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13.2 Virtualisierung und virtuelle Maschinen

Einordnung

Diese Seite gehört zum Kapitel:

Server, Virtualisierung und Hochverfügbarkeit

Nachdem die Server-Grundlagen bekannt sind, geht es nun um Virtualisierung.

Virtualisierung ist ein zentrales Thema moderner IT-Infrastrukturen, weil dadurch mehrere virtuelle Server auf einer physischen Hardware betrieben werden können.


Was bedeutet Virtualisierung?

Virtualisierung bedeutet, dass physische Hardware logisch aufgeteilt und mehreren virtuellen Systemen bereitgestellt wird.

Ein einzelner physischer Server kann dadurch mehrere virtuelle Maschinen betreiben.

Beispiel:

Physischer ServerVirtuelle Maschinen
Host 1DC01, FILE01, WEB01, DB01

Jede virtuelle Maschine verhält sich wie ein eigener Computer.


Merksatz

Virtualisierung bedeutet, dass mehrere virtuelle Systeme auf einer gemeinsamen physischen Hardware betrieben werden.


Warum nutzt man Virtualisierung?

Früher wurde für viele Serverrollen jeweils ein eigener physischer Server verwendet.

Beispiel:

Physischer ServerAufgabe
Server 1Domain Controller
Server 2Fileserver
Server 3Webserver
Server 4Datenbankserver

Problem:

Viele Server waren schlecht ausgelastet.

Ein Server hatte vielleicht nur 5 bis 20 Prozent CPU-Auslastung, benötigte aber trotzdem Strom, Platz, Kühlung und Wartung.

Mit Virtualisierung können mehrere Serverrollen als virtuelle Maschinen auf einem oder mehreren leistungsfähigen Hosts laufen.


Vorteile von Virtualisierung

VorteilErklärung
Bessere RessourcennutzungCPU, RAM und Storage werden effizienter genutzt
Schnellere BereitstellungNeue Server können schneller erstellt werden
Einfachere SicherungGanze VMs können gesichert werden
Einfachere WiederherstellungVMs können aus Backups zurückgespielt werden
FlexibilitätRessourcen können oft angepasst werden
MigrationVMs können auf andere Hosts verschoben werden
TestumgebungenTestsysteme lassen sich schnell erstellen
KonsolidierungWeniger physische Server notwendig
Hochverfügbarkeit möglichVMs können in Clusterumgebungen betrieben werden

Nachteile und Risiken von Virtualisierung

Nachteil / RisikoErklärung
Abhängigkeit vom HostFällt der Host aus, sind alle darauf laufenden VMs betroffen
RessourcenengpässeZu viele VMs können CPU, RAM oder Storage überlasten
KomplexitätNetzwerk, Storage und Backup werden anspruchsvoller
LizenzierungLizenzen können komplizierter werden
Sicherheitsrisiko HypervisorDer Hypervisor ist besonders kritisch
FehlplanungZu wenig Reserven führen zu Performanceproblemen
Storage-AbhängigkeitViele VMs hängen oft an gemeinsamem Storage

Physischer Server als Host

Der physische Server, auf dem virtuelle Maschinen laufen, wird Host genannt.

Ein Host stellt Hardware-Ressourcen bereit:

RessourceBedeutung
CPURechenleistung
RAMArbeitsspeicher
StorageSpeicherplatz für virtuelle Festplatten
NetzwerkAnbindung der VMs an das Netzwerk

Der Host betreibt eine Virtualisierungsschicht, den sogenannten Hypervisor.


Virtuelle Maschine

Eine virtuelle Maschine ist ein simulierter Computer innerhalb eines physischen Hosts.

Eine VM besitzt eigene virtuelle Hardware:

Virtuelle KomponenteBedeutung
vCPUVirtuelle CPU-Kerne
vRAMVirtueller Arbeitsspeicher
vDiskVirtuelle Festplatte
vNICVirtuelle Netzwerkkarte
Virtuelles LaufwerkZum Beispiel ISO-Datei für Installation
Virtuelle KonsoleBildschirm- und Tastaturzugriff über den Hypervisor

In der VM läuft ein eigenes Betriebssystem.

Dieses Betriebssystem nennt man Gastbetriebssystem.


Host und Guest

Bei Virtualisierung unterscheidet man zwischen Host und Guest.

BegriffBedeutung
HostPhysischer Server, auf dem die Virtualisierung läuft
GuestVirtuelle Maschine auf dem Host
GastbetriebssystemBetriebssystem innerhalb der VM
HostsystemSystem, das den Hypervisor bereitstellt

Beispiel:

EbeneBeispiel
Physische HardwareDell-Server oder HP-Server
Host / HypervisorProxmox VE, VMware ESXi oder Hyper-V
Guest / VMWindows Server, Debian, Ubuntu Server

Hypervisor

Der Hypervisor ist die Virtualisierungsschicht.

Er verwaltet die virtuellen Maschinen und verteilt die physischen Ressourcen des Hosts.

Aufgaben des Hypervisors:

AufgabeErklärung
VMs erstellenNeue virtuelle Maschinen anlegen
VMs starten und stoppenBetrieb der VMs steuern
CPU verteilenRechenzeit an VMs vergeben
RAM zuweisenArbeitsspeicher bereitstellen
Virtuelle Festplatten verwaltenvDisks bereitstellen
Virtuelle Netzwerkkarten bereitstellenNetzwerkzugriff ermöglichen
Snapshots verwaltenZustände speichern
Migration ermöglichenVMs auf andere Hosts verschieben
Ressourcen überwachenAuslastung anzeigen

Typ-1-Hypervisor

Ein Typ-1-Hypervisor läuft direkt auf der physischen Hardware.

Er wird auch Bare-Metal-Hypervisor genannt.

Beispiele:

HypervisorBeschreibung
VMware ESXiHäufig in Unternehmen
Microsoft Hyper-VMicrosoft-Virtualisierung
Proxmox VEOpen-Source-Plattform auf KVM-Basis
KVMLinux-Kernel-basierte Virtualisierung
XenVirtualisierungstechnologie
Nutanix AHVHypervisor von Nutanix

Vorteile:

VorteilErklärung
Hohe PerformanceLäuft direkt auf der Hardware
StabilitätFür Serverbetrieb geeignet
Zentrale Verwaltung möglichGut für Rechenzentren
ClusterfähigHochverfügbarkeit möglich
Professioneller BetriebFür produktive Umgebungen geeignet

Typ-2-Hypervisor

Ein Typ-2-Hypervisor läuft auf einem vorhandenen Betriebssystem.

Beispiele:

HypervisorEinsatz
VirtualBoxTest- und Lernumgebung
VMware WorkstationDesktop-Virtualisierung
VMware FusionmacOS-Virtualisierung
Parallels DesktopmacOS-Virtualisierung
UTMmacOS / Apple Silicon

Beispiel:

Auf einem Windows-Notebook läuft VirtualBox.
In VirtualBox läuft eine Linux-VM.

Vorteile:

VorteilErklärung
Einfach zu nutzenGut für Tests
Keine eigene Serverhardware nötigLäuft auf normalem PC
Gut zum LernenSchnell eingerichtet

Nachteile:

NachteilErklärung
Geringere PerformanceLäuft zusätzlich über ein Hostbetriebssystem
Weniger geeignet für ProduktionEher für Desktop und Test
Abhängig vom HostbetriebssystemWenn Windows/macOS Probleme hat, betrifft das die VMs

Typ-1 vs. Typ-2-Hypervisor

MerkmalTyp-1-HypervisorTyp-2-Hypervisor
Läuft aufDirekt auf HardwareAuf vorhandenem Betriebssystem
EinsatzgebietServer, Rechenzentrum, ProduktivbetriebDesktop, Test, Schulung
PerformanceHochMeist geringer
StabilitätHochAbhängig vom Hostsystem
BeispieleESXi, Hyper-V, Proxmox, KVMVirtualBox, VMware Workstation, Parallels
IHK-RelevanzSehr wichtigGrundlegend wichtig

Bare Metal

Bare Metal bedeutet, dass Software direkt auf der physischen Hardware läuft.

Ein Typ-1-Hypervisor ist ein Bare-Metal-Hypervisor.

Beispiel:

AufbauBeschreibung
Hardware → Hypervisor → VMsTyp-1 / Bare Metal
Hardware → Windows 11 → VirtualBox → VMTyp-2

Virtuelle CPU

Eine vCPU ist eine virtuelle CPU, die einer VM zugewiesen wird.

Beispiel:

Eine VM bekommt 2 vCPUs.

Das bedeutet nicht automatisch, dass sie dauerhaft zwei physische CPU-Kerne exklusiv besitzt.

Der Hypervisor verteilt CPU-Zeit zwischen den VMs.

Beispiel:

VMvCPU
DC012
FILE012
WEB012
DB014

Wichtig:

Zu viele vCPUs können die Leistung verschlechtern, wenn der Host dadurch überlastet wird.


CPU-Overcommitment

CPU-Overcommitment bedeutet, dass mehr vCPUs vergeben werden, als physische CPU-Kerne vorhanden sind.

Beispiel:

Physische CPU-KerneVergebene vCPUs
1640

Das kann funktionieren, weil nicht alle VMs gleichzeitig ihre volle CPU-Leistung benötigen.

Risiko:

Wenn viele VMs gleichzeitig hohe CPU-Last erzeugen, kommt es zu Performanceproblemen.


Virtueller Arbeitsspeicher

vRAM ist der Arbeitsspeicher, der einer VM zugewiesen wird.

Beispiel:

VMRAM
DC014 GB
FILE018 GB
DB0116 GB
WEB014 GB

RAM ist bei Virtualisierung besonders wichtig.

Wenn der Host zu wenig RAM hat, kann das System stark langsam werden.


RAM-Overcommitment

RAM-Overcommitment bedeutet, dass mehr RAM an VMs vergeben wird, als physisch im Host vorhanden ist.

Das ist riskanter als CPU-Overcommitment.

Warum?

Wenn VMs wirklich ihren RAM benötigen und der Host nicht genug physischen Speicher hat, muss ausgelagert werden.

Das führt oft zu starker Verlangsamung.

Merksatz:

CPU kann man eher überbuchen als RAM.


Virtuelle Festplatte

Eine virtuelle Festplatte ist der Datenträger einer VM.

Die VM sieht diese virtuelle Festplatte wie eine normale Festplatte.

Auf dem Host liegt sie meistens als Datei oder Block-Volume.

Beispiele für Formate:

FormatPlattform
VHD / VHDXHyper-V
VMDKVMware
QCOW2KVM / Proxmox
RAWKVM / Proxmox

Thin Provisioning

Thin Provisioning bedeutet, dass eine virtuelle Festplatte größer angezeigt wird, als sie auf dem echten Storage aktuell belegt.

Beispiel:

Eine VM bekommt eine virtuelle Festplatte mit 100 GB.

Tatsächlich belegt sie am Anfang vielleicht nur 20 GB.

Vorteil:

Speicher wird effizient genutzt.

Nachteil:

Wenn viele virtuelle Festplatten wachsen, kann der echte Storage voll laufen.


Thick Provisioning

Thick Provisioning bedeutet, dass der Speicherplatz direkt vollständig reserviert wird.

Beispiel:

Eine virtuelle Festplatte mit 100 GB belegt sofort 100 GB auf dem Storage.

Vorteil:

Der Speicherverbrauch ist besser planbar.

Nachteil:

Weniger flexibel und weniger platzsparend.


Thin vs. Thick Provisioning

MerkmalThin ProvisioningThick Provisioning
Speicherbelegung am AnfangNur tatsächlich genutzter SpeicherVoller Speicher sofort reserviert
FlexibilitätHochGeringer
RisikoStorage kann unerwartet voll laufenWeniger Risiko durch Überbuchung
PlanungErfordert ÜberwachungBesser planbar
EinsatzHäufig in Test- und produktiven UmgebungenKritische Systeme oder klare Reservierung

Virtuelle Netzwerkkarte

Eine vNIC ist die virtuelle Netzwerkkarte einer VM.

Sie verbindet die VM mit einem virtuellen Switch.

Beispiel:

VMvNICNetzwerk
WEB01eth0Servernetz
DB01eth0Datenbanknetz
FW01eth0 / eth1WAN / LAN

Eine VM kann auch mehrere virtuelle Netzwerkkarten besitzen.


Virtueller Switch

Ein virtueller Switch verbindet virtuelle Maschinen miteinander und mit dem physischen Netzwerk.

Aufgaben:

AufgabeErklärung
VM mit Netzwerk verbindenVM kann mit anderen Systemen kommunizieren
VM-zu-VM-KommunikationVMs auf demselben Host können kommunizieren
VLAN-ZuordnungVMs können getrennten Netzen zugeordnet werden
Verbindung zur physischen NetzwerkkarteZugriff ins echte Netzwerk

Netzwerkmodi bei virtuellen Maschinen

Je nach Plattform gibt es verschiedene Netzwerkarten.

ModusBedeutung
BridgedVM ist direkt im gleichen Netzwerk wie der Host
NATVM nutzt den Host als Vermittler ins Netzwerk
Host-onlyVM kommuniziert nur mit dem Host
InternalVMs kommunizieren nur untereinander
VLANVM ist einem bestimmten virtuellen LAN zugeordnet

Bridged Networking

Bei Bridged Networking ist die VM wie ein eigenes Gerät im Netzwerk sichtbar.

Beispiel:

GerätIP-Adresse
Host192.168.10.10
VM192.168.10.20
Client192.168.10.30

Die VM kann direkt von anderen Geräten im Netzwerk erreicht werden.


NAT Networking

Bei NAT nutzt die VM den Host als Vermittler nach außen.

Die VM kann oft ins Internet, ist aber aus dem Netzwerk nicht direkt erreichbar.

Vorteil:

Einfach für Tests.

Nachteil:

Für Serverdienste weniger direkt nutzbar, wenn andere Clients auf die VM zugreifen sollen.


Host-only Networking

Bei Host-only kann die VM nur mit dem Host kommunizieren.

Das ist nützlich für isolierte Tests.

