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TuxCare BlogDie Leistungsfähigkeit des KVM-Hypervisors: Eine detaillierte Analyse
von Joao Correia
Januar 4, 2024 - Technischer Evangelist
Die Virtualisierung ist für viele Unternehmenssysteme von entscheidender Bedeutung, da sie erhebliche Einsparungen sowohl bei den finanziellen als auch bei den Energieressourcen ermöglicht. Folglich wird der Fortschritt in diesem Bereich zu einem wichtigen Schwerpunkt für Organisationen aller Arten und Größen. Dieser Blogbeitrag befasst sich mit KVM, einer wichtigen Virtualisierungstechnologie. In diesem Beitrag werden wir die Kernaspekte des KVM-Hypervisorvon den grundlegenden Konzepten bis hin zu seinen fortgeschrittenen Funktionen - und zeigen, warum er eine bevorzugte Wahl für die virtuelle Datenverarbeitung ist.
Was ist KVM?
Die Abkürzung KVM steht für "kernel-based virtual machine". Es handelt sich um ein Virtualisierungsmodul im Linux-Kernel, das es dem Kernel ermöglicht, als Hypervisor zu fungieren. Diese Technologie wurde mit der Entwicklung der modernen Intel- und AMD-Prozessoren notwendig. Die neue Generation von Prozessoren unterstützt Hardware-Virtualisierung, und der KVM-Hypervisor wurde entwickelt, um diese Funktion voll auszunutzen.
Was ist Hardware-Virtualisierung?
Um zu verstehen, was Hardware-Virtualisierung ist und welche Vorteile sie für den Endbenutzer bietet, ist es hilfreich, einen Blick auf die Anfänge der Virtualisierung zu werfen. Ursprünglich konnten virtuelle Maschinen die Hardware des Hosts, z. B. CPUs, nicht direkt nutzen. Stattdessen simulierten sie Hardwarefunktionen. Diese Methode war weniger effektiv und führte zu einer geringeren Leistung des Hostsystems. Der Grund dafür war, dass die Simulation von Hardwarefunktionen eine erhebliche Belastung für den Host während des Betriebs darstellte.
Die moderne CPU-Architektur hat sich weiterentwickelt und erlaubt nun direkten Hardware-Zugriff durch virtuelle Maschinen, was die Effizienz der Virtualisierung erhöht.
KVM-Hypervisor
Ein Hypervisor ist eine Software-Zwischenstufe zwischen dem Gastbetriebssystem und der physischen Hardware des Servers. Es gibt zwei Haupttypen von Hypervisoren: solche, die direkt auf der Hardware-Plattform laufen und kein speziell konfiguriertes Betriebssystem benötigen, und solche, die über dem Betriebssystem eines Servers laufen und ein Server-Betriebssystem mit entsprechenden Fähigkeiten erfordern. KVM verwandelt die Hardwareausrüstung mit dem installierten Linux-Betriebssystem in einen Hypervisor des ersten Typs, der eine höhere Effizienz und Leistung bietet.
Einige Betriebssystemkomponenten sind jedoch weiterhin für den korrekten Betrieb erforderlich, z. B. der E/A-Stapel, der Speichermanager, die Gerätetreiber, der Aufgabenplaner, der Netzwerkstapel, der Sicherheitsmanager usw. Da der KVM-Hypervisor Teil des Betriebssystems ist, hat er direkten Zugriff auf all diese Komponenten.
Die Vorteile des KVM-Hypervisors
Da KVM ein Teil des Linux-Betriebssystems und Linux ein Teil von KVM ist, können beide als ein gemeinsames System betrachtet werden. Schauen wir uns die wichtigsten Vorteile der Implementierung des KVM-Hypervisors in einer Unternehmensinfrastruktur an:
- Effiziente Speicherverwaltung: Es verwendet Techniken wie Ballooning, das die Speicherzuweisung für virtuelle Maschinen dynamisch an deren Bedarf anpasst, und Memory Overcommit, das die Zuweisung von mehr virtuellem Speicher als physischem Speicher erlaubt, und optimiert die Speichernutzung durch Methoden wie Speicher-Swapping und Kernel Same-page Merging (KSM).
- Flexibilität bei der Lagerung: Der KVM-Hypervisor unterstützt eine Vielzahl von Speichertypen, einschließlich lokaler Festplatten, Network Attached Storage (NAS) und Storage Area Networks (SAN), und bietet Unternehmen die Flexibilität, die besten Speicherlösungen je nach Bedarf und Budget auszuwählen.
- Verbesserte Sicherheit: KVM verbessert die Sicherheit mit sVirt in Verbindung mit SELinux und bietet eine obligatorische Zugriffskontrolle für virtuelle Maschinen, um sie zu isolieren und unbefugten Zugriff zu verhindern, wodurch die Sicherheit der gesamten virtuellen Umgebung verbessert wird.
- Dynamische Migration von virtuellen Maschinen: Der KVM-Hypervisor ermöglicht die Live-Migration virtueller Maschinen zwischen physischen Hosts, ohne dass es zu Service-Ausfallzeiten kommt.
