Wissensdatenbank

Virtualisierungstechnologien bilden die Grundlage für moderne Rechenzentren und Cloud-Computing-Infrastrukturen. Kernel-based Virtual Machine (KVM) ist eine Open-Source- und leistungsstarke Virtualisierungslösung, die auf dem Linux-Kernel basiert. KVM ermöglicht das Erstellen, Verwalten und Ausführen von virtuellen Maschinen (VMs). Live-Migration ist der Prozess, eine laufende virtuelle Maschine ohne Unterbrechung von einem physischen Server auf einen anderen zu übertragen. In diesem Artikel werden wir die Feinheiten, Tricks und Best Practices der Live-Migration auf KVM-Servern detailliert untersuchen.

1. Was ist Live-Migration? Warum ist sie wichtig?

1.1. Definition und Grundprinzipien der Live-Migration

Live-Migration ist der Prozess, eine laufende virtuelle Maschine ohne Dienstunterbrechung von einem physischen Server auf einen anderen zu übertragen. Während dieses Prozesses werden der Speicher, der Prozessorstatus, die Festplattendaten und die Netzwerkverbindungen der VM auf den Zielserver kopiert. Nachdem der Kopiervorgang abgeschlossen ist, wird die VM auf dem Zielserver weiter ausgeführt, und die Benutzer bemerken keine Unterbrechung.

1.2. Vorteile und Anwendungsbereiche der Live-Migration

• Systemwartung und Upgrades: Wenn Server gewartet oder Hardware aktualisiert werden muss, können Sie Dienstunterbrechungen vermeiden, indem Sie VMs per Live-Migration auf andere Server verschieben.
• Lastverteilung: Sie können die Ressourcennutzung effizienter gestalten, indem Sie die Last zwischen den Servern ausgleichen. Sie können die Leistung verbessern, indem Sie VMs von einem Server mit hoher Auslastung auf einen weniger ausgelasteten Server verschieben.
• Energieeinsparung: Sie können Energie sparen, indem Sie weniger genutzte Server abschalten. Nachdem Sie VMs auf aktive Server verschoben haben, können Sie die Energiekosten senken, indem Sie die im Leerlauf befindlichen Server abschalten.
• Hohe Verfügbarkeit: Im Falle eines Hardwarefehlers können Sie sicherstellen, dass die Dienste kontinuierlich laufen, indem Sie VMs automatisch auf andere Server verschieben. Dies minimiert die Geschäftskontinuität und den Datenverlust.
• Test- und Entwicklungsumgebungen: Sie können Tests auf der Grundlage realer Daten durchführen, indem Sie VMs aus der Produktionsumgebung per Live-Migration in Test- und Entwicklungsumgebungen kopieren.

1.3. Grundlegende Anforderungen für die Live-Migration

• Gemeinsamer Speicher: Die Festplattenabbilder der VMs (z. B. QCOW2-Dateien) müssen sich in einem gemeinsam genutzten Speicherbereich befinden, auf den alle Server zugreifen können (z. B. NFS, iSCSI, GlusterFS).
• Netzwerkverbindung: Quell- und Zielserver müssen sich im selben Netzwerk befinden, und die Netzwerkkonfiguration der VM (IP-Adresse, MAC-Adresse) darf sich nicht ändern.
• Kompatible Prozessorarchitektur: Quell- und Zielserver müssen dieselbe Prozessorarchitektur (z. B. x86_64) aufweisen, oder die CPU-Emulationsfunktion von KVM muss verwendet werden.
• KVM-Version: Die KVM-Version auf Quell- und Zielserver muss kompatibel sein. Es wird im Allgemeinen empfohlen, dieselben oder ähnliche Versionen zu verwenden.
• Ausreichende Ressourcen: Der Zielserver muss über genügend Prozessor-, Speicher- und Speicherressourcen verfügen, um die Anforderungen der VM zu erfüllen.

2. Arten und Methoden der Live-Migration

2.1. Live-Migration mit gemeinsamem Speicher (Shared Storage Migration)

Bei dieser Methode befinden sich die Festplattenabbilder der VM in einem gemeinsam genutzten Speicherbereich. Während der Live-Migration werden nur der Speicher und der Prozessorstatus der VM auf den Zielserver kopiert. Da sich die Festplattendaten bereits im gemeinsam genutzten Speicherbereich befinden, ist diese Methode schneller und verbraucht weniger Ressourcen.

