Was ist eine virtuelle Maschine? Arten, Vorteile und Anwendungsfälle

Virtuelle Maschinen (VMs) sind ein zentraler Bestandteil der IT-Infrastruktur. Sie sind softwarebasierte Emulationen physischer Computer, die logistische und rechnerische Flexibilität bieten.

In diesem Artikel erkläre ich dir, wie virtuelle Maschinen funktionieren, welche Vorteile sie haben, welche Anwendungsfälle es gibt und vieles mehr!

Was ist eine virtuelle Maschine (VM)?

Eine virtuelle Maschine ist eine Technologie, die ein komplettes Computersystem mit CPU, Arbeitsspeicher, Speicher, Netzwerkschnittstellen und Betriebssystem emuliert. 

VMs leihen sich Ressourcen vom physischen Computer, um diese virtuellen Computer zu erzeugen. Wenn ein Computer zum Beispiel 8 CPUs und 16 GBs RAM hat, können wir eine Umgebung mit 4 CPUs und 8 GBs RAM virtualisieren, die von der physischen Hardware getrennt ist. 

Wir verlassen uns auf Hypervisoren, Software, die die Virtualisierung von Hardwareressourcen steuert und mehrere virtuelle Umgebungen verwaltet, um mehrere VMs auf einem einzigen Satz Hardware zu verwalten.

Virtuelle Maschinen vs. Physikalische Maschinen

Es ist wichtig zu verstehen, wie sich eine virtuelle Maschine von einer physischen Maschine unterscheiden kann.

Lass uns zunächst den Unterschied zwischen Hardware und Software klären. Hardware bezieht sich auf die physischen Komponenten eines Systems, wie Motherboard, CPU, Arbeitsspeicher, GPU und Speicher. Software, wie das Betriebssystem oder andere Programme, läuft auf der Hardware. 

Physische Maschinen laufen direkt auf der Hardware. Auf der anderen Seite führen VMs Software aus, die "virtualisierte" Hardware erzeugt. Wie wir bereits erwähnt haben, kann das Basissystem auf 64 GB RAM laufen, aber wir können 32 GB RAM virtualisieren und mit der virtuellen Maschine teilen.

Da VMs Hardware-Ressourcen gemeinsam nutzen können, können wir effizient nur die notwendigen Ressourcen zuweisen, die eine VM benötigt. Wenn wir zum Beispiel einen leistungsstarken Server haben, können wir mehrere VMs laufen lassen, die viele Aufgaben parallel erledigen, und zwar mit genau den Ressourcen, die jede VM für ihre Aufgabe benötigt. Dadurch können die Ressourcenauslastung und die Kosten insgesamt verbessert werden. 

In der folgenden Tabelle werden virtuelle und physische Maschinen nebeneinander verglichen:

Arten von virtuellen Maschinen

Es gibt zwei Hauptarten von virtuellen Maschinen: System und Prozess. Die eine emuliert ein ganzes Betriebssystem, die andere eine einzelne Anwendung: 

System virtuelle Maschinen

Wenn wir über VMs sprechen, denken wir meistens an System-VMs. Sie simulieren ein ganzes Betriebssystem, z.B. einen ganzen Linux-Computer. Eine einzelne Hardware kann auf diese Weise mehrere Betriebssysteme simulieren. Das ist nützlich, wenn wir mehrere Umgebungen brauchen, um verschiedene Dinge zu tun.

Virtuelle Maschinen in der Cloud sind ein gängiges Beispiel. In ihnen werden ganze Betriebssystemumgebungen gehostet und über das Internet aus der Ferne abgerufen, was sie ideal für eine skalierbare Infrastruktur macht.

Virtuelle Maschinen verarbeiten

Prozess-VMs sind einzelne Prozesse, die auf einem Host-Betriebssystem laufen. Sie sind kein eigenständiges System, sondern kleinere Umgebungen, die es jedem Computer ermöglichen, eine Anwendung auszuführen, die nicht zum Basisbetriebssystem gehört. Die Java Virtual Machine zum Beispiel ermöglicht es jedem Rechner, Java-Anwendungen nativ auszuführen.

Prozess-VMs sind im Vergleich zu System-VMs leichtgewichtig und werden häufig für die Ausführung bestimmter isolierter Anwendungen verwendet, insbesondere in Entwicklungs- und Debugging-Szenarien.

Komponenten einer virtuellen Maschine

Jede virtuelle Maschine hat ein paar Kernkomponenten. Auch wenn die genaue Umsetzung unterschiedlich sein kann, sollten sie alle ähnliche Teile enthalten. In diesem Abschnitt gehen wir sie durch.

1. Hypervisor

Im Allgemeinen ist ein Hypervisor die Softwareschicht, die virtuelle Maschinen verwaltet und initialisiert. Sie verwaltet die Ressourcen zwischen der VM und der physischen Maschine. 

Es gibt zwei verschiedene Arten von Hypervisoren:

• Hypervisoren vom Typ 1 sitzen auf dem Bare Metal und laufen auf dem Server selbst. Sie haben normalerweise direkten Zugriff auf die Ressourcen des Servers. 
• Hypervisoren vom Typ 2 werden in der Regel auf einem Host-Betriebssystem installiert. Sie haben keine volle Kontrolle über die Ressourcen des Computers und werden stattdessen vom Host-Betriebssystem verwaltet.

2. Virtuelle Hardware

Der Hypervisor weist der VM virtuelle Hardware zu. Das bedeutet, dass die physischen Ressourcen praktisch von der Maschine getrennt und der virtuellen Umgebung zur Verfügung gestellt werden. Das kann bedeuten, dass der Arbeitsspeicher, die CPU-Kerne und andere Rechenressourcen aufgeteilt werden, damit die VM Prozesse ausführen kann.

3. Gastbetriebssystem

Das Gastbetriebssystem läuft innerhalb der VM. Es muss nicht dasselbe Betriebssystem wie der Host sein, sondern kann ein beliebiges Betriebssystem sein. Verschiedene VMs auf demselben Hypervisor oder Server können sogar unterschiedliche Betriebssysteme haben, je nach Anwendungsfall.

4. Virtuelle Festplatte

VMs haben oft virtuelle Festplatten, auf denen sie Informationen vorübergehend speichern, während sie ausgeführt werden. Manchmal übertragen wir Daten von einer virtuellen Festplatte auf das eigentliche Speichersystem des Host-Computers, aber das geschieht vorsichtig, um Schäden am Host zu vermeiden.

Architekturdiagramm eines Servers mit drei virtuellen Maschinen. Bildquelle: DataCamp.

Virtuelle Maschinen vs. Container

Eine weitere beliebte Methode der Virtualisierung ist die Containerisierung. Auch wenn sie ähnliche Ziele verfolgen, unterscheiden sich virtuelle Maschinen und Container in der Umsetzung erheblich. Schauen wir uns ihre Unterschiede an.

• Virtuelle Maschinen sind so konzipiert, dass sie die Gesamtheit eines Geräts einschließlich seiner Hardware nachbilden. Das bedeutet, dass eine VM Dinge wie ein Motherboard, eine CPU, ein Netzwerkgerät usw. repliziert, um sicherzustellen, dass alle Anwendungen, die auf der VM laufen, scheinbar auf unabhängiger Hardware laufen. 
• Container sind jedoch dafür ausgelegt, bestimmte Softwareanwendungen unabhängig von der Umgebung auszuführen. Sie initialisieren ihre Ressourcen nicht, sondern laufen auf den Ressourcen des Host-Computers.

Architekturdiagramm eines Servers mit drei Containern. Bildquelle: DataCamp.

Wann sollte man VMs und wann Container verwenden?

Verwende VMs, wenn du mehrere Betriebssysteme parallel laufen lassen musst und eine diskrete Ressourcenverwaltung benötigst. VMs sind auch vorzuziehen, wenn du eine konstante und vorhersehbare Menge an Ressourcen für deine Prozesse brauchst.

Container hingegen sind ideal für die Bereitstellung von leichtgewichtigen Anwendungen. Da Container Ressourcen gemeinsam nutzen, ist es wichtig sicherzustellen, dass dein Server mehrere Container gleichzeitig verarbeiten kann und die Ressourcen entsprechend zugewiesen werden.

Wenn du mit diesen Konzepten noch nicht vertraut bist, hilft dir vielleicht der Kurs über Container- und Virtualisierungskonzepte, um ihre Anwendungsfälle zu verstehen. Wenn du tiefer in die Unterschiede zwischen VMs und Containern eintauchen möchtest, schau dir den Blogbeitrag Vergleich zwischen Containern und virtuellen Maschinen an.

Vorteile von virtuellen Maschinen

Virtuelle Maschinen haben viele Vorteile, darunter eine höhere Ressourceneffizienz und Sicherheit. Der richtige Einsatz von VMs kann deine technische Infrastruktur einfacher und robuster machen. Schauen wir uns ihre Vorteile einmal genauer an:

Ressourceneffizienz und Kosteneinsparungen

Da VMs dieselbe Hardware nutzen, kannst du deine physischen Server viel besser auslasten, wenn du VMs einsetzt. Die Kombination verschiedener Umgebungen verringert die Notwendigkeit, Hardware für einen bestimmten Anwendungsfall zu kaufen, und ermöglicht stattdessen die gemeinsame Nutzung von Ressourcen und allgemeine Kosteneinsparungen.

Isolation und Sicherheit

Da jede VM unabhängig vom Hostsystem läuft, ist sie natürlich isoliert. Das erhöht die Sicherheit, da das Risiko, dass ein einzelnes System abstürzt oder verletzt wird, minimiert wird. Normalerweise gibt es keine Kommunikation zwischen den VMs, und sie sind nicht voneinander abhängig, so dass es einfach ist, problematische VMs abzuschalten oder Sicherheitsbedenken schnell zu isolieren.

Flexibilität und Übertragbarkeit

VMs bieten eine große Flexibilität für IT-Infrastrukturen, da sie leicht repliziert werden können. Das macht es einfacher, wenn mehrere Umgebungen gleichzeitig gestartet werden müssen, da sie die gleichen Startanweisungen verwenden können. Dies ermöglicht auch einfache Tests, Backups und Disaster Recovery.

Häufige Anwendungsfälle für virtuelle Maschinen

Im Folgenden werden einige der häufigsten Verwendungszwecke von VMs erläutert. Sie können jede Aufgabe ausführen, die auch auf einem normalen Computer erledigt werden kann, und sind für eine Vielzahl von Aufgaben von unschätzbarem Wert!

Test- und Entwicklungsumgebungen

Entwickler nutzen VMs oft, um Test- und Entwicklungsumgebungen für neue Software oder Patches zu schaffen. VMs machen es einfach, Änderungen an einem Programm auf verschiedenen Ökosystemen gründlich zu testen, ohne den Host-Rechner zu beeinträchtigen. Ein einziges Skript kann verwendet werden, um dieselbe Änderung auf einer Vielzahl von VMs zu Testzwecken einzusetzen.

Server-Konsolidierung

Fachkräfte konsolidieren mit Hilfe von VMs mehrere physische Server zu weniger Servern. Das reduziert die gesamten Hardware-Wartungskosten und spart Platz in den Serverräumen. Außerdem verbessert es die Ressourcenauslastung, da die physischen Maschinen nicht mehr an eine bestimmte Umgebung oder Aufgabe gebunden sind.

Ausführen von Legacy-Anwendungen

Im Zuge des technologischen Wandels sind moderne Betriebssysteme möglicherweise nicht mehr in der Lage, veraltete Prozesse zu unterstützen. Durch den Einsatz einer VM können diese Legacy-Anwendungen aufrechterhalten werden, während sie modernisiert werden, so dass der Betrieb ohne Probleme weiterläuft.

Disaster Recovery und Backups

Angesichts des wachsenden Daten- und Informationsvolumens können VMs als schnelle Backups ganzer Umgebungen dienen, um die Robustheit eines Systems zu erhöhen. Wenn eine einzelne VM auf einem physischen Server abstürzt, können andere Kopien der gleichen VM weiterlaufen oder den Betrieb übernehmen. Dies ist eine Kernkomponente des Cloud Computing.

Cloud Computing

Der Großteil der Cloud läuft über Virtualisierung. Cloud-Plattformen wie AWS, Azure und Google Cloud können eine skalierbare und flexible Infrastruktur bereitstellen, da es einfach ist, virtuelle Maschinen zu starten und zu schließen. Sie können schnell virtuelle Kopien ganzer Websites oder Programme erstellen, um die wachsende Nachfrage zu befriedigen, und sie dann abschalten, wenn sie nicht mehr gebraucht werden.

Wenn du mehr darüber erfahren willst, wie Cloud Computing die Virtualisierung nutzt, schau dir den Kurs zum Verständnis von Cloud Computing an.

Virtuelle Maschinen in der Datenwissenschaft

Dank ihrer Flexibilität und Nützlichkeit sind VMs hervorragende Werkzeuge für die Datenwissenschaft! Hier sind einige ihrer vielen Einsatzmöglichkeiten in diesem Bereich:

Isolierte Entwicklungsumgebungen

So wie Software-Ingenieure VMs für den Aufbau einzigartiger Entwicklungsumgebungen nutzen können, können Datenwissenschaftler VMs verwenden, um isolierte Umgebungen für verschiedene Datenprojekte zu schaffen. 

Du könntest zum Beispiel eine VM nutzen, um ein Vorhersagemodell in Python zu erstellen, und eine andere, um Daten mit R vorzuverarbeiten. Diese Trennung ermöglicht es, mehrere rechenintensive Projekte gleichzeitig in verschiedenen Umgebungen laufen zu lassen, was die Effizienz erhöht.

Reproduzierbarkeit in datenwissenschaftlichen Experimenten

Datenwissenschaftler müssen oft in der Lage sein, Ergebnisse zu reproduzieren. Wenn du zum Beispiel ein Deep Learning-Modell trainierst, kannst du eine VM mit deinen Kollegen teilen, die dieselbe Version von TensorFlow, Bibliotheken und Datensätze enthält. Dadurch wird die Konsistenz der Experimente gewährleistet und das Risiko ausgeschlossen, dass Umweltunterschiede die Ergebnisse beeinflussen.

Skalierbarkeit für Big Data Projekte

Wenn Projekte wachsen, können mehrere Cluster von virtuellen Maschinen in der Cloud erforderlich sein. Stell dir vor, du trainierst ein Modell zur Verarbeitung natürlicher Sprache auf Terabytes von Textdaten; Cloud-Anbieter wie AWS können die Arbeitslast automatisch auf mehrere VMs verteilen. Tools wie Apache Spark können zum Beispiel virtuelle Cluster nutzen, um große Berechnungen effizient durchzuführen.

Beliebte Software für virtuelle Maschinen

Es gibt viele Tools, mit denen du virtuelle Maschinen auf deinem Computer und in Unternehmensumgebungen ausführen kannst. Hier sind einige der beliebtesten:

VMware

VMware ist eines der beliebtesten Virtualisierungswerkzeuge für Unternehmensumgebungen. Es bietet robusten Support und cloudbasierte Lösungen. VMware arbeitet mit Kunden zusammen, um je nach Bedarf Tools für die Desktop- und Servervirtualisierung bereitzustellen. Ihr wichtigster Hypervisor ist der VMware ESXi Type 1 Hypervisor, der eine einfache Servervirtualisierung ermöglicht und mit einer benutzerfreundlichen HTML 5 Oberfläche ausgestattet ist.

Microsoft Hyper-V

Hyper-V von Microsoft ist ein Hypervisor, der auf die Windows Server Umgebung zugeschnitten ist. Das bedeutet, dass jede Virtualisierung ein Windows-Betriebssystem erfordert und Festplattenpartitionen verwendet. Es ermöglicht die einfache Virtualisierung von virtuellen Desktops in der Windows Server-Umgebung und ist eine hervorragende Lösung für alle, die im Windows-Ökosystem oder sogar in Azure bleiben wollen.

VirtualBox

VirtualBox ist eine der beliebtesten Open-Source-Virtualisierungssoftware. Sie ermöglicht es Nutzern, virtuelle Desktops jeder Art auf ihren eigenen Computern zu erstellen. Es bietet eine einfache Benutzeroberfläche und kann Disc-Images für eine einfache Reproduzierbarkeit verwenden. Dies ist ein großartiges Einführungswerkzeug in die Welt der Virtualisierung und sehr empfehlenswert für die Praxis und Erfahrung.

KVM (Kernel-basierte virtuelle Maschine)

Der Linux-Kernel ermöglicht es dir, Maschinen zu erstellen, die KVMs genannt werden. Jedes moderne Linux-System wird mit KVM ausgeliefert und ermöglicht es den Nutzern, jede Linux-basierte Hardware in einen Hypervisor zu verwandeln. Sie nutzt die vorhandene Hardware und wird oft mit Virtualisierungssoftware wie Red Hat verwaltet.

Fazit

Virtuelle Maschinen sind ein wesentlicher Bestandteil des IT-Ökosystems, da sie es dir ermöglichen, schnell mehrere virtuelle Umgebungen auf einem einzigen Server zu erstellen. Sie werden oft von einer Hypervisor-Software verwaltet, die bei Bedarf Ressourcen erstellt und zuweist.  Dies ermöglicht eine bessere Ressourcennutzung, Reproduzierbarkeit, Ausfallsicherheit und Effizienz, besonders wenn mehrere Prozesse parallel laufen müssen.

Um diese Konzepte zu erforschen und zu verstehen, wie VMs mit Technologien wie Containern verglichen werden können, schau dir den Kurs über Containerisierung und Virtualisierungskonzepte an. Das ist eine großartige Möglichkeit, um dein Verständnis für diese wichtigen Technologien zu vertiefen!