Kostenlose Server-Virtualisierung mit VirtualBox und Ubuntu Linux

Virtualisierung ist einer DER Begriffe in der IT der letzten Jahre. Statt für jede Aufgabe einen eigenen physikalischen Server zu kaufen, können auf einem physikalischem Server mehrere, virtuelle Server (bzw. Virtuelle Maschinen, kurz VM) laufen. So können die Ressourcen der Server deutlich effizienter genutzt und die Anschaffungs- und Stromkosten deutlich gesenkt werden.

Normalerweise richten wir uns ja eher an Privatanwender, wir glauben aber, dass sich das Thema Virtualisierung zukünftig immer mehr auch in den privaten Anwendungsbereich verschiebt. Daher kann so eine kleine Einführung in die Virtualisierung sicherlich auch für den ein oder anderen Privatanwender interessant sein, zudem die hier genutzte Software komplett kostenlos erhältlich ist.

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Während sich in großen Firmen Server-Virtualisierung längst etabliert hat, wird darauf in kleinen oder mittleren Unternehmen häufig verzichtet. Zu groß ist der Einarbeitsungsaufwand, zu gering die Kostenersparnis – die meist auch noch durch die hohen Lizenzgebühren für professionelle Lösungen aufgefressen wird.

Wir zeigen hier wie ihr – komplett kostenlos – ein Linux Hostsystem aufsetzt welches dann mehrere VMs (Gastsysteme) bereitstellt. Dazu benutzen wir Oracles VirtualBox das unter einem Windows und Linux Hostsystem läuft.

[title]Warum Linux Server als Hostsystem ?[/title] Privatanwender werden meistens zu der Windows Variante greifen, die Linux Variante ist aber für den Unternehmenseinsatz geeigneter – hier lassen sich u.a. die Lizenzkosten sparen und kritische Sicherheitsupdates des Hostsystems können meistens ohne Server-Neustart installiert werden.

Daher haben wir als Hostsystem Ubuntus Linux Server 14.04 LTS gewählt welches mindestens 4 Jahre lang mit Updates versorgt wird. Das ist ideal für ein Hostsystem welches – einmal eingerichtet – über eine lange Zeit zuverlässig und mit möglichst geringem Wartungsaufwand betrieben werden soll.

Die Kostenersparnis einer virtuellen Umgebung bringt schließlich keine Vorteile wenn dafür eine große Menge an IT-Ressourcen gebunden werden. Wir setzen in dieser Anleitung vorraus, dass euch bekannt ist wie ihr eine Grundinstallation von Linux durchführt. Für das Hostsystem empfehle ich einen Raid-1 aus 2 SSDs die per Hardware-Raid oder durch den Linux mdadm Software-Raid geschützt sind. Je nach Anzahl der später genutzen VMs sind eventuell weitere Datenträger erforderlich.

Da die Server-Variante von Linux komplett ohne Benutzeroberfläche daherkommt, greifen wir auf PHPVirtualBox zurück, d.h. wir verwalten das Hostsystem bzw. die VMs direkt über eine Weboberfläche. Zum einen ist die Konfiguration über die Weboberfläche einfach (das Layout ist fast identisch mit der Oberfläche der grafischen VirtualBox Version) zum anderen kann die Weboberfläche ohne Installation von Software auf jedem PC aufgerufen werden, also auch per Smartphone von unterwegs.

[title]Die Vorteile der Server-Virtualisierung[/title] Neben der erwähnten Kostenersparnis beim Kauf der Hardware und den (durch die geringere Anzahl benötigter physikalischer Server) sowie dem geringeren Energieverbrauch (Stichwort: Geringere Stromkosten, kleinere Klimatisierung) bietet die Virtualisierung noch viele weitere Vorteile.

So lassen sich VMs einfach sichern (Backup), es lassen sich auch verschiedene Snapshots anlegen, mit dem eine VM sehr einfach auf einen vorherigen Zustand zurückgesetzt werden kann. VMs lassen sich zudem kopieren (clonen) und auch von einem Hostsystem auf ein anderes transferieren, so kann die Hardware des Hostsystems nach einer bestimmten Dauer aktualisiert werden ohne die VMs selbst neu installieren zu müssen, da alle VMs hardware-unabhängig betrieben werden, denn VirtualBox emuliert die Hardware und nutzt universelle Treiber.

Nur die Prozessoren sind im Klartext erkennbar, die Grafikkarte oder die Netzwerkkarte werden emuliert, die VM nutzt durch die Emulation die Hardware des Hostsystems.

Ein weiterer Vorteil ist die dynamische Zuweisung von Ressourcen. Werden auf Server 1 weniger Abfragen abgewickelt, kann Server 2 die überschüssigen Ressourcen von Server 1 benutzen. Es ist aber auch eine fixe Reservierung möglich. Stellt man im laufenden Betrieb fest, dass die Ressourcen eines Servers nicht ausreichen, kann man die Zuteilung jederzeit ändern.

Zudem können Gemeinsame Ordner (Shared folder) angelegt werden. Daten können dann sehr einfach von einer VM in eine andere kopiert werden. Dabei spielt das Betriebssystem keine Rolle, so kann eine Linux VM auf Daten einer Windows VM zugreifen und umgekehrt.

[title]Geeignete Hardware[/title] Für das Hostsystem eignet sich quasi jeder halbwegs aktuelle Server, in dieser Anleitung verwenden wir einen DELL PowerEdge R430 mit zwei Intel Xeon E5-2640 v3 Prozessoren, die jeweils über 16 logische Kerne (8+8HT) verfügen. Damit stehen dem Server insgesamt 32 logische Kerne sowie 32GB DDR4-1866 Arbeitsspeicher zur Verfügung.

Das Systemlaufwerk besteht aus zwei Samsung 850 Pro SSDs mit je 256GB Kapazität, die in einem mdadm Software-Raid laufen. Auf dem Hostsystem sollen nachher 4 VMs laufen (2x Windows Server 2012 als Domaincontroller, 1x Ubuntu Linux Server als Web/Intranet-Server und ein Windows 7).
[bild 2] Schon vor dem Kauf der Hardware sollte man sich Gedanken machen wie viele VMs man einbinden möchte und welche Ressourcen dazu benötigt werden. Dabei muss berücksichtigt werden, dass auch dem Hostsystem eigene Ressourcen zugeteilt werden müssen.

[title]Benötigte Software[/title] 1. SSH Client [link ziel=“https://the.earth.li/~sgtatham/putty/latest/x86/putty.exe]Putty[/link] 2. FTP Client [link ziel=“https://filezilla-project.org/“]Filezilla Client[/link] 3. [link ziel=“https://sourceforge.net/projects/win32diskimager/“]Win32Disk Imager[/link] 3. [link ziel=“https://www.ubuntu.com/download/server]Ubuntu Linux 14.04.3 LTS (64bit)[/link] (oder neuer, allerdings empfehle ich die LTS (Long-Therm-Support) Version)
4. [link ziel=“https://download.virtualbox.org/virtualbox/5.0.2/virtualbox-5.0_5.0.2-102096~Ubuntu~trusty_amd64.deb]VirtualBox 5.0.2 for Ubuntu Linux 14.04, 64bit[/link] (oder neuer)
5. [link ziel=“https://download.virtualbox.org/virtualbox/5.0.2/Oracle_VM_VirtualBox_Extension_Pack-5.0.2-102096.vbox-extpack]VirtualBox 5.0.2 Extension Pack[/link] (oder neuer)
6. [link ziel=“https://downloads.sourceforge.net/project/phpvirtualbox/phpvirtualbox-5.0-2.zip]PHPVirtualBox 5.0-2[/link] (oder neuer)
7. [link ziel=“https://prdownloads.sourceforge.net/webadmin/webmin_1.760_all.deb]Webmin 1.760[/link] (oder neuer) – optional [i]Hinweis: Wichtig ist, dass die Version von VirtualBox und dem VirtualBox Extension Pack absolut identisch ist! Die Hauptversionsnummer von PHPVirtualBox (5.0-xx) muss zudem identisch mit der Hauptversionsnummer von VirtualBox (5.0_x.x.x-xxxxx) sein.

Einige der Pakete lassen sich auch bequem über die „wget“ Funktionalität von Linux direkt auf dem Hostsystem herunterladen. Da viele Firmen allerdings über harte Firewalls und Proxy Server verfügen, haben wir uns dazu entschieden die Pakete manuell zu laden. Webmin ist ein Verwaltungstool für den Linux Server und in dieser Anleitung optional aber zu empfehlen.[/i] [title]Schitt 1 – Hostsystem installieren und aktualisieren[/title] Mit dem Tool Win32DiskImager wird nun das Ubuntu Linux Server Image auf einen USB-Stick kopiert. Dieser ist dann bootfähig. Benutzt diesen Stick nun um Ubuntu Linux 14.04.3 LTS zu installieren und zwar inkl. OpenSSH und LAMP (Apache, MySQL und PHP). Nach der Installation meldet ihr euch via SSH oder über die Konsole an und aktualisiert das System:

[code]sudo -s[/code] um Root-Rechte zu erlangen.
[code]apt-get update[/code] [code]apt-get upgrade[/code]

Nun muss noch ein FTP Server (proftpd) nachinstalliert werden:
[code]apt-get install proftpd[/code]

Einen Benutzer für den FTP-Zugang anlegen:
[code]useradd stefan[/code] [code]passwd stefan[/code] (gewünschtes Passwort wird abgefragt)
[code]usermod -m -d /var/www/ stefan[/code]

Und die Konfigurationsdatei anpassen:
[code]nano /etc/proftpd/proftpd.conf[/code] hier die Zeile [code]RequireValidShell off[/code] auskommentieren (das führende # entfernen)

Die Datei mit Strg+O speichern und den Editor mit Strg+X beenden.

Anschließend muss der FTP Server durchgestartet werden:
[code]service proftpd restart[/code] [title]Schritt 2 – Dateien kopieren[/title] Unsere Struktur sieht nachher wie folgt aus (ihr könnt dies natürlich auch anders machen):

[b]/var/www[/b] – Unser Heimatverzeichnis
[b]/var/www/phpvirtualbox-5.0-2[/b] – PHPVirtualBox Verzeichnis
[b]/var/www/html[/b] – Der DocumentRoot des Apache Webservers
[b]/var/www/html/phpvirtualbox[/b] – per http aufrufbarer SymLink (siehe weiter unten) auf unser PHPVirtualBox Verzeichnis (/var/www/phpvirtualbox-5.0-2)
[b]/var/www/isos[/b] – Hier können wir unsere ISO-Dateien ablegen
[b]/var/www/VMs[/b] – Hier werden unsere VMs abgelegt
[b]/var/www/Shared Folder[/b] – Gemeinsamer Ordner (alle VMs haben hierauf später Zugriff)

Der Ordner /var/www muss noch rekursive Schreibrechte bekommen:
[code]chmod -R 777 /var/www[/code]

Nun können wir per FTP Dateien auf das Linux Hostsystem übertragen. Die Ordner „isos“, „VMs“ und „Shared folder“ müsst ihr manuell anlegen.

Die VirtualBox Dateien müssen zunächst in unser Heimatverzeichnis (/var/www) per FTP hochgeladen werden:

/var/www/virtualbox-5.0_5.0.2-102096-Ubuntu-trusty_amd64.deb
/var/www/Oracle_VM_VirtualBox_Extension_Pack-5.0.2-102096.vbox-extpack
/var/www/webmin_1.760_all.deb (optional)

Außerdem wird PHPVirtualBox nun nach

[b]/var/www/phpvirtualbox-5.0-2[/b] kopiert. Das Entpacken am Besten unter Windows z.B. mit WinRar durchführen und im entpackten Zustand hochladen. [title]Schritt 3 – Neuinstallation und Konfiguration von VirtualBox[/title] Im SSH-Client: Wechsel in unser Heimatverzeichnis mit
[code]cd /var/www[/code]

Webmin installieren (Verwaltungssoftware mit Weboberfläche) – Optional
[code]dpkg –install webmin_1.760_all.deb[/code]

Webmin ist dann über https://server-ip:10000 zu erreichen. Der Benutzerlogin entspricht den erstellten Benutzern auf dem Server, ihr benötigt also keinen weiteren Benutzer.

VirtualBox inkl aller Abhängigkeiten installieren
[code]apt-get install -y virtualbox[/code]

VirtualBox bestehende Hauptversion entfernen (Abhängigkeiten bleiben installiert)
[code]apt-get remove virtualbox[/code]

Aktuellste Version von VirtualBox installieren
[code]dpkg –install virtualbox-5.0_5.0.2-102096-Ubuntu-trusty_amd64.deb[/code] [code]VBoxManage setproperty websrvauthlibrary null[/code]

Nun legen wir den SymLink für PHPVirtualBox an:
[code]ln -s /var/www/phpvirtualbox-5.0-2 /var/www/html/phpvirtualbox[/code]

Aktualisieren der Linux-Header
[code]apt-get install linux-headers-$(uname -r) dkms[/code]

Installieren des Erweiterungs-Pakets
[code]VBoxManage extpack install Oracle_VM_VirtualBox_Extension_Pack-5.0.2-102096.vbox-extpack[/code]

Webzugriff vorbereiten
[code]nano /etc/default/virtualbox[/code]. Hier die Zeile [code]VBOXWEB_USER=vbox[/code] hinzufügen, Datei mit STRG+O speichern und den Editor mit STRG+X beenden.

Zuerst legen wir einen neuen Benutzer für den Webzugriff an:
[code]useradd -m vbox -G vboxusers[/code] [code]passwd vbox[/code]

Den VirtualBox Webservice nun stoppen, intialisieren und starten:
[code]service vboxweb-service stop[/code] [code]/etc/init.d/vboxdrv setup[/code] [code]service vboxweb-service start[/code] [title]3.1 – Update von einer alten Version[/title] Hinweis: Dieser Schritt ist nur notwendig wenn ihr eine alte Version von VirtualBox auf eurem Server installiert hattet und jetzt nur auf die aktuellste Version aktualisieren möchtet. Solltet ihr wie beschrieben eine Neuinstallation durchführen, müßt ihr diese natürlich nicht mehr aktualisieren. Dann geht es weiter bei Schritt 4.

Aktuellste Version von VirtualBox installieren
[code]dpkg –install virtualbox-5.0_5.0.2-102096-Ubuntu-trusty_amd64.deb[/code] [code]VBoxManage setproperty websrvauthlibrary null[/code]

Alten SymLink von PHPVirtualBox löschen:
[code]unlink /var/www/html/phpvirtualbox[/code]

Nun legen wir den neuen SymLink für PHPVirtualBox an:
[code]ln -s /var/www/phpvirtualbox-5.0-2 /var/www/html/phpvirtualbox[/code]

Aktualisieren der Linux-Header
[code]apt-get install linux-headers-$(uname -r) dkms[/code]

De-Installieren des vorherigen Erweiterungs-Pakets
[code]vboxmanage extpack uninstall „Oracle VM VirtualBox Extension Pack“[/code]

Installieren des Erweiterungs-Pakets
[code]VBoxManage extpack install Oracle_VM_VirtualBox_Extension_Pack-5.0.2-102096.vbox-extpack[/code]

Den VirtualBox Webservice nun stoppen, intialisieren und starten:
[code]service vboxweb-service stop[/code] [code]/etc/init.d/vboxdrv setup[/code] [code]service vboxweb-service start[/code] [title]Schritt 4 – PHPVirtualBox konfigurieren[/title] Mit [code]cp /var/www/phpvirtualbox-5.0-2/config.php-example /var/www/phpvirtualbox-5.0-2/config.php[/code] kopieren wir uns zunächst eine Standard-Konfigurationsdatei.

[code]nano /var/www/phpvirtualbox-5.0-2/config.php[/code]

Folgende Zeilen müssen angepasst werden:
[code]var $password = „PASSWORD“###[/code] (das für den Benutzer vbox vergebene Passwort)
[code]var $language = „de“###[/code] [code]var $previewWidth = „360“###[/code]

Datei mit STRG+O speichern und den Editor mit STRG+X beenden.

PHPVirtualbox sollte nun unter [b]https://IP-des-Hostsystemes/phpvirtualbox[/b] erreichbar sein. Der Standard-Login ist [b]admin[/b] mit dem Passwort [b]admin[/b].

[title]PHPVirtualBox[/title] Die Weboberfläche sieht fast identisch aus wie die Oberfläche von VirtualBox selbst. Das Anlegen von neuen VMs ist durch die Assistenten selbsterklärend.

PHPVirtualBox verfügt über ein eingebautes VNC-Plugin um via Konsole eine Remote-Desktop-Verbindung zur VM aufzubauen. Obwohl es sich nur um eine Weboberfläche handelt ist die Bedienung (nach der Installation der GuestAdditions, siehe weiter unten) sehr flüssig.

[gallery_1]

Über die PHPVirtualBox Oberfläche lässt sich in den Globalen Einstellungen der Standard-Pfad für VMs ändern. Wir haben hier [b]/var/www/VMs[/b] benutzt.

[b]Wichtig:[/b] Bei Linux Gastsystemen (VMs) muss in den VM-Einstellungen unbedingt die Option „IO-APIC“ aktiviert werden, da Linux sonst nicht alle zugewiesenen Ressourcen korrekt zuweist und z.B. nur einen Prozessorkern anzeigt (obwohl der VM vielleicht mehrere Prozessoren zugewiesen wurden). [bild 10] [title]Installation der Guest Additions[/title] Nach der Installation einer VM müssen die Guest Additions ([b]/usr/share/virtualbox/VBoxGuestAdditions.iso[/b]) eingebunden und installiert werden. Diese enthalten alle benötigten Treiber für Windows und Linux VMs.

In den Einstellungen der VM werden die Guest Additions unter dem Punkt Massenspeicher eingefügt (Controller: IDE, Datei für virtuelles Medium auswählen). Anschließend wird die VM gestartet.

[b]Windows[/b] Unter Windows ist nun im Arbeitsplatz (Computer) bzw. im Explorer ein neues CD-Laufwerk vorhanden.

Hier wird nun einfach die VBoxWindowsAdditions.exe ausgeführt und installiert. Dies ist übrigens auch sinnvoll wenn man eine neue Version von VirtualBox installiert hat und die VM schon älter ist, da Oracle die Guest Additions bzw. die darin enthaltenen Treiber regelmäßig aktualisiert.

[gallery_3] [b]Linux Server / Kommandozeile[/b] Ihr müsst euch zuerst mit [code]sudo -s[/code] root-Rechte verschaffen. Nun mounten wir die GuestAdditions.iso (nur Lesezugriff) mit dem Befehl:
[code]mount /dev/cdrom /media/cdrom[/code]

Danach stellen wir auch im Gastsystem sicher, das alle aktuellen Linