Hyper-V Windows Server 2008 R2

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1 Hyper-V-Architektur Insiderwissen für Administratoren Neue Features in Windows Server 2008 R2 Expertentipps, best practices Installation von Hyper-V und Server Core Konfiguration von Hyper-V Hyper-V MMC Best practices in der Virtualisierung Migration von virtuellen Computern Disk Images erstellen, benutzen und aktualisieren Failover-Clustering Schnelle vs. LiveMigration Konfiguration eines Clusters Verwalten von virtuellen Computern in Clustern WMI, Scripting und Hyper-V verstehen Aufgaben automatisieren Die neue R2-Bibliothek SCVMM nutzen, Architektur und Vorlagen DPM-Speicher Schutz virtualisierter Umgebungen System Center Operational Manager 2007: Kernkomponenten Monitoring und Reporting Mit der Veröffentlichung von Windows Server 2008 verfügt Microsoft über eine integrierte Virtualisierungslösung namens Hyper-V. Hyper-V ist eine Windows Server 2008-Funktion, mit deren Hilfe Administratoren multiple virtuelle Maschinen konfigurieren können. Eine virtuelle Maschine ist eine eigenständige, isolierte Umgebung, die ein eigenes Betriebssystem sowie eigene Anwendungen ausführt. Außerdem zum Thema bei mitp: ISBN Die Technologie der virtuellen Maschine ist nichts Neues von Microsoft gibt es sie als Virtual PC und Virtual Server seit Ende 2003 und von anderen Herstellern seit den 1970ern. Durch die Übernahme dieser Technologie ins eigene Betriebssystem ist Microsoft nun in der Lage, ein funktionsreiches Produkt ohne zusätzliche Kosten anzubieten. Das Erscheinen von Windows Server 2008 R2 brachte entscheidende Verbesserungen auch bei Hyper-V, denen dieses Buch Rechnung trägt. Die beiden Autoren John Kelbley und Mike Sterling arbeiten bei Microsoft, sind also absolute Insider. Von ihrem Expertenwissen werden nicht nur (angehende) Serveradministratoren profitieren. John Kelbley Mike Sterling ISBN Die Autoren setzen lediglich voraus, dass sich die Leser mit Windows auskennen und etwas Erfahrung mit Windows Server 2008 bzw. Windows Server 2008 R2 gesammelt haben. Sie müssen keine großartigen Kenntnisse der Serververwaltung besitzen, Sie sollten nur den Willen und den Ehrgeiz mitbringen, Hyper-V und dessen Verwendung etwas besser kennenzulernen. ISBN Hyper-V Windows Server 2008 R2 Hyper-V-Szenarien Windows Server 2008 R2 Kelbley Sterling Aus dem Inhalt: Hyper-V Windows Server 2008 R2 (D) 44,95 ISBN ISBN _umschlag.indd 1 SC 17 x 24 cm :49:03

2 Mit der Veröffentlichung von Windows Server 2008 verfügt Microsoft über eine integrierte Virtualisierungslösung namens Hyper-V. Hyper-V ist eine Windows Server 2008-Funktion, mit deren Hilfe Administratoren multiple virtuelle Maschinen konfigurieren können. Eine virtuelle Maschine ist eine eigenständige, isolierte Umgebung, die ein eigenes Betriebssystem sowie eigene Anwendungen ausführt. Die Technologie der virtuelle Maschine ist nichts Neues von Microsoft gibt es sie als Virtual PC und Virtual Server seit Ende 2003 und von anderen Herstellern seit den 1970ern. Durch die Übernahme dieser Technologie ins eigene Betriebssystem ist Microsoft nun in der Lage ein funktionsreiches Produkt ohne zusätzliche Kosten anzubieten. Hyper-V bringt das Konzept der Virtualisierung zur Mainstream-IT-Umgebung, indem sie ins Betriebssystem integriert wird. Bisherige Virtualisierungslösungen von Microsoft liefen als Zusatzprodukt zum Betriebssystem und unterscheiden sich wesentlich vom Design von Hyper-V. Die Integration mit dem Betriebssystem ermöglicht außerdem in Kombination mit den System-Center-Produkten eine einheitliche Verwaltung. In diesem Kapitel befassen wir uns mit den folgenden Aspekten von Hyper-V: Hyper-V-Szenarien Hyper-V-Architektur Hyper-V-Features Hard- und Softwareanforderungen für Hyper-V 1.1 Hyper-V-Szenarien Hyper-V wurde für einige maßgebliche Szenarien konzipiert. Als Microsoft mit der Entwicklung von Hyper-V begann, hat das Entwicklungsteam sehr viel Zeit in Gesprächen mit Kunden verbracht, die Virtualisierungstechnologien eingesetzt haben: kleinere Unternehmen, Consultants, die Virtualisierung für ihre Kunden implementieren und größere Unternehmen mit einem IT-Budget von mehreren Millionen Dollar. Die folgenden Schlüsselszenarien wurden als Ergebnis dieser Gespräche entwickelt; sie stellen die Bedürfnisse, Anforderungen und Wünsche der Kunden dar. 21

