Cloud-Virtualisierung: Rolle der Virtualisierung im Cloud Computing

Bevor ein Unternehmen in die Cloud migriert, ist es wichtig zu verstehen, wie die zugrunde liegende Cloud-Architektur funktioniert. Im Mittelpunkt dieser Architektur steht die Virtualisierung, eine Technologie, die die Wirtschaftlichkeit des Cloud-Computing vorantreibt und es Benutzern ermöglicht, Ressourcen dynamisch an ihre Cloud-Workloads anzupassen.

Dieser Artikel ist eine Einführung in die Cloud-Virtualisierung und die Rolle, die diese Technologie in cloudbasierten Umgebungen spielt. Erfahren Sie, wie Virtualisierung funktioniert und warum virtualisierte IT-Ressourcen für die effiziente Nutzung von Hardware in der Cloud-Infrastruktur von entscheidender Bedeutung sind.

Was ist Virtualisierung im Cloud Computing?

Unter Cloud-Virtualisierung versteht man den Einsatz von Virtualisierung innerhalb einer cloudbasierten Umgebung. Cloud-Anbieter nutzen diese Technologie, um virtuelle Instanzen von Computerressourcen zu erstellen und diese über das Internet an Endbenutzer bereitzustellen.

Durch die Virtualisierung werden Hardwarekomponenten (Prozessoren, Arbeitsspeicher, Speicher) auf einem einzelnen Server in mehrere virtuelle Maschinen (VMs) aufgeteilt. Jede VM führt ein separates Betriebssystem aus und verhält sich wie ein unabhängiger Computer, obwohl sie nur auf einem Teil der zugrunde liegenden Hardware läuft.

Hier ein Überblick, wie Cloud-Virtualisierung in der Praxis funktioniert:

• Der Anbieter richtet physische Server und Netzwerkgeräte in einem Rechenzentrum ein. Diese Ressourcen bilden das Rückgrat der Cloud-Infrastruktur.
• Auf jedem physischen Server wird ein Hypervisor ausgeführt, der mehreren auf dem Server ausgeführten VMs physische Ressourcen zuweist.
• Während sie auf demselben Server laufen, fungieren VMs als isolierte Computerumgebungen. Jede VM verfügt über ihre eigene virtuelle CPU, Arbeitsspeicher, Speicher und Netzwerkschnittstellen und ist von Änderungen oder Problemen in anderen VMs nicht betroffen.
• Cloud-Benutzer interagieren mit virtualisierten Ressourcen über eine webbasierte Schnittstelle, eine API oder ein Befehlszeilentool. Self-Service ermöglicht es Benutzern, VMs entsprechend ihren Anforderungen bereitzustellen, zu konfigurieren und zu verwalten.
• Der Hypervisor weist den VMs basierend auf den aktuellen Arbeitslastanforderungen dynamisch die CPU, den Arbeitsspeicher, den Speicher und die Netzwerkbandbreite des physischen Servers zu.

Aus Sicht des Anbieters optimiert die Cloud-Virtualisierung die Hardwarenutzung und senkt die Kosten im Vergleich zur Bereitstellung einzelner Bare-Metal-Server für jede Anwendung oder Arbeitslast. Aus Sicht des Endbenutzers ermöglicht die Cloud-Virtualisierung eine einfache Ressourcenskalierung und verbessert die IT-Agilität. Die Technologie ermöglicht es Benutzern außerdem, nur für die Ressourcen zu bezahlen, die sie aktiv nutzen, anstatt ganze Server zu mieten.

Merkmale der Virtualisierung

Virtualisierung ist eine grundlegende Technologie im modernen Computing, da sie eine Reihe entscheidender Funktionen bietet, die die Flexibilität und Effizienz der IT verbessern. Hier sind die bemerkenswertesten Merkmale der Virtualisierung:

• Hardware-Abstraktion. Virtualisierung abstrahiert physische Hardware-Ressourcen in virtuelle Instanzen. Durch Abstraktion können Administratoren und Endbenutzer Ressourcen unabhängig von der zugrunde liegenden Hardware verwalten.
• Instanzisolation. Durch die Virtualisierung werden alle auf dem Server vorhandenen virtuellen Instanzen isoliert. Jede Umgebung arbeitet unabhängig und sicher ohne Störungen durch andere Instanzen.
• Zustandskapselung. Virtualisierung kapselt den gesamten Zustand einer virtuellen Instanz in Dateien oder Bilder. Diese Funktion erleichtert die Replikation von Instanzen.
• Ressourcenpooling. Virtualisierung ermöglicht die Bündelung physischer Ressourcen von mehreren Hardwaregeräten in einem gemeinsamen Ressourcenpool. Auf diese Weise können Instanzen Anforderungen erfüllen, die über die Fähigkeiten eines einzelnen Geräts hinausgehen.
• Dynamische Bereitstellung. Virtualisierung ermöglicht die dynamische Bereitstellung und Skalierung von Instanzen. Sie weisen Ressourcen in Echtzeit basierend auf den aktuellen Anforderungen zu oder frei, ohne sich um die Hardware kümmern zu müssen.
• Hardware-Unabhängigkeit. Durch die Abstraktion der zugrunde liegenden Hardware können VMs auf verschiedenen Arten physischer Infrastruktur ausgeführt werden, ohne dass Änderungen erforderlich sind. Die Hardwareunabhängigkeit erleichtert die Migration von VMs zwischen verschiedenen Anbietern oder IT-Umgebungen.
• Ressourcenskalierbarkeit. Durch Virtualisierung können Benutzer Instanzen einfach skalieren. Benutzer können sowohl vertikal (d. h. durch Hinzufügen weiterer Ressourcen zu vorhandenen Instanzen) als auch horizontal (d. h. durch Bereitstellung weiterer Instanzen) skalieren.

Arten der Virtualisierung

Die Abstraktion von Servern in mehrere VMs ist nur eine von mehreren Virtualisierungsstrategien, mit denen Unternehmen ihre Abläufe optimieren. Nachfolgend finden Sie fünf weitere gängige Virtualisierungsarten, die die IT-Effizienz und Kosteneffizienz steigern.

Speichervirtualisierung

Durch die Speichervirtualisierung werden physische Speicherressourcen (Festplatten, SSDs, Speicherarrays usw.) von der zugrunde liegenden Hardware abstrahiert, sodass Administratoren sie als einen einzigen Speicherpool verwalten können. Virtualisierte Speicherpools fungieren als zusammenhängende Speicherressource und ermöglichen Folgendes:

• Effizientere Nutzung der Lagerkapazität.
• Vereinfachte Speicherverwaltung.
• Optimierte Archivierungs-, Sicherungs- und Wiederherstellungsverfahren.
• Einfachere Datenmigrationen.

Durch die Virtualisierung von Speicher können Sie Geräte verschiedener Hersteller und unterschiedlicher Standorte in eine einheitliche Speicherinfrastruktur integrieren. Diese Integration maximiert bestehende Investitionen und trägt dazu bei, eine Lieferantenbindung zu vermeiden.

Speichervirtualisierung umfasst häufig auch Thin-Provisioning-Funktionen, die es Administratoren ermöglichen, Speicherkapazität nach Bedarf zuzuweisen, anstatt physischen Speicherplatz vorab zuzuweisen. Thin Provisioning trägt dazu bei, die Speichernutzung zu optimieren und Verschwendung zu reduzieren.

Netzwerkvirtualisierung

Bei der Netzwerkvirtualisierung werden Netzwerkressourcen abstrahiert, um die Erstellung mehrerer virtueller Netzwerke auf einer gemeinsam genutzten physischen Infrastruktur zu ermöglichen. Administratoren kontrollieren abstrahierte Ressourcen, ohne die zugrunde liegende Hardware verwalten zu müssen, was die Netzwerkverwaltung erheblich vereinfacht.

Jedes virtuelle Netzwerk fungiert als logisch separate Einheit mit individuellen Netzwerkrichtlinien, Adressräumen und Konfigurationen. Der Datenverkehr von einem virtuellen Netzwerk kann nicht direkt auf den Datenverkehr von einem anderen virtuellen Netzwerk zugreifen oder diesen stören.

Es gibt zwei Arten der Netzwerkvirtualisierung:

• Softwaredefiniertes Netzwerk (SDN). SDN virtualisiert die Steuerungsebene (die bestimmt, wie der Datenverkehr weitergeleitet wird) und entkoppelt sie von der Datenebene (die den Datenverkehr tatsächlich weiterleitet). Softwaredefinierte Steuerungsebenen weisen die Hardware an, wie sie den Datenverkehr leiten soll, wodurch Netzwerke einfacher zu verwalten sind.
• Network Function Virtualization (NFV). NFV virtualisiert Netzwerkgeräte (Router, Firewalls, Load Balancer usw.) und wandelt sie in softwarebasierte Instanzen um. NFV erleichtert die Konfiguration, Bereitstellung und Verwaltung von Netzwerkgeräten.

Netzwerkvirtualisierung ist für Hybrid- und Multi-Cloud-Konnektivität von entscheidender Bedeutung. Die Technologie ermöglicht nahtlose Verbindungen und Workload-Mobilität zwischen lokalen und cloudbasierten Ressourcen, die beide für Multi- und Hybrid-Cloud-Architekturen von entscheidender Bedeutung sind.

Datenvirtualisierung

Datenvirtualisierung abstrahiert und integriert Daten aus verschiedenen Datenbanken, Data Warehouses und Diensten. Dadurch abstrahieren Sie den physischen Speicherort, das Format und die Struktur der Daten von den zugrunde liegenden Datenquellen und präsentieren sie Benutzern und Apps in einer logischen, einheitlichen Ansicht.

Durch die Datenvirtualisierung entfällt die Komplexität der Datenspeicherung und -abfrage, wodurch der Zugriff auf und die Nutzung von Daten vereinfacht wird. Diese Art der Virtualisierung erleichtert auch die Integration von Daten aus unterschiedlichen Quellen, darunter:

• Verschiedene Datenbanktypen.
• Flache Dateien.
• Webdienste.
• Cloud-Speicherplattformen.

Die Datenvirtualisierung umfasst häufig auch die Aggregation, Transformation und Anreicherung von Daten im laufenden Betrieb. Mit diesen Funktionen können Benutzer Daten aus verschiedenen Quellen kombinieren und bearbeiten, um spezifische Geschäftsanforderungen zu erfüllen.

App-Virtualisierung

App-Virtualisierung abstrahiert Software-Apps vom zugrunde liegenden Betriebssystem und kapselt sie in eigenständige Pakete, die isoliert von der Host-Umgebung ausgeführt werden. Virtualisierte Pakete enthalten alles, was die App zum Ausführen benötigt, einschließlich aller erforderlichen Dateien, Bibliotheken und Abhängigkeiten.

Jede virtualisierte App wird in einer Sandbox betrieben, um Konflikte mit anderen Apps und Systemkonfigurationen zu verhindern. Daher hilft die App-Virtualisierung bei der Lösung von Kompatibilitätsproblemen. Sie können diese Art der Virtualisierung beispielsweise verwenden, um eine Windows-App unter Linux auszuführen oder umgekehrt.

Es gibt drei Arten der App-Virtualisierung:

• Lokale App-Virtualisierung. Bei diesem Ansatz wird die gesamte App in einer Laufzeitumgebung auf dem Endpunktgerät ausgeführt. Benutzer installieren und führen die App lokal aus, aber die App wird in einer virtualisierten Umgebung ausgeführt, die vom Betriebssystem und anderen Programmen isoliert ist.
• App-Streaming. Bei dieser Methode befindet sich die App auf einem Server, der kleine Softwarekomponenten oder notwendige Daten an das Endpunktgerät streamt. Dadurch wird die App auf dem Endpunkt ausgeführt, ohne dass eine vollständige Installation erforderlich ist, wodurch der Ressourcenbedarf auf dem Gerät reduziert wird.
• Serverbasierte App-Virtualisierung (oder App-Veröffentlichung). Bei diesem Ansatz wird die App vollständig auf einem Server oder einer Remote-Infrastruktur ausgeführt. Der Server überträgt die Benutzeroberflächenelemente der App lediglich über einen Webbrowser oder eine Client-Schnittstelle an das Client-Gerät.

Virtualisierte Apps verbrauchen im Vergleich zu herkömmlichen Installationen weniger Systemressourcen. Diese Apps erfordern nicht, dass Benutzer Systemdateien oder Registrierungseinstellungen auf inkompatiblen Geräten ändern, was zu einer verbesserten Leistung auf Hostsystemen führt.

Desktop-Virtualisierung

Bei der Desktop-Virtualisierung, auch Virtual Desktop Infrastructure (VDI) genannt, werden virtuelle Desktops auf einem zentralen Server gehostet und über ein lokales Netzwerk oder das Internet an Endbenutzergeräte bereitgestellt.

Anstatt Desktop-Betriebssysteme und Apps lokal auf ihren Geräten auszuführen, greifen Benutzer remote über PCs, Laptops, Tablets oder Smartphones auf virtuelle Desktops zu. Diese Zugänglichkeit erhöht die Mobilität und ermöglicht Remote-Arbeit, da Benutzer von zu Hause, unterwegs oder in Zweigstellen sicher auf virtuelle Desktops zugreifen können.

Ein virtualisierter Desktop kann entweder dauerhaft oder nicht dauerhaft sein:

• Persistente Desktops behalten Einstellungen, Dateien und Apps sitzungsübergreifend bei.
• Nicht persistente Desktops verwerfen nach der Abmeldung alle während der Sitzung vorgenommenen Änderungen und stellen dem nächsten Benutzer eine saubere Oberfläche zur Verfügung.

Durch die Desktop-Virtualisierung werden Verwaltungsaufgaben wie Bereitstellung, Patching, Aktualisierung und Backups zentralisiert. Administratoren verwalten virtuelle Desktops über eine zentrale Konsole und erleichtern so die Aufrechterhaltung von Konsistenz und Sicherheit in allen Umgebungen.

Praktische Anwendungen der Virtualisierung

Hier sind einige praktische Einsatzmöglichkeiten der Virtualisierung in verschiedenen Domänen:

• Cloud Computing. Virtualisierung ist die Grundlage des Cloud Computing und für alle Cloud-Bereitstellungsmodelle erforderlich. Die Technologie ermöglicht die dynamische Zuweisung von Rechenressourcen, die für die Skalierbarkeit nach Bedarf erforderlich sind.
• Hardwarekonsolidierung. Durch Virtualisierung können Unternehmen mehrere physische Server auf weniger VMs konsolidieren. Dadurch reduzieren Unternehmen die Hardwarekosten, den Stromverbrauch und die Stellfläche ihres Rechenzentrums oder Serverraums.
• Netzwerkfunktionen. Die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen und -diensten ermöglicht eine effizientere und kostengünstigere Bereitstellung und Verwaltung von Netzwerkdiensten.
• Datenanalyse. Virtualisierung ermöglicht es Unternehmen, virtuelle Data Lakes und Analyseumgebungen für die Verarbeitung und Analyse großer Datenmengen zu erstellen.
• Disaster Recovery. Virtualisierung ermöglicht eine kostengünstige Disaster Recovery durch Replikation und Sicherung virtualisierter Workloads in Remote-Rechenzentren oder Cloud-Umgebungen.
• Remote-First-Teams. Internes VDI und ausgelagertes DaaS ermöglichen es Unternehmen, ihren Mitarbeitern Desktop-Umgebungen über das Internet bereitzustellen. Virtualisierte Desktops verbessern die Sicherheit und Verwaltbarkeit und passen hervorragend zu Remote-Arbeits- und BYOD-Richtlinien.
• Unterstützung älterer Apps. Durch Virtualisierung können Sie ältere Apps kapseln und auf moderner Hardware und Betriebssystemen ausführen. Auf diese Weise verlängern Sie die Lebensdauer älterer Apps und reduzieren Kompatibilitätsprobleme.
• Computer mit mehreren Betriebssystemen. Einige Benutzer entscheiden sich dafür, einen Hypervisor auf einem lokalen Computer auszuführen, damit dieser mehrere Betriebssysteme ausführen kann. Sie können von einem Betriebssystem zu einem anderen wechseln, ohne etwas am primären Betriebssystem zu ändern.
• Content Delivery Networks (CDNs). CDNs verlassen sich oft auf Virtualisierung, um die Leistung von Web-Apps und gestreamten Medien zu verbessern. Virtualisierte Caching-Server und Edge-Knoten verteilen Inhalte näher an die Endbenutzer, reduzieren die Latenz und verbessern das Benutzererlebnis.
• DevOps. Virtualisierung spielt bei DevOps eine Schlüsselrolle, da die Technologie flexible On-Demand-Entwicklungs- und Testumgebungen ermöglicht.

Vor- und Nachteile der Virtualisierung

Wie alle Technologien hat auch die Virtualisierung Vor- und Nachteile, die Sie kennen müssen, bevor Sie mit der Virtualisierung von Teilen Ihrer IT-Infrastruktur beginnen. Schauen wir uns die wichtigsten Vor- und Nachteile der Virtualisierung genauer an.

Vorteile

Virtualisierung bietet viele Vorteile, die die Effizienz und Agilität der IT steigern. Durch die Entkopplung von Rechenressourcen und Hardware verwandelt die Virtualisierung IT-Umgebungen in dynamische, flexible und kostengünstige Ökosysteme.

Hier sind die Hauptvorteile der Verwendung von Virtualisierung:

• Verbesserte Ressourcennutzung. Ein durchschnittlicher dedizierter Server verbraucht im Normalbetrieb nur 15 % seiner Ressourcen. Durch Virtualisierung können Sie mehrere VMs auf einem einzigen Server ausführen und die Kapazität jedes Servers optimal nutzen.
• Zentralisierte Verwaltung. Virtualisierung zentralisiert Verwaltungsaufgaben wie Bereitstellung, Überwachung und Wartung. Administratoren verwalten VMs über eine einheitliche Schnittstelle oder eine softwaredefinierte Steuerungsebene, was die Verwaltung rationalisiert und die betriebliche Komplexität reduziert.
• Kosteneinsparungen. Virtualisierung reduziert die Hardwarekosten erheblich, indem mehrere VMs auf weniger physischen Servern konsolidiert werden. Anwender können die Anschaffung von Hardware reduzieren und die Wartungskosten senken.
• Hohe Skalierbarkeit. Virtualisierung ermöglicht eine schnelle Skalierung der IT-Infrastruktur, um sich ändernden Arbeitslastanforderungen gerecht zu werden. Diese Agilität unterstützt das Geschäftswachstum und Schwankungen im Ressourcenbedarf.
• Schnellere Bereitstellung. Der Kauf, die Installation und die Konfiguration physischer Hardware ist zeitaufwändig. Andererseits ist die Bereitstellung von VMs schnell und einfach und kann automatisch erfolgen.
• Workload-Portabilität. Virtualisierte Umgebungen sind plattformunabhängig. VMs laufen nahtlos auf verschiedenen Hardwareplattformen und migrieren zwischen lokalen und Cloud-Umgebungen.
• Verbesserte Sicherheit. Virtualisierung erhöht die Sicherheit, indem sie VMs voneinander und von der zugrunde liegenden Hardware isoliert. Dadurch reduzieren Anwender das Risiko von Malware-Infektionen, Datenschutzverletzungen und unbefugtem Zugriff.
• Reduzierte Ausfallzeiten. VMs werden mit minimaler Ausfallzeit zwischen physischen Hosts verschoben, wodurch die Verfügbarkeit kritischer Dienste einfacher sichergestellt werden kann. Sie können mehrere redundante VMs nebeneinander ausführen und ein Failover zwischen ihnen einrichten, um sicherzustellen, dass bei Störvorfällen keine Ausfallzeiten auftreten.

Nachteile

Während die Virtualisierung zahlreiche Vorteile bietet, bringt die Technologie einige Nachteile mit sich, die Sie vor der Einführung berücksichtigen müssen.

Hier sind die Hauptnachteile der Virtualisierung:

• Leistungsaufwand. Die zusätzliche Abstraktionsebene zwischen VMs und physischer Hardware führt zu einem leichten Leistungsaufwand. Dieser Overhead kann sich auf die Leistung auswirken, wenn Sie ressourcenintensive Arbeitslasten ausführen.
• Ressourcenkonflikt. Virtualisierte Systeme können unter Engpässen leiden, wenn VMs um gemeinsam genutzte Ressourcen konkurrieren. Die Monopolisierung von Ressourcen durch eine VM und die Beeinträchtigung der Leistung anderer VMs ist ein häufiges Problem, wenn der Anwender die Ressourcenzuteilung nicht ordnungsgemäß einrichtet.
• Neue Angriffsvektoren. Die Virtualisierung wirkt sich zwar positiv auf die allgemeine Sicherheit aus, führt aber auch einige neue Angriffsvektoren ein. Anwender müssen VM-Escape-Schwachstellen, Hypervisor-Exploits und Gast-zu-Gast-Angriffe berücksichtigen.
• Anbieterbindung. Unternehmen können übermäßig abhängig von bestimmten Virtualisierungsanbietern und -technologien werden. Diese Anbieterbindung macht den Wechsel zwischen Plattformen oder die Migration von VMs auf alternative Lösungen komplex und kostspielig.
• Speicher-Overhead. VMs benötigen Speicherplatz zum Speichern virtueller Festplatten (VMDKs, VHDs usw.) und Snapshots, was zu einem gewissen Speicher-Overhead führt. Die Verwaltung virtueller Speicherressourcen erfordert eine sorgfältige Planung, um eine Ausbreitung und Ineffizienz zu vermeiden.
• Schatten-IT. Mitarbeiter können VMs ohne entsprechende Genehmigung oder Aufsicht durch das Sicherheitsteam bereitstellen. Diese Schatten-IT-Instanzen verbrauchen Ressourcen und bringen oft neue Risiken mit sich.

Eine Schlüsseltechnologie sowohl vor Ort als auch in der Cloud

Für Cloud-Anbieter ist Virtualisierung eine Grundtechnologie, ohne die das Cloud-Computing-Modell nicht realisierbar ist. Für Unternehmen, die an interner Virtualisierung interessiert sind, maximiert die Hardware-Abstraktion die Hardware-Investitionen und vereinfacht die tägliche Verwaltung. Da Sie nun wissen, wie Virtualisierung funktioniert, verfügen Sie über alle Informationen, die Sie benötigen, um zu beurteilen, ob Ihr Unternehmen von virtualisierten IT-Ressourcen profitieren würde.