Tracktitel: Windows Server 2012 Technische Details zu Netzwerken

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1 Tracktitel: Windows Server 2012 Technische Details zu Netzwerken Modul 3: Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung Modulhandbuch Autor: James Hamilton-Adams, Content Master Veröffentlicht: [Datum eingeben]

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3 Inhalt INHALT... III MODUL 3: HYPER-V-NETZWERKVIRTUALISIERUNG... 4 Modulübersicht... 4 AKTUELLE HERAUSFORDERUNGEN FÜR DATENCENTER... 5 WAS IST HYPER-V-NETZWERKVIRTUALISIERUNG?... 7 VORTEILE DER HYPER-V-NETZWERKVIRTUALISIERUNG... 8 WIE FUNKTIONIERT NVGRE? WIE FUNKTIONIERT DAS NEUSCHREIBEN VON IP-ADRESSEN? WAS SIND VIRTUELLE SUBNETZE? WAS IST EIN HYPER-V-NETZWERKVIRTUALISIERUNGS-GATEWAY? LITERATURHINWEISE UND RESSOURCEN iii

4 Modul 3: Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung Modulübersicht Die Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung ist eine softwaredefinierte Netzwerklösung, die in Windows Server 2012 enthalten ist, mit der jeder Dienst auf jedem Server in einer Wolke ausgeführt werden kann. Die Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung stellt virtuellen Computern (Virtual Machines, VM) virtuelle Netzwerke zur Verfügung, ähnlich wie die hypervisorbasierte Servervirtualisierung dem Betriebssystem VMs zur Verfügung stellt. Die Netzwerkvirtualisierung entkoppelt virtuelle Netzwerke von der physischen Netzwerkinfrastruktur und befreit die VM-Bereitstellung von den Beschränkungen bei der Zuweisung von Adressen für virtuelle LANs und hierarchischen IP-Adressen. Diese Flexibilität bietet folgende Vorteile: Kunden können ohne weiteres auf Infrastructure-as-a-service (IaaS)- Wolken umstellen, und Hoster sowie Datencenter-Administratoren können die Infrastruktur effizient verwalten, während die notwendige Mehrinstanzenisolation und die Sicherheitsanforderungen gewahrt bleiben und sich überlappende VM-IP-Adressen unterstützt werden. Diese Virtualisierung der Netzwerkschichten verspricht neben vielen anderen Vorteilen die Vereinfachung und Automatisierung der Netzwerkkonfiguration, der dynamischen Instanzenisolation, der Bildung eines Verbunds aus privaten und öffentlichen Netzwerken sowie eine Live-Migration von virtuellen Computern. Microsoft System Center 2012 SP1 unterstützt jetzt auch softwaredefinierte Netzwerke und Hyper- V-Netzwerkvirtualisierung. System Center 2012 SP1 unterstützt außerdem Netzwerke mit isolierten Instanzen, die IP-Virtualisierung, Switch-Erweiterungen und logische Switches. Darüber hinaus können Sie mit Windows Azure, Windows Server 2012 und System Center 2012 SP1 eine Infrastruktur aufbauen, die private, öffentliche und gemischte Clouds unterstützt. 4

5 Aktuelle Herausforderungen für Datencenter Aktuell gibt es in Server-Datencenterumgebungen eine Reihe von Herausforderungen, die Administratoren daran hindern können, in verschiedenen Szenarien eine optimale Flexibilität zu erreichen. Zu den häufigsten Herausforderungen gehören: Arbeitsauslastungsmobilität. Gegenwärtig hängt die IP-Adresse direkt vom physischen Standort ab, sodass das IP-Adressierungsschema die flexible VM-Platzierung einschränkt. Sie können einen VM nicht in ein neues Subnetz oder einen neuen physischen Standort verschieben, ohne die IP-Adressierung im VM-Betriebssystem neu zu konfigurieren. Ressourcennutzung. Aufgrund der vom physischen Standort abhängigen Einschränkungen bei der VM-Platzierung und -Mobilität können Sie die Arbeitsauslastung der VM-Hostserver nicht vollständig flexibel anpassen. Dies führt in der Regel zu einer Überdimensionierung der Hardwareressourcen, um sicherzustellen, dass die geforderte Arbeitslast bewältigt werden kann. Ineffiziente Betriebsabläufe. Die VM-Bereitstellung erfordert üblicherweise eine enge Zusammenarbeit zwischen Serverteam und Netzwerkteam. Gleichzeitig nimmt jedoch wegen der zwischen diesen Teams erforderlichen Koordination und Planung die Agilität ab. 5