2.2. Live-Migration ohne gemeinsam genutzten Speicher (Non-Shared Storage Migration)

Bei dieser Methode befinden sich die Festplattenabbilder der VM nicht in einem gemeinsam genutzten Speicherbereich. Während der Live-Migration werden sowohl der Speicher als auch die Festplattendaten der VM auf den Zielserver kopiert. Diese Methode ist langsamer und verbraucht mehr Ressourcen, kann aber in Situationen verwendet werden, in denen keine gemeinsam genutzte Speicherinfrastruktur vorhanden ist.

2.3. Post-Copy und Pre-Copy Live-Migration

• Pre-Copy (Vorabkopie): Bei dieser Methode wird zunächst der gesamte Speicher der VM auf den Zielserver kopiert. Anschließend werden die geänderten Speicherseiten auf dem Quellserver wiederholt auf den Zielserver kopiert. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die Größe der geänderten Speicherseiten unter einen bestimmten Schwellenwert fällt. Schließlich beginnt die VM auf dem Zielserver zu laufen. Pre-Copy ermöglicht eine hochleistungsfähige und unterbrechungsarme Live-Migration.
• Post-Copy (Nachkopie): Bei dieser Methode werden die Speicherseiten auf dem Quellserver nach Bedarf auf den Zielserver kopiert, sobald die VM auf dem Zielserver zu laufen beginnt. Post-Copy ermöglicht einen schnelleren Migrationsprozess, kann aber bei den ersten Zugriffen zu Leistungseinbußen führen.

3. Live-Migration mit KVM: Schritt-für-Schritt-Anleitung

3.1. Vorbereitung der Umgebung

1. Gemeinsame Speichereinrichtung: Richten Sie ein gemeinsames Speichersystem wie NFS, iSCSI oder GlusterFS ein und konfigurieren Sie es. Verschieben Sie die Festplattenabbilder der VMs in diesen Speicherbereich.
2. Netzwerkkonfiguration: Stellen Sie sicher, dass sich die Quell- und Zielserver im selben Netzwerk befinden und dass die Netzwerkkonfiguration der VM korrekt ist.
3. KVM-Installation und -Konfiguration: Stellen Sie sicher, dass KVM auf den Quell- und Zielservern installiert und korrekt konfiguriert ist.
4. Libvirt-Konfiguration: Stellen Sie sicher, dass Libvirt (ein Tool zur Verwaltung von KVM) korrekt konfiguriert ist und auf die Quell- und Zielserver zugreifen kann.

3.2. Durchführung der Live-Migration (mit dem virsh-Befehl)

Um eine Live-Migration durchzuführen, können Sie den Befehl virsh migrate verwenden. Hier ist ein Beispiel:

virsh migrate --live vm_name qemu+ssh://ziel_server_ip_adresse/system

Dieser Befehl migriert die virtuelle Maschine mit dem Namen "vm_name" live auf den Server mit der Adresse "ziel_server_ip_adresse". Die Option --live gibt die Live-Migration an. Das Qemu+ssh-Protokoll sorgt für eine sichere Datenübertragung.

3.3. Durchführung der Live-Migration (mit virt-manager)

Virt-manager ist eine grafische Oberfläche zur Verwaltung von KVM-VMs. Um eine Live-Migration mit virt-manager durchzuführen:

1. Öffnen Sie virt-manager und verbinden Sie sich mit der virtuellen Maschine, die Sie migrieren möchten.
2. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die virtuelle Maschine und wählen Sie die Option "Migrieren".
3. Geben Sie die IP-Adresse oder den Hostnamen des Zielservers ein.
4. Geben Sie die Migrationsoptionen an (z. B. ob ein gemeinsamer Speicher verwendet werden soll).
5. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Migrieren".

3.4. Kontrollen nach der Live-Migration

1. Stellen Sie sicher, dass die VM erfolgreich auf dem Zielserver ausgeführt wird.
2. Stellen Sie sicher, dass die Netzwerkverbindung der VM korrekt ist und dass sie erreichbar ist.
3. Überwachen Sie die Leistung der VM und prüfen Sie, ob Probleme auftreten.

4. Leistungsbeeinflussende Faktoren und Optimierungsmethoden

4.1. Netzwerkbandbreite und Latenz

Die Netzwerkbandbreite und die Latenz beeinflussen die Leistung der Live-Migration erheblich. Eine hohe Bandbreite und eine geringe Latenz sorgen für eine schnellere und reibungslosere Migration. Um Ihre Netzwerkinfrastruktur zu optimieren:

• Verwenden Sie Netzwerkverbindungen mit 10 Gbit/s oder höher.
• Führen Sie Live-Migrationen zwischen Servern durch, die sich im selben Netzwerksegment befinden.
• Verwenden Sie eine Quality of Service (QoS)-Konfiguration, um Netzwerküberlastungen zu vermeiden.

