Virtualisierung und Cloud Computing einfach erklärt

Moderne IT-Infrastrukturen sehen heute deutlich anders aus als noch vor einigen Jahren. Früher war es üblich, für unterschiedliche Aufgaben jeweils einen eigenen physischen Server aufzustellen. Ein Server war beispielsweise für Dateien zuständig, ein anderer für Anwendungen und ein weiterer für Benutzerkonten.

Heute werden viele dieser Systeme virtualisiert oder direkt als Cloud-Dienst bereitgestellt.

Das spart Hardware, erleichtert die Administration und ermöglicht eine wesentlich flexiblere IT-Infrastruktur. Gleichzeitig entstehen neue Abhängigkeiten und Sicherheitsanforderungen.

Doch was genau bedeutet Virtualisierung? Was unterscheidet eine virtuelle Maschine von einer Cloud? Und was steckt hinter Begriffen wie Hypervisor, SaaS, IaaS, VDI oder Hybrid Cloud?

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Client und Server – die Grundlage

In vielen Netzwerken arbeiten Systeme nach dem Client-Server-Prinzip.

Ein Client fordert einen Dienst an. Das kann beispielsweise ein Arbeitsplatz-PC sein, der eine Datei öffnen möchte.

Ein Server stellt diesen Dienst bereit.

Ein einfaches Beispiel:

Ein Mitarbeiter öffnet eine Datei auf einem Netzlaufwerk.
Sein Computer – der Client – fragt die Datei beim Fileserver an.
Der Server prüft die Zugriffsrechte und liefert die Datei zurück.

Server können ganz unterschiedliche Aufgaben übernehmen:

• Dateien speichern
• Benutzer verwalten
• Datenbanken bereitstellen
• Anwendungen ausführen
• Webseiten bereitstellen
• Druckaufträge verwalten
• Backups speichern

In Unternehmensnetzwerken wird die Benutzer- und Computerverwaltung häufig zusätzlich über einen zentralen Verzeichnisdienst wie Microsoft Active Directory organisiert. Benutzer, Gruppen, Computer und Zugriffsrechte lassen sich dadurch zentral verwalten.

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Arbeitsgruppe und Domäne

Bei wenigen Computern kann eine einfache Arbeitsgruppe ausreichen. Jeder Rechner verwaltet dabei seine Benutzer und Einstellungen weitgehend selbst.

Je größer ein Unternehmen wird, desto unpraktischer wird dieses Verfahren.

In einer Domäne erfolgt die Verwaltung dagegen zentral.

Ein Benutzer meldet sich beispielsweise mit seinem Firmenkonto an und erhält automatisch die für ihn vorgesehenen:

• Zugriffsrechte
• Netzlaufwerke
• Drucker
• Gruppenrichtlinien
• Anwendungen

Gerade aus Sicht der IT-Sicherheit ist eine zentrale Verwaltung wesentlich einfacher zu kontrollieren.

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Fat Client, Thin Client und Zero Client

Auch Arbeitsplatzrechner können unterschiedlich aufgebaut sein.

Fat Client

Der klassische PC oder das Notebook wird häufig als Fat Client beziehungsweise Thick Client bezeichnet.

Er verfügt über:

• eigene CPU
• eigenen Arbeitsspeicher
• eigenen Speicher
• eigenes Betriebssystem
• lokal installierte Anwendungen

Der größte Teil der Verarbeitung findet direkt auf dem Gerät statt.

Vorteile

• hohe lokale Leistung
• Arbeiten teilweise auch ohne Serververbindung möglich
• große Auswahl an Anwendungen

Nachteile

• höhere Anschaffungskosten
• meist höherer Stromverbrauch
• Betriebssysteme und Programme müssen auf vielen Geräten gepflegt werden

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Thin Client

Ein Thin Client benötigt wesentlich weniger eigene Rechenleistung.

Viele Anwendungen laufen auf einem zentralen Server. Der Thin Client überträgt hauptsächlich:

• Bildschirmdarstellung
• Tastatureingaben
• Mausbewegungen

Die eigentliche Berechnung findet auf dem Server statt.

