Was sind Hypervisors?

Der Hypervisor, auch Virtual Machine Monitor (VMM) genannt, verwaltet diese VMs, während sie nebeneinander ausgeführt werden. Er trennt die VMs logisch voneinander und weist jeder Maschine einen eigenen Anteil der zugrunde liegenden Rechenleistung, des Arbeitsspeichers und des Speichers zu. Dadurch wird verhindert, dass sich die VMs gegenseitig stören. Wenn beispielsweise ein Betriebssystem abstürzt oder die Sicherheit beeinträchtigt wird, hat dies keinen Einfluss auf die anderen Systeme.

Bevor sich Hypervisors etablierten, konnten die meisten physischen Computer nur ein Betriebssystem gleichzeitig ausführen. So konnte die Stabilität gewährleistet werden, da die Computerhardware nur die Anfragen von einem Betriebssystems bearbeiten musste. Der Nachteil dieses Ansatzes war, dass er Ressourcen verschwendete, da das Betriebssystem nur manchmal die gesamte Leistung des Computers nutzen kann.

Ein Hypervisor löst dieses Problem. Es handelt sich dabei um eine kleine Softwareschicht, mit der mehrere Instanzen von Betriebssystemen nebeneinander laufen und sich dieselben physischen IT-Ressourcen teilen können. Dieser Prozess wird Virtualisierung genannt und die Betriebssysteminstanzen werden als virtuelle Maschinen (VMs) bezeichnet – Software-Emulationen von physischen Computern, die auf der Host-Maschine laufen.

Der Begriff Virtual Machine wird manchmal austauschbar mit Virtual Servers verwendet, aber sie sind nicht dasselbe. Virtual Servers werden auch durch Hypervisoren ermöglicht, die als Schicht zwischen der physischen Hardware und mehreren einzelnen virtuellen Umgebungen fungieren. Virtual Servers replizieren jedoch physische Bare-Metal-Server für Anwendungen wie Webserver, Domainnamen-Server, Proxy-Server usw. Im Gegensatz dazu erstellen Virtual Machines virtuelle Repräsentationen physischer Computer.

Mehr über Virtualisierung und wie Hypervisoren VMs unterstützen und verwalten, erfahren Sie in dem folgenden Video.

Hypervisoren bilden die Grundlage für moderne Virtualisierung und sind für moderne Rechenzentrums-, Cloud-Computing- und Desktop-Umgebungen von entscheidender Bedeutung.

Virtualisierung ist heute Standard in der IT-Infrastruktur von Unternehmen und ist die Technologie, die die Wirtschaftlichkeit des Cloud Computing vorantreibt. Virtualisierungssoftware, einschließlich Hypervisoren, ermöglicht es Cloud-Anbietern, ihre Nutzer mit ihrer vorhandenen physischen Computerhardware zu bedienen. Cloud-Benutzer können nur die Computerressourcen kaufen, die sie benötigen – und diese Ressourcen bei wachsenden Workloads kostengünstig skalieren.

Alle großen Anbieter von Cloud-Services – Amazon Web Services (AWS), Google Cloud, IBM Cloud, Microsoft Azure – setzen auf Virtualisierungstechnologie, um cloudbasierte Services wie Infrastructure-as-a-Service (IaaS), Software-as-a-Service (SaaS) und Platform-as-a-Service (PaaS) anzubieten.

Die Virtualisierungstechnologie ist auch für die Automatisierung entscheidend und unterstützt die Erstellung von Workflows für das IT-Service-Management. So hilft die Virtualisierung beispielsweise bei der Automatisierung von Aufgaben wie Bereitstellung und Konfiguration und kann auch zur Erhöhung der Sicherheit und Ressourceneffizienz beitragen.

Außerdem unterstützt die Technologie wie Hypervisoren die Hyperautomatisierung—das Konzept, alles in einem Unternehmen zu automatisieren, was automatisiert werden kann. Unternehmen, die Hyperautomatisierung einsetzen, wollen Prozesse in ihrem gesamten Unternehmen mithilfe von künstlicher Intelligenz (KI), Robotic Process Automation (RPA) und anderen Technologien rationalisieren, damit sie voll automatisch ablaufen.

Einem Bericht von Research and Markets zufolge wurde der globale Markt für die Virtualisierung von Rechenzentren im Jahr 2023 auf 7,3 Milliarden US-Dollar geschätzt und wird bis 2030 voraussichtlich 21,1 Milliarden US-Dollar erreichen, wobei die durchschnittliche Wachstumsrate von 2023 bis 2030 bei 16,3 % liegt.¹

Im Folgenden sind einige der wichtigsten Nutzen aufgeführt, die ein Hypervisor bieten kann:

• Effizienz: Hypervisors sorgen für maximale Ressourceneffizienz, indem sie es mehreren VMs ermöglichen, dieselbe physische Hardware zu nutzen und so die Nutzung der Hardwareressourcen zu optimieren.

• Skalierbarkeit: Hypervisors können VMs fast augenblicklich erstellen, bereitstellen und außer Betrieb nehmen. Diese Fähigkeit ermöglicht es Unternehmen, schnell auf sich ändernde Workloads zu reagieren und Geschäftsanforderungen zu erfüllen.

• Kosteneinsparungen: Hypervisors ermöglichen die Ausführung mehrerer VMs auf einem physischen Rechner. Diese Konsolidierung spart Kosten durch geringere Hardwareausgaben. Außerdem wird weniger Strom verbraucht, was die Energiekosten senkt und zur Reduzierung des gesamten ökologischen Fußabdrucks von Rechenzentren beiträgt.

• Portabilität: Hypervisors trennen Virtual Machines von physischen Maschinen und erleichtern so die Migration von VMs. Diese Funktion schafft Portabilität und ermöglicht es IT-Teams, Workloads zu verschieben und Ressourcen zwischen Maschinen oder Plattformen zuzuweisen.

• Verbesserte Sicherheit: Hypervisors isolieren VMs voneinander und vom Host-Rechner und reduzieren so die Angriffsfläche. Hypervisors können auch Snapshots des Zustands einer VM erstellen, wodurch Benutzer die VM wiederherstellen, ein Backup erstellen oder sie auf einen anderen Host verschieben können.

• Notfallwiederherstellung: Im Falle einer Katastrophe unterstützen Hypervisors Unternehmen bei der Vermeidung von Unterbrechungen, indem sie eine schnelle Replikation oder ein Klonen einer Virtual Machine ermöglichen. Diese Unterstützung für die Notfallwiederherstellung erhöht die Widerstandsfähigkeit der Umgebung erheblich und verbessert die Geschäftskontinuität.

Wie bereits erläutert, stellen Hypervisors eine Schicht zwischen einer VM und der zugrundeliegenden physischen Hardware dar und sorgen dafür, dass beide auf die physischen Ressourcen zugreifen können, die sie zur Ausführung benötigen.

Der Prozess beginnt damit, dass der Host-Rechner einen Hypervisor ausführt und ihn als Anwendung auf dem Rechner installiert, wo er mit dem Betriebssystem des Host-Rechners interagiert. Der Hypervisor lädt dann die Client-Betriebssysteme der Virtual Machines und schafft so isolierte virtuelle Umgebungen auf den Host-Rechnern.

Der Hypervisor fungiert als Vermittler zwischen den VMs und der physischen Hardware und weist jeder VM bestimmte Ressourcen wie Arbeitsspeicher, Bandbreite und Speicherplatz zu. Die physische Hardware kümmert sich weiterhin um die Ausführung der Ressourcen. So führt beispielsweise die Zentraleinheit (CPU) nach wie vor die von den VMs angeforderten CPU-Befehle aus, während der Hypervisor den Zeitplan verwaltet.

Sowohl physische Rechner als auch VMs kommunizieren in der Regel mit dem Hypervisor über API-Aufrufe, Protokolle, die es Softwareanwendungen ermöglichen, miteinander zu kommunizieren und Daten auszutauschen.

Es gibt zwei Hauptarten von Hypervisors: Typ 1 und Typ 2.

Ein Hypervisor vom Typ 1 wird direkt auf der physischen Hardware des zugrunde liegenden Computers ausgeführt und interagiert direkt mit der zentralen Recheneinheit (CPU), dem Arbeitsspeicher und dem physischen Speicher. Aus diesem Grund werden Hypervisors vom Typ 1 auch als Bare-Metal-Hypervisors oder native Hypervisors bezeichnet. Ein Typ-1-Hypervisor nimmt den Platz des Hostbetriebssystems ein.

Hypervisors vom Typ 1 sind äußerst effizient, da sie direkt auf die physische Hardware zugreifen. Diese Fähigkeit erhöht auch ihre Sicherheit, da sich zwischen ihnen und der CPU nichts befindet, was ein Angreifer kompromittieren könnte. Ein Hypervisor vom Typ 1 erfordert jedoch häufig einen separaten Verwaltungsrechner, um verschiedene VMs zu verwalten und die Host-Hardware zu kontrollieren.

Ein Hypervisor vom Typ 2, auch als eingebetteter oder gehosteter Hypervisor bezeichnet, wird nicht direkt auf der zugrunde liegenden Hardware ausgeführt, sondern als Anwendung in einem Betriebssystem. Typ-2-Hypervisors kommen in serverbasierten Umgebungen nur selten vor. Sie eignen sich eher für einzelne PC-Benutzer, die mehrere Betriebssysteme ausführen müssen. Dazu zählen beispielsweise Entwickler, Sicherheitsspezialisten für Malware und Geschäftsanwender, die Zugriff auf Anwendungen benötigen, die nur auf anderen Softwareplattformen verfügbar sind.

Typ-2-Hypervisors verfügen häufig über zusätzliche Toolkits, die Benutzer im Gastbetriebssystem installieren können. Diese Tools bieten erweiterte Verbindungen zwischen dem Gast- und Hostbetriebssystem. Somit können Benutzer häufig Inhalte zwischen den beiden ausschneiden und einfügen oder von der Gast-VM aus auf Dateien und Ordner des Hostbetriebssystems zugreifen.

Mit einem Typ-2-Hypervisor können Sie schnell und einfach auf ein alternatives Gastbetriebssystem neben dem primären auf dem Hostsystem zugreifen. Dadurch wird die Benutzerproduktivität erheblich gesteigert. Ein Nutzer könnte damit auf seine bevorzugten Linux-basierten Entwicklungstools zugreifen und gleichzeitig ein Sprachdiktiersystem verwenden, das es nur in Windows gibt.

Da ein Typ-2-Hypervisor jedoch über das Hostbetriebssystem auf Rechen-, Speicher- und Netzwerkressourcen zugreifen muss, führt dies zu Latenzproblemen, die sich auf die Leistung auswirken können. Es birgt auch potenzielle Sicherheitsrisiken, wenn ein Angreifer das Hostbetriebssystem kompromittiert. In diesem Fall könnte jedes Gastbetriebssystem auf dem Typ-2-Hypervisor manipuliert werden.

Typ-1-Hypervisors können mehr als nur Serverbetriebssysteme virtualisieren. Sie können auch Desktop-Betriebssysteme für Unternehmen virtualisieren, die die IT-Ressourcen ihrer Benutzer zentral verwalten möchten. Diese als Desktop-as-a-Service (DaaS) bekannte Technologie liefert komplette Desktop-Virtualisierungsumgebungen, einschließlich Betriebssystemen, Anwendungen, Dateien und Benutzereinstellungen aus der Cloud.

Dank virtueller Desktopintegration (VDI) können Benutzer auf Desktops arbeiten, die in virtuellen Maschinen auf einem zentralen Server ausgeführt werden. Somit kann das IT-Personal ihre Betriebssysteme leichter verwalten und warten.

In dieser Umgebung führt ein Hypervisor mehrere virtuelle Desktops aus. Jeder Desktop befindet sich in einer eigenen VM, die zu Gruppen gehören, sogenannten virtuellen Desktop-Pools. Jede VM dient einem einzigen Benutzer, der über das Netzwerk darauf zugreift.

Der Endpunkt des Benutzers kann ein relativ kosteneffizienter Thin Client oder ein Mobilgerät sein. Das hat den Vorteil, dass sie durchgängig auf dasselbe Desktop-Betriebssystem zugreifen können. Sie können dieselben Daten und Anwendungen auf einem beliebigen Gerät nutzen, ohne dass vertrauliche Daten außerhalb einer sicheren Umgebung übertragen werden müssen.

Benutzer stellen keine direkte Verbindung zum Hypervisor her.Stattdessen greifen sie auf einen Verbindungsbroker zu, der sich dann mit dem Hypervisor koordiniert, um einen geeigneten virtuellen Desktop aus dem Pool zu beschaffen.

Heute gibt es viele Hypervisors auf dem Markt. Hier sind einige der besten Lösungen verschiedener Anbieter.

VMware ESXi (Elastic Sky X Integrated) ist ein Typ-1-Hypervisor (oder Bare-Metal-Hypervisor), der auf die Servervirtualisierung im Rechenzentrum ausgerichtet ist. ESXi verwaltet Gruppen virtueller VMware-Maschinen.

Hinweis: Broadcom hat VMware im Jahr 2023 übernommen und bietet seine kostenlose Version von VMware ESXi (früher Teil des kostenlosen VMware vSphere-Angebots zur Virtualisierung von Servern) nicht mehr an. Seit der Übernahme hat Broadcom VMware von unbefristeten Lizenzen und Support- und Abonnementverlängerungen (SNS) auf ein abonnementbasiertes Preismodell umgestellt.² VMware vSphere wurde in VMware vSphere Foundation (VVF) umbenannt, eine Virtualisierungsplattform für Unternehmen, die als kostenpflichtiges Softwareangebot erhältlich ist.

Dieser Hypervisor ist mit Desktop- und Laptop-PCs mit Windows- und Linux-Betriebssystemen kompatibel.

Ebenfalls für Desktop- und Laptop-Anwender ist dieser Hypervisor das auf MacOS ausgerichtete Angebot des Unternehmens, mit dem Mac-Anwender eine große Auswahl an Gastbetriebssystemen ausführen können. VMware Fusion Pro ist für die private Nutzung kostenlos und für die kommerzielle Nutzung kostenpflichtig.

Hinweis: VMware hat Workstation Player und VMware Fusion Player seit dem Start von VMware Workstation Pro und Fusion Pro eingestellt.³

VirtualBox ist ein Hypervisor vom Typ 2, der auf den Betriebssystemen Linux, Mac OS und Windows läuft.

Hinweis: Oracle übernahm das Produkt beim Kauf von Sun Microsystems im Jahr 2010.

Parallels Desktop ist eine Hypervisor-Technologie, mit der Benutzer Betriebssysteme (wie Linux oder Windows) und andere Anwendungen auf einem Mac ausführen können.

Hyper-V ist der Hypervisor von Microsoft, der für den Einsatz auf Windows-Systemen entwickelt wurde. Er wurde 2008 als Bestandteil von Windows Server bereitgestellt, weshalb Kunden das gesamte Windows-Betriebssystem installieren mussten, um ihn verwenden zu können. Microsoft stellte anschließend eine dedizierte Version namens Hyper-V Server zur Verfügung, die auf Windows Server Core ausgeführt wurde. So konnten Administratoren Hyper-V ausführen, ohne die Vollversion von Windows Server installieren zu müssen. Hyper-V ist auch auf Windows-Clients verfügbar.

Microsoft bezeichnet Hyper-V als Typ-1-Hypervisor, obwohl er anders funktioniert als viele Konkurrenten. Hyper-V wird unter Windows installiert, aber direkt auf der physischen Hardware ausgeführt und fügt sich unter dem Hostbetriebssystem ein. Alle Gastbetriebssysteme werden dann über den Hypervisor ausgeführt, aber das Hostsystem erhält einen speziellen Zugriff auf die Hardware und damit einen Leistungsvorteil.

Citrix Hypervisor (früher Xen Server des Open-Source-Projekts Xen) ist ein kommerzieller Hypervisor vom Typ 1, der die Betriebssysteme Linux und Windows unterstützt.

Open-Source-Hypervisor-Technologien bieten Kosteneffizienz, Anpassungsoptionen und starken Community-Support. Zu den beliebten Open-Source-Hypervisors gehören die folgenden.

Dieser Open-Source-Hypervisor vom Typ 1 läuft auf Intel- und ARM-Architekturen. Es begann als Projekt an der University of Cambridge und wurde durch die Gründung von XenSource, das Citrix im Jahr 2007 kaufte, vom Team kommerzialisiert.⁴

Im Jahr 2013 wurde das Open-Source-Projekt zu einem Kooperationsprojekt der Linux Foundation. Viele Cloud-Service-Provider nutzen Xen, um ihre Produktangebote zu unterstützen.

Xen unterstützt verschiedene Arten der Virtualisierung, darunter hardwaregestützte Umgebungen mit Intel VT und AMD-V. Es unterstützt auch Paravirtualisierung, die das Gastbetriebssystem für die Zusammenarbeit mit einem Hypervisor optimiert und so die Leistung steigert.

KVM ist ein Linux-basierter Typ-1-Hypervisor, der zu den meisten Linux-Betriebssystemen hinzugefügt werden kann, darunter Ubuntu, SUSE und Red Hat Enterprise Linux (RHEL).

Linux verfügt auch über Hypervisor-Funktionen, die direkt in den Linux-Kernel integriert sind. Die Kernel-basierte Virtual Machine (KVM) wurde 2007 in die Hauptlinie des Linux-Kernels aufgenommen und ergänzt QEMU, einen Hypervisor, der den Prozessor des physischen Rechners vollständig in Software emuliert. Er unterstützt die meisten gängigen Linux-Betriebssysteme, einschließlich Solaris und Windows.

KVM unterstützt Virtualisierungserweiterungen, die Intel und AMD in ihre Prozessorarchitekturen integrieren, um die Funktionalität von Hypervisors zu verbessern. Mit diesen Erweiterungen, Intel VT bzw. AMD-V genannt, kann der Prozessor den Hypervisor bei der Verwaltung mehrerer virtueller Maschinen unterstützen. Wenn diese Erweiterungen verfügbar sind, kann der Linux-Kernel KVM verwenden. Andernfalls kommt QEMU zum Einsatz.

KVM kann auch einzeln oder als Teil der kostenlosen oVirt Open-Source-Virtualisierungslösung heruntergeladen werden.

Red Hat OpenShift Virtualization basiert auf KubeVirt, einem Open-Source-Projekt, das es ermöglicht, VMs auf einer von Kubernetes verwalteten Container-Plattform auszuführen. KubeVirt bietet eine Container-native Virtualisierung durch die Verwendung einer KVM innerhalb eines Kubernetes-Containers.

OpenShift Virtualization baut zusätzliche Funktionen um den KVM-Hypervisor herum auf. Zu diesen Funktionen gehört ein Virtualisierungsmanager, der ein zentralisiertes Verwaltungssystem mit einer suchgesteuerten grafischen Benutzeroberfläche bietet. Die Lösung umfasst auch sichere Virtualisierungstechnologien, die den Hypervisor gegen Angriffe auf den Host oder die virtuellen Maschinen schützen. Auf dem Hypervisor von Red Hat können viele Betriebssysteme ausgeführt werden, darunter auch Ubuntu.

Hinweis: Red Hat OpenShift Virtualization ist der Nachfolger von Red Hat Enterprise Virtualization (RHV), für das Red Hat angekündigt hat, den Support im Jahr 2026 einzustellen.⁵

Wie bereits erläutert, gibt es verschiedene Kategorien von Hypervisoren und mehrere Hypervisormarken innerhalb jeder Kategorie. Wenn Sie sich für einen Hypervisor für Ihr Unternehmen oder für den privaten Gebrauch entscheiden möchten, sollten Sie sich bei Ihrer Wahl von einigen Faktoren leiten lassen:

• Leistung

• Ökosystem

• Management-Tools

• Live-Migration

• Kosten

Überprüfen Sie die Benchmark-Daten, die zeigen, wie gut der Hypervisor in einer Produktionsumgebung funktioniert. Im Idealfall sollten Bare-Metal-Hypervisors die Leistung des Gastbetriebssystems annähernd mit der nativen Geschwindigkeit unterstützen.

Sie benötigen eine solide Dokumentation und technischen Support, um Hypervisors auf mehreren physischen Servern im großen Maßstab zu implementieren und zu verwalten. Achten Sie bei Ihrer Wahl auch auf eine aktive Entwickler-Community, die den Hypervisor mit eigenen Agenten und Plug-ins unterstützen können, die Funktionen wie die Analyse der Sicherungs- und Wiederherstellungskapazität und Failover-Management bieten.

Der Betrieb von VMs ist eines der vielen Dinge, die Sie bei der Verwendung eines Hypervisors verwalten müssen. Sie müssen die VMs einrichten, verwalten, prüfen und nicht mehr genutzte bereinigen, um eine „VM-Zersiedelung“ zu verhindern. Stellen Sie sicher, dass der Anbieter oder die Drittanbieter-Community die Hypervisor-Architektur mit umfassenden Management-Tools unterstützt.

Mit der Live-Migration können Sie VMs zwischen Hypervisors auf verschiedenen physischen Maschinen verschieben, ohne sie zu stoppen, was sowohl für Ausfälle als auch für den Lastausgleich nützlich sein kann.

Berücksichtigen Sie die Kosten- und Gebührenstruktur hinsichtlich der Lizenzierung der Hypervisor-Technologie. Denken Sie nicht nur an die Kosten des Hypervisors selbst. Die Management-Software, die Ihre Unternehmensumgebung skalierbar unterstützen kann, ist oft teuer. Abschließend sollten Sie die Lizenzstruktur des Anbieters prüfen. Diese kann sich ändern, je nachdem, ob Sie die Software in der Cloud oder lokal bereitstellen.