Wat is een virtuele machine?

Een virtuele machine (VM) is een op software gebaseerde emulatie van een fysieke computer. Het voert een besturingssysteem en applicaties uit, net als een fysieke machine, maar is geïsoleerd van de onderliggende machine hardware.

Een virtuele machine is een op software gebaseerde emulatie van een fysieke computer, ontworpen om de functionaliteit en gebruikerservaring van een fysieke machine te repliceren. Het werkt binnen een hostsysteem en maakt gebruik van een hypervisor of virtuele machinemonitor om de uitvoering en toewijzing ervan te beheren CPU, geheugen en opslag. De VM draait zijn eigen besturingssysteem en toepassingen, geïsoleerd van de onderliggende hardware en andere virtuele machines op dezelfde host. Deze isolatie zorgt voor verbeterde beveiliging, omdat elke VM in zijn eigen omgeving opereert, onafhankelijk van anderen.

Virtuele machines worden veel gebruikt voor hun flexflexibiliteit en efficiëntie, waardoor meerdere VM's op één fysieke machine kunnen draaien, waardoor het gebruik van hulpbronnen wordt gemaximaliseerd. Ze zijn essentieel in verschillende scenario's, waaronder server consolidatie, waar meerdere servers worden gecombineerd in één systeem, en in ontwikkeling en omgevingen testen, waar ze ontwikkelaars in staat stellen software in verschillende besturingssystemen en configuraties te testen. Bovendien zijn VM's van fundamenteel belang cloud computergebruik, Het aanbieden van schaalbare en on-demand computerbronnen voor gebruikers.

Een kort historisch overzicht van virtualisatie en VM's

Virtualisatie en virtuele machines vinden hun oorsprong in de jaren zestig, toen IBM pionierde met het verbeteren van het concept grote computer prestaties en efficiëntie. Dit vroege werk leidde tot de ontwikkeling van het CP/CMS-besturingssysteem, waardoor een enkel mainframe meerdere exemplaren van besturingssystemen tegelijk kon uitvoeren.

In de jaren zeventig en tachtig evolueerde het concept langzaam, voornamelijk beperkt tot mainframes en geavanceerde systemen. In de jaren negentig was er sprake van een heropleving van de belangstelling voor virtualisatie, gedreven door de vooruitgang op het gebied van hardware en de toenemende complexiteit van softwareomgevingen. Deze periode markeerde de opkomst van VMware, opgericht in 1970, dat virtualisatie introduceerde x86 architectuur, waardoor het toegankelijker wordt voor bedrijven van elke omvang.

In de jaren 2000 kende de virtualisatietechnologie een snelle groei, met aanzienlijke bijdragen van bedrijven als Microsoft en de open source gemeenschap, wat leidde tot de ontwikkeling van hypervisors zoals Hyper-V en Xen. Virtualisatie werd een hoeksteen van de moderne IT-infrastructuur, culminerend in de wijdverbreide acceptatie ervan cloud computergebruik in de jaren 2010. Tegenwoordig is virtualisatie een integraal onderdeel van data centers, waar het efficiënt resourcebeheer, schaalbaarheid en flexibiliteit.

Hoe werkt een virtuele machine?

Een virtuele machine werkt door een fysieke computer te emuleren binnen een softwareomgeving. Dit proces omvat verschillende belangrijke componenten en stappen:

hypervisor. De kern van de functionaliteit van een VM is de hypervisor, ook wel een virtuele machinemonitor (VMM) genoemd. De hypervisor bevindt zich tussen de hardware en de VM's en beheert de toewijzing van bronnen zoals CPU, geheugen en opslag. Er zijn twee hoofdtypen hypervisors: Type 1 (bare metal) draait rechtstreeks op de hardware, en Type 2 (gehost) draait op een hostbesturingssysteem.
Gastsysteem. De gastheer systeem is de fysieke machine die de onderliggende hardwarebronnen levert. Het voert de hypervisor uit, die op zijn beurt de VM's creëert en beheert.
Gast systeem. Het gastsysteem verwijst naar de virtuele machines zelf. Elke VM werkt als een onafhankelijk systeem met zijn eigen besturingssysteem en applicaties, geïsoleerd van zowel het hostsysteem als andere VM's.
Virtuele hardware. De hypervisor voorziet elke VM van virtuele hardwarecomponenten, zoals virtuele CPU's, virtueel geheugen, virtuele opslagen virtuele netwerkinterfaces. Deze virtuele componenten worden toegewezen aan de fysieke hardwarebronnen van het hostsysteem.
Besturingssysteem. De VM draait zijn eigen besturingssysteem (gastbesturingssysteem) bovenop de virtuele hardware. Het gastbesturingssysteem is zich er niet van bewust dat het in een gevirtualiseerde omgeving draait en communiceert met de virtuele hardware alsof het fysieke hardware is.
Toewijzing en beheer van middelen. De hypervisor wijst en beheert op dynamische wijze bronnen voor elke VM toe op basis van de vraag en vooraf gedefinieerd beleid. Dit zorgt voor een efficiënt gebruik van de bronnen van het hostsysteem, het balanceren van de werklast en het optimaliseren van de prestaties.
Isolatie en veiligheid. Elke VM opereert in een geïsoleerde omgeving, wat betekent dat acties in één VM geen invloed hebben op andere. Deze isolatie verbetert de veiligheid, omdat kwaadaardige activiteiten in één VM beperkt blijven en zich niet kunnen verspreiden naar andere VM's of het hostsysteem.
Virtueel netwerk. De hypervisor kan virtuele netwerken creëren om communicatie tussen VM’s onderling en tussen VM’s en de buitenwereld mogelijk te maken. Virtuele netwerkmogelijkheden omvatten virtuele switches, routers en firewalls.

Gebruiksscenario's voor virtuele machines

Door gebruik te maken van virtuele machines kunnen organisaties meer bereiken flexibiliteit, efficiëntie en veiligheid in hun IT-activiteiten. Hier zijn enkele veelvoorkomende gebruiksscenario's voor virtuele machines:

Server consolidering. Virtuele machines maken de consolidatie van meerdere mogelijk server werklasten op één fysiek server. Dit verlaagt de hardwarekosten, bespaart ruimte en verlaagt het energieverbruik door het maximaliseren van het gebruik van fysieke bronnen.
Ontwikkeling en testen. Met VM's kunnen ontwikkelaars geïsoleerde omgevingen creëren voor het ontwikkelen en testen van software. Ze kunnen gemakkelijk verschillende configuraties en besturingssystemen opstarten en afbreken zonder het hostsysteem te beïnvloeden, waardoor snelle iteratie en experimenten mogelijk zijn.
ramp herstel. Virtuele machines kunnen worden gebruikt om te creëren backup kopieën van kritieke systemen. In het geval van een hardwarestoring of een andere ramp kunnen deze VM's snel worden hersteld, waardoor de hoeveelheid werk wordt geminimaliseerd uitvaltijd en Data Loss. Het proces van het maken van snapshots en het klonen van VM's vereenvoudigt de backup en herstelproces.
Oudere applicaties draaien. Organisaties kunnen VM’s gebruiken om verouderde of legacy applicaties op moderne hardware. Dit garandeert voortdurende toegang tot kritieke software zonder dat u oude en mogelijk onbetrouwbare hardware hoeft te onderhouden.
Cloud computergebruik. Virtuele machines zijn van fundamenteel belang voor cloud computing. Cloud providers zoals Amazon Web Services (AWS), Microsoft Azure en Google Cloud Platform (GCP) gebruikt VM's om schaalbare en on-demand computerbronnen aan te bieden. Gebruikers kunnen hun applicaties implementeren en beheren in de cloud zonder dat u zich zorgen hoeft te maken over de onderliggende hardware.
Virtuele bureaubladen. Virtuele desktopinfrastructuur (VDI) maakt gebruik van VM's om externe desktopomgevingen te bieden, waardoor gebruikers overal en met elk apparaat toegang hebben tot hun desktop en applicaties. De daadwerkelijke verwerking vindt plaats op de server.
Onderwijs en training. VM's worden in onderwijsomgevingen gebruikt om studenten te leren over besturingssystemen, netwerken en software development. Ze stellen studenten in staat te experimenteren met verschillende opstellingen en configuraties zonder het risico te lopen fysieke hardware te beschadigen.
Malware en beveiliging testen. Beveiligingsprofessionals gebruiken virtuele machines om veilig te analyseren en testen malware. Omdat VM's geïsoleerd zijn van het hostsysteem, kunnen kwaadaardige activiteiten worden ingeperkt en bestudeerd zonder de integriteit van de host in gevaar te brengen.
Meerdere besturingssystemen draaien. Gebruikers kunnen meerdere besturingssystemen tegelijkertijd op één fysieke machine uitvoeren. Dit is handig voor softwareontwikkelaars die hun applicaties in verschillende besturingssysteemomgevingen moeten testen of voor gebruikers die toegang nodig hebben tot specifieke applicaties die alleen op bepaalde besturingssysteemplatforms beschikbaar zijn.
Onderzoek en experimenten. Onderzoekers gebruiken VM's om experimenten uit te voeren waarvoor verschillende computeromgevingen nodig zijn. Dit flexDankzij deze functionaliteit kan een breed scala aan scenario's worden getest zonder dat er meerdere fysieke machines nodig zijn.

Virtuele machinetypen

Virtuele machines (VM's) zijn er in verschillende typen, elk afgestemd op specifieke gebruiksscenario's en operationele behoeften. De primaire typen VM's zijn virtuele systeemmachines en virtuele procesmachines. Hier vindt u een uitleg van deze typen.

Virtuele systeemmachines

Deze VM's bieden een complete systeemomgeving, waarbij een volledige fysieke machine wordt geëmuleerd, inclusief het besturingssysteem. Ze worden vaak gebruikt voor server virtualisatie, desktopvirtualisatie en het uitvoeren van verschillende besturingssystemen op één host. Systeem-VM's maken de consolidatie van meerdere workloads op één fysiek systeem mogelijk server, waardoor het gebruik van hulpbronnen wordt verbeterd en geïsoleerde omgevingen voor verschillende toepassingen worden geboden.

Verwerk virtuele machines

In tegenstelling tot systeem-VM's zijn proces-VM's ontworpen om één applicatie of proces uit te voeren. Ze bieden een platformonafhankelijke omgeving voor het uitvoeren van specifieke programma's, waarbij de onderliggende hardware- en besturingssysteemdetails worden geabstraheerd. Een bekend voorbeeld van een proces-VM is de Java Virtual Machine (JVM), waarmee Java-applicaties op elk apparaat met een compatibele JVM-implementatie kunnen worden uitgevoerd. Proces-VM's zijn ideaal om platformonafhankelijke compatibiliteit te garanderen en de software-implementatie te vereenvoudigen.

Volledige virtualisatie

Dit type VM emuleert de onderliggende hardware volledig, waardoor ongewijzigde besturingssystemen en applicaties kunnen worden uitgevoerd. Volledige virtualisatie maakt gebruik van een hypervisor om de virtuele machines te beheren, waardoor volledige isolatie en beveiliging wordt geboden. Voorbeelden van hypervisors die volledige virtualisatie ondersteunen zijn VMware ESXi en Microsoft Hyper-V. Dit type is met name handig voor het gelijktijdig uitvoeren van meerdere besturingssystemen en voor scenario's die sterke isolatie vereisen.

Paravirtualisatie

Paravirtualisatie omvat het aanpassen van het gastbesturingssysteem om efficiënter met de hypervisor te communiceren. Deze aanpak vermindert de overhead die gepaard gaat met volledige virtualisatie, doordat het gastbesturingssysteem rechtstreeks met de hypervisor kan communiceren. Voorbeelden van paravirtualisatie zijn Xen en VMware's Virtual Machine Interface (VMI). Dit type VM levert betere prestaties vergeleken met volledige virtualisatie, vooral voor I/O-intensieve taken.

Hardwareondersteunde virtualisatie

Moderne processors van Intel en AMD bevatten hardwarefuncties ter ondersteuning van virtualisatie, zoals Intel VT-x en AMD-V. Dankzij deze functies kan de hypervisor virtuele machines uitvoeren met minimale prestatieoverhead. Door hardware ondersteunde virtualisatie wordt veel gebruikt in bedrijfsomgevingen om bijna-native prestaties voor VM's te bereiken met behoud van sterke isolatie en beveiliging.

Virtualisatie op besturingssysteemniveau

Deze aanpak, ook bekend als containerisatie, virtualiseert het besturingssysteem in plaats van de hardware. Hiermee kunnen meerdere geïsoleerde gebruikersruimte-instanties, ook wel containers genoemd, op één besturingssysteem worden uitgevoerd pit. Voorbeelden hiervan zijn havenarbeider en LXC (Linux-containers). Containers delen de host-besturingssysteemkernel, waardoor ze lichtgewicht en efficiënt zijn in vergelijking met traditionele VM's. Dit type is ideaal voor microservices, applicatie-implementatie en scenario's die snelle schaling vereisen.

Voordelen en uitdagingen van virtuele machines

Virtuele machines bieden tal van voordelen en worden geconfronteerd met bepaalde uitdagingen, waardoor ze een veelzijdig maar complex onderdeel van de moderne IT-infrastructuur worden. Het begrijpen van deze aspecten is cruciaal voor het effectief inzetten van VM’s in verschillende computeromgevingen.

Voordelen:

Virtuele machines bieden een reeks voordelen waardoor ze een essentieel hulpmiddel zijn in de moderne IT-infrastructuur. Ze bieden aanzienlijke voordelen op het gebied van het gebruik van hulpbronnen, kostenefficiëntie, flexmogelijkheden, en meer. Dit zijn de belangrijkste voordelen van VM's:

Verbeterd gebruik van hulpbronnen. VM's maken meerdere virtuele servers om op één fysiek te draaien server, waardoor het gebruik van hardwarebronnen wordt gemaximaliseerd. Deze consolidatie vermindert de behoefte aan fysiek servers, wat leidt tot een lager energieverbruik en lagere hardwarekosten.
Kostenbesparingen. Door het aantal fysieke servers vereist, VM's helpen beide te verminderen hoofdstad en operationele uitgaven. Dit omvat besparingen op hardwareaankopen, onderhoud, stroom, koeling en fysieke ruimte.
Flexibiliteit en schaalbaarheid. VM's bieden een flexmogelijk en schaalbare omgeving, waardoor het eenvoudig kan worden ingericht en gedeprovisioneerd als dat nodig is. Dit is vooral handig bij cloud computer- en ontwikkelomgevingen waar de werklast aanzienlijk kan variëren.
Isolatie en veiligheid. Elke VM opereert in een geïsoleerde omgeving, zodat problemen in de ene VM geen gevolgen hebben voor andere. Isolatie verbetert de beveiliging door potentiële bedreigingen binnen één enkele VM te beperken en te voorkomen dat deze zich naar het hostsysteem of andere VM's verspreiden.
Herstel na een ramp en backup. VM's faciliteren efficiënt noodherstel en backup processen. Snapshots en klonen van VM's kunnen eenvoudig worden gemaakt en hersteld, waardoor downtime en gegevensverlies bij hardwarestoringen of andere rampen tot een minimum worden beperkt.
Vereenvoudigd beheer en automatisering. Virtualisatieplatforms worden vaak geleverd met robuuste beheertools die geautomatiseerde implementatie, monitoring en beheer van VM’s mogelijk maken. Dit vereenvoudigt administratieve taken en verbetert de algehele systeemefficiëntie.
Ondersteuning voor oudere applicaties. VM's maken het voortdurende gebruik van verouderde applicaties op moderne hardware mogelijk en zorgen ervoor dat kritieke software operationeel blijft zonder dat verouderde fysieke machines hoeven te worden onderhouden.
Test- en ontwikkelomgevingen. VM's bieden geïsoleerde omgevingen voor testen en ontwikkelen, waardoor ontwikkelaars kunnen experimenteren met verschillende configuraties en besturingssystemen zonder dat dit gevolgen heeft voor het hostsysteem. Dit versnelt ontwikkelingscycli en verbetert de softwarekwaliteit.

Uitdagingen

Hoewel virtuele machines aanzienlijke voordelen bieden, brengen ze ook een aantal uitdagingen met zich mee die van invloed kunnen zijn op de implementatie en het beheer ervan. Het begrijpen van deze uitdagingen is noodzakelijk om VM’s effectief te kunnen inzetten in verschillende computeromgevingen. Hier zijn enkele van de belangrijkste uitdagingen die verband houden met virtuele machines:

Prestatieoverhead. VM's kunnen prestatieverslechtering ervaren in vergelijking met rechtstreeks draaien op fysieke hardware. De extra virtualisatielaag introduceert overhead, die van invloed is op de CPU, het geheugen en het geheugen I / O activiteiten. Ondanks de vooruitgang op het gebied van hypervisortechnologie en hardwareondersteunde virtualisatie blijft prestatieoverhead een overweging, vooral voor krachtige toepassingen.
Bronconflict. Wanneer meerdere VM's op één host draaien, concurreren ze om dezelfde fysieke bronnen. Dit leidt tot conflicten over resources, waarbij de prestaties van één VM van invloed kunnen zijn op andere. Een goede toewijzing en beheer van middelen is noodzakelijk om dit probleem te beperken, maar vereist een zorgvuldige planning en monitoring.
Complex beheer. Beheerders moeten taken uitvoeren zoals het inrichten van VM's, het toewijzen van bronnen, prestatiemonitoring en beveiligingsbeheer. De complexiteit neemt toe met het aantal VM’s en de schaal van de gevirtualiseerde infrastructuur, waardoor robuuste beheertools en -praktijken noodzakelijk zijn.
Beveiligingsproblemen. Hoewel VM's isolatie bieden, zijn ze niet immuun voor beveiligingsproblemen. De hypervisor, die de VM’s aanstuurt, is een potentieel doelwit voor aanvallen. Bovendien kunnen kwetsbaarheden binnen een VM mogelijk gevolgen hebben voor anderen als ze niet goed worden geïsoleerd. Het garanderen van robuuste beveiligingsmaatregelen, zoals regelmatige updates, patches en beveiligingsbeleid, is essentieel.
Licentiekosten. Virtualisatie kan leiden tot hogere licentiekosten voor zowel de virtualisatiesoftware als de besturingssystemen die binnen VM's draaien. Organisaties moeten bij het plannen van hun gevirtualiseerde omgevingen zorgvuldig rekening houden met licentiemodellen en kosten.
Compatibiliteitsproblemen. Niet alle applicaties en besturingssystemen zijn geoptimaliseerd voor virtualisatie, en sommige kunnen problemen vertonen wanneer ze in een gevirtualiseerde omgeving worden uitgevoerd. Het garanderen van compatibiliteit vereist grondige tests en validatie.
Backup en herstel. Terwijl VM's kunnen vereenvoudigen backup en herstelprocessen introduceren ze ook complexiteit. Zorgen voor consistentie en betrouwbaarheid backups voor een groot aantal VM's vereist effectief backup strategieën en hulpmiddelen. Herstelprocessen moeten ook regelmatig worden getest om er zeker van te zijn dat ze naar verwachting werken.
Uitbreiding en gebruik van hulpbronnen. VM-wildgroei vindt plaats wanneer er sprake is van een ongecontroleerde proliferatie van VM's, wat leidt tot inefficiënt gebruik van hulpbronnen en beheerproblemen. Organisaties moeten beleid en praktijken implementeren om de wildgroei van VM’s te beheersen en een efficiënt gebruik van middelen te garanderen.