Vorteile

• geringe Hardwareanforderungen
• zentral administrierbar
• geringer Wartungsaufwand am Arbeitsplatz
• häufig niedriger Energieverbrauch

Nachteile

• starke Abhängigkeit vom Netzwerk
• Serverausfälle können viele Benutzer betreffen

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Zero Client

Ein Zero Client ist noch stärker reduziert.

• nur minimale Firmware
• praktisch keine lokalen Anwendungen

Ein Zero Client besitzt kein eigenes klassisches Betriebssystem. Stattdessen verwendet er nur eine minimale Firmware, um sich direkt mit einem Terminalserver oder einer zentral bereitgestellten virtuellen Desktop-Umgebung zu verbinden.

Thin und Zero Clients werden daher häufig in Verbindung mit Terminalservern oder virtuellen Desktops eingesetzt.

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Was ist ein Terminalserver?

Bei einem Terminalserver arbeiten mehrere Benutzer gleichzeitig auf einem zentralen Server.

Die Programme laufen nicht auf dem Arbeitsplatz-PC, sondern auf dem Server.

Ein bekanntes Beispiel ist Microsoft Remote Desktop Services – RDS.

Vereinfacht sieht das so aus:

Benutzer-PC → Netzwerk → Terminalserver → Anwendung

Der Benutzer sieht beispielsweise Word, eine Warenwirtschaft oder einen kompletten Windows-Desktop. Tatsächlich läuft das Programm aber auf dem Server.

Vorteile eines Terminalservers

• Anwendungen werden zentral installiert
• Updates müssen nur zentral durchgeführt werden
• Daten können im Rechenzentrum bleiben
• Arbeitsplatzgeräte benötigen weniger Leistung

Nachteile

• Serverausfälle können viele Mitarbeiter betreffen
• ausreichend Serverleistung erforderlich
• Netzwerkverbindung notwendig
• nicht jede Anwendung eignet sich für den Mehrbenutzerbetrieb

Terminalserver stellen Programme und Arbeitsoberflächen zentral mehreren Benutzern gleichzeitig bereit.

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Was bedeutet Virtualisierung?

Bei der Virtualisierung wird ein leistungsfähiger physischer Computer in mehrere voneinander getrennte virtuelle Computer aufgeteilt.

Früher könnte eine Umgebung beispielsweise so ausgesehen haben:

Server 1 → Domänencontroller

Server 2 → Fileserver

Server 3 → Anwendungsserver

Dafür wurden drei physische Server benötigt.

Mit Virtualisierung kann ein einzelner leistungsfähiger Server mehrere virtuelle Systeme gleichzeitig betreiben:

Physischer Server

↓

Hypervisor

↓

VM 1 – Domänencontroller
VM 2 – Fileserver
VM 3 – Anwendungsserver

Eine solche virtuelle Maschine wird als Virtual Machine oder VM bezeichnet.

Virtuell nachgebildet werden beispielsweise:

• Prozessoren
• Arbeitsspeicher
• Festplatten
• Netzwerkkarten
• teilweise Grafikhardware

Für das Betriebssystem innerhalb der VM sieht diese Hardware fast so aus, als wäre sie tatsächlich vorhanden. Script_VirtualisierungClouds_20…

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Was ist ein Hypervisor?

Der Hypervisor bildet die Grundlage der Virtualisierung.

Er verwaltet die virtuellen Maschinen und verteilt die vorhandenen Hardware-Ressourcen.

Angenommen, ein Server besitzt:

• 32 CPU-Kerne
• 128 GB RAM
• 4 TB Speicher

Dann könnte der Hypervisor beispielsweise vergeben:

VM 1: 4 CPU-Kerne und 8 GB RAM
VM 2: 8 CPU-Kerne und 32 GB RAM
VM 3: 4 CPU-Kerne und 16 GB RAM

Die virtuellen Systeme arbeiten dabei weitgehend unabhängig voneinander.

Bekannte Virtualisierungsplattformen sind beispielsweise:

• Microsoft Hyper-V
• VMware
• Proxmox VE

Proxmox VE kombiniert heute beispielsweise klassische virtuelle Maschinen über KVM mit LXC-Containern und bietet zusätzlich Funktionen wie Cluster, Storage, Netzwerk, Firewall, Backup und Hochverfügbarkeit. Proxmox

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Typ-1- und Typ-2-Hypervisor

Hypervisoren lassen sich grundsätzlich in zwei Kategorien einteilen.