3 1.1.1 Serverkonsolidierung Die Systeme werden immer leistungsfähiger. Vor ein paar Jahren wurden die ersten Quad-Prozessor-Server zu unternehmensfreundlichen Preisen auf dem Mainstream-Markt eingeführt. Weil bei den wichtigsten CPU-Herstellern der Support für Prozessoren mit mehreren Kernen zum Tagesgeschäft geworden ist, nimmt die Leistungsfähigkeit der Server stetig zu. Multicore-Technologien kombinieren mehrere Prozessorkerne auf einem einzelnen Chip, sodass ein einzelner, physikalischer Prozessor mehrere Ausführungs-Threads auf unterschiedlichen Kernen ausführen kann. Die Virtualisierung und die Multicore-Technologie harmonisieren großartig. Wenn Sie mehrere Workloads auf einem einzelnen Server konsolidieren, macht es nur Sinn, so viel CPU-Leistung wie möglich zu haben. Multicore- Prozessoren helfen dabei, die optimale Plattform für die Virtualisierung bereitzustellen. Es wird immer wahrscheinlicher, dass die Unternehmen mehrere Systeme für eine bestimmte Beanspruchung benötigen. Manche Aufgaben sind extrem komplex; sie erfordern zwar mehrere Systeme, nutzen aber nicht zwangsläufig die gesamte Rechenkapazität der Hardware aus. Indem sie von der Virtualisierung profitieren, können Systemadministratoren eine virtualisierte Lösung bieten, welche die Fähigkeiten der Host-Hardware besser ausschöpft und den Administratoren daher mehr Leistung für ihr Geld bietet. Die Beanspruchung ist nicht der einzige Faktor, der die Virtualisierung vorantreibt. Der Stromverbrauch und der Kühlbedarf der modernen Server sind ebenfalls maßgeblich daran beteiligt. Ein Rack voller Server kann eine ziemlich Wärmeleistung erzeugen (wenn Sie schon einmal hinter einem solchen Rack gestanden haben, werden Sie mir bestimmt zustimmen da kann man sich toll aufwärmen, wenn man den ganzen Tag im kalten Serverraum gearbeitet hat). Die ganze Wärme muss irgendwo herkommen. Ein Rack verbraucht auch ziemlich viel Energie. Aber für ein Unternehmen im Wolkenkratzer mitten in einer Großstadt kann es extrem schwierig, wenn nicht unmöglich, mehr Energie zu bekommen. In vielen Fällen wurde das Gebäude für eine derartige Stromversorgung nicht gebaut, und das Versorgungsunternehmen kann ohne aufwendige Umbauten nicht mehr Strom liefern. Indem man auf die Virtualisierung schwenkt, kann eine größere Arbeitslast von derselben Anzahl von Servern abgearbeitet werden Tests und Entwicklung Für Menschen, die im Bereich Test bzw. Entwicklung arbeiten, bietet die Virtualisierung den Schlüssel zu mehr Produktivität. Die Fähigkeit, eine Gruppe von unterschiedlichen virtuellen Maschinen (VMs) einzusetzen, wobei jede über ein eigenes Betriebssystem verfügt und auf Knopfdruck loslegen kann, spart enorm 22

4 1.1 Hyper-V-Szenarien viel Zeit. Sie müssen lediglich die virtuelle Maschine starten, die das von Ihnen benötigte Betriebssystem besitzt. Sie müssen das Betriebssystem nicht mehr für jeden Test neu installieren; stattdessen können Sie die Maschine in einen bekannt funktionierenden Status zurücksetzen und den Testzyklus neu beginnen. Darüber hinaus können die Nutzer mithilfe der Snapshot-Funktionalität schnell zwischen bekannten Zuständen der virtuellen Maschine umschalten. Dank der funktionsreichen WMI-Schnittstellen (Windows Management Interface) von Hyper-V kann der Testlauf sogar automatisch ausgelöst werden. Indem man Scripts sowohl für Hyper-V als auch für das zu testende Betriebssystem schreibt, können die Testmitarbeiter ein Script schreiben, das die virtuelle Maschine startet, die neueste Version installiert und die notwendigen Tests damit ausführt. Eine virtuelle Maschine unter Hyper-V ist außerdem portabel. Ein Tester kann mit der virtuellen Maschine arbeiten; wird ein Problem entdeckt, kann der Tester den Status der virtuellen Maschine speichern (einschließlich des Hauptspeicherinhalts und des Prozessorstatus) und diesen an die Entwicklung weitergeben, wo der Status umgehend wiederhergestellt werden kann. Weil der Status der virtuellen Maschine gespeichert wurde, sieht der Entwickler genau das, was der Tester gesehen hat Business Continuity und Disaster Recovery Unter Business Continuity versteht man die Fähigkeit, eine betriebskritische Infrastruktur am Laufen zu halten. Hyper-V bietet zwei wichtige Features, um Business Continuity zu ermöglichen: Live-Backup und eine schnelle bzw. Live- Migration. Live-Backup verlässt sich auf die Funktionalität der Microsoft Volume-Schattenkopie-Dienste, um ohne Ausfallzeiten eine Gesamtsicherung des Systems zu erstellen; außerdem wird damit eine Sicherung der virtuellen Maschine zu einem bekannt funktionierenden Zeitpunkt erstellt. Die Systemsicherung umfasst den Status aller aktiven VMs. Wenn eine Backup-Anforderung vom Host eintrifft, wird Hyper-V benachrichtigt, und alle VMs, die auf dem Host laufen, werden in einen Zustand versetzt, in dem sie ohne Beeinträchtigung der momentanen Aktivität gesichert werden können. Sie lassen sich zu einem späteren Zeitpunkt wiederherstellen. Durch die schnelle bzw. Live-Migration kann eine virtuelle Maschine ohne zusätzliche Kosten mithilfe der Microsoft Failover-Cluster-Funktionalität von einem Host im Cluster auf einen anderen umgesiedelt werden. Während einer schnellen Migration werden der Zustand der virtuellen Maschine gesichert, die Storage-Connectivity vom ursprünglichen zum Ziel-Host verschoben und der Zustand der virtuellen Maschine wiederhergestellt. Während einer Live-Migration wird der Zustand der virtuellen Maschine über das Netzwerk vom ursprünglichen zum 23

