Übungsaufgaben zur Virtualisierung

a) 3 Punkte, z. B.: Die Arbeitsplatzrechner werden nicht mehr als einzelne PCs betrieben, sondern als logische, voneinander getrennte Einheiten (Sitzungen oder virtuelle Maschinen) auf einem leistungsstarken Server im Rechenzentrum nachgebildet. Prozessor, Arbeitsspeicher und Speicher dieses Servers werden flexibel auf alle Beschäftigten aufgeteilt und dadurch besser ausgelastet. Am Arbeitsplatz steht nur noch ein einfaches Endgerät, das Bild, Tastatur- und Mauseingaben überträgt.

b) Je Lösung 1 Punkt Erläuterung und 1 Punkt Vorteil:

• Terminalserver: Alle melden sich an einem gemeinsamen Server-Betriebssystem an und arbeiten in eigenen Sitzungen mit zentral installierten Programmen. Vorteil: sehr ressourcensparend, nur ein System muss gepflegt werden.

• VDI: Jede Person erhält eine eigene virtuelle Maschine mit Desktop-Betriebssystem. Vorteil: stärkere Trennung der Arbeitsplätze, individuelle Anpassung möglich, Probleme einer Person betreffen die anderen nicht.

c) Je 1 Punkt, z. B.: günstige, sparsame und langlebige Thin Clients statt neuer PCs; Software wird zentral installiert und aktualisiert; Daten bleiben im Rechenzentrum, auch bei Diebstahl eines Endgeräts; gleiche Arbeitsumgebung im Büro und im Homeoffice; neue Arbeitsplätze schnell bereitgestellt; zentrale Datensicherung; geringerer Energieverbrauch im Büro.

da) Boot Storm (2 Punkte): Zu Arbeitsbeginn starten fast alle virtuellen Desktops gleichzeitig, und alle melden sich an (Betriebssystemstart, Profile laden, Anmeldeskripte, Virenscan). Dadurch entstehen in kurzer Zeit sehr viele Zugriffe auf den Speicher des Hosts, der zum Engpass wird; die Anmeldung dauert lange.

db) Je 1 Punkt, z. B.: schnelle SSD- bzw. NVMe-Speicher mit vielen IOPS oder einen Cache im Arbeitsspeicher einsetzen; virtuelle Desktops vor 8:30 Uhr zeitgesteuert und gestaffelt vorstarten; Desktops als Linked Clones aus einer Vorlage erzeugen; Anmeldeskripte und Profile verschlanken, Virenscans zeitlich verschieben; mehr Arbeitsspeicher im Host.

dc) 2 Punkte: Zum Feierabend melden sich viele gleichzeitig ab. Dabei werden Profile und Einstellungen zurückgeschrieben, Sitzungen beendet und ggf. Desktops heruntergefahren oder zurückgesetzt – das erzeugt erneut viele Schreibzugriffe (Logoff Storm), aber weniger als beim Start.

e) Je 1 Punkt: mit einem Kabelschloss (Kensington-Schloss) am Tisch sichern; in einer verschraubten Halterung (z. B. hinter dem Monitor) oder einem abschließbaren Gehäuse montieren; Gerät außer Reichweite von Besucher*innen aufstellen. Zusätzlich gut: Auf dem Thin Client liegen keine Daten.

fa) Je 1 Punkt: Ein Socket ist der Steckplatz für einen physischen Prozessor auf dem Mainboard (hier zwei bestückte Sockel). Ein Core ist ein Rechenkern innerhalb eines Prozessors, der eigenständig Befehle ausführt (hier 2 × 24 = 48 Kerne).

fb)

Geg.: 2 Prozessoren mit je 24 Kernen; VDI-Software je Socket; Hypervisor je Paket zu 16 Kernen, mindestens 16 Kerne je Prozessor
Ges.: Anzahl Socket-Lizenzen, Anzahl Core-Pakete

\text{Socket-Lizenzen} = \underline{\underline{2}} \qquad \text{Core-Pakete} = \frac{2 \cdot 24\ \text{Kerne}}{16\ \tfrac{\text{Kerne}}{\text{Paket}}} = \underline{\underline{3\ \text{Pakete}}}

Je 1 Punkt. Die Mindestzahl von 16 Kernen je Prozessor ist mit 24 Kernen erfüllt.

Reihenfolge: B, D, C, E, A, F (3 Punkte; je vertauschtem Paar 1 Punkt Abzug). Erst muss bekannt sein, welche Ressourcen die VM braucht, dann wird sie angelegt und befüllt, angepasst und getestet; der alte Server wird erst nach erfolgreichem Test abgeschaltet und bleibt bis dahin als Rückfalllösung erhalten.

ba) 4 Punkte:

• Eine vCPU ist ein virtueller Prozessor, den der Hypervisor einer VM zur Verfügung stellt; er wird zeitlich auf die logischen Prozessoren (Threads) des Hosts verteilt (1 Punkt).

• Overcommitment bedeutet, den VMs zusammen mehr Ressourcen zuzuweisen, als physisch vorhanden sind (1 Punkt).