- Effektive Ressourcensteuerung und -planung: Durch die Nutzung des Linux-Kernels gewährleistet der KVM-Hypervisor eine effiziente Verwaltung der Computerressourcen, wobei der fortschrittliche Scheduler von Linux die Ressourcen optimal auf die virtuellen Maschinen verteilt und so eine effektive Ressourcennutzung gewährleistet.
- Skalierbarkeit und Leistung: Der KVM-Hypervisor ist ideal für groß angelegte Virtualisierungsimplementierungen, z. B. in Rechenzentren. Er ist hochgradig skalierbar, kann eine große Anzahl virtueller Maschinen effizient verwalten und bietet eine hohe Leistung, selbst bei hoher Belastung - dank seiner hardwaregestützten Virtualisierung und effizienten Ressourcenverwaltung.
KVM-Verwaltung
Um virtuelle Maschinen in KVM zu verwalten, ist für grundlegende Operationen keine zusätzliche Software erforderlich. Diese Manipulationen können mit Befehlszeilen-Tools durchgeführt werden, die in der KVM-eigenen Suite verfügbar sind. In komplexen und großen Umgebungen, wie z.B. in großen Unternehmensnetzwerken, ist es jedoch üblich, zusätzliche Verwaltungswerkzeuge von Drittanbietern einzusetzen, wie z.B. Red Hat Virtualizationfür eine erweiterte Verwaltung. Diese Software erleichtert die Interaktion sowohl mit der physischen Grundausstattung als auch mit den virtuellen Umgebungen.
KVM-Hypervisor-Patching
Die Wartung von KVM umfasst wichtige Patching-Prozesse, um seine Sicherheit und Effizienz zu gewährleisten. Da KVM Teil des Linux-Kernels ist, werden Aktualisierungen für KVM in der Regel über Standard-Updates für das Linux-Betriebssystem bereitgestellt. Wenn jedoch ein KVM-Hypervisor gepatcht werden soll, erfordert der Prozess in der Regel einen Neustart oder die Migration Ihrer virtuellen Maschine auf einen anderen Hypervisor. Dies kann zu Serviceunterbrechungen führen, die sich auf Ihre Endbenutzer auswirken.
In Umgebungen, in denen die Betriebszeit entscheidend ist, sind Lösungen wie QEMUCare die Vorteile von KVM, indem sie Live-Patches für QEMU/KVM-Umgebungen bereitstellen und die Anwendung wichtiger Updates ermöglichen ohne einen Neustart oder die virtuellen Maschinen zu migrieren.
Nachteile der KVM-Virtualisierung
Die KVM-Hypervisor-Technologie hat, wie jede Softwarelösung, gewisse Nachteile. Glücklicherweise sind diese nicht zahlreich und stellen in der Regel kein großes Problem dar. Zu den wichtigsten Nachteilen gehören:
- Komplexität in der Anwendung: Das Einrichten und Verwalten einer KVM-Umgebung erfordert einige technische Kenntnisse, insbesondere im Umgang mit dem Terminal des Linux-Betriebssystems. Während KVM mit Standardeinstellungen ausgestattet ist, die für die meisten Benutzer gut funktionieren, kann das Verständnis und die Anpassung dieser Einstellungen für bestimmte Aufgaben ohne die erforderlichen technischen Kenntnisse eine Herausforderung darstellen.
- Relativ jung: KVM ist im Vergleich zu alteingesessenen Technologien wie Xen noch relativ jung. Diese relative Neuheit kann zu gelegentlichen Problemen mit der Treiberunterstützung und der Kompatibilität von KVM mit verschiedenen Software- und Hardwarekonfigurationen führen.
Abschiedsgedanken
Der KVM-Hypervisor, der seit 2007 Teil des Linux-Kernels ist, hat sich zu einer robusten Open-Source-Technologie entwickelt, die die Effizienz der Virtualisierung verbessert. Seine Entwicklung im Laufe der Jahre hat zu einer breiten Akzeptanz bei Cloud-Computing-Anbietern und Rechenzentrumseigentümern geführt.
Dieser Überblick befasst sich damit, warum der KVM-Hypervisor vorteilhaft ist, und geht auf seine Kernprinzipien ein. KVM verbessert die Flexibilität und Skalierbarkeit der IT-Infrastruktur eines Unternehmens erheblich. Die Implementierung von KVM ist ein relativ unkomplizierter Prozess. Sie bietet zwar eine bessere Kontrolle über die Virtualisierung und kann die Abhängigkeit von externen Cloud-Anbietern verringern, doch der Grad der erreichten Unabhängigkeit hängt von der spezifischen IT-Infrastruktur und der Cloud-Integration ab. KVM ermöglicht Unternehmen einen direkteren Zugriff auf Low-Level-Servereinstellungen und damit eine flexiblere und maßgeschneiderte Verwaltung ihrer Infrastruktur.