5 Ziel-Host übertragen; so wird sichergestellt, dass die virtuelle Maschine während des gesamten Prozesses aktiv und ansprechbar bleibt. Seit Windows Server 2008 unterstützt das Failover-Cluster-Manager-Tool den Ressourcentyp virtuelle Maschine, sodass eine virtuelle Maschine mithilfe einer Funktionalität des Betriebssystems hoch verfügbar konfiguriert werden kann. Für weitere Informationen über diese beiden Hyper-V-Features lesen Sie bitte Kapitel 6,»Migration von virtuellen Computern«, sowie Kapitel 7,»Sicherung und Wiederherstellung von virtuellen Maschinen«. Für immer mehr Unternehmen wird Disaster Recovery zu einer wichtigen Anforderung. Natürlich muss man nicht nur für den Super-GAU planen auch kleinere Zwischenfälle und einfache Konfigurationsprobleme können dazu führen, dass ein betriebskritischer Dienst nicht verfügbar ist. Hyper-V umfasst Support für geografisch verteilte Cluster (ein neues Feature in Windows Server 2008) Dynamische IT Microsofts Vorstellung einer dynamischen IT-Infrastruktur umfasst sich selbst verwaltende, dynamische Systeme, die sich automatisch auf die momentane Auslastung anpassen. Indem sie Hyper-V in Verbindung mit der Systemmanagementfunktionalität der System-Center-Produkte einsetzen, können Unternehmen die Vorteile der Virtualisierung für sich in Anspruch nehmen, um so den Anforderungen einer sich schnell ändernden Umgebung gerecht zu werden. Da wir nun die wichtigsten Zielszenarien von Hyper-V besprochen haben, werden wir uns mit der Architektur von Hyper-V befassen und dabei erläutern, wie Microsoft diese Szenarien unterstützt. 1.2 Hyper-V-Architektur Bevor wir uns mit der Architektur des Windows Servers 2008 mit der Hyper-V- Serverrolle beschäftigen, ist es nützlich zu untersuchen, wie Windows Server 2008 ohne diese Rolle funktioniert. Wie Sie in Abbildung 1.1 sehen können, agiert Windows Server 2008 sowohl im Kernel- als auch im Usermodus. Der Kernelmodus (auch unter dem Namen Ring 0 bekannt) ist der Ort, an dem der Windows-Kernel und sämtliche Gerätetreiber für die am System installierte Hardware residieren. Der Usermodus (Ring 3) ist der Ort, an dem die Anwendungen ausgeführt werden. Diese Trennung zwischen Ringen ist ein Schlüsselfeature der x86-architektur sie sorgt dafür, dass eine fehlerhafte Anwendung in der Regel das Betriebssystem nicht mit sich reißt. 24

6 1.2 Hyper-V-Architektur Windows Server 2008 Anwendungen Usermodus IHV-Treiber Windows-Kernel Kernelmodus Zertifizierte Hardware aus dem Windows-Server-Katalog Abb. 1.1: Vereinfachte Architektur für eine saubere Installation von Windows Server 2008 Eine Rolle im Sinne von Windows Server 2008 ist eine Aufgabe für den Server, wohingegen ein Feature eine Rolle ergänzen kann (und auch oft ergänzt). Ein tolles Beispiel für diesen Unterschied zwischen Rolle und Feature ist der Webserver. Bei der IIS-Funktionalität (Internet Information Services) handelt es sich um eine Rolle von Windows Server 2008, und die dazu passenden Features sind: Network Load Balancing und die Windows PowerShell. Die einzelnen Features können bedarfsorientiert installiert werden. Eine Standardinstallation von Windows Server 2008 umfasst keine aktiven Rollen bzw. Features. Windows Server 2008 wurde in Hinblick auf maximale Sicherheit konzipiert. Als Teil des Entwicklungsprozesses hat Microsoft mit vielen Usern zusammengearbeitet und von ihnen Rückmeldungen über die Art erhalten, wie sie ihre Server einsetzen. Eine häufige Kundenanforderung war eine leichte Methode, einen Server für die Handhabung einer bestimmten Aufgabe beispielsweise die eines Fileservers oder Printservers zu konfigurieren. Und daher stammt das Konzept der Rollen und Features. 25

7 Da wir nun die Bedeutung von Rolle und Features im Sinne von Windows Server 2008 verstehen, wollen wir uns über die Hyper-V-Rolle unterhalten. Auf die Installation dieser Rolle kommen wir in Kapitel 2,»Installation von Hyper-V und Server Core«, zurück. In Abbildung 1.2 erkennen Sie, dass sich nach der Installation der Rolle einige ganz wesentliche Änderungen für die installierte Instanz von Windows Server 2008 ergeben haben. Windows-Server 2008 Parent-Partition Worker-Prozesse WMI-Provider VMI-Service Usermodus VSP VMBus IHV-Treiber Windows-Kernel Kernelmodus Windows-Hypervisor Ring 1 Zertifizierte Hardware aus dem Windows-Server-Katalog Abb. 1.2: Vereinfachte Architektur für Windows Server 2008 mit Hyper-V-Rolle Sieht ziemlich anders aus, oder? Sehen wir uns die einzelnen Änderungen im Detail an Parent-Partition Diese Instanz von Windows läuft nun auf dem Windows-Hypervisor, auf den wir weiter unten in diesem Kapitel zurückkommen werden. Eine Nebenwirkung der Tatsache, dass das Serverbetriebssystem auf dem Hypervisor läuft, ist, dass diese 26