Beispiel:

Eine Test-VM soll nicht ins Firmennetz, aber vom eigenen Rechner aus erreichbar sein.


VLAN bei VMs

Mit VLANs kann man virtuelle Maschinen logisch in verschiedene Netzwerke trennen.

Beispiel:

VLANZweck
VLAN 10Management
VLAN 20Server
VLAN 30Storage
VLAN 40Clients
VLAN 50DMZ

VLANs helfen bei Sicherheit, Ordnung und Netzwerksegmentierung.


VM-Konfiguration

Eine VM besteht aus mehreren Konfigurationswerten.

Typische Angaben:

EinstellungBeispiel
NameWEB01
BetriebssystemDebian 12
vCPU2
RAM4 GB
Festplatte80 GB
NetzwerkVLAN 20
ISODebian-Installationsmedium
Boot-ReihenfolgeDisk vor ISO
AutostartJa oder Nein

Gastbetriebssystem

Das Gastbetriebssystem ist das Betriebssystem innerhalb der VM.

Beispiele:

GastbetriebssystemEinsatz
Windows ServerActive Directory, Fileserver, Anwendungen
DebianServerdienste, Webserver, Container
Ubuntu ServerCloud, Web, Anwendungen
Rocky LinuxUnternehmensnahe Linux-Umgebungen
pfSenseFirewall oder Router
FreeBSDNetzwerkdienste oder Spezialanwendungen

VMware Tools / Guest Tools

Viele Virtualisierungsplattformen verwenden Zusatztools im Gastbetriebssystem.

Beispiele:

PlattformTool
VMwareVMware Tools
Hyper-VIntegration Services
Proxmox / KVMQEMU Guest Agent
VirtualBoxGuest Additions

Nutzen:

VorteilErklärung
Bessere TreiberNetzwerk, Grafik, Storage
Sauberes HerunterfahrenHypervisor kann VM korrekt stoppen
IP-Adresse anzeigenHost sieht Informationen der VM
ZeitsynchronisationUhrzeit bleibt korrekt
Bessere PerformanceOptimierte Kommunikation

Snapshot

Ein Snapshot speichert den Zustand einer VM zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Er wird häufig vor Änderungen erstellt.

Beispiele:

SituationWarum Snapshot?
Vor UpdatesRückkehr möglich, wenn Update fehlschlägt
Vor SoftwareinstallationTest kann rückgängig gemacht werden
Vor KonfigurationsänderungSicherheit bei Fehlern
In LaborumgebungenSchnell zu einem Ausgangszustand zurück

Was speichert ein Snapshot?

Je nach Plattform kann ein Snapshot Folgendes enthalten:

BestandteilBedeutung
Zustand der virtuellen FestplatteÄnderungen ab Snapshot werden getrennt gespeichert
VM-KonfigurationEinstellungen der VM
ArbeitsspeicherzustandOptional laufender Zustand der VM

Snapshots sind kein Backup

Ein Snapshot ist kein vollständiges Backup.

Warum?

GrundErklärung
Abhängigkeit vom StorageSnapshot liegt meist auf demselben Storage
Nicht für Langzeit gedachtSnapshots können Performance verschlechtern
Kein Schutz vor Storage-AusfallWenn Storage defekt ist, ist auch der Snapshot betroffen
Kein Ersatz für SicherungBackup muss separat vorhanden sein

Merksatz:

Snapshots sind gut für kurzfristige Änderungen, aber kein Ersatz für Backups.


Backup von virtuellen Maschinen

Ein VM-Backup sichert eine virtuelle Maschine oder ihre Daten.

Arten:

BackupartErklärung
Image-basiertes BackupGanze VM wird gesichert
Datei-basiertes BackupEinzelne Dateien werden gesichert
Applikationskonsistentes BackupAnwendungen wie Datenbanken werden sauber berücksichtigt
Agent-basiertes BackupBackup-Software läuft in der VM
Agentless BackupBackup erfolgt über den Hypervisor

Applikationskonsistentes Backup

Ein applikationskonsistentes Backup berücksichtigt laufende Anwendungen.

Wichtig bei:

AnwendungWarum wichtig?
DatenbankenSchreibvorgänge müssen konsistent sein
Active DirectoryVerzeichnisdienst muss sauber gesichert werden
MailserverViele Transaktionen
ERP-SystemeGeschäftsdaten dürfen nicht beschädigt werden

Ein einfaches Kopieren einer laufenden virtuellen Festplatte reicht nicht immer aus.


Template

Ein Template ist eine Vorlage für neue virtuelle Maschinen.

Beispiel:

Eine Windows-Server-VM wird installiert, aktualisiert und vorbereitet.

Danach wird sie als Template gespeichert.

Aus diesem Template können neue Server schneller erstellt werden.