• Beim Prozessor ist das meist unproblematisch, weil selten alle VMs gleichzeitig voll rechnen; im schlimmsten Fall warten sie kurz. Fehlt dagegen physischer Arbeitsspeicher, muss der Hypervisor auslagern, und alle VMs auf dem Host werden stark ausgebremst (2 Punkte).

bb)

Geg.: 80 logische Prozessoren, 768 GB RAM, 10 % Reserve; zugewiesen 112 vCPUs, 650 GB; neue VM 8 vCPUs, 32 GB
Ges.: verfügbarer und benötigter Arbeitsspeicher, Verhältnis vCPU zu logischen Prozessoren

RAM_{\text{verfügbar}} = 0{,}9 \cdot 768\,\mathrm{GB} = 691{,}2\,\mathrm{GB} \qquad RAM_{\text{benötigt}} = 650\,\mathrm{GB} + 32\,\mathrm{GB} = 682\,\mathrm{GB}

\frac{112 + 8}{80} = \underline{\underline{1{,}5}}

682 GB ≤ 691,2 GB: Der Arbeitsspeicher reicht, aber die Reserve ist mit 9,2 GB knapp (2 Punkte). Das Verhältnis 1,5 vCPUs je logischem Prozessor ist unkritisch (1 Punkt). Hinweis: Nach den Messwerten würden 4 vCPUs und 24 GB genügen; das ließe mehr Reserve.

c) 4 Punkte für eine begründete Stellungnahme: Der Mitschüler irrt. Ein Snapshot friert den Zustand der VM ein und schreibt alle späteren Änderungen in eine Differenzdatei – ideal, um nach einem missglückten Update in Sekunden zurückzukehren. Er liegt aber auf demselben Speicher wie die VM: Fällt dieser aus, wird er verschlüsselt oder gelöscht, sind VM und Snapshot verloren. Außerdem ist er ohne die ursprüngliche virtuelle Festplatte nutzlos, und er sollte nur kurz bestehen bleiben, weil er wächst und die Leistung senkt. Eine Datensicherung muss eine unabhängige Kopie auf einem anderen System bzw. an einem anderen Ort sein; der Snapshot ergänzt sie nur.

d) 3 Punkte: Im Hypervisor gibt es einen virtuellen Switch, an dem die virtuellen Netzwerkkarten der VMs hängen. Er ist über die physischen Netzwerkkarten des Hosts (Uplink) mit einem Trunk-Port des echten Switches verbunden, der die VLANs mit 802.1Q-Tags überträgt. Für die VM wird eine Portgruppe bzw. ein Port mit der VLAN-ID 300 eingerichtet; der virtuelle Switch markiert ihre Pakete entsprechend.

aa) Je Vor- und Nachteil 1 Punkt, z. B.:

• Vorteile: weniger Server und damit geringerer Energie-, Platz- und Kühlbedarf im Serverschrank; bessere Auslastung der Hardware; neue Testumgebungen in Minuten aus Vorlagen; schnelle Sicherung und Wiederherstellung ganzer VMs; Snapshots vor Updates; Wartung durch Verschieben der VMs ohne Ausfall; alte Software läuft weiter.

• Nachteile: leistungsstarke, zertifizierte Hardware nötig (hohe Anfangsinvestition); fällt ein Host aus, fallen viele Dienste gleichzeitig aus (Single Point of Failure, Abhilfe: zweiter Host, gemeinsamer Speicher); zusätzliche Lizenz- und Supportkosten; komplexere Administration und Schulungsbedarf; Leistungseinbußen durch geteilte Ressourcen; Sicherheitsrisiken durch Lücken im Hypervisor oder Seitenkanalangriffe.

ab) Je Erläuterung 2 Punkte, je Beispiel und Produkt 1 Punkt:

ac) 4 Punkte: Der Hypervisor ist die Software-Schicht zwischen der Hardware (bzw. dem Host-Betriebssystem) und den virtuellen Maschinen. Er abstrahiert die Hardware und gibt jeder VM vor, sie habe eigene Prozessoren, eigenen Arbeitsspeicher, Festplatten und Netzwerkkarten. Er teilt die echten Ressourcen zwischen den VMs auf, steuert, welche VM wann rechnen darf, und isoliert die VMs voneinander.

Geg.: alt 7 · 260 W, neu 2 · 640 W, t = 24 h · 365 = 8.760 h, Preis 0,32 €/kWh
Ges.: Kosten vorher K_alt, nachher K_neu, Ersparnis ΔK

W = P \cdot t \qquad K = W \cdot \text{Preis} \qquad \text{I in II: } K = P \cdot t \cdot \text{Preis}

K_{\text{alt}} = 7 \cdot 0{,}26\,\mathrm{kW} \cdot 8760\,\mathrm{h} \cdot 0{,}32\,\tfrac{€}{\mathrm{kWh}} = 15\,943{,}2\,\mathrm{kWh} \cdot 0{,}32\,\tfrac{€}{\mathrm{kWh}} \approx \underline{\underline{5101{,}824\,€}}

K_{\text{neu}} = 2 \cdot 0{,}64\,\mathrm{kW} \cdot 8760\,\mathrm{h} \cdot 0{,}32\,\tfrac{€}{\mathrm{kWh}} = 11\,212{,}8\,\mathrm{kWh} \cdot 0{,}32\,\tfrac{€}{\mathrm{kWh}} \approx \underline{\underline{3588{,}096\,€}}

\Delta K = K_{\text{alt}} - K_{\text{neu}} \approx \underline{\underline{1513{,}728\,€}}

Je 2 Punkte für die beiden Kosten (Energie und Betrag), 2 Punkte für die Ersparnis von rund 1.513,73 € im Jahr. Hinzu kommt eine geringere Abwärme im Serverschrank.