8 1.2 Hyper-V-Architektur Installation genauer genommen eine virtuelle Maschine ist. Wir werden sie als Parent-Partition bezeichnen. Die Parent-Partition verfügt über zwei besondere Features: Sie umfasst alle Hardwaregerätetreiber sowie unterstützenden Dateien für die anderen VMs (wir werden uns die Funktion dieser Treiber im Abschnitt»Kernelmodus-Treiber«weiter unten in diesem Kapitel ansehen). Sie hat den exklusiven Direktzugriff auf sämtliche Hardware des Systems. In Verbindung mit den Virtualisierungs-Serviceprovidern führt die Parent-Partition I/O-Anforderungen stellvertretend für die virtuelle Maschine aus, indem sie beispielsweise Festplattendaten über einen Fibre-Channel-Controller überträgt. Die folgenden Best Practices gewährleisten eine sichere und stabile Parent- Partition, die für die auf dem Host laufenden virtuellen Maschinen kritisch ist. In Kapitel 4,»Best Practices in der Virtualisierung«, sehen wir uns weitere Best Practices an. Führen Sie keine weiteren Anwendungen bzw. Services in der Parent-Partition aus. Für den Systemadministrator mag das selbstverständlich sein, aber es ist besonders wichtig, wenn sie mehrere virtuelle Maschinen ausführen. Neben der Gefahr, die Stabilität zu beeinträchtigen, beschränkt die Ausführung multipler Rollen, Features bzw. Anwendungen in der Parent-Partition die für die virtuellen Maschinen zur Verfügung stehenden Ressourcen. Nutzen Sie die Windows Server 2008 Kern-Installationsoption als Parent- Partition. Wir werden den Windows Server Core in Kapitel 2 besprechen Windows-Hypervisor Der Windows-Hypervisor ist die Basis für Hyper-V. Unter der Haube muss der Hypervisor nur ein paar einfache Aufgaben erfüllen: Partitionen erstellen und abbauen und eine robuste Isolierung der einzelnen Partitionen gewährleisten (eine Partition ist die Basis für eine virtuelle Maschine). Das klingt nicht nach viel Arbeit, aber der Hypervisor gehört zu den wichtigsten Komponenten von Hyper-V. Aus diesem Grund hat sich die Entwicklung des Hypervisors so eng an den Microsoft Security Design Lifecycle-Prozess gehalten: Wird der Hypervisor kompromittiert, kann ein Angreifer das gesamte System kapern, weil der Hypervisor im privilegiertesten aller Betriebsmodi der x86-architektur läuft. Ein Designziel von Microsoft bestand darin, den Microsoft-Hypervisor so klein wie möglich zu gestalten. Daraus sind zwei Vorteile erwachsen: Die TCB (Trusted Computing Base, vertrauenswürdige Computerbasis) bleibt kleiner. Unter TCB versteht man alle sicherheitskritischen Systembestandteile. Indem man sicherstellt, dass der Hypervisor klein bleibt, wird die mögliche Angriffsfläche verkleinert. 27

9 Der Hypervisor verursacht weniger Overhead am System. Weil alle VMs (und auch die Parent-Partition) auf dem Hypervisor laufen, wird die Performance zum Hauptproblem. Das Ziel ist, den Overhead des Hypervisors zu reduzieren Kernelmodus-Treiber Der Kernelmodus-Treiber ist einer der zwei Treiberarten unter Windows. Die Kernelmodus-Treiber werden in Ring 0 ausgeführt. Weil diese Treiberart im Kernelmodus ausgeführt wird, ist es sehr wichtig, dass diese Treiber so sicher wie möglich sind. Ein unsicherer Treiber oder ein Treiberabsturz kann das gesamte System kompromittieren. Hyper-V fügt zwei Kernelmodus-Treiber hinzu: VMBus Beim VMBus handelt es sich um einen speicherbasierten Hochgeschwindigkeitsbus, der speziell für Hyper-V entwickelt wurde. Jede VMBus-Instanz ist eine Point-to-Point-Verbindung, die von den virtuellen Maschinen nicht gemeinsam genutzt wird jede virtuelle Maschine hat eine eigene Instanz. VMBus fungiert als Bus für den gesamten I/O-Traffic, der zwischen den VMs und der Parent-Partition stattfindet. VMBus arbeitet eng mit dem Virtualisierungs-Service-Provider sowie dem Virtualisierungs-Service-Client zusammen. Virtualisierungs-Service-Provider (VSP) Der Virtualisierungs-Service-Provider (VSP) versetzt die VMs in die Lage, die zugrunde liegende physikalische Hardware gemeinsam sicher zu nutzen. Der VSP initiiert das I/O stellvertretend für alle VMs, die auf dem System laufen. Er kooperiert mit den Treibern der Hardwarehersteller in der Parent-Partition, sodass keine besonderen»virtualisierungs«-treiber erforderlich sind. Ist ein Treiber für Windows Server 2008 bzw. R2 zertifiziert, sollte er auch wie gewünscht mit Hyper-V funktionieren. Für jede Device-Klasse gibt es einen VSP beispielsweise gibt es in einer Standardinstallation von Hyper-V einen VSP für das Netzwerk sowie einen VSP für den Massenspeicher. Die VSPs kommunizieren mit dem dazugehörigen Virtualisierungs-Service-Client (VSC), der über VMBus auf der virtuellen Maschine betrieben wird. Wir kommen auf den VSC zurück, wenn wir die unterschiedlichen Treiberarten für virtuelle Maschinen im Abschnitt 1.3.2,»Synthetische Gerätetreiber«, besprechen Usermodus-Anwendungen Wie man auch erwarten würde, sind Usermodus-Anwendungen solche Anwendungen, die im Usermodus ausgeführt werden. Mit anderen Worten: Sie werden in Ring 3 ausgeführt, wo sämtlicher nicht privilegierter Code läuft. Viele der Anwendungen, die unter Windows laufen, sind Usermodus-Anwendungen zum 28

10 1.3 Virtuelle Maschine Beispiel wird der Editor, den Sie aufrufen, um eine Textdatei zu lesen, im Usermodus ausgeführt. Unter Hyper-V gibt es eine Reihe von Usermodus-Anwendungen: Virtual Machine Management Service (VMMS) Der VMMS stellt den einzigen Punkt der Interaktion für alle eingehenden Managementanforderungen dar. Er tauscht sich mit mehreren Prozessen aus, von denen wir an dieser Stelle zwei näher beschreiben werden. WMI-Provider Hyper-V verfügt über eine große Auswahl an WMI-Interfaces. Sie bieten eine Möglichkeit, den Status sowie die Gesundheit der VMs zu verwalten, und liefern gleichzeitig Informationen über Einstellungen und teilweise über die Leistung. Alle WMI-Interfaces sind unter vollständig dokumentiert. Suchen Sie dort nach Hyper-V WMI reference. Worker-Prozesse Wenn eine virtuelle Maschine gestartet wird, wird ein Worker- Prozess angelegt. Der Worker-Prozess stellt alle Aktionen dar, die auf dem virtuellen Prozessor laufen, außerdem alle emulierten Devices sowie das virtuelle Mainboard. Für jede virtuelle Maschine, die auf einem Host läuft, gibt es einen Worker-Prozess. Da wir Ihnen nun gezeigt haben, was in der Parent-Partition läuft, wollen wir uns die VMs anschauen. Wenn Sie eine VM erstellen und einschalten, können Sie eine große Vielfalt an x86/x64-basierten Betriebssystemen installieren. Obwohl es sich dabei um VMs handelt, können sie die gleichen Betriebssysteme ausführen wie ein physikalischer Computer. Betriebssysteme, die von Microsoft unterstützt werden, umfassen jedoch neue synthetische Treiber, die mit dem dazugehörigen VSP zusammenarbeiten, der in der Parent-Partition ausgeführt wird. Wir wollen untersuchen, wie ein virtualisiertes Betriebssystem mit dem I/O umgeht. 1.3 Virtuelle Maschine Eine VM kann zwei verschiedene Device-Arten haben: emuliert und synthetisch. Obwohl synthetische besser als emulierte Devices sind, weil sie eine höhere Leistung bieten, gibt es sie nicht für alle Betriebssysteme. Emulierte Devices existieren in Hyper-V hauptsächlich aus Gründen der Abwärtskompatibilität mit nicht unterstützten Betriebssystemen. VMs, die bestimmte Linux-Distributionen ausführen, bieten ebenfalls Support für synthetische Geräte. Wir wollen uns beide Device- Typen ansehen. 29

11 1.3.1 Emulierte Devices Emulierte Devices in einer Hyper-V-VM existieren in erster Linie aus Gründen der Abwärtskompatibilität mit älteren Betriebssystemen. Unter perfekten Bedingungen würden alle Anwendungen auf der neuesten Version des Betriebssystems laufen, für die sie konzipiert wurden, aber diese Vorstellung realitätsfremd. Viele Unternehmen setzen Produktionssysteme ein, die auf einer älteren Ausgabe eines Betriebssystems laufen, weil eine Anwendung auf keinem neueren Betriebssystem läuft. Ältere Betriebssysteme werden unter Umständen unter Hyper-V nicht unterstützt, sodass sie vom Hochleistungs-I/O nicht profitieren können. Das ist aber kein Super-GAU. Wenn man die älteren Systeme auf einem neueren Hyper- V-Host konsolidiert, können die Vorteile des Umstiegs auf eine aktuellere Hardware dennoch einen Performance-Zugewinn bedeuten. Emulierte Devices spielen eine weitere Schlüsselrolle. Während der Installation der virtuellen Maschine bieten die Betriebssysteme keinen Support für die synthetischen Devices, die unter Umständen in der virtuellen Maschine installiert sind. Aus diesem Grund muss man auf emulierte Devices zurückgreifen anderenfalls wird die Systeminstallation nicht funktionieren. Für Hyper-V ist es ein Kinderspiel, von emulierten auf synthetische Devices umzustellen. Die emulierten Devices, die einer virtuellen Maschine zur Nutzung angeboten werden, werden aus Gründen ihrer hervorragenden Kompatibilität über eine große Bandbreite an Betriebssystemen sowie ihres integrierten Treibersupports gewählt. Wie Sie anhand von Abbildung 1.3 sehen können, wird die Videokarte als Standard-VGA-Grafikkarte erkannt und die Netzwerkkarte als Intel basierte Ethernetkarte. Abb. 1.3: Device-Manager für eine virtuelle Maschine mit Windows Server Hier werden die emulierten Geräte angezeigt. 30

12 1.3 Virtuelle Maschine Emulierte Devices funktionieren nicht so gut wie die neuen synthetischen Devices unter Hyper-V. Aufgrund der Arbeit, die in die Absicherung des gesamten Virtualisierungsstacks gesteckt wurde, werden emulierte Devices im Worker-Prozess ausgeführt genauer gesagt: im Usermodus der Parent-Partition. Wie läuft das I/O bei emulierten Devices ab? In Abbildung 1.4 sehen Sie die Details der Handhabung von emulierten Speicheranforderungen. Für emulierte Netzwerkanforderungen ergibt sich ein ähnliches Bild. Service Virtualisierungsstack IDE Emulator Client 4 Dateisystem Usermodus Kernelmodus 3 1 Dateisystem Usermodus Kernelmodus Volume Volume Partition Partition Disk.sys Disk.sys StorPort StorPort Miniport VHD Parser Speicher-VSP ATAPI.sys IDE Miniport 2 Hypervisor Speicherhardware Abb. 1.4: I/O für emulierte Speichergeräte Wir wollen an dieser Stelle auf ein paar Sachen aufmerksam machen: Hier wird mit Context-Switching gearbeitet. Unter Context-Switching versteht man den Fall, in dem die Ausführung einer bestimmten Anweisung im Kernelmodus eines Prozesses endet und die Ausführung im Usermodus fortgesetzt wird. In Zusammenhang mit der Virtualisierung ist das Context-Switching eine aufwendige Operation. Die CPU-Belastung für diese Operation ist sehr hoch, und die CPU könnte diese Zeit viel besser für andere Aufgaben aufwenden. Der Pfad, über den das Datenpaket läuft, ist im Vergleich mit dem synthetischen Fall sehr lang (wird im nächsten Abschnitt erörtert). 31

13 Der Pfad, den Sie in Abbildung 1.4 sehen können, wird beim Schreiben von 10 KB auf die Festplatte Hunderte Male ausgeführt. Stellen Sie sich vor, es handelt sich um eine große SQL-Transaktion, bei der Hunderte Megabyte geschrieben werden, oder Sie müssen eine beliebte Website über den IIS bereitstellen, der auf der virtuellen Maschine läuft. Wie Sie erkennen können, ist das nicht besonders gut skalierbar Synthetische Gerätetreiber Synthetische Devices bieten eine stark verbesserte Leistung im Vergleich mit emulierten Geräten. Indem sie die Vorteile des VMBus ausnutzen, können synthetische Devices I/O-Transaktionen sehr viel schneller als emulierte Devices ausführfen. Synthetische Geräte wie der Microsoft Virtual-Machine-Bus-Netzwerkadapter, der in Abbildung 1.5 gezeigt wird, verfügen über keinerlei physikalische Komponenten. Vielmehr sind es rein virtuelle Geräte, die nur unter Hyper-V laufen. Sie können diese Treiber nicht auf einem physikalischen System einsetzen. Die neuen synthetischen Devices setzen auf dem VMBus auf. Abb. 1.5: Device-Manager für eine virtuelle Maschine mit Windows Server Hier werden die synthetischen Gerätetreiber gezeigt. Synthetische Gerätetreiber sind ausschließlich für Betriebssysteme erhältlich, die von Microsoft unterstützt werden (als Referenz finden Sie eine Liste der unter- 32

14 1.3 Virtuelle Maschine stützten Systeme für Hyper-V im Knowledge Base-Artikel unter support.microsoft.com/kb/954958). Wenn Sie ein Betriebssystem in einer virtuellen Maschine ausführen, das nicht von Microsoft unterstützt wird, müssen Sie mit emulierten Geräten in der virtuellen Maschine Vorlieb nehmen. Ähnlich der Darstellung einer emulierten Speicheranforderung weiter oben in Abbildung 1.4 zeigt Abbildung 1.6 ziemlich viele Daten. Service Virtualisierungsstack Client Usermodus Kernelmodus Usermodus Kernelmodus Dateisystem Volume Partition Disk.sys Dateisystem Volume Partition Storflt.sys StorPort StorPort Miniport VHD Parser Speicher-VSP VMBus StorPort Miniport StorPort.sys Speicherhardware Abb. 1.6: I/O für synthetische Speichergeräte über VMBus Die wesentlichen Unterschiede: Anfänglich ähnelt der Datenpfad dem emulierten Datenpfad, allerdings handelt es sich beim synthetischen Speichergerät in Hyper-V um ein SCSI-basiertes Device (bzw. IDE, wenn Sie die Integrationsservices installiert haben), sodass der letzte Treiber auf den die Anforderung trifft, bevor sie auf dem VMBus landet, der StorPort-Treiber ist. Sobald ein Paket beim Miniport-Treiber ankommt, wird es für den Transport zum Speicher-VSP in der Parent-Partition auf den VMBus gelegt. Weil es sich beim VMBus um einen Kernelmodus-Treiber handelt, ist das Context-Switching an dieser Stelle überflüssig. Nachdem das Paket in die Parent-Partition gewechselt ist, wird der richtige Bestimmungsort durch den VSP festgestellt, der das Paket zum richtigen Device schickt. In Abbildung 1.6 ist das Ziel eine VHD-Datei (Virtual Hard Disk). 33

15 Synthetische Gerätetreiber lassen sich problemlos auf der virtuellen Maschine installieren. Nachdem Sie das Betriebssystem installiert haben, wählen Sie AKTION SETUP-DISK FÜR INTEGRATIONSSERVICES EINLEGEN. Ein Installationsassistent wird ausgeführt, der die Treiber automatisch für Sie installiert. Wenn Sie neu starten, kann Ihre virtuelle Maschine von der neuen Architektur profitieren. Führt der Host Windows Server 2008 R2 aus und die virtuelle Maschine Windows Server 2008 SP2 oder Windows Server 2008 R2, sind die Integrationsservices bereits installiert. NOTIZ: Eine spezielle Technologie für synthetische Treiber kümmert sich um den Startvorgang. Der optimierte Startvorgang ist unter dem Namen Fastpath-Boot bekannt. Weil die synthetischen Treiber auf den VMBus angewiesen sind, können Sie nicht von einer Festplatte starten, die mit einem SCSI-Controller verbunden ist. Aber nicht verzweifeln: Während des Startvorgangs nachdem der VMBus-Treiber geladen wurde werden sämtliche Daten für den IDE-Bootvorgang automatisch über dieselbe Infrastruktur geroutet, die für den SCSI-Traffic verwendet wird. Mit anderen Worten: Der Startvorgang sowie alle Festplattenoperationen (Lesen und Schreiben) laufen mit der gleichen beschleunigten Geschwindigkeit Linux-Gerätetreiber Sie haben schon richtig gelesen manche Linux-Distributionen werden unter Hyper-V unterstützt. Nicht nur das Betriebssystem wird unterstützt, sondern eine ganze Reihe von Gerätetreibern ermöglichen den Support für synthetische Devices unter Linux (siehe Abbildung 1.7 auf der folgenden Seite). Aber darüber mehr in Kapitel Hyper-V-Features Da wir nun die Szenarien und Architektur von Hyper-V erörtert haben, wollen wir uns mit einigen Features der Microsoft-Virtualisierungsplattform befassen. Zunächst erfahren Sie mehr über die allgemeinen Features von Hyper-Velocity, und im Anschluss geht es um die neuen Features in Windows Server 2008 R Allgemeine Features In der folgenden Liste finden Sie die allgemeinen Features von Hyper-V: 32-Bit-VMs (x86) sowie 64-Bit-VMs (x64) Hyper-V unterstützt sowohl 32-Bit- als auch 64-Bit-VMs. So können die Benutzer beide Architekturen auf derselben Plattform unterstützen, um so den Übergang auf 64 Bit zu vereinfachen, während ältere 32-Bit-Betriebssysteme weiterhin unterstützt werden. 34