Vorteile:

VorteilErklärung
Schnellere BereitstellungNeue VMs schneller erstellen
Einheitliche BasisGleiche Grundkonfiguration
Weniger FehlerStandardisierte Installation
Automatisierung möglichGut für größere Umgebungen

Clone

Ein Clone ist eine Kopie einer virtuellen Maschine.

Arten:

Clone-ArtBedeutung
Full CloneVollständige unabhängige Kopie
Linked CloneKopie, die von einer Basis-VM abhängig ist

Full Clone:

VorteilNachteil
UnabhängigBenötigt mehr Speicher

Linked Clone:

VorteilNachteil
Spart SpeicherAbhängig von Basis-VM

ISO-Datei

Eine ISO-Datei ist ein Abbild eines Installationsmediums.

Beispiel:

Eine Debian-ISO wird in die VM eingebunden, um Debian zu installieren.

Ablauf:

SchrittErklärung
VM erstellenVirtuelle Hardware anlegen
ISO einbindenInstallationsmedium bereitstellen
VM startenVon ISO booten
Betriebssystem installierenInstallation in der VM
ISO entfernenNach Installation nicht mehr benötigt

Live Migration

Live Migration bedeutet, dass eine laufende VM von einem Host auf einen anderen Host verschoben wird.

Die VM soll dabei weiterlaufen.

Beispiele für Begriffe:

PlattformBegriff
VMwarevMotion
Hyper-VLive Migration
Proxmox/KVMLive Migration

Nutzen:

SituationVorteil
Host-WartungVMs vorher auf andere Hosts verschieben
LastverteilungVMs auf weniger ausgelastete Hosts verteilen
HardwaretauschDienste bleiben verfügbar
ClusterbetriebWichtig für Hochverfügbarkeit

Voraussetzungen für Live Migration

VoraussetzungErklärung
Mehrere HostsVM braucht Zielhost
Gemeinsamer oder replizierter StorageZielhost muss VM-Daten erreichen
NetzwerkverbindungVM-Zustand wird übertragen
Kompatible CPUsZielhost muss VM ausführen können
ClusterverwaltungHosts müssen gemeinsam verwaltet werden

Cold Migration

Cold Migration bedeutet, dass eine ausgeschaltete VM verschoben wird.

Vorteil:

Einfacher als Live Migration.

Nachteil:

Die VM ist währenddessen nicht verfügbar.


Storage Migration

Storage Migration bedeutet, dass die virtuellen Festplatten einer VM auf einen anderen Speicher verschoben werden.

Beispiel:

Die VM läuft weiter auf Host 1.
Ihre virtuelle Festplatte wird von Storage A nach Storage B verschoben.

Nutzen:

SituationVorteil
Storage wird vollDaten verschieben
Alter Storage wird ersetztMigration vorbereiten
PerformanceoptimierungVM auf schnelleren Speicher legen

Virtuelle Maschine vs. Container

Eine VM virtualisiert einen ganzen Computer.

Ein Container virtualisiert eher eine Anwendung mit ihren Abhängigkeiten.

MerkmalVirtuelle MaschineContainer
BetriebssystemEigenes GastbetriebssystemNutzt Host-Kernel
IsolationStärkerLeichter
RessourcenverbrauchHöherNiedriger
StartzeitLangsamerSehr schnell
EinsatzGanze ServerAnwendungen und Dienste
BeispieleWindows Server VM, Debian VMDocker, LXC

LXC vs. Docker

MerkmalLXCDocker
ArtSystemcontainerAnwendungscontainer
NutzungFast wie kleiner Linux-ServerEinzelne Anwendung
VerwaltungHäufig in ProxmoxHäufig für Apps und Microservices
BeispielLinux-Container mit SSHNginx-Container

Wann nutzt man eine VM?

Eine VM ist sinnvoll, wenn ein vollständiges Betriebssystem benötigt wird.

Beispiele:

EinsatzGrund
Windows ServerEigenes Betriebssystem nötig
Domain ControllerKlare Isolation und Betriebssystemrolle
DatenbankserverStabiler eigener Serverkontext
TestsystemSicher getrennt vom Host
Legacy-AnwendungAlte Anwendung braucht eigenes System
Firewall-VMEigene Netzwerkschnittstellen und Regeln

Wann nutzt man Container?

Container sind sinnvoll, wenn Anwendungen leichtgewichtig und schnell bereitgestellt werden sollen.

Beispiele:

EinsatzGrund
WebanwendungSchnell bereitstellbar
MicroservicesEinzelne Dienste getrennt
TestumgebungSchnell starten und löschen
AutomatisierungGut mit CI/CD
Self-HostingViele Anwendungen auf wenig Ressourcen

Ressourcenplanung bei VMs

Vor dem Erstellen einer VM sollte man Ressourcen planen.

Wichtige Fragen:

FrageBedeutung
Wie viele vCPUs braucht die VM?Rechenleistung
Wie viel RAM braucht die VM?Arbeitsspeicher
Wie viel Speicherplatz braucht sie?vDisk-Größe
Welche Netzwerkverbindung braucht sie?VLAN, IP, Firewall
Wird sie gesichert?Backupkonzept
Ist sie kritisch?Hochverfügbarkeit nötig?
Welche Lizenz wird benötigt?Betriebssystem und Anwendung

Beispiel für VM-Planung

EinstellungBeispiel
VM-NameWEB01
AufgabeInterner Webserver
BetriebssystemDebian 12
vCPU2
RAM4 GB
vDisk60 GB
NetzwerkVLAN 20 Servernetz
IP-Adresse192.168.20.30
BackupTäglich
HochverfügbarkeitJa, wenn produktiv

Überprovisionierung

Überprovisionierung bedeutet, dass mehr Ressourcen geplant oder vergeben werden, als tatsächlich vorhanden oder sinnvoll sind.

Beispiele:

ArtBeispiel
CPU-ÜberprovisionierungMehr vCPUs als physische Kerne
RAM-ÜberprovisionierungMehr RAM vergeben als vorhanden
Storage-ÜberprovisionierungThin Disks größer als echter Speicher
Netzwerk-ÜberlastungZu viele VMs auf zu wenig Bandbreite

Überprovisionierung kann funktionieren, muss aber überwacht werden.


Typische Performanceprobleme bei VMs

ProblemMögliche Ursache
VM ist langsamZu wenig RAM
Hohe WartezeitenLangsamer Storage
CPU hochZu wenig vCPU oder Host überlastet
Netzwerk langsamFalsches VLAN, Treiber, Bandbreite
VM startet nichtKein Speicherplatz oder falsche Konfiguration
Backup dauert langeGroße VM oder langsamer Storage
Snapshot wächst starkSnapshot wurde zu lange behalten

Storage-Performance

Storage ist bei Virtualisierung besonders wichtig.

Viele VMs greifen gleichzeitig auf denselben Speicher zu.

Wichtige Begriffe:

BegriffBedeutung
IOPSEin- und Ausgabeoperationen pro Sekunde
LatenzVerzögerung beim Speicherzugriff
DurchsatzDatenmenge pro Sekunde
QueueWarteschlange von Speicheroperationen

Merksatz:

Viele langsame VM-Probleme sind eigentlich Storage-Probleme.


Netzwerksegmentierung bei VMs

VMs sollten je nach Aufgabe in passende Netzwerke getrennt werden.

Beispiel:

NetzwerkInhalt
ManagementnetzHypervisor-Verwaltung
ServernetzInterne Server
DMZÖffentlich erreichbare Dienste
Storage-NetzStorage-Verkehr
Backup-NetzBackup-Datenverkehr

Vorteil:

Netzwerksegmentierung erhöht Sicherheit und Übersichtlichkeit.


DMZ bei virtuellen Maschinen

Eine DMZ ist ein separates Netzwerk für Dienste, die von außen erreichbar sind.

Beispiele:

VMAufgabe
REVPROXY01Reverse Proxy
WEB01Öffentlicher Webserver
VPN01VPN-Gateway

Diese Systeme sollten nicht direkt im internen Servernetz stehen.


VM-Sicherheit

Auch virtuelle Maschinen müssen abgesichert werden.

Maßnahmen:

MaßnahmeErklärung
Updates installierenSicherheitslücken schließen
Firewall konfigurierenZugriff begrenzen
Rechte beschränkenLeast Privilege
Dienste minimierenNur notwendige Dienste betreiben
Backup einrichtenWiederherstellung ermöglichen
Monitoring nutzenProbleme erkennen
Logging aktivierenEreignisse nachvollziehen
Netzwerk trennenVLANs und Firewalls nutzen

Hypervisor-Sicherheit

Der Hypervisor ist besonders kritisch.

Wenn ein Angreifer den Hypervisor kontrolliert, sind alle VMs gefährdet.

Maßnahmen:

MaßnahmeErklärung
Managementzugriff beschränkenNur Adminnetz oder VPN
Starke Passwörter verwendenSchutz vor unbefugtem Zugriff
MFA nutzenZusätzliche Sicherheit
Updates installierenSicherheitslücken schließen
Rollen und Rechte nutzenNicht jeder Admin braucht Vollzugriff
Logging aktivierenÄnderungen nachvollziehen
Managementnetz trennenNicht direkt aus Clientnetz erreichbar
Backups der KonfigurationWiederherstellung erleichtern

VM-Dokumentation

Virtuelle Maschinen sollten sauber dokumentiert werden.