Prozessor X (1 Punkt). Begründung (3 Punkte): Für einen Virtualisierungshost zählt vor allem die Zahl der Kerne und Threads, denn auf ihnen laufen die vCPUs vieler VMs gleichzeitig; der hohe Takt von Prozessor Y nützt wenig, weil die Dienste von CSB-Rad überwiegend wenig rechenintensiv sind. Prozessor X erlaubt außerdem mit 4 TB viermal so viel Arbeitsspeicher und hat doppelt so viele Speicherkanäle – Arbeitsspeicher ist bei Virtualisierung meist der Engpass. Der höhere Preis und Verbrauch werden durch die größere Zahl an VMs je Host ausgeglichen. (Wird der Hypervisor je Kern lizenziert, steigen die Lizenzkosten; das sollte im Angebot geprüft werden.)

a) 5 Punkte, z. B.: Bei der Containerisierung werden nicht ganze Rechner, sondern Anwendungen virtualisiert. Ein Container enthält die Anwendung samt Bibliotheken, Laufzeitumgebung und Konfiguration, aber kein eigenes Betriebssystem; er entsteht aus einem Image, das überall gleich läuft. Alle Container eines Hosts teilen sich dessen Betriebssystemkern; der Kernel trennt sie voneinander (eigene Prozesse, Dateisysteme, Netzwerke) und begrenzt ihren Verbrauch an Prozessor und Speicher. Deshalb starten Container in Sekunden, brauchen wenig Ressourcen, und es passen viele auf einen Host. Gleichzeitig hängen sie vom Kernel des Hosts ab (Linux-Container brauchen einen Linux-Kernel), und eine Lücke im Kernel betrifft alle Container. Gestartet und verwaltet werden sie von einer Container-Engine wie Docker.

b) Je Merkmal 1 Punkt, z. B.:

c) Je Sachverhalt 2 Punkte, z. B.:

• Gleichartige, vom Hersteller des Hypervisors zertifizierte Hardware, vor allem Prozessoren derselben Generation – sonst können VMs nicht zwischen den Hosts verschoben werden.

• Gleicher Firmware- und Softwarestand und identische Konfiguration (virtuelle Switches, VLANs, Speicheranbindung) auf allen Hosts.

• Gemeinsamer Speicher (SAN, NAS oder verteilter Speicher), auf den alle Hosts zugreifen.

• Redundante, getrennte Netze für VMs, Verwaltung, Speicher und Migration.

• Quorum: Mit drei Hosts entsteht bei einer Netzstörung immer eine Mehrheit, sodass sich der Cluster nicht in zwei aktive Hälften spaltet.

• Kapazitätsreserve: Die übrigen Hosts müssen die VMs eines ausgefallenen Hosts aufnehmen können.

d) Je 2 Punkte: Bei der Live-Migration wird eine laufende VM ohne Unterbrechung auf einen anderen Host verschoben (Arbeitsspeicherinhalt wird übers Netz kopiert, die Festplatten liegen auf gemeinsamem Speicher); so kann Yusuf Hosts warten oder aktualisieren, ohne dass die App ausfällt. Bei Hochverfügbarkeit erkennt der Cluster den Ausfall eines Hosts und startet dessen VMs automatisch auf den übrigen Hosts neu; die App ist nach wenigen Minuten wieder erreichbar, statt bis zur Reparatur auszufallen.

e)

Geg.: 3 Hosts zu je 384 GB, 8 % Reserve je Host; VMs 610 GB; zusätzlich 120 GB
Ges.: verfügbarer Arbeitsspeicher bei Ausfall eines Hosts

ea)

RAM_{\text{verfügbar}} = 2 \cdot 0{,}92 \cdot 384\,\mathrm{GB} = \underline{\underline{706{,}56\,\mathrm{GB}}} \ge 610\,\mathrm{GB}

Alle VMs können weiterlaufen (2 Punkte).

eb) Mit der Testumgebung wären 610\,\mathrm{GB} + 120\,\mathrm{GB} = 730\,\mathrm{GB} > 706{,}56\,\mathrm{GB} zugewiesen (1 Punkt). Bei Ausfall eines Hosts könnten nicht mehr alle VMs neu gestartet werden. Abhilfe (1 Punkt): Testumgebung beim Ausfall nicht neu starten (niedrige Priorität bzw. vom Neustart ausnehmen), Arbeitsspeicher der Hosts erweitern oder einen vierten Host ergänzen.