4.2. Speicherleistung

Die Speicherleistung ist besonders wichtig, wenn Sie eine Live-Migration mit gemeinsam genutztem Speicher durchführen. Durch die Verwendung von Hochgeschwindigkeitsspeichersystemen (z. B. SSDs) können Sie die Migrationszeit verkürzen. Um die Speicherleistung zu optimieren:

• Verwenden Sie SSD- oder NVMe-Speicher.
• Gleichen Sie die Last auf dem Speichersystem aus.
• Aktivieren Sie den Speicher-Cache.

4.3. Speicherverwaltung

Die Speicherverwaltung spielt während der Live-Migration eine wichtige Rolle. Um den Speicherkopiervorgang zu beschleunigen und die Ausfallzeit zu minimieren:

• Verwenden Sie die Pre-Copy-Live-Migration-Methode.
• Aktivieren Sie die Speicherkomprimierung.
• Verwenden Sie die Large-Page-Unterstützung.

4.4. Prozessornutzung

Die Prozessornutzung ist während der Live-Migration sowohl auf dem Quell- als auch auf dem Zielserver wichtig. Um die Prozessorlast auszugleichen und den Migrationsprozess zu beschleunigen:

• Verwenden Sie CPU-Pinning.
• Optimieren Sie den Prozessor-Cache.
• Stellen Sie sicher, dass auf den Quell- und Zielservern ausreichend Prozessorressourcen vorhanden sind.

5. Sicherheit und Überwachung

5.1. Sicherheitsvorkehrungen

Während der Live-Migration ist es wichtig, die folgenden Vorkehrungen zu treffen, um die Sicherheit der Daten zu gewährleisten:

• Authentifizierung: Verwenden Sie die SSH-Schlüssel-basierte Authentifizierung, um die Kommunikation zwischen Quell- und Zielservern zu sichern.
• Verschlüsselung: Verwenden Sie sichere Kommunikationsprotokolle wie TLS oder VPN, um die Datenübertragung zu verschlüsseln.
• Zugriffskontrolle: Stellen Sie sicher, dass nur autorisierte Benutzer auf den Live-Migrationsprozess zugreifen können.
• Firewall: Stellen Sie sicher, dass zwischen Quell- und Zielservern nur die erforderlichen Ports geöffnet sind.

5.2. Überwachung und Protokollierung

Um den Live-Migrationsprozess zu überwachen und Fehler zu erkennen, können Sie die folgenden Methoden verwenden:

• Protokolldateien: Überprüfen Sie regelmäßig die KVM-, Libvirt- und QEMU-Protokolldateien.
• Überwachungstools: Verwenden Sie Überwachungstools wie Nagios, Zabbix oder Prometheus, um die Serverressourcen (Prozessor, Speicher, Netzwerk, Speicher) und die VM-Leistung zu überwachen.
• Warnungen: Richten Sie ein System ein, das automatische Warnungen sendet, wenn Anomalien oder Fehler erkannt werden.

6. Beispiele aus der Praxis und Fallstudien

6.1. Live-Migration in einem E-Commerce-Shop

Ein großer E-Commerce-Shop verwendet Live-Migration, um die Last auf seinen Servern während der Hauptverkehrszeiten auszugleichen. In den Stoßzeiten werden die VMs, die die Bestellungen verarbeiten, auf weniger ausgelastete Server verschoben, um die Leistung und Verfügbarkeit der Website zu gewährleisten. Wenn Server gewartet werden müssen, werden die VMs per Live-Migration auf andere Server verschoben, um sicherzustellen, dass die Website weiterhin funktioniert.

6.2. Live-Migration in einem Cloud-Computing-Anbieter

Ein Cloud-Computing-Anbieter nutzt Live-Migration, um seinen Kunden hohe Verfügbarkeit und Geschäftskontinuität zu gewährleisten. Im Falle eines Hardwareausfalls werden die betroffenen VMs automatisch auf andere Server verschoben, wodurch sichergestellt wird, dass die Dienste der Kunden ohne Unterbrechung weiterlaufen. Darüber hinaus wird Live-Migration verwendet, um Ressourcen dynamisch an die Anforderungen der Kunden anzupassen.