Wichtige Angaben:

BereichBeispiel
VM-NameDB01
AufgabeDatenbankserver
BetriebssystemDebian 12
Host / ClusterHV01 oder Cluster01
vCPU4
RAM16 GB
Festplatte200 GB
NetzwerkVLAN 30
IP-Adresse192.168.30.10
BackupTäglich
VerantwortlichIT-Abteilung
AbhängigkeitenAPP01 benötigt DB01

Namenskonventionen für VMs

Saubere Namen helfen bei Verwaltung und Fehlersuche.

Beispiele:

NameBedeutung
DC01Domain Controller 1
DC02Domain Controller 2
FILE01Fileserver 1
WEB01Webserver 1
DB01Datenbankserver 1
APP01Applikationsserver 1
BKP01Backupserver 1
MON01Monitoringserver 1

Typische kleine Virtualisierungsumgebung

Beispiel:

Ein Unternehmen hat einen Virtualisierungshost.

Darauf laufen mehrere VMs:

VMAufgabe
DC01Domain Controller und DNS
FILE01Dateiserver
APP01Fachanwendung
DB01Datenbank
BKP01Backupverwaltung

Vorteil:

Weniger physische Server.

Nachteil:

Der einzelne Host ist ein Single Point of Failure, wenn keine Hochverfügbarkeit vorhanden ist.


Typische größere Virtualisierungsumgebung

Beispiel:

KomponenteAufgabe
HV01Virtualisierungshost 1
HV02Virtualisierungshost 2
HV03Virtualisierungshost 3
Shared StorageGemeinsamer Speicher
BackupserverSicherung der VMs
ManagementnetzVerwaltung
ServernetzVM-Kommunikation

In dieser Umgebung können VMs bei Wartung oder Ausfall auf andere Hosts verschoben werden.

Das führt zum nächsten Thema: Cluster und Hochverfügbarkeit.


Prüfungsnahes Beispiel

Aufgabe:

Ein Unternehmen betreibt vier physische Server mit jeweils geringer Auslastung. Die Server sind alt und sollen ersetzt werden.

Frage:

Welche Lösung wäre sinnvoll?

Mögliche Antwort:

Eine sinnvolle Lösung wäre Virtualisierung. Die bisherigen Serverrollen können als virtuelle Maschinen auf einem oder mehreren leistungsfähigen Virtualisierungshosts betrieben werden. Dadurch werden Ressourcen besser genutzt, neue Server können schneller bereitgestellt werden und Backups sowie Wiederherstellung werden vereinfacht. Für höhere Ausfallsicherheit kann zusätzlich ein Virtualisierungscluster eingesetzt werden.


Typische Prüfungsfrage: Was ist Virtualisierung?

Mögliche Antwort:

Virtualisierung bedeutet, dass physische Hardware logisch aufgeteilt wird, sodass mehrere virtuelle Maschinen auf einem physischen Host betrieben werden können. Jede VM verhält sich wie ein eigener Computer mit eigenem Betriebssystem und eigenen virtuellen Ressourcen.


Typische Prüfungsfrage: Was ist ein Hypervisor?

Mögliche Antwort:

Ein Hypervisor ist die Virtualisierungsschicht, die virtuelle Maschinen erstellt, verwaltet und ihnen Ressourcen wie CPU, RAM, Storage und Netzwerk zuweist. Ein Typ-1-Hypervisor läuft direkt auf der Hardware, ein Typ-2-Hypervisor läuft auf einem vorhandenen Betriebssystem.


Typische Prüfungsfrage: Unterschied Typ-1- und Typ-2-Hypervisor

TypErklärungBeispiel
Typ-1Läuft direkt auf der HardwareESXi, Hyper-V, Proxmox
Typ-2Läuft auf einem vorhandenen BetriebssystemVirtualBox, VMware Workstation

Typische Prüfungsfrage: Was ist eine virtuelle Maschine?

Mögliche Antwort:

Eine virtuelle Maschine ist ein simulierter Computer, der auf einem physischen Host läuft. Sie besitzt virtuelle Hardware wie vCPU, vRAM, vDisk und vNIC und verwendet ein eigenes Gastbetriebssystem.


Typische Prüfungsfrage: Warum sind Snapshots kein Backup?

Mögliche Antwort:

Snapshots speichern nur einen kurzfristigen Zustand einer VM und liegen meist auf demselben Storage. Sie sind für Tests oder Updates geeignet, aber kein Ersatz für ein separates Backup. Bei Storage-Ausfall oder Datenverlust helfen Snapshots allein oft nicht.


Typische Prüfungsfrage: Unterschied VM und Container

MerkmalVMContainer
BetriebssystemEigenes GastbetriebssystemNutzt Host-Kernel
RessourcenbedarfHöherNiedriger
IsolationStärkerLeichter
StartzeitLängerSehr kurz
EinsatzGanze ServerEinzelne Anwendungen

Typische Prüfungsfrage: Was ist Live Migration?

