Anhang B: Übersicht über die Hyper-V-Architektur und -Funktionen

Dieses Thema bietet eine Übersicht über die Hyper-V-Architektur und beschreibt Die Vor- und Nachteile von Hyper-V.

Hyper-V-Architektur

Hyper-V ist eine Hypervisor-basierte Virtualisierungsplattform und eine Aktivierungstechnologie für eines der Festzeltfeatures von Windows Server, der Livemigration. Mit Hyper-V ist Windows Server in der Lage, eine schnelle Migration durchzuführen, die VMs mit nur wenigen Sekunden Ausfallzeit zwischen physischen Hosts verschieben kann. Bei der Livemigration erfolgen Bewegungen zwischen physischen Zielen in Millisekunden, was bedeutet, dass Migrationsvorgänge für verbundene Benutzer unsichtbar werden. Weitere Informationen finden Sie unter Neuerungen in Hyper-V unter Windows Server.

Der Hypervisor ist die prozessorspezifische Virtualisierungsplattform, die mehrere virtuelle Computer (VMs) hosten kann, die voneinander isoliert sind, aber die zugrunde liegenden Hardwareressourcen gemeinsam nutzen, indem die Prozessoren, der Arbeitsspeicher und die E/A-Geräte virtualisiert werden.

Gastbetriebssysteme, die auf einem virtuellen Hyper-V-Computer ausgeführt werden, bieten eine Leistung, die sich der Leistung eines Betriebssystems annähert, das auf physischer Hardware ausgeführt wird , wenn die erforderlichen VSC-Treiber und -Dienste (Virtual Server Client) auf dem Gastbetriebssystem installiert sind. Hyper-V-V-Clientcode (VSC), auch bekannt als Hyper-V-aufgeklärte E/A, ermöglicht den direkten Zugriff auf den Hyper-V-"Virtual Machine Bus" und ist mit der Installation von Hyper-V-Integrationsdiensten verfügbar. Hyper-V-Integrationsdienste, die VSC-Treiber bereitstellen, sind auch für andere Clientbetriebssysteme verfügbar.

Hyper-V unterstützt die Isolation wie eine Partition. Eine Partition ist eine logische Einheit der Isolation, die vom Hypervisor unterstützt wird und in der die Betriebssysteme ausgeführt werden. Der Microsoft-Hypervisor muss mindestens über eine übergeordnete Partition oder eine Stammpartition verfügen, auf der Windows Server ausgeführt wird. Der Virtualisierungsstapel wird in der übergeordneten Partition ausgeführt und hat direkten Zugriff auf die Hardwaregeräte. Die Stamm-Partition erstellt anschließend die untergeordnete Partitionen, die die Gastbetriebssysteme hosten. Eine Stamm-Partition erstellt mithilfe der Hypercall-API (Application Programming Interface) untergeordnete Partitionen.

Partitionen haben keinen Zugriff auf den physischen Prozessor und behandeln die Unterbrechungen des Prozessors nicht. Sie verfügen stattdessen über eine virtuelle Ansicht des Prozessors und führen einen Adressraum für den virtuellen Speicher aus, der für jede Gastpartition intern ist. Der Hypervisor verarbeitet die Unterbrechungen des Prozessors und leitet sie an die entsprechende Partition weiter. Hyper-V kann auch per Hardware die Adressübersetzung zwischen verschiedenen virtuellen Gastadressräumen mithilfe einer Speicherverwaltungseinheit für die Ein-/Ausgabe (IOMMU) beschleunigen, die unabhängig von der Speicherverwaltungshardware funktioniert, die von der CPU genutzt wird. Eine IOMMU wird dann verwendet, um physischen Speicheradressen den Adressen neu zuordnen, die von der untergeordneten Partitionen verwendet werden.

Untergeordneten Partitionen haben ebenfalls keinen direkten Zugriff auf andere Hardwareressourcen und werden als virtuelle Ansicht der Ressourcen dargestellt, als sogenannte virtuelle Geräte (VDevs). Anfragen an virtuelle Geräte werden entweder über den VMBus oder den Hypervisor an die Geräte in der übergeordneten Partition umgeleitet, die die Anfragen behandelt. Der VMBus ist eine logische Partition zwischen Kommunikationskanälen. Die übergeordnete Partition hostet Virtualisierungsdienstanbieter (VSPs,) die über den VMBus kommunizieren, um Zugriffsanforderungen auf Geräte von untergeordneten Partitionen zu behandeln. Untergeordnete Partitionen hosten Virtualisierungsdienst-Consumer (VSCs), die die Clientanforderungen in der übergeordneten Partition über den VMBus an VSPs umleiten. Das gesamte Verfahren ist für das Gastbetriebssystem transparent.