6.3. Live-Migration auf einem Datenbankserver

Ein großer Datenbankserver nutzt Live-Migration, um Dienstausfälle während geplanter Wartungsarbeiten oder Hardware-Upgrades zu vermeiden. Durch die Live-Migration des Datenbankservers auf einen anderen Server wird sichergestellt, dass die Benutzer weiterhin auf ihre Daten zugreifen können. Während des Live-Migrationsprozesses werden die Leistung und die Datenkonsistenz des Datenbankservers aufrechterhalten.

Tabellen

Tabelle 1: Vergleich von Live-Migrationsmethoden

Tabelle 2: Faktoren, die die Live-Migrationsleistung beeinflussen

Visuelle Erläuterungen (Textuelle Beschreibungen)

Schema 1: Live-Migrationsprozess (mit gemeinsamem Speicher): Dieses Schema zeigt den Live-Migrationsprozess mit gemeinsamem Speicher. Der Speicher und der Prozessorstatus der VM auf dem Quellserver werden auf den Zielserver kopiert. Da sich die Festplattendaten bereits im gemeinsam genutzten Speicherbereich befinden, werden sie nicht kopiert. Nachdem der Kopiervorgang abgeschlossen ist, beginnt die VM auf dem Zielserver zu laufen.

Grafik 1: Einfluss der Netzwerkbandbreite auf die Live-Migrationsdauer: Diese Grafik zeigt den Einfluss der Netzwerkbandbreite auf die Live-Migrationsdauer. Eine hohe Bandbreite ermöglicht eine kürzere Migrationsdauer.

Häufig gestellte Fragen

• F1: Gibt es während der Live-Migration eine Ausfallzeit in der VM?
• A1: Bei einer korrekt konfigurierten Live-Migration kann es in der VM zu einer sehr kurzen Ausfallzeit (normalerweise einige Millisekunden) kommen. Diese Ausfallzeit ist für die Benutzer nicht wahrnehmbar.
• F2: In welchen Fällen sollte ich keine Live-Migration durchführen?
• A2: Die Live-Migration kann bei Problemen mit der Netzwerkverbindung, Speicherproblemen oder inkompatibler Hardware/Software fehlschlagen. Stellen Sie daher sicher, dass die Umgebung geeignet ist, bevor Sie eine Live-Migration durchführen.
• F3: Wie lange dauert eine Live-Migration?
• A3: Die Dauer der Live-Migration hängt von Faktoren wie der Größe der VM, der Netzwerkbandbreite, der Speicherleistung und der Prozessorlast ab. Im Allgemeinen können kleine VMs innerhalb weniger Sekunden, große VMs innerhalb weniger Minuten migriert werden.
• F4: Kann es während der Live-Migration zu Datenverlusten kommen?
• A4: Bei einer korrekt konfigurierten Live-Migration ist das Risiko eines Datenverlusts sehr gering. Im Falle eines unerwarteten Fehlers (z. B. eines Netzwerkausfalls) kann es jedoch zu Datenverlusten kommen. Daher wird empfohlen, vor der Durchführung einer Live-Migration eine Datensicherung durchzuführen.
• F5: Welche Tools kann ich für die Live-Migration verwenden?
• A5: Für die Live-Migration können Sie das Befehlszeilentool virsh, die grafische Benutzeroberfläche virt-manager oder Virtualisierungsverwaltungsplattformen wie oVirt und OpenStack verwenden.

Ergebnis und Zusammenfassung

Die Live-Migration auf KVM-Servern ist eine leistungsstarke Technologie, die es ermöglicht, virtuelle Maschinen ohne Unterbrechung von einem physischen Server auf einen anderen zu übertragen. In diesem Artikel haben wir detailliert behandelt, was Live-Migration ist, warum sie wichtig ist, verschiedene Live-Migrationsmethoden, wie die Live-Migration durchgeführt wird, Faktoren, die die Leistung beeinflussen, Sicherheitsvorkehrungen und Überwachungsmethoden. Die Live-Migration bietet erhebliche Vorteile in vielen Bereichen wie Systemwartung, Lastverteilung, Energieeinsparung, Hochverfügbarkeit und Test/Entwicklung. Eine korrekt konfigurierte und optimierte Live-Migrationsinfrastruktur erhöht die Effizienz, Flexibilität und Zuverlässigkeit von Rechenzentren und Cloud-Computing-Infrastrukturen.