16 1.4 Hyper-V-Features Windows Server 2008: Parent Partition Worker- Prozess(e) WMI Provider VM Service Usermodus VSP VM Bus Unterstützter Linux-Kernel Kernelmodus Windows Hypervisor (Ring-1) Zertifizierte Hardware aus dem Windows-Serve Abb. 1.7: Support für synthetische Geräte unter Linux Unterstützung für größere Hauptspeichergrößen (64 GB) in VMs Mit bis zu 64 GB RAM je virtuelle Maschine skaliert Hyper-V, um den Löwenanteil der Beanspruchungen im Unternehmen abzudecken. Hyper-V kann außerdem bis zu 1 TB RAM im Host für Windows Server 2008 oder bis zu 2 TB mit Windows Server 2008 R2 adressieren. Virtuelle Maschinen mit SMP Mit symmetrischem Multiprozessor-Support (SMP) können VMs bis zu vier virtuelle Prozessoren in bestimmten unterstützten Betriebssystemen erkennen und nutzen. Daraus resultiert, dass Serveranwendungen, die in einer virtuellen Maschine unter Hyper-V laufen, von der gesamten Rechenleistung des Hostsystems profitieren können. Support für integrierte Cluster für die schnelle Migration, Live-Migration und für Hochverfügbarkeit mit Windows Server 2008 Hyper-V und die Hochverfügbarkeit (High Availability, HA) ergänzen sich wunderbar. Wie wir in Kapitel 8,»Hohe Verfügbarkeit«, lesen werden, kann man problemlos einen Failover- Cluster mit VM-Hosts einrichten, auf denen die VMs residieren können. Nachdem der Administrator den Failover-Cluster eingerichtet hat, kann er mithilfe 35

17 des Failover-Cluster-Managers oder anderen Management-Tools (wie beispielsweise System Center Virtual Machine Manager) eine virtuelle Maschine problemlos von einem Host auf einen anderen verschieben. Integration des Volume-Schattenkopie-Dienstes zum Schutz der Daten Hyper-V umfasst einen Volume-Schattenkopie-Dienst-Provider (Volume Shadow Services, VSS). Wie bereits weiter oben in der Liste der Szenarien besprochen wurde, können Backup-Anwendungen mithilfe von VSS das System auf eine Sicherung vorbereiten, ohne dass die Anwendungen (bzw. die VMs) heruntergefahren werden müssen. Durchgängiger Hochleistungs-Festplattenzugriff für VMs Wenn ein physikalisches Volume direkt mit der virtuellen Maschine verbunden ist, können I/O-intensive Aufgaben eine optimale Leistung erreichen. Wenn das Windows Server 2008-System das Volume im Festplattenmanager auflistet, kann das Volume an die virtuelle Maschine durchgereicht werden. Obwohl die Performance mit dem durchgängigen Festplattenzugriff viel schneller wird, sind bestimmte Features (wie Snapshots, Disk-Diffs und hostseitige Backups), die bei Nutzung einer VHD-Datei möglich sind, mit durchgereichten Disks nicht möglich. VM-Snapshots Mit Snapshots können Administratoren eine Zeitaufnahme der VM einschließlich des Status, der Daten und der Konfiguration erstellen. Sie können die vom dann später auf den Snapshot-Zustand zurücksetzen oder von diesem Zustand abzweigen, um andere Optionen auszuprobieren. Für Testund Entwicklungsumgebungen ist der Snapshot ein wichtiges Feature, weil die Benutzer damit unterschiedliche Sicherungszeitpunkte verwalten können. Zum Beispiel wird ein User unter Umständen ein Betriebssystem in einer virtuellen Maschine installieren und davon einen Snapshot erstellen. Der Benutzer kann dann verschiedene Aktionen durchführen und einen zweiten Snapshot erstellen. Anschließend kann der Benutzer einen dieser beiden Snapshots wiederherstellen, um Konfigurationsaufwand und -zeit einzusparen. Neue Architektur für die gemeinsame Nutzung der Hardware (VSP/VSC/VM- Bus) Indem es das neue VMBus-Kommunikationsprotokoll für alle virtuellen Geräte verwendet, kann Hyper-V eine bessere Performanceleistung erzielen als alle bisherigen Microsoft-Virtualisierungsprodukte. Robuste Netzwerke: VLANs und NLB Das Tagging im Virtual Local Area Network (VLAN) auch als IEEE 802.1Q-Standard bezeichnet stellt eine sichere Methode für die Nutzung desselben physikalischen Mediums durch mehrere Netzwerke dar. Hyper-V unterstützt VLAN-Tagging (802.1Q) an den virtuellen Netzwerkschnittstellen und spezifiziert einen VLAN-Tag für das Netzwerkinterface. Dank des NLB-Supports (Network Load Balancing) in Hyper-V können VMs an einem NLB-Cluster teilnehmen. NLB-Cluster unterscheiden sich von 36

18 1.5 Neue Features in Windows Server 2008 R2 den Failover-Clustern, die für die schnelle Migration von virtuellen Maschinen eingesetzt werden. NLB-Cluster werden mit Frontend-Nodes konfiguriert, die den gesamten eingehenden Datenverkehr entgegennehmen und an mehrere Backend-Server weiterleiten. DMTF-Standard für das WMI-Management-Interface Die Distributed Management Task Force (DMTF) ist eine Standardisierungsorganisation, die einheitliche Standards für die Verwaltung von IT-Umgebungen bereitstellt. Microsoft hat mit der DMTF eng zusammengearbeitet, um sicherzustellen, dass alle Managementinterfaces für Hyper-V diese Standards einhalten; so kann das System mit Managementtools von verschiedenen Herstellern verwaltet werden. Support für vollständige oder Server-Core-Installationen Hyper-V kann auf einer vollständigen Installation von Windows Server 2008, aber auch auf der Server- Core-Installationsoption laufen. 1.5 Neue Features in Windows Server 2008 R2 Mit der Veröffentlichung von Windows Server 2008 R2 wurden einige wichtige neue Funktionen der Hyper-V-Rolle hinzugefügt: Live-Migration Bietet die Fähigkeit, eine virtuelle Maschine ohne bemerkbare Ausfallzeit von einem Knoten im Cluster auf einen anderen zu verschieben. Unterstützung für 64 logische Prozessoren Ermöglicht das Ausschöpfen des Potenzials der neusten Multicore-Prozessoren. Prozessor-Kompatibilitätsmodus Gibt dem Administrator die Möglichkeit, ungleiche Systeme in einer Failover-Cluster-Konfiguration zu verwenden. Erweiterte Prozessorfunktionalität Support für die Second Level Address Translation-Funktionalität in neueren Prozessoren, reduziert die Arbeitslast für den Hypervisor. Hot-Add/-Remove für Speichermedien Ermöglicht das dynamische Wachstum des Massenspeichers in der virtuellen Maschine. TCP-Offload/VM-Warteschlangensupport Versetzt den virtuellen Netzwerkadapter in die Lage, Tasks auf den Host-Netzwerkadapter auszulagern, um so die Netzwerk-Performance zu verbessern. Auf alle diese Themen kommen wir in den späteren Kapiteln zurück. Nun wollen wir die Liste der Hyper-V-Features hinter uns lassen und über die Systemanforderungen sprechen: 37