Virtuelle Geräte können für Speicher, Netzwerke, Grafiken und Eingabe-Subsysteme auch eine Windows Server-Virtualisierungsfunktion nutzen, die „Optimierte E/A” genannt wird. Die „Optimierte E/A” ist eine spezielle Implementierung, die die Virtualisierung von high-Level Protokollen (wie z. B. SCSI) unterstützt, die den VMBus direkt nutzt und so alle Geräte-Emulationsebenen umgeht. Dadurch wird die Kommunikation effizienter. Es erfordert jedoch einen optimierte Gast, die Hypervisor und VMBus unterstützt. Hyper-V optimierte E/A und ein Kernel, der Hypervisor unterstützt wird über die Installation der Hyper-V-Integrationsdienste bereitgestellt. Integrationskomponenten, die virtuelle Server-Client-Treiber (VSC) enthalten, stehen auch für andere Clientbetriebssysteme zur Verfügung. Hyper-V erfordert einen Prozessor mit hardwareunterstützter Virtualisierung – beispielsweise mit Intel VT oder AMD Virtualization (AMD-V)-Technologie.

Das folgende Diagramm bietet einen allgemeinen Überblick über die Architektur einer Hyper-V-Umgebung, die unter Windows Server ausgeführt wird.

Akronyme und Begriffe, die im obigen Diagramm verwendet werden, werden unten beschrieben:

• APIC – Erweiterter programmierbarer Interruptcontroller. Ein Gerät, das das Zuweisen von Prioritätsstufen zu seinen Interruptausgaben ermöglicht.

• Untergeordnete Partition : Partition, die ein Gastbetriebssystem hostet. Der gesamte Zugriff auf physischen Arbeitsspeicher und Geräte durch eine untergeordnete Partition wird über den Virtual Machine Bus (VMBus) oder den Hypervisor bereitgestellt.

• Hypercall – Schnittstelle für die Kommunikation mit dem Hypervisor. Die Hypercall-Schnittstelle bietet Zugriff auf die vom Hypervisor bereitgestellten Optimierungen.

• Hypervisor – Eine Softwareschicht, die sich zwischen der Hardware und einer oder mehreren Betriebssystemen befindet. Ihre Hauptaufgabe ist die Ausführung isolierter Ausführungsumgebungen, die man Partitionen nennt. Der Hypervisor steuert und vermittelt den Zugriff auf die zugrunde liegende Hardware.

• IC – Integrationskomponente. Komponente, die untergeordneten Partitionen die Kommunikation mit anderen Partitionen und dem Hypervisor ermöglicht.

• E/A-Stapel – Eingabe-/Ausgabestapel.

• MSR – Speicherdienstroutine.

• Stammpartition : Verwaltet Funktionen auf Computerebene wie Gerätetreiber, Energieverwaltung und Heißes Hinzufügen/Entfernen von Geräten. Die Stamm- (oder übergeordnete) Partition ist die einzige Partition, die direkten Zugriff auf den physischen Speicher und Geräte hat.

• VID – Virtualisierungsinfrastrukturtreiber. Stellt Partitionsverwaltungsdienste, Verwaltungsdienste für virtuelle Prozessoren und Speicherverwaltungsdienste für Partitionen bereit.

• VMBus – Channel-basierte Kommunikationsmechanismus für eine partitionsübergreifende Kommunikation und Geräteaufzählung auf Systemen mit mehreren aktiven virtualisierten Partitionen. Die VMBus wird mit Hyper-V-Integrationsdiensten installiert.

• VMMS – Virtual Machine Management Service. Verantwortlich für die Verwaltung des Zustands aller virtuellen Computer in untergeordneten Partitionen.

• VMWP – Workerprozess für virtuelle Computer. Eine Benutzermoduskomponente des Virtualisierungsstapels. Der Workerprozess stellt VM-Verwaltungsdienste vom Windows Server-instance in der übergeordneten Partition bis zu den Gastbetriebssystemen in den untergeordneten Partitionen bereit. Der Verwaltungsdienst für virtuelle Computer erzeugt einen separaten Arbeitsprozess für jeden ausgeführten virtuellen Computer.

• VSC – Virtualization Service Client. Ein synthetisches Gerät instance, das sich in einer untergeordneten Partition befindet. VSCs nutzt die Hardwareressourcen, die von Virtualisierungsdienstanbietern (VSPs) in der übergeordneten Partition bereitgestellt werden. Diese kommunizieren mit den entsprechenden VSPs in der übergeordneten Partition über den VMBus, um die E/A-Geräteanforderungen einer untergeordneten Partition zu erfüllen.

• VSP – Virtualisierungsdienstanbieter. Befindet sich in der Stammpartition und stellt synthetische Geräteunterstützung für untergeordnete Partitionen über den VmBus (Virtual Machine Bus) bereit.

• WinHv – Windows Hypervisor-Schnittstellenbibliothek. WinHv ist im Wesentlichen eine Brücke zwischen den Treibern eines partitionierten Betriebssystems und dem Hypervisor, die es Treibern ermöglicht, den Hypervisor mithilfe der Standardmäßigen Windows-Aufrufkonventionen aufzurufen.

• WMI – der Verwaltungsdienst für virtuelle Computer bietet eine Reihe von Windows-Verwaltungsinstrumentation WMI-basierten APIs zum Verwalten und Steuern virtueller Computer.

  Die meisten dieser Begriffe sind im Glossar definiert.

Hinweis

Hyper-V Technology Overview ist eine gute Ressource.

Vorteile

Zu den Vorteilen der Ausführung von Lösungen auf Unternehmensebene in einer virtualisierten Hyper-V-Umgebung gehören:

1. Konsolidierung von Hardwareressourcen : Mehrere physische Server können leicht in vergleichsweise weniger Server konsolidiert werden, indem Sie die Virtualisierung mit Hyper-V implementieren. Die Konsolidierung bietet eine vollständige Nutzung der bereitgestellten Hardwareressourcen. Hyper-V in Windows Server kann auf bis zu 64 logische CPUs auf Hostcomputern zugreifen. Diese Funktion nutzt nicht nur neue Multicore-Systeme, sie bedeutet auch höhere VM-Konsolidierungsverhältnisse pro physischem Host.

2. Einfache Verwaltung:

   • Die Konsolidierung und Zentralisierung von Ressourcen vereinfacht die Verwaltung.

   • Die Implementierung von Hoch- und Hochskalieren ist wesentlich einfacher.

3. Erhebliche Kosteneinsparungen:

   • Die Hardwarekosten werden erheblich reduziert, da mehrere virtuelle Computer auf einem einzelnen physischen Computer ausgeführt werden können. Daher ist nicht für jeden Computer ein separater physischer Computer erforderlich.

   • Hyper-V-Lizenzierungskosten können in den Lizenzkosten von Windows Server enthalten sein und auch als eigenständiges Produkt erworben werden.

   • Der Energiebedarf kann erheblich reduziert werden, indem vorhandene Anwendungen in einer virtualisierten Hyper-V-Umgebung konsolidiert werden, da der erforderliche "Footprint" der physischen Hardware reduziert wird.

4. Unterstützung von Fehlertoleranz durch Hyper-V-Clustering : Da Hyper-V eine clusterfähige Anwendung ist, bietet Windows Server native Hostclusteringunterstützung für virtuelle Computer, die in einer virtualisierten Hyper-V-Umgebung erstellt wurden.

5. Einfache Bereitstellung und Verwaltung:

   • Die Konsolidierung vorhandener Server in weniger physische Server vereinfacht die Bereitstellung.

   • Mit System Center Virtual Machine Manager steht eine umfassende Hyper-V-Verwaltungslösung zur Verfügung. Neuerungen in VMM in System Center enthält einige Anleitungen.

6. Wichtige Hyper-V-Leistungseigenschaften:

   • Verbesserte Hardwarefreigabearchitektur : Hyper-V bietet einen verbesserten Zugriff und eine verbesserte Nutzung von Kernressourcen, z. B. Datenträger, Netzwerk und Video, wenn Gastbetriebssysteme mit einem Hypervisor-fähigen Kernel ausgeführt werden und die mit erforderlichem VSC-Code (VSC) ausgestattet sind (bekannt als Hyper-V-aufgeklärte E/A). Erleuchtungen sind Verbesserungen am Betriebssystem, um die Kosten bestimmter Betriebssystemfunktionen wie die Speicherverwaltung zu senken. Integrationskomponenten, zu denen VSC-Treiber gehören, sind auch für andere Clientbetriebssysteme verfügbar.