Typ-1-Hypervisor

Ein Typ-1-Hypervisor läuft direkt auf beziehungsweise sehr nah an der physischen Hardware.

Vereinfacht:

Hardware

↓

Hypervisor

↓

Virtuelle Maschinen

Diese Variante wird hauptsächlich für professionelle Servervirtualisierung eingesetzt.

Auch Microsoft Hyper-V gehört zu den Typ-1-Hypervisoren. Microsoft Learn

Vorteile

• hohe Performance
• gute Isolation der virtuellen Maschinen
• für professionelle Serverumgebungen geeignet
• Hochverfügbarkeits- und Clusterfunktionen möglich

Nachteile

• höhere technische Komplexität
• entsprechendes Administrationswissen notwendig
• Hardware und Storage müssen sorgfältig geplant werden

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Typ-2-Hypervisor

Bei einem Typ-2-Hypervisor befindet sich zunächst ein normales Betriebssystem auf dem Computer.

Darauf läuft anschließend die Virtualisierungssoftware.

Hardware

↓

Windows / Linux / macOS

↓

Virtualisierungssoftware

↓

Virtuelle Maschine

Diese Variante eignet sich besonders gut für:

• Tests
• Schulungen
• Softwareentwicklung
• einzelne Test-VMs auf einem Arbeitsplatzrechner

Vorteile

• einfach einzurichten
• keine spezielle Serverhardware erforderlich
• ideal für Tests

Nachteile

• zusätzliches Host-Betriebssystem
• mehr Ressourcenverbrauch
• normalerweise weniger geeignet für große produktive Serverumgebungen

Die grundlegende Unterscheidung zwischen Bare-Metal- und Hosted-Hypervisor ist weiterhin aktuell.

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Vorteile der Virtualisierung

Virtualisierung hat sich vor allem deshalb durchgesetzt, weil die vorhandene Hardware wesentlich besser genutzt werden kann.

Weniger physische Server

Mehrere virtuelle Server können auf einem einzigen leistungsfähigen System betrieben werden.

Das bedeutet:

• weniger Hardware
• weniger Platzbedarf
• weniger Verkabelung
• weniger Stromverbrauch
• weniger Kühlleistung

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Neue Server lassen sich schnell bereitstellen

Eine neue virtuelle Maschine kann oft innerhalb weniger Minuten erstellt werden.

Bei einem physischen Server müsste dagegen zunächst Hardware:

• ausgewählt
• bestellt
• geliefert
• eingebaut
• verkabelt

werden.

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Gute Testmöglichkeiten

Neue Betriebssysteme oder Programme können zunächst in einer virtuellen Umgebung getestet werden.

Dadurch wird das produktive System nicht direkt verändert.

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Ressourcen lassen sich flexibel verteilen

Benötigt eine virtuelle Maschine mehr Arbeitsspeicher oder CPU-Leistung, können die Ressourcen häufig relativ einfach angepasst werden.

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Nachteile und Risiken der Virtualisierung

Virtualisierung bringt allerdings auch neue Risiken mit sich.

Ein Host kann viele Server betreffen

Angenommen, auf einem physischen Server laufen zehn virtuelle Maschinen.

Fällt dieser Server komplett aus, können im schlimmsten Fall alle zehn virtuellen Systeme gleichzeitig ausfallen.

Deshalb werden wichtige Virtualisierungsumgebungen häufig mit mehreren Hosts aufgebaut.

Fällt ein Server aus, können die virtuellen Maschinen auf anderen Hosts weiterbetrieben oder neu gestartet werden.

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Leistungsfähige Hardware notwendig

Virtualisierungshosts benötigen ausreichend:

• CPU
• RAM
• schnellen Speicher
• Netzwerkbandbreite

Besonders Storage und Backup sollten nicht unterschätzt werden.

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Höhere Komplexität

Neben Windows oder Linux muss der Administrator zusätzlich die Virtualisierungsplattform beherrschen.

Dazu kommen Themen wie:

• Backup
• Cluster
• Storage
• Netzwerk
• Monitoring
• Hochverfügbarkeit
• Firewall
• Wiederherstellung

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Was ist Cloud Computing?

Cloud Computing geht einen Schritt weiter.

Bei einer Cloud werden IT-Ressourcen als Dienst bereitgestellt.

Das können sein:

• Server
• Speicher
• Datenbanken
• Anwendungen
• Backups
• virtuelle Desktops
• Entwicklungsplattformen

Ein wesentliches Merkmal ist, dass Ressourcen flexibel bereitgestellt und wieder entfernt werden können.

NIST (National Institute of Standards and Technology) nennt fünf typische Eigenschaften moderner Cloud-Systeme:

• On-Demand Self Service
• breiter Netzwerkzugang
• gemeinsame Ressourcenpools
• schnelle Skalierbarkeit
• messbare Nutzung NIST

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Cloud bedeutet nicht einfach „Daten im Internet“

Der Begriff Cloud wird häufig mit Online-Speicher gleichgesetzt.

Cloud Computing ist aber wesentlich umfangreicher.

Beispiele sind:

• Microsoft 365
• virtuelle Server bei Azure oder AWS
• Online-Backups
• Cloud-Datenbanken
• Webanwendungen
• virtuelle Arbeitsplätze

Eine Cloud stellt also IT-Ressourcen und Anwendungen flexibel als Dienst zur Verfügung.

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Public Cloud

Bei einer Public Cloud betreibt ein Anbieter große Rechenzentren und stellt deren Ressourcen vielen Kunden zur Verfügung.

Die einzelnen Kunden teilen sich zwar die zugrunde liegende Infrastruktur, sind aber logisch voneinander getrennt.

Bekannte Anbieter sind beispielsweise:

• Microsoft Azure
• Amazon Web Services
• Google Cloud

Vorteile

• sehr flexibel
• schnell skalierbar
• keine eigene Serverhardware notwendig
• Nutzung verschiedener Rechenzentren möglich

Nachteile

• Abhängigkeit vom Anbieter
• Internetanbindung wichtig
• Kosten können bei falscher Planung stark steigen
• Datenschutz und Compliance müssen berücksichtigt werden

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Private Cloud

Eine Private Cloud wird ausschließlich für eine Organisation betrieben.

Wichtig dabei:

Eine Private Cloud muss nicht zwingend im eigenen Gebäude stehen.

Sie kann beispielsweise:

• im eigenen Rechenzentrum
• in einem externen Rechenzentrum
• durch einen Dienstleister

betrieben werden.

Entscheidend ist, dass die Infrastruktur exklusiv einer Organisation zur Verfügung steht. Das entspricht auch dem etablierten Cloud-Modell von NIST. NIST

Vorteile

• hohe Kontrolle
• individuelle Konfiguration
• gute Anpassung an Sicherheitsanforderungen

Nachteile

• höherer Administrationsaufwand
• entsprechendes Fachwissen erforderlich
• eigene oder dedizierte Infrastruktur notwendig

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Hybrid Cloud

Eine Hybrid Cloud kombiniert verschiedene Welten.

Ein Unternehmen kann beispielsweise:

• eigene Server im Rechenzentrum betreiben
• Microsoft 365 verwenden
• zusätzliche Server in Azure betreiben
• Backups in einer Cloud speichern

Gerade in mittelständischen Unternehmen ist eine solche Kombination heute sehr verbreitet.

Vorteile

• hohe Flexibilität
• sensible Systeme können lokal bleiben
• Cloud-Ressourcen können bei Bedarf genutzt werden

Nachteile

• komplexere Verwaltung
• unterschiedliche Sicherheitskonzepte
• Netzwerkverbindungen müssen geschützt werden
• Identitäten und Zugriffsrechte müssen sauber abgestimmt werden

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Multi-Cloud

Bei Multi-Cloud werden mehrere Cloud-Anbieter gleichzeitig verwendet.

Beispielsweise:

Microsoft 365 → E-Mail

Azure → virtuelle Server

AWS → Webanwendung

Vorteile

• weniger Abhängigkeit von einem einzelnen Anbieter
• für jede Anwendung kann der passende Dienst gewählt werden

Nachteile

• hoher Verwaltungsaufwand
• mehrere Sicherheitsmodelle
• schwierigeres Monitoring
• komplexeres Kostenmanagement

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IaaS, PaaS und SaaS

Cloud-Dienste lassen sich zusätzlich danach unterscheiden, wie viel der Anbieter übernimmt.