19 Vorteile im Vergleich mit Virtual Server Windows Server 2008 Hyper-V bietet einige Vorteile in Vergleich mit Virtual Server 2005 R2 SP1: Support für SMP sowie 64-Bit-VMs. Virtual Server war auf virtuelle 32-Bit- Maschinen mit Einzelprozessor beschränkt. Support für über 3,6 GB RAM je VM. Support für das Mapping einer Logical Unit Number (LUN) direkt zu einer VM. Verbesserte Performance der VSP/VSC-Architektur. Hyper-V-Management über eine MMC-basierte Schnittstelle (Microsoft Management Console) statt einer webbasierten Konsole. Allerdings können Benutzer, die lediglich über 32-Bit-Hardware verfügen, nicht auf Hyper-V umsteigen, weil es sich um ein Feature der 64-Bit-Version von Windows Server 2008 handelt. 1.6 Hard- und Softwareanforderungen für Hyper-V Weil Hyper-V eine Rolle der Windows Server 2008 x64 Edition ist, erbt sie deren Hardwareanforderung. Allerdings gibt es ein paar Bereiche, die bei Hyper-V unsere besondere Aufmerksamkeit erfordern Hardwareanforderungen und Best Practices Manche Anforderungen für Hyper-V sind zwingend, beispielsweise in Bezug auf den Prozessortyp, wogegen es sich bei anderen um Best Practices handelt, welche die optimale Leistung von Hyper-V sicherstellen. Prozessor Hyper-V benötigt einen 64-Bit-Prozessor mit zwei unterschiedlichen Erweiterungen: hardwareunterstützte Virtualisierung sowie die Datenausführungsverhinderung (Data Execution Prevention, DEP). Die hardwareunterstützte Virtualisierung heißt bei den verschiedenen Herstellern unterschiedlich: Intel spricht von der Virtualization Technology (VT), und AMD bezeichnet sie als AMD Virtualization (AMD-V). Fast alle Prozessoren werden inzwischen mit diesen Features angeboten, aber fragen Sie lieber Ihren Prozessorhersteller, um ganz sicher zu sein. Obwohl diese Funktionalität prozessorseitig benötigt wird, muss sie auch im BIOS aktiviert werden. Jeder Systemhersteller hat einen eigenen Namen für diese Funk- 38

20 1.6 Hard- und Softwareanforderungen für Hyper-V tionalität und eine eigene Methode, sie zu aktivieren. Allerdings bieten die meisten Hersteller eine Möglichkeit, sie im BIOS zu aktivieren oder zu deaktivieren. Obwohl man die hardwareunterstützte Virtualisierung im BIOS aktiviert, gibt es manche Systeme, die das Feature erst nach einem Kaltstart aktivieren beispielsweise das Aus- und wieder Einschalten des Systems. Wir empfehlen immer, dass Sie das System komplett ausschalten. Die Datenausführungsverhinderung (Data Execution Prevention, DEP) wird ebenfalls von den unterschiedlichen Prozessorherstellern unterschiedlich bezeichnet. Intel spricht von execute Disable (XD), wohingegen AMD sie als No execute (NX) bezeichnet. Die DEP-Technik hilft, Ihr System gegen Malware und fehlerhaft kodierte Programme zu schützen, indem Schreib- und Lesezugriffe auf den Speicher überwacht werden, um sicherzustellen, dass Speicherseiten, die als Datenbereiche markiert sind, nicht ausgeführt werden. Weil Sie mehrere VMs auf einem einzelnen System ausführen werden, ist es sehr wichtig, die Stabilität des Systems sicherzustellen. Storage Wie weiter oben erwähnt wurde, ermöglicht die Hyper-V-Architektur die Nutzung von standardmäßigen Windows-Gerätetreibern in Verbindung mit der VSP/VSC- Architektur. Insofern funktionieren alle Speichergeräte, die im Windows-Server- Katalog gelistet sind, mit Hyper-V. Dazu gehören SCSI, SAS, Fibre Channel und iscsi. Wenn es dafür einen Treiber gibt, kann Hyper-V es nutzen. Natürlich werden Sie ein paar Punkte berücksichtigen wollen, wenn Sie den optimalen Hyper-V- Host planen, aber darüber mehr in Kapitel 4»Best Practices in der Virtualisierung«. Es folgen einige Beispiele für Bereiche, die mehr Aufmerksamkeit erfordern: Mehrfachspindel sowie -I/O-Pfade Die meisten festplattenintensiven Aufgaben wie beispielsweise Datenbankserver benötigen Mehrfachspindel, um eine hohe Leistung zu erreichen. Mithilfe der Storage-Architektur von Hyper-V können Sie diese Workloads ohne die in der Vergangenheit typischen Leistungseinbußen virtualisieren. Wenn sich mehrere festplattenintensive Workloads dieselbe Festplatteninfrastruktur teilen, kann es sie schnell in die Knie zwingen. Für festplattenintensive Workloads ist es sehr empfehlenswert, mehrere Festplatten (sowie mehrere I/O-Pfade) zu haben. Sogar zwei Workloads, die sich einen einzelnen Host-Bus-Adapter mit einem einzigen Fibre-Channel teilen, können den Controller überlasten und damit die Performance beeinträchtigen. Mehrere Controller können außerdem Redundanz für kritische Beanspruchungen bieten. 39