Mögliche Antwort:

Live Migration bedeutet, dass eine laufende virtuelle Maschine von einem Host auf einen anderen Host verschoben wird, ohne sie vorher auszuschalten. Das wird genutzt, um Hosts zu warten, Last zu verteilen oder Hochverfügbarkeit zu ermöglichen.


Typische Prüfungsfrage: Was ist Thin Provisioning?

Mögliche Antwort:

Thin Provisioning bedeutet, dass einer virtuellen Festplatte eine bestimmte Maximalgröße zugewiesen wird, aber auf dem echten Storage zunächst nur der tatsächlich genutzte Speicherplatz belegt wird. Dadurch wird Speicher effizienter genutzt, es besteht aber das Risiko, dass der Storage voll läuft, wenn viele virtuelle Festplatten wachsen.


Typische Prüfungsfrage: Warum ist Ressourcenplanung bei VMs wichtig?

Mögliche Antwort:

Mehrere VMs teilen sich die Ressourcen eines Hosts. Werden zu viele vCPUs, zu viel RAM oder zu viel Storage vergeben, kann der Host überlastet werden. Deshalb müssen CPU, RAM, Storage, Netzwerk und Backup sorgfältig geplant und überwacht werden.


Wichtige Begriffe

BegriffKurz erklärt
VirtualisierungMehrere virtuelle Systeme auf gemeinsamer Hardware
HostPhysischer Server für VMs
GuestVirtuelle Maschine
HypervisorVirtualisierungsschicht
Typ-1-HypervisorLäuft direkt auf Hardware
Typ-2-HypervisorLäuft auf einem Betriebssystem
VMVirtuelle Maschine
vCPUVirtuelle CPU
vRAMVirtueller Arbeitsspeicher
vDiskVirtuelle Festplatte
vNICVirtuelle Netzwerkkarte
Virtueller SwitchVerbindet VMs mit Netzwerken
SnapshotKurzfristig gespeicherter VM-Zustand
BackupEchte Datensicherung
TemplateVorlage für neue VMs
CloneKopie einer VM
Live MigrationLaufende VM auf anderen Host verschieben
Cold MigrationAusgeschaltete VM verschieben
Thin ProvisioningSpeicher wird dynamisch belegt
Thick ProvisioningSpeicher wird sofort reserviert
OvercommitmentMehr virtuelle Ressourcen vergeben als physisch vorhanden
GastbetriebssystemBetriebssystem innerhalb einer VM

Wichtige Merksätze

Virtualisierung ermöglicht den Betrieb mehrerer virtueller Maschinen auf einem physischen Host.

Eine virtuelle Maschine verhält sich wie ein eigener Computer mit eigener virtueller Hardware.

Der Hypervisor verwaltet die virtuellen Maschinen und verteilt CPU, RAM, Storage und Netzwerk.

Ein Typ-1-Hypervisor läuft direkt auf der Hardware.

Ein Typ-2-Hypervisor läuft auf einem vorhandenen Betriebssystem.

Snapshots sind kein Ersatz für Backups.

Thin Provisioning spart Speicher, muss aber überwacht werden.

Zu viele VMs auf einem Host können zu Performanceproblemen führen.

RAM ist bei Virtualisierung oft kritischer als CPU.

Storage-Probleme sind eine häufige Ursache für langsame VMs.

Live Migration ermöglicht Wartung und Lastverteilung ohne Abschalten der VM.


Kurzzusammenfassung

Virtualisierung ist eine Technik, bei der mehrere virtuelle Maschinen auf einem physischen Server betrieben werden.

Der physische Server wird Host genannt.
Die virtuelle Maschine wird Guest genannt.
Der Hypervisor ist die Schicht, die die VMs verwaltet.

Eine VM besitzt virtuelle Hardware wie vCPU, vRAM, vDisk und vNIC und führt ein eigenes Betriebssystem aus.

Wichtige Vorteile sind:

VorteilBedeutung
FlexibilitätVMs können schnell erstellt und angepasst werden
RessourcennutzungHardware wird besser ausgelastet
BackupGanze VMs können gesichert werden
MigrationVMs können verschoben werden
TestumgebungenSysteme können schnell aufgebaut werden
Grundlage für HAVirtualisierung kann mit Clustern kombiniert werden

Wichtige Risiken sind:

RisikoBedeutung
Host-AusfallMehrere VMs können gleichzeitig betroffen sein
RessourcenengpassCPU, RAM oder Storage können überlastet werden
Storage-AbhängigkeitViele VMs hängen an zentralem Speicher
SicherheitsrisikoHypervisor muss besonders geschützt werden
Kein Backup durch SnapshotSnapshots ersetzen keine Datensicherung

Virtualisierung ist die Grundlage für viele moderne Serverumgebungen und führt direkt zum nächsten Thema:

Cluster und Hochverfügbarkeit