IaaS – Infrastructure as a Service

Der Anbieter stellt hauptsächlich Infrastruktur bereit.

Zum Beispiel:

• virtuelle Server
• Storage
• Netzwerk
• Rechenleistung

Der Kunde kümmert sich weiterhin um Betriebssystem und Anwendungen.

Beispiel

Ein eigener virtueller Windows Server in Microsoft Azure.

Vorteil

Sehr flexibel.

Nachteil

Der Kunde bleibt für viele Administrations- und Sicherheitsaufgaben verantwortlich.

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PaaS – Platform as a Service

Bei Platform as a Service (PaaS) stellt der Anbieter eine fertige Umgebung bereit, auf der Anwendungen entwickelt und betrieben werden können.

Dazu gehören zum Beispiel das Betriebssystem, Laufzeitumgebungen, Webserver und weitere benötigte Dienste.

Der Entwickler kümmert sich hauptsächlich um die eigene Anwendung und den Programmcode.

Einfach gesagt: Der Anbieter kümmert sich um Server und Plattform – der Kunde um seine Anwendung.

Vorteile

• weniger Aufwand für Server und Betriebssystem
• Anwendungen können schneller bereitgestellt werden
• Updates der Plattform übernimmt weitgehend der Anbieter

Nachteile

• weniger Kontrolle über die zugrunde liegende Infrastruktur
• stärkere Abhängigkeit vom Anbieter
• ein Wechsel zu einer anderen Plattform kann aufwendig sein

Der Begriff „Plattform“ umfasst also das Betriebssystem plus die Umgebung, die eine Anwendung zum Laufen braucht.

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SaaS – Software as a Service

Bei Software as a Service wird die fertige Anwendung bereitgestellt.

Bekannte SaaS-Beispiele sind Microsoft 365, Google Workspace, Salesforce, Dropbox, Zoom oder Slack. Der Benutzer verwendet die fertige Anwendung, während der Anbieter die zugrunde liegende Infrastruktur und Plattform betreibt.

Beispiel: Microsoft 365

Der Benutzer verwendet beispielsweise Outlook oder Teams, ohne selbst Exchange- oder Teams-Server betreiben zu müssen.

Vorteile

• wenig eigene Infrastruktur
• einfache Nutzung
• Updates übernimmt weitgehend der Anbieter

Nachteile

• Abhängigkeit vom Anbieter
• weniger Kontrolle über die Infrastruktur
• laufende Lizenzkosten

Eine einfache Merkhilfe:

IaaS: Ich verwalte Server und Betriebssystem.
PaaS: Ich verwalte hauptsächlich meine Anwendung.
SaaS: Ich benutze hauptsächlich die fertige Anwendung.

IaaS, PaaS und SaaS gehören auch heute zu den drei grundlegenden Cloud-Service-Modellen. NIST

VDI – der virtuelle Arbeitsplatz

Vorteile von DaaS

• weniger eigene Serverinfrastruktur notwendig
• virtuelle Arbeitsplätze können schnell bereitgestellt werden
• gut für Homeoffice und mehrere Standorte geeignet
• Ressourcen lassen sich vergleichsweise flexibel erweitern

Nachteile von DaaS

• starke Abhängigkeit von der Internetverbindung
• laufende nutzungs- oder lizenzabhängige Kosten
• Abhängigkeit vom Cloud-Anbieter
• Datenschutz und Compliance müssen berücksichtigt werden

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VDI und DaaS – der Unterschied auf einen Blick

	VDI	DaaS
Virtueller Arbeitsplatz	Ja	Ja
Arbeitsplatz läuft zentral	Ja	Ja
Infrastruktur selbst betreiben	meist ja	weitgehend nein
Cloud-Anbieter erforderlich	nein	ja
Eigene Hardware notwendig	häufig	deutlich weniger
Verantwortung für Infrastruktur	überwiegend Unternehmen	teilweise Anbieter
Laufende Cloud-Kosten	nicht zwingend	ja

Einfache Merkhilfe

VDI = Ich betreibe die Infrastruktur für meine virtuellen Arbeitsplätze selbst.
DaaS = Ich beziehe virtuelle Arbeitsplätze als Dienst aus der Cloud.