6 Skalierbare Mehrinstanzenfähigkeit. VLANs eignen sich in der Regel nicht sehr gut für die dynamischen Anforderungen moderner privater, öffentlicher oder gemischter Cloudumgebungen. Die Neukonfiguration von Switches in aktiven Umgebungen birgt ein erhöhtes Risiko von Netzwerkproblemen oder -ausfällen. Onboarding. Organisationen, die die VM-Infrastruktur teilweise oder vollständig in eine gehostete Umgebung verschieben möchten, müssen zurzeit die Neukonfiguration der gesamten IP-Adressierung für die Hostumgebung in Betracht ziehen, und viele Organisationen verwenden die aktuellen IP-Adressdaten für Zugriffs- und Sicherheitsregeln oder -richtlinien. Alle diese Probleme hängen direkt mit den IP-Adressen zusammen, die den VMs im Netzwerk zugewiesen sind, und wirken sich auf private sowie Host-Datencenter aus. 6

7 Was ist Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung? Die Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung ist eine softwaredefinierte Netzwerklösung, mit der Sie die Flexibilitätsherausforderungen Ihrer Datencenter bewältigen können. Dabei werden VM-IP-Adressen von der Adressierung und vom Routing des zugrunde liegenden physischen Netzwerks gelöst. Dies entspricht in etwa der Art und Weise, in der VMs von der Hardware des physischen Hosts gelöst werden, auf dem sie ausgeführt werden. Bei der Lösung der IP-Adressierung der VMs bietet die Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung folgende Vorteile: Sie können mehrere virtuelle Netzwerke in einem physischen Netzwerk ausführen, ohne VLANs verwenden zu müssen. Sie können sich überlappende IP-Adressbereiche in separaten virtuellen Netzwerken verwenden und die gleichen IP-Adressen sogar wiederverwenden. Die VM-IP-Adressierung hängt nicht mehr von der Position des VM ab. Für VMs und deren Anwendungen bleibt die Netzwerkvirtualisierung unbemerkt. Jedes virtuelle Netzwerk erscheint den verbundenen VMs als physisches Netzwerk. Bei der Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung werden jedem virtuellen Netzwerkadapter zwei IP-Adressen zugeordnet: Die Kundenadresse. Die Kundenadresse wird dem Netzwerkadapter im VM-Gastbetriebssystem zugewiesen. Die Anbieteradresse. Die Anbieteradresse wird dem physischen Adapter auf dem Hyper-V- Hostcomputer zugewiesen. Die Anbieteradresse ist für den VM nicht sichtbar. Die Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung speichert jede Kundenadresse in einer Zuordnungstabelle, um den Datenverkehr an den richtigen physischen Host zu senden. Dieser leitet dann den Verkehr zum richtigen VM weiter. 7

8 Vorteile der Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung Wird die Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung in der VM-Infrastruktur verwendet, ergeben sich folgende Vorteile für die Eigentümer der Arbeitsauslastung: Die Migration der VMs zum Cloud-Hosting erfolgt nahtlos, und die VMs müssen vor der Migration zur Cloud nicht neu konfiguriert werden. Sie können viele VMs und deren zugeordnete Netzwerktopologie zur Cloud verschieben. Sämtliche Adressierungsinformationen und die Subnetzmitgliedschaft bleiben bestehen. Sie können die vorhandenen IP-abhängigen Richtlinien behalten und müssen die Zugriffssteuerung nicht neu konfigurieren. Sie können IP-Adressen für Testnetzwerke oder -systeme wiederverwenden und die Verschiebung von VMs zwischen Test- und Produktionsnetzwerken vereinfachen. Für Unternehmen bietet die Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung folgende Vorteile: Sie können Datencenter konsolidieren und die geforderte Leistung dennoch in vollem Umfang erreichen; eine Überdimensionierung der Hardware ist nicht mehr notwendig. Sie können das Cloud-Hosting für einige VMs verwenden, während andere VMs vor Ort bleiben und weiterhin kommunizieren. Dadurch werden die öffentliche und die private Cloud zu einer gemischten Cloud kombiniert. VMs können ohne Neukonfiguration in eine andere Umgebung verschoben werden, z. B. in eine private oder öffentliche Cloud. Dies ist hilfreich bei Übernahme- und Serverkonsolidierungsszenarien sowie in Organisationen, die VMs in Hostingumgebungen verschieben. 8

9 Für Hostingorganisationen bietet die Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung folgende Vorteile: Sie können für das VM-Hosting die Übernahme der eigenen IP-Adressen anbieten, sodass Ihre Kunden problemloser zur öffentlichen Cloud wechseln können. Die Kunden können ganze Subnetze in die öffentliche Cloud verschieben und dennoch die ursprüngliche Netzwerktopologie behalten. Größere Datencenter erhalten Skalierungsmöglichkeiten ohne VLAN-Einschränkungen. Datencenter-Administratoren bietet die Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung folgende Vorteile: Flexible VM-Platzierung auf Hosts an beliebigen physischen Standorten Keine Neukonfiguration beim Verschieben von VMs Bessere Agilität durch unabhängigeres Arbeiten von Server- und Netzwerkteams 9

10 Wie funktioniert NVGRE? Die Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung kann für die Virtualisierung von IP-Adressen zwei verschiedene Mechanismen verwenden: Network Virtualization Generic Routing Encapsulation (NVGRE) Neuschreiben von IP-Adressen Vor der Übertragung über das physische Netzwerk kapselt (oder tunnelt) NVGRE IP-Pakete von VMs in einem anderen Paket. Das gekapselte Paket enthält IP-Adressierungs- und -Routinginformationen des physischen Netzwerks, die den Hyper-V-Hosts im physischen Netzwerk entsprechen. Im Diagramm hat VM-A die IP-Adresse und wird auf HOST-A ausgeführt; HOST-A hat im physischen Netzwerk die IP-Adresse VM-C hat die IP-Adresse und wird auf HOST-B ausgeführt; dieser hat im physischen Netzwerk die IP-Adresse Wenn VM-A Daten an VM-C sendet, geschieht dies in der folgenden Sequenz: 1. VM-A sendet an das Netzwerk ein TCP-Paket mit der IP-Quelladresse und der Zieladressse Das TCP-Paket trifft am Hyper-V-Netzwerkswitch auf HOST-A ein. Wegen einer auf HOST-A angewendeten Richtlinie der Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung wird das TCP-Paket in ein NVGRE-Paket gekapselt. Das neue NVGRE-Paket hat die Quelladresse und die Zieladresse Dem NVGRE-Paket wird außerdem ein Wert hinzugefügt, der die virtuelle Subnetz-ID (VSID) darstellt. 3. Das NVGRE-Paket wird über das physische Netzwerk gesendet und trifft auf HOST-B ein. 4. HOST-B prüft die VSID und entpackt das NVGRE-Paket. Auf Grundlage der VSID und der Zieladresse des ursprünglichen TCP-Pakets leitet HOST-B das TCP-Paket anschließend zum virtuellen Hyper-V-Switch auf HOST-B weiter, der mit VM-C verbunden ist. 5. Das TCP-Paket trifft auf VM-C ein. 10

11 VM-A und VM-C bemerken die NVGRE-Adressierung oder die VSID niemals. VSIDs ermöglichen ein sicheres Mehrinstanzenhosting, wobei unterschiedliche Instanzen dieselben IP-Adressbereiche verwenden können, allerdings jeweils in ihrem eigenen virtuellen Subnetz. NVGRE erfordert keine spezielle Hardware. Sie können NVGRE mit der vorhandenen Switch- und Routinginfrastruktur bereitstellen. NVGRE ist der bevorzugte Netzwerkvirtualisierungsmodus für die meisten Bereitstellungen. 11

12 Wie funktioniert das Neuschreiben von IP-Adressen? Sie können für die Netzwerkvirtualisierung auch das Neuschreiben von IP-Adressen verwenden. Beim Neuschreiben von IP-Adressen werden die Quell- und Zieladresse in einem TCP-Paket geändert, wenn Daten über das physische Netzwerk zwischen VMs übertragen werden. Im Diagramm hat VM-A die IP-Adresse und wird auf HOST-A ausgeführt; HOST-A hat im physischen Netzwerk die IP-Adressen und VM-C hat die IP-Adresse und wird auf HOST-B ausgeführt; dieser hat im physischen Netzwerk die IP-Adressen und Wenn VM-A Daten an VM-C sendet, geschieht dies in der folgenden Sequenz: 1. VM-A sendet an das Netzwerk ein TCP-Paket mit der IP-Quelladresse und der Zieladressse Das TCP-Paket trifft am Hyper-V-Netzwerkswitch auf HOST-A ein. Wegen einer auf HOST-A angewendeten Richtlinie der Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung wird die Quelladresse des TCP-Pakets in und die Zieladresse in geändert. 3. Das TCP-Paket wird über das physische Netzwerk gesendet und trifft auf HOST-B ein. 4. HOST-B prüft das TCP-Paket und leitet es auf Grundlage der Zieladresse anschließend zum virtuellen Hyper-V-Switch auf HOST-B weiter, der mit VM-C verbunden ist. 5. Das TCP-Paket trifft auf VM-C ein. Das Neuschreiben von IP-Adressen ist für VM-Arbeitslasten mit sehr hohen Bandbreitenanforderungen vorgesehen, beispielsweise 10 Gigabit pro Sekunde. Das Neuschreiben von IP-Adressen erfordert für jede Kundenadresse eine eindeutige Anbieteradresse. 12

13 Was sind virtuelle Subnetze? Bei der Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung können Sie virtuelle Subnetze erstellen, die ähnlichen Anforderungen genügen wie ein VLAN in physischen Netzwerken. Ein virtuelles Subnetz funktioniert als Broadcastdomäne, die den IP-Verkehr von anderen virtuellen Subnetzen isoliert. Virtuelle Subnetze verhalten sich folgendermaßen: VMs im gleichen virtuellen Subnetz müssen dasselbe IP-Präfix verwenden, obwohl virtuelle Subnetze sowohl IPv4- als auch IPv6-Adressen gleichzeitig beherbergen. Jedes virtuelle Subnetz gehört zu einer einzelnen Entität, einem so genannten Kundennetzwerk, und erhält eine einzelne VSID. Die VSID ist ein eindeutiger Wert zwischen 4096 und (2 24-2). Da verschiedene Elemente des virtuellen Netzwerks mit einem Kunden/Anbieter-Modell beschrieben werden, können wir bei der Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung auf ein Kundennetzwerk verweisen, das eine Reihe virtueller Subnetze darstellt. Ein Kundennetzwerk wird durch eine eindeutige Routingdomänen-ID (RDID) identifiziert. Ein Kundennetzwerk bildet eine Isolierungsgrenze, da die Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung keinen Datenverkehr zwischen RDIDs übermittelt. Ein Kundennetzwerk kann jedoch viele virtuelle Subnetze haben, und die Netzwerkvirtualisierung kann den Verkehr zwischen virtuellen Subnetzen mit derselben RDID weiterleiten. Das Diagramm zeigt, dass Verkehr aus dem virtuellen Subnetz mit der VSID 5099 an VMs in den beiden anderen virtuellen Subnetzen im Kundennetzwerk RDID 1 übermittelt werden kann. Verkehr aus einem virtuellen Subnetz im Kundennetzwerk RDID 1 kann jedoch nicht an virtuelle Subnetze im Kundennetzwerk RDID 2 weitergeleitet werden. 13

14 Was ist ein Hyper-V-Netzwerkvirtualisierungs- Gateway? Es ist nicht möglich, jeden Server und Client in einer Netzwerkinfrastruktur zu virtualisieren. Daher müssen physische Server, Clientcomputer und Netzwerkgeräte weiterhin mit den VMs im Netzwerk kommunizieren. Sie können einen Hyper-V-Netzwerkvirtualisierungs-Gateway verwenden, damit VMs in virtuellen Subnetzen mit Hosts in Subnetzen und VLANs im physischen Netzwerk kommunizieren können. Ein wichtiger Vorteil der Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung ist die Möglichkeit, Funktionen virtueller privater Netzwerke (VPN) zu verwenden. So können zwei physische Standort miteinander verbunden und Verkehr zwischen VMs an jedem Standort über das VPN geleitet werden, ohne dass die VMs etwas von dem VPN bemerken. Dies ermöglicht eine nahtlose Bereitstellung mehrerer Datencenter über das Netzwerk, sodass Hostingorganisationen privaten Organisationen bei Bedarf zusätzliche Kapazität zur Verfügung stellen können, indem VMs ohne Neukonfiguration in die Hostinginfrastruktur verschoben werden. Dieses Szenario wird als gemischte Cloudbereitstellung bezeichnet. Mit der Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung können Hostingorganisationen die Übernahme der eigenen IP-Adressen anbieten, auch wenn sich die Kundenadressen überschneiden. 14

15 Literaturhinweise und Ressourcen Hyper-V-Netzwerkvirtualisierung Übersicht Technische Details zur Netzwerkvirtualisierung 15