Virtuelle Maschine (VM): Wann und wozu braucht man sie?

Virtuelle Maschinen ermöglichen es Ihnen, ein Betriebssystem in einem App-Fenster auf Ihrem Desktop auszuführen - als vollständig eigenständiges Gerät. So können Sie verschiedene Betriebssysteme ausprobieren, Anwendungen ausführen, die Ihr Hauptbetriebssystem nicht unterstützt, und Apps in einer sicheren, virtualisierten Umgebung testen.

Das Grundprinzip einer virtuellen Maschine besteht darin, ein Gerät bereitzustellen, das Ressourcen vom realen Host an unsere virtuelle Umgebung verteilt. Die Ressourcenzuweisung richtet sich nach den Anforderungen des Nutzers - das bedeutet, es lassen sich konkrete Grenzen für CPU, RAM oder den der virtuellen Maschine zugewiesenen Speicherplatz festlegen. Virtuelle Maschinen nutzen Virtualisierungstechnologie.

Was ist Virtualisierungstechnologie?

Virtualisierung bezeichnet das Ausführen einer oder mehrerer virtueller Instanzen auf einem anderen Computer. Das Konzept wurde erstmals in den 1960er Jahren entwickelt, als Systementwickler nach Wegen suchten, die Ressourcen eines Mainframe-Computers logisch auf verschiedene Anwendungen aufzuteilen. Die "Cloud" ist ein Beispiel dafür, wie Virtualisierung die Ressourcennutzung und Rechenkapazität steigern kann. Da Ressourcen geteilt werden, ist das Verfahren sehr kosteneffizient.

Bevor die Virtualisierung aufkam, musste ein Nutzer, der zwei Betriebssysteme wie Windows und Linux betreiben wollte, zwei separate Systeme verwalten und manuell zwischen ihnen wechseln. Es konnte immer nur eines aktiv sein, und dabei wurde die volle Kapazität der Hardware beansprucht.

Die verschiedenen Arten der Virtualisierung

Virtualisierungstechnologie ermöglicht es, ein System mit einer Vielzahl virtueller Umgebungen zu teilen. Virtualisierungs-Frameworks nutzen spezielle Software, um effizient isolierte virtuelle Umgebungen zu erstellen, in denen verschiedene Betriebssysteme laufen und jeder virtuellen Instanz eigene Ressourcen zugeteilt werden.

Heute lassen sich alle Bereiche eines herkömmlichen Rechenzentrums oder einer IT-Infrastruktur mit diesen verschiedenen Virtualisierungsformen abbilden:

• Server Virtualisierung
  Server-Virtualisierung ermöglicht eine effektivere Nutzung von Rechenressourcen. Sie erlaubt es einem Computer, mehrere Betriebssysteme gleichzeitig zu betreiben. Dabei werden virtuelle Kopien von Computern und Betriebssystemen (virtuelle Maschinen) erstellt und auf einem einzigen, zentralen, physischen Server zusammengeführt.

• Betriebssystem-Virtualisierung
  OS- oder Software-Virtualisierung erzeugt ein Computersystem, dessen Hardware einen oder mehrere Gast-Betriebssysteme auf einem physischen Hostrechner ausführen kann. So lässt sich beispielsweise Android OS auf einem Host-Rechner betreiben, der nativ Microsoft Windows verwendet, und nutzt dabei dieselbe Hardware wie der Host. Eine weit verbreitete Technologie für die OS-Virtualisierung ist der Emulator. Einen ausführlichen Überblick über Emulatoren bietet unser Artikel zu Die leichtesten Android-Emulatoren für den PC.

• Datenvirtualisierung
  Datenvirtualisierungstechnologien werden vor mehrere Datenquellen geschaltet und ermöglichen es, diese als eine einzige Quelle anzusprechen. So liefern sie die benötigten Daten im richtigen Format zur richtigen Zeit an jede Anwendung oder jeden Nutzer. Vorteile sind höhere Effizienz und Geschwindigkeit, Lastverteilung und geringere Kosten.
• Netzwerkfunktions-Virtualisierung
  Netzwerk-Virtualisierung erzeugt mehrere Subnetze innerhalb desselben physischen Netzwerks. Sie unterteilt die verfügbare Bandbreite in mehrere, voneinander getrennte Netzwerke, die Servern und Computern in Echtzeit zugeteilt werden können. Vorteile sind höhere Ausfallsicherheit, Netzwerkgeschwindigkeit, Stabilität und eine bessere Überwachung der Datennutzung.
• Desktop-Virtualisierung
  Desktop-Virtualisierung ermöglicht es dem zentralen Administrator (oder einer automatisierten Verwaltungssoftware), simulierte Desktop-Umgebungen gleichzeitig auf Hunderten von physischen Computern bereitzustellen. Anders als herkömmliche Desktop-Umgebungen, die auf jedem Rechner einzeln installiert, konfiguriert und angepasst werden, erlaubt Desktop-Virtualisierung Administratoren, umfangreiche Konfigurationen, Updates und Sicherheitstests auf allen virtuellen Desktops zentral durchzuführen.

Was ist der Unterschied zwischen VDI und RDP?

VDI und RDS sind alternative Technologien für Desktop-Virtualisierung und Remote-Desktops. RDS basiert auf dem Remote Desktop Protocol bzw. RDP. Beide bieten hohe Leistung, Sicherheit und Flexibilität für das remote Arbeiten, mit jeweils eigenen Unterschieden, Gemeinsamkeiten, Stärken und Einschränkungen.

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Wie funktionieren virtuelle Maschinen?

Die virtuelle Maschine läuft als Prozess, zum Beispiel als Anwendungsfenster, gleichwertig mit jeder anderen Anwendung auf dem physischen Computer. Die wichtigsten Dateien, aus denen eine VM besteht, umfassen eine Protokolldatei, und NVRAM Einstellungsdateiarbeitet, für den virtuelle Festplattendatei, und ein Konfigurationsdatei.

Auf einem Host-System können mehrere virtuelle Maschinen gleichzeitig laufen. Die dort betriebenen Betriebssysteme werden als Gast-Systeme bezeichnet. Da jedes Gast-System vom Host und von anderen VMs isoliert ist, wirken sich Änderungen daran weder auf den Host noch auf andere VMs aus.

Was ist ein Hypervisor?

Eine virtuelle Maschine kann nicht direkt mit einer physischen Maschine kommunizieren. A "Hypervisorist eine leichte Softwareschicht, die die Koordination zwischen dem Betriebssystem und der zugrunde liegenden physischen Hardware übernimmt. Ein Hypervisor trennt eine echte VM von der Cloud-Umgebung. Er stellt den Gast-Betriebssystemen normalerweise eine virtuelle Betriebsplattform zur Verfügung und kontrolliert die Ausführung der Gast-Betriebssysteme.

Neben der strikten Trennung mehrerer Betriebssysteme voneinander kann der Hypervisor auch die Hardware-Komponenten physischer Maschinen simulieren. Virtualisierte Versionen von Hardware-Ressourcen wie CPU, I/O, Arbeitsspeicher und weiteres stehen im Hypervisor zur Verfügung. Da der Hypervisor jedes simulierte Gerät isoliert betreibt, kann eine virtuelle Umgebung mehrere Hypervisoren mit einer wachsenden Anzahl virtueller Maschinen enthalten.

2 Arten von Hypervisoren

Es gibt zwei grundlegende Arten von Hypervisoren für die Virtualisierung:

• Typ 1: Bare-Metal-Hypervisoren (Prozess-virtuelle Maschinen)
  Der Bare-Metal-Hypervisor läuft direkt auf der Host-Hardware und überwacht sowie verwaltet das Gast-Betriebssystem. Dieser Hypervisor-Typ ist in Unternehmensumgebungen weit verbreitet, da er die Überallokation physischer Ressourcen ermöglicht. So lassen sich einer Gruppe von virtuellen Maschinen gezielt zusätzliche Ressourcen zuweisen.

• Typ 2: Gehostete Hypervisoren (System-VMs)
  Der Hosted Hypervisor läuft innerhalb des Betriebssystems auf einem physischen Host-Server – daher auch der Name. Der wesentliche Unterschied zwischen Typ-1- und Typ-2-Hypervisoren liegt darin, dass Typ 1 direkt auf der Hardware läuft, während Typ 2 innerhalb des Betriebssystems betrieben wird.

Digitale Maschinen benötigen keine spezielle, hypervisorspezifische Hardware. Virtualisierung verbraucht jedoch mehr Bandbreite, Speicherplatz und Rechenleistung als ein herkömmlicher Server oder Computer, wenn mehrere virtuelle Maschinen auf demselben Gerät laufen.

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Was sind die Vorteile einer virtuellen Maschine?

Seit über zehn Jahren sind virtuelle Maschinen ein zentraler Bestandteil von Cloud Computing, wodurch Tausende verschiedener Software-Typen und Workloads effizient betrieben und skaliert werden können.

1- Eine vom restlichen System getrennte Umgebung

Eine virtuelle Maschine läuft in einer isolierten Umgebung, getrennt vom Rest des Systems. Prozesse innerhalb der VM beeinflussen andere Prozesse auf der Host-Hardware nicht. Da VMs voneinander unabhängig sind, eignen sie sich gut zum Testen neuer Anwendungen oder zum Aufsetzen einer Produktionsumgebung. Außerdem lässt sich eine VM für einen einzigen Zweck einrichten, um eine bestimmte Aufgabe zu unterstützen.

2- Sie können einen neuen Desktop testen

Eine virtuelle Maschine ermöglicht es dir, ein neues Betriebssystem auf deinem Desktop auszuprobieren, ohne dein Hauptsystem zu verändern. Außerdem sind virtuelle Maschinen nützlich für Malware-Forscher, die häufig isolierte Umgebungen nutzen, um Schadsoftware zu analysieren. Darüber hinaus kannst du mit einer virtuellen Browserumgebung Websites besuchen, ohne dir Gedanken über Infektionen machen zu müssen.

3- Eine gute Wahl für Business-Entwickler

Eine virtuelle Maschine ist ideal für Entwickler, die VM-Templates mit den richtigen Einstellungen für Softwareentwicklung und Tests konfigurieren möchten. So lassen sich VMs gezielt für bestimmte Aufgaben einrichten, etwa für statische Softwaretests.

4- Die Flexibilität virtueller Maschinen

Was die Flexibilität betrifft, ermöglicht Virtualisierung das schnelle Einrichten verschiedener Arten von virtuellen Maschinen. Jede davon lässt sich individuell konfigurieren – vom Betriebssystem bis zur Ressourcenverwaltung. Die meisten Hypervisor-Anbieter erlauben es zudem, eigene Templates zu erstellen, die sich dann mit einem Klick bereitstellen lassen.

5- Einfache Übertragung und Migration im Netzwerk

Virtuelle Maschinen lassen sich bei Bedarf zwischen physischen Servern im Netzwerk verschieben. Das ermöglicht eine gezielte Umverteilung von Workloads auf Server mit freien Rechenkapazitäten. VMs können außerdem zwischen lokalen und Cloud-Umgebungen wechseln – ideal für hybride Cloud-Setups, bei denen Rechenressourcen zwischen dem eigenen Rechenzentrum und einem Cloud-Anbieter aufgeteilt werden.

6- Virtuelle Maschinen sind kosteneffizient

Die Kosten für Hardware-Aktualisierungen belasten jedes Unternehmen dauerhaft. Virtuelle Maschinen benötigen zwar weiterhin Hardware und Softwarelizenzen, sind aber eine kostengünstigere Alternative - der Ressourcenverbrauch lässt sich deutlich besser steuern und strukturieren als bei Systemen mit mehreren physischen Geräten.

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Was sind die Nachteile virtueller Maschinen?

Andererseits Virtuelle Maschinen können weniger effizient sein als dedizierte Server, da sie nicht direkt auf die Hardware zugreifen können. Sie verfügen über keine eigene Hardware und müssen daher über ein übergeordnetes Betriebssystem kommunizieren, was die Hardware-Antwortzeiten verlangsamen kann.

1- VMs beanspruchen Systemressourcen

Virtuelle Maschinen beanspruchen erhebliche Systemressourcen des Hosts – besonders wenn mehrere VMs gleichzeitig laufen. Ist die Ressourcenzuweisung nicht korrekt konfiguriert, kann der Host mitsamt allen anderen VMs abstürzen.

2- Keine gute Wahl für Spieler

Anspruchsvolle Spiele oder Anwendungen mit hohem Grafik- und Rechenleistungsbedarf laufen auf virtuellen Maschinen in der Regel schlecht. VMs sind daher keine gute Wahl, um Windows PC-Spiele auf Linux oder macOS zu spielen – es sei denn, das Spiel ist älter oder stellt keine hohen Anforderungen an die Grafik.

3- Hoher Speicherbedarf möglich

Mehrere virtuelle Maschinen einzurichten, kann erheblichen Speicherplatz auf deinem physischen Server beanspruchen. Besonders wenn deine virtuelle Umgebung wächst und mehr VMs hinzukommen, solltest du den Ressourcenverbrauch im Blick behalten. Effektives Ressourcenmanagement ist der wichtigste Faktor für eine stabile und sichere VM-Umgebung. Wer den Ressourcenverbrauch seiner VMs unter Kontrolle hat, legt damit den Grundstein für ein dauerhaft zuverlässiges System.

Virtuelle Maschine vs. Container

Container sind ebenfalls Teil der virtuellen Welt, basieren jedoch nicht auf Hypervisor-Software. Im Kern ist ein Container ein virtualisiertes Betriebssystem – ohne die virtuellen Hardwarekomponenten einer vollständigen virtuellen Maschine.

Container können innerhalb Ihrer virtuellen Maschinen laufen und existieren innerhalb eines Hypervisors, aber sie sind nur ein Teil einer VM. Container sind nützlich, wenn Sie mehrere Programme unter demselben Betriebssystem ausführen möchten, ohne mehrere Betriebssysteme verwenden zu müssen.

Die Der entscheidende Vorteil von Containern ist, dass sie weniger Ausfallzeiten haben als VMs. Container enthalten nur Binärdateien, Bibliotheken und andere notwendige Komponenten sowie die Anwendung selbst. Container auf demselben Host teilen denselben OS-Kernel, was sie leichtgewichtig und damit schnell und portabel macht.

Container starten dadurch schneller, nutzen die Serverkapazität besser aus und vereinfachen die Auslieferung von Anwendungen. Sie sind besonders verbreitet in Bereichen wie Web-Servern, DevOps-Tests, Microservices und überall dort, wo möglichst viele Anwendungen pro Node betrieben werden sollen.

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Virtuelle Maschine vs. VPS

Ein Virtual Private Server (VPS) nutzt Virtualisierungstechnik, um einen physischen Server in isolierte virtuelle Instanzen aufzuteilen, die jeweils wie ein eigenständiger Server funktionieren. Jeder VPS gibt dem Nutzer Root-Zugriff und volle Kontrolle – einschließlich der Möglichkeit, beliebige Prozesse zu starten und zu beenden sowie den VPS selbst neu zu starten oder herunterzufahren.

Auch Cloud-VMs nutzen Virtualisierung, um Server in virtuelle Container aufzuteilen. Auf dieser Ebene gibt es keinen Unterschied zwischen dem VPS und einer VM – beide setzen auf dieselbe Virtualisierungstechnologie.

Der wesentliche Unterschied zwischen VPS-Hosting und VM-Hosting liegt darin, wie Daten gespeichert werden und wie physische Server sowie virtuelle Container verwaltet werden. Beim VPS-Hosting laufen VPS-Container auf einem eigenständigen Server mit eigenen Festplatten, die in der Regel in einem RAID-Verbund für höhere Effizienz zusammengefasst sind.

Anwendungen virtueller Maschinen

Es gibt mehrere verbreitete VM-Anwendungen zur Auswahl. Hier ein kurzer Überblick über die beste Optionen für virtuelle Maschinen, aber sieh dir unbedingt unseren ausführlichen Leitfaden für eine fundierte Vergleichsanalyse an.

• VirtualBox
• KVM mit Qemu
• VMware Workstation
• Xen
• Citrix Hypervisor

Fazit

Ob Container oder VM – welche Option für Ihr Unternehmen die richtige ist, hängt von den Anforderungen des jeweiligen Projekts ab. Beide können dabei helfen, Rechenkapazität kosteneffizienter zu nutzen.

VMs sind einfach gesagt eine kostengünstigere Lösung. Sie helfen dir, deinen gesamten System-Workflow besser zu verwalten und Ressourcen effizienter zwischen einzelnen Maschinen zu verteilen.

Es ist eine ausgezeichnete Umgebung, um andere Betriebssysteme zu testen – einschließlich Betaversionen –, infizierte Daten zu isolieren, Backups von Betriebssystemen zu erstellen und Software auf Systemen auszuführen, für die sie ursprünglich nicht vorgesehen war.

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