Und zusammen mit dem Terminalserver:

Terminalserver = viele Benutzer auf einem gemeinsamen Server.
VDI = virtuelle Arbeitsplatz-PCs auf meiner bzw. selbst verwalteten Infrastruktur.
DaaS = virtuelle Arbeitsplatz-PCs als Cloud-Dienst.

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Eigener Server oder Cloud?

Eine häufige Frage lautet:

Ist die Cloud besser als ein eigener Server?

Eine pauschale Antwort gibt es nicht.

Eigene Server

Vorteile

• hohe Kontrolle
• eigene Konfigurationsmöglichkeiten
• direkter Zugriff auf die Infrastruktur
• Betrieb auch ohne externe Cloud möglich

Nachteile

• Hardwarekosten
• Strom und Kühlung
• Wartung und Updates
• Administrationswissen erforderlich
• Hardware muss regelmäßig ersetzt werden

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Cloud

Vorteile

• schnell skalierbar
• keine eigene Serverhardware notwendig
• Dienste können schnell bereitgestellt werden
• Zugriff von unterschiedlichen Standorten

Nachteile

• Abhängigkeit vom Anbieter
• Internetverbindung sehr wichtig
• laufende Kosten
• Datenschutz und Compliance müssen geprüft werden

Dabei gilt:

Ein Server im eigenen Gebäude ist nicht automatisch sicherer als eine Cloud – und eine Cloud ist nicht automatisch sicherer als ein eigener Server.

Entscheidend sind immer Konfiguration, Zugriffsschutz, Wartung, Backup und Überwachung.

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Cloud und Virtualisierung aus Sicht der IT-Sicherheit

Gerade für einen IT-Security Coordinator ist entscheidend zu wissen, wer für welchen Teil der Infrastruktur verantwortlich ist.

Auch wenn ein Cloud-Anbieter viele Aufgaben übernimmt, bleibt das Unternehmen beispielsweise häufig verantwortlich für:

• Benutzerkonten
• Zugriffsrechte
• Multi-Faktor-Authentifizierung
• sichere Konfiguration
• Datenklassifizierung
• Backup-Strategie
• Monitoring

Cloud Computing bedeutet also nicht:

„Der Anbieter kümmert sich um alles.“

Es bedeutet vielmehr, dass sich die Verantwortlichkeiten zwischen Anbieter und Kunde aufteilen.

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Kurz zusammengefasst: Vorteile und Nachteile

Technologie	Vorteile	Nachteile
Physischer Server	volle Kontrolle, direkte Hardware	Platz, Strom, Hardwarekosten
Virtualisierung	bessere Hardwareauslastung, flexibel, weniger Server	Host-Ausfall kann viele Systeme treffen
Terminalserver	zentrale Anwendungen, einfache Pflege	viele Benutzer abhängig vom Server
Public Cloud	flexibel, skalierbar, keine eigene Hardware	Anbieter- und Internetabhängigkeit
Private Cloud	hohe Kontrolle, individuell	höherer Betriebsaufwand
Hybrid Cloud	verbindet lokale IT und Cloud	komplexere Administration
VDI/DaaS	zentrale virtuelle Arbeitsplätze	Infrastruktur- bzw. Internetabhängigkeit

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Fazit

Virtualisierung bildet heute die Grundlage vieler moderner Rechenzentren. Mehrere virtuelle Server können sich leistungsfähige Hardware teilen und trotzdem weitgehend unabhängig voneinander arbeiten.

Cloud Computing erweitert dieses Konzept, indem IT-Ressourcen flexibel als Dienst bereitgestellt werden.

Dabei gibt es nicht die eine richtige Lösung.

Für kleine und mittelständische Unternehmen ist häufig eine Kombination sinnvoll:

lokale Infrastruktur + Virtualisierung + ausgewählte Cloud-Dienste

Entscheidend ist letztlich nicht, wo ein Server steht, sondern ob die gesamte Umgebung zuverlässig, sicher und nachvollziehbar betrieben wird.

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Moderne Infrastrukur

                  MODERNE IT-INFRASTRUKTUR

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     Fat Client        Thin Client        Notebook
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                  Unternehmensnetzwerk
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       Eigene Infrastruktur             Cloud
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          Hypervisor          IaaS       PaaS       SaaS
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