     Die Datenträgerleistung ist für E/A-intensive Unternehmensanwendungen wie Microsoft BizTalk Server und zusätzlich zu hyper-V-optimierten E/A-Vorgängen von entscheidender Bedeutung. Hyper-V bietet "Passthrough"-Datenträgerunterstützung, die die Datenträgerleistung auf Augenhöhe mit der Leistung des physischen Datenträgers bietet. Beachten Sie, dass die Unterstützung von "Passthrough"-Datenträgern eine verbesserte Leistung bei geringen Kosten bietet. "Passthrough"-Datenträger sind im Wesentlichen physische Datenträger/LUNs, die an einen virtuellen Computer angefügt sind und einige funktionen virtueller Datenträger, z. B. Momentaufnahmen virtueller Computer, nicht unterstützen.

   • Unterstützung der hardwaregestützten Prozessorvirtualisierung : Hyper-V nutzt die Unterstützung der prozessorhardwaregestützten Virtualisierung, die mit der neuesten Prozessortechnologie verfügbar ist, in vollem Umfang.

   • Unterstützung des Gastbetriebssystems mit mehreren Kernen (SMP): Hyper-V bietet die Möglichkeit, bis zu vier Prozessoren in einer VM-Umgebung zu unterstützen, sodass Anwendungen die Multithreadingfunktionalität auf einem virtuellen Computer vollständig nutzen können.

   • Unterstützung für 32-Bit- und 64-Bit-Gastbetriebssysteme – Hyper-V bietet umfassende Unterstützung für die gleichzeitige Ausführung verschiedener Arten von Betriebssystemen, einschließlich 32-Bit- und 64-Bit-Systemen auf verschiedenen Serverplattformen, z. B. Windows, Linux® und anderen.

7. Umfassender Produktsupport: Da Microsoft-Unternehmensanwendungen (z. B. Exchange Server und SQL Server) in Hyper-V vollständig getestet werden, bietet Microsoft Codekorrekturunterstützung für diese Anwendungen, wenn sie in einer Hyper-V-Umgebung bereitgestellt und ausgeführt werden.

8. Skalierbarkeit : Zusätzliche Verarbeitungsleistung, Netzwerkbandbreite und Speicherkapazität können schnell und einfach erreicht werden, indem zusätzliche verfügbare Ressourcen vom Hostcomputer auf die virtuellen Gastcomputer zugewiesen werden. Dies kann erfordern, dass der Hostcomputer aktualisiert wird oder dass die virtuellen Gastcomputer auf einen leistungsfähigeren Hostcomputer verschoben werden.

   Ausführlichere Informationen zu den Vorteilen der Nutzung von Virtualisierungstechnologien, die mit Hyper-V bereitgestellt werden, finden Sie in der Übersicht über die Hyper-V-Technologie.

Nachteile

Einige Nachteile der Ausführung von Lösungen auf Unternehmensebene in einer virtualisierten Hyper-V-Umgebung können sein:

• Hardwareanforderungen – Aufgrund der Anforderungen der Serverkonsolidierung verbrauchen virtuelle Hyper-V-Computer tendenziell mehr CPU und Arbeitsspeicher und benötigen eine höhere Datenträger-E/A-Bandbreite als physische Server mit vergleichbaren Rechenlasten. Da die Hyper-V-Serverrolle nur für 64-Bit-Versionen verfügbar ist und alle Editionen von Windows Server nur 64-Bit sind, muss die physische Hardware hardwaregestützte Virtualisierung unterstützen. Dies bedeutet, dass der Prozessor mit Intel VT- oder AMD Virtualization-Technologie (AMD-V) kompatibel sein muss, das System-BIOS die Datenausführungsprävention (Data Execution Prevention, DEP) und DEP aktiviert sein muss.

• Softwareanforderungen – Während die meisten Microsoft-Software auf virtuellen Hyper-V-Computern unterstützt wird, wird noch einige Microsoft-Software getestet, um die Kompatibilität mit einer virtualisierten Hyper-V-Umgebung sicherzustellen. Beispielsweise unterstützen die meisten Microsoft-Anwendungen auf Unternehmensebene entweder die Ausführung auf Hyper-V oder werden gerade auf Unterstützung für Hyper-V getestet. Weitere Informationen zur Unterstützung von BizTalk Server und SQL Server in Hyper-V finden Sie in Anhang C: BizTalk Server und SQL Server Hyper-V-Unterstützung.