypervisoren:

• Typ 1 (Bare-Metal): Läuft direkt auf der physischen Hardware ohne ein Host-Betriebssystem. Beispiele sind VMware ESXi und Microsoft Hyper-V. Diese werden in Rechenzentren und Cloud-Umgebungen für hohe Leistung und Sicherheit eingesetzt.
• Typ 2 (gehostet): Läuft auf einem Host-Betriebssystem. Beispiele sind VMware Workstation und VirtualBox. Diese sind eher in Entwicklungs- und Testumgebungen zu finden.

Der Hypervisor sorgt für Ressourcenisolierung und Fairness und verhindert so, dass eine VM die Systemressourcen monopolisiert oder andere beeinträchtigt.

Virtuelle Maschinen (VMs)

Eine virtuelle Maschine ist ein softwaredefinierter Computer, der wie ein physischer Computer funktioniert. Jede VM enthält einen virtualisierten Hardware-Stack (CPU, Arbeitsspeicher, Festplatte und E/A-Geräte), ein Betriebssystem und Anwendungen mit Prozessen.

VMs können angehalten, geklont, zwischen Hosts migriert oder aus Snapshots wiederhergestellt werden. Diese Flexibilität unterstützt die kontinuierliche Bereitstellung, Disaster Recovery und die Automatisierung der Infrastruktur.

Für einen umfassenderen Überblick über virtuelle Maschinen und wie sie in verschiedenen Branchen eingesetzt werden, ist dieser Leitfaden über VM-Typen und Vorteile eine gute Lektüre.

Tools für die Virtualisierungsverwaltung

Die Verwaltung virtualisierter Umgebungen in großem Maßstab erfordert spezielle Tools. Diese Plattformen bieten:

• Überwachung und Berichterstattung: Echtzeit-Einblicke in den VM-Zustand, die Leistung und die Ressourcennutzung.
• Automatisierung: Tools wie VMware vCenter oder Red Hat Virtualization Manager können Arbeitslasten automatisch ausgleichen oder neue VMs auf der Grundlage von Richtlinien aufsetzen.
• Bereitstellungs- und Lebenszyklusmanagement: Admins können Vorlagen definieren und VMs bei Bedarf in Clustern oder Regionen einsetzen.

Du kannst die Grundlagenim Kurs Containerization and Virtualization Conceptsvertiefen,in dem diese Prinzipien mit praktischen Beispielen behandelt werden.

Arten der Virtualisierung

Virtualisierung gibt es in verschiedenen Formen, die jeweils unterschiedliche Aspekte der Computerinfrastruktur betreffen. Im Folgenden fasse ich die wichtigsten Arten zusammen und zeige, wie sie zu effizienten, flexiblen Cloud-Umgebungen beitragen.

Server-Virtualisierung

Bei der Servervirtualisierung wird ein einzelner physischer Server in mehrere isolierte virtuelle Maschinen (VMs) unterteilt, von denen jede in der Lage ist, ihr eigenes Betriebssystem und ihre eigenen Anwendungen auszuführen. Dies geschieht mithilfe eines Hypervisors, der die physische Hardware abstrahiert und jeder VM virtualisierte CPU-, Speicher-, Storage- und Netzwerkressourcen zuweist. 

Zu den wichtigsten Vorteilen der Servervirtualisierung gehören eine bessere Hardwareauslastung, die Isolierung von Arbeitslasten und die Möglichkeit, heterogene Betriebssysteme auf demselben physischen Host zu betreiben.

Diese Art der Virtualisierung ist die Grundlage für Infrastructure as a Service (IaaS)-Angebote im Cloud Computing, bei denen physische Server abstrahiert und als flexible, bedarfsgerechte Ressourcen angeboten werden.

Speicher-Virtualisierung

Die Speichervirtualisierung konsolidiert mehrere physische Speichergeräte auf verschiedenen Servern oder Speichersystemen zu einem einzigen logischen Speicherpool, der zentral verwaltet werden kann.

Die Virtualisierung des Speichers ermöglicht eine dynamische Kapazitätszuweisung, bessere Redundanz und eine effizientere Datenverwaltung. Es entkoppelt den Speicher von der zugrunde liegenden Hardware, so dass Administratoren die Kapazität skalieren oder Daten ohne Serviceunterbrechung migrieren können. 

Speichervirtualisierung wird häufig in Rechenzentren und Cloud-Speicherdiensten eingesetzt, um hohe Verfügbarkeit, Daten-Tiering und eine kostengünstige Nutzung zu gewährleisten.

Netzwerkvirtualisierung

Die Netzwerkvirtualisierung schafft virtuelle Netzwerke, die unabhängig von der zugrunde liegenden physischen Netzwerkhardware funktionieren. Sie nutzt Technologien wie VLANs, virtuelle Switches und Software-Defined Networking (SDN), um Netzwerkressourcen zu abstrahieren und die Skalierbarkeit von Cloud-Umgebungen zu verbessern.

Diese Virtualisierung ermöglicht es Administratoren, Netzwerkrichtlinien programmatisch zu definieren, den Datenverkehr zu segmentieren und isolierte Netzwerke in einer gemeinsam genutzten Infrastruktur einzurichten, ohne physische Neuverkabelung oder neue Hardware hinzuzufügen.

Desktop-Virtualisierung

Die Desktop-Virtualisierung stellt den Endnutzern eine vollständige Desktop-Umgebung von einem zentralen Server aus zur Verfügung, oft unter Verwendung der Virtual Desktop Infrastructure (VDI). Anstatt auf lokaler Hardware zu laufen, wird der Desktop (einschließlich Betriebssystem, Anwendungen und Benutzereinstellungen) auf einem entfernten Server ausgeführt und der Zugriff erfolgt über das Netzwerk.

Dieser Ansatz vereinfacht die IT-Verwaltung, verbessert die Sicherheit (da die Daten im Rechenzentrum bleiben) und ermöglicht einen flexiblen Zugriff auf einheitliche Umgebungen über verschiedene Geräte und Standorte hinweg.

Anwendungsvirtualisierung

Mit der Anwendungsvirtualisierung können Benutzer/innen Anwendungen in isolierten Umgebungen ausführen, ohne dass sie direkt auf dem Betriebssystem des/der Benutzer/in installiert werden.

Die Anwendung wird mit Abhängigkeiten verpackt und in einer containerisierten oder virtuellen Laufzeitumgebung ausgeführt. Das verhindert Konflikte zwischen Anwendungen, vereinfacht die Bereitstellung und unterstützt die zentrale Verwaltung.

4 Vorteile der Virtualisierung im Cloud Computing

Nachdem wir uns nun mit den wichtigsten Arten der Virtualisierung befasst haben, wollen wir uns nun ansehen, warum sie im Cloud Computing so weit verbreitet ist und welche Vorteile sie Anbietern und Nutzern bietet.

1. Kosteneffizienz

Im Grunde genommen minimiert die Virtualisierung den Hardware-Wildwuchs. Anstatt für jede Arbeitslast einen eigenen Server bereitzustellen, können Teams mehrere virtuelle Maschinen auf einem einzigen physischen Host konsolidieren. Dadurch werden die Anfangsinvestitionen in die Hardware und die laufende Wartung drastisch reduziert.

Das Ergebnis? Geringerer Stromverbrauch, geringere Kühlungsanforderungen und ein kleinerer Platzbedarf im Rechenzentrum - all das führt im Laufe der Zeit zu erheblichen Kosteneinsparungen.

2. Skalierbarkeit und Flexibilität

Die Skalierung in einer virtualisierten Umgebung ist nicht nur einfacher, sie ist bereits integriert. Im Gegensatz zu traditionellen Infrastrukturen, die oft eine manuelle Bereitstellung erfordern, können virtuelle Maschinen und Container innerhalb von Minuten programmgesteuert geklont oder in der Größe verändert werden.

Du musst zehn neue Instanzen bereitstellen, um Verkehrsspitzen zu bewältigen? Das ist ein einfaches Automatisierungsskript in einer virtualisierten Cloud. Willst du dich zurücknehmen, wenn der Verbrauch sinkt? Ressourcen können genauso schnell wieder freigegeben werden. Dank dieser dynamischen Ressourcenkontrolle können Cloud-native Anwendungen mit der Nachfrage skalieren und sind nicht durch Hardwarebeschränkungen eingeschränkt.

3. Disaster Recovery und Backup

Virtualisierung vereinfacht Backup- und Wiederherstellungsstrategien durch Abstraktion. Da virtuelle Maschinen letztendlich Dateien sind, können sie mit minimalem Aufwand als Snapshots erstellt, repliziert und wiederhergestellt werden.

In der Praxis bedeutet das, dass Organisationen:

• Erstellen von Point-in-Time-Snapshots von laufenden Systemen
• Klonen von VMs zwischen Rechenzentren für geografische Redundanz
• Automatisieren Sie Failover und Wiederherstellung mit Orchestrierungswerkzeugen

4. Verbesserte Ressourcennutzung

Die traditionelle IT führt oft zu einer unzureichend genutzten Infrastruktur, z.B. zu Servern, die nur zu 20% bis 30% ausgelastet sind. Die Virtualisierung kehrt dieses Modell um, indem sie eine präzise Ressourcenzuweisung ermöglicht. Arbeitsspeicher, CPU und Speicher können auf der Grundlage des tatsächlichen Bedarfs bereitgestellt werden, nicht auf der Grundlage von Worst-Case-Schätzungen.

Ein einzelner Hostrechner, auf dem fünf leicht ausgelastete VMs laufen, kann beispielsweise eine Auslastung von 70-80% erreichen, ohne dass die Leistung darunter leidet. Durch diese Optimierung können Unternehmen den größtmöglichen Nutzen aus jedem Server ziehen und so die Verschwendung und den betrieblichen Aufwand reduzieren.

Die wichtigsten Vorteile der Virtualisierung im Cloud Computing. Bild vom Autor.

Herausforderungen und Überlegungen

Wie jede leistungsstarke Technologie hat auch die Virtualisierung ihre Tücken. Für eine effektive Umsetzung müssen die Systemarchitektur, die Sicherheitsrichtlinien und die Besonderheiten der Lizenzierung berücksichtigt werden. 

In diesem Abschnitt gehen wir auf einige häufige Herausforderungen ein.

Performance Overhead

Obwohl Hypervisoren immer effizienter geworden sind, führt die Virtualisierung immer noch eine Abstraktionsebene ein, die sich auf die Leistung auswirken kann, insbesondere bei I/O-intensiven oder Echtzeit-Workloads.

Lass uns das mal aufschlüsseln:

• CPU-Overhead entsteht, wenn mehrere VMs um die physischen Kerne konkurrieren.
• E/A-Engpässe entstehen, wenn Speicher und Netzwerk nicht so konfiguriert sind, dass sie gleichzeitige Anforderungen bewältigen können.
• Die Latenz (verzögerte Informationen) erhöht sich geringfügig durch zusätzliche Softwareschichten zwischen Gast- und Hostsystem.

In Hochleistungsumgebungen müssen diese Probleme durch Ressourcen-Pinning, optimierte Treiber oder sogar durch Umgehung der Virtualisierung für kritische Workloads entschärft werden.

Sicherheitsrisiken

Die mandantenfähige Natur der Virtualisierung bedeutet, dass die Isolierung entscheidend ist. Ein Fehler in der Konfiguration oder eine Schwachstelle im Hypervisor kann dazu führen, dass sich böswillige Aktivitäten auf die VMs ausbreiten oder, schlimmer noch, das Hostsystem selbst angreifen.

Einige der wichtigsten Risiken sind:

• VM-Escape-Angriffe, bei denen eine kompromittierte VM die Isolation durchbricht.
• Falsch konfigurierte virtuelle Switches oder gemeinsam genutzter Speicher, der sensible Daten preisgibt.
• Inkonsistentes Patchen von Hypervisoren oder Gastbetriebssystemen schafft Angriffsflächen.

Lizenzierung und Compliance

Dieser Bereich überrascht die Teams oft bei Prüfungen. Viele Softwareanbieter strukturieren ihre Lizenzen auf der Grundlage physischer Kerne, Sockets oder sogar der Anzahl virtueller Instanzen - Regeln, die nicht immer gut mit dynamischen Cloud-Workloads vereinbar sind.

Ein virtualisiertes System kann leicht aus dem Rahmen fallen, wenn:

• Die Ausbreitung von VMs führt dazu, dass lizenzierte Anwendungen unkontrolliert eingesetzt werden.
• Die Software wird zur Ausfallsicherung auf mehrere Hosts repliziert.
• Arbeitslasten bewegen sich zwischen Regionen oder Rechenzentren mit bestimmten Anforderungen an den Aufenthaltsort.

Anwendungsfälle und Beispiele

Virtualisierung geht über theoretische Konzepte hinaus und versorgt reale Systeme in großem Maßstab. Ihre Vielseitigkeit macht sie zu einer branchenübergreifenden Lösung, von der öffentlichen Cloud-Infrastruktur über die Unternehmens-IT bis hin zur agilen Softwareentwicklung. Sehen wir uns an, wie verschiedene Branchen Virtualisierung in der Praxis anwenden.

Anbieter von Cloud-Diensten

Führende Cloud-Plattformen wie AWS, Microsoft Azure und Google Cloud Platform (GCP) basieren auf robusten Virtualisierungs-Frameworks.

• AWS: Ursprünglich basierte AWS auf dem Xen-Hypervisor und wechselte dann zu seinem eigenen Nitro-System - einer Kombination aus dem leichtgewichtigen Hypervisor und dedizierter Hardware - um Sicherheit, Leistung und Kosten zu optimieren. Mit Nitro können EC2-Instanzen näher an die Bare-Metal-Geschwindigkeit herangeführt werden, während die Tenant-Isolation erhalten bleibt.
• Azure: Microsoft nutzt Hyper-V, seinen Hypervisor für Unternehmen, um virtuelle Maschinen und Container zu betreiben. Der Fabric Controller von Azure verwaltet Tausende von VMs und stellt die Verfügbarkeit und Skalierung über Rechenzentren hinweg sicher.
• GCP: Google verwendet KVM (Kernel-based Virtual Machine), einen nativen Linux-Hypervisor, der in seine Compute Engine Services integriert ist. GCP unterstützt auch verschachtelte Virtualisierung, was für Kunden, die ihre eigenen Hypervisoren innerhalb von VMs betreiben, sehr nützlich ist.

Diese Plattformen zeigen, wie Virtualisierung massive Multi-Tenant-Architekturen unterstützt, ohne die Leistung oder Sicherheit zu beeinträchtigen.

IT-Umgebungen in Unternehmen

Virtualisierung wird in Unternehmen häufig eingesetzt, um Arbeitslasten zu konsolidieren, Hardware-Lebenszyklen zu verlängern und die Systemverwaltung zu vereinfachen.

Stell dir ein mittelständisches Unternehmen vor, das früher 30 physische Server unterhielt, von denen jeder für eine einzige Arbeitslast zuständig war. Durch die Einführung der Servervirtualisierung konnte diese Zahl auf fünf leistungsstarke Hosts mit Dutzenden von VMs reduziert werden. Dadurch konnten nicht nur die Hardwarekosten und der Energieverbrauch gesenkt werden, sondern auch die Systemwartung und -aufrüstung wurde deutlich weniger störend.

Unternehmen nutzen die Virtualisierung auch, um private Clouds zu implementieren, die es den Abteilungen ermöglichen, Ressourcen nach Bedarf bereitzustellen, ohne auf eine öffentliche Cloud zugreifen zu müssen. Das ist besonders wertvoll in Branchen mit strengen Anforderungen an die Datenverwaltung.

Um zu verstehen, wie Virtualisierung in das breitere Cloud-Modell passt , bietet dieser Vergleich zwischen privaten und öffentlichen Clouds wichtige Erkenntnisse.

Entwicklung und Prüfung

Nur wenige Bereiche profitieren so direkt von der Virtualisierung wie Softwareentwicklung und Qualitätssicherung.

Hier ist der Grund dafür: Entwickler brauchen konsistente, isolierte Umgebungen, um Anwendungen zu erstellen, zu testen und einzusetzen. Virtuelle Maschinen und Container ermöglichen es Teams, Produktionsumgebungen lokal oder im Staging zu replizieren, ohne die Live-Systeme zu beeinträchtigen.

Ein typischer Arbeitsablauf könnte so aussehen:

• Eine virtuelle Maschine aufsetzen, um neue Funktionen auf Betriebssystemebene zu testen.
• Verwendung von Containern (z.B. Docker) zum Aufbau reproduzierbarer Umgebungen für Microservices.
• Automatisierte Tests in isolierten CI/CD-Pipelines ausführen und diese Umgebungen nach der Ausführung wieder abbauen.

Dieser Ansatz verbessert die Zuverlässigkeit der Tests, beschleunigt die Entwicklungszyklen und reduziert das Risiko von Fehlern bei der Bereitstellung aufgrund von Umgebungsfehlern.

Um über die Grundlagen hinauszugehen und mit Containern in der Praxis zu arbeiten, bietet der Docker-Kurs für Fortgeschrittene praktisches Lernen mit realen Tools.

Fazit

Virtualisierung ist mehr als nur ein Werkzeug - sie ist die Infrastrukturschicht, die modernes Cloud Computing möglich macht. Die Zusammenfassung von Hardware in skalierbare, flexible und portable Einheiten ermöglicht es Unternehmen, die Ressourcennutzung zu optimieren, Anwendungen schneller bereitzustellen und die Ausfallsicherheit des Systems zu gewährleisten.

Von Hyperscale-Cloud-Plattformen bis hin zu IT-Abteilungen von Unternehmen und agilen Entwicklungsteams - Virtualisierung unterstützt Innovationen und sorgt gleichzeitig für eine effiziente und kostengünstige Infrastruktur. Mit der zunehmenden Verbreitung der Cloud und der steigenden Komplexität der Arbeitslasten wird die Virtualisierung auch in Zukunft eine wichtige Säule der digitalen Transformation sein. 

Wenn du gerade erst mit dem Cloud Computing anfängst, ist dieser Leitfaden für Anfänger/innen im Jahr 2025 ein hilfreicher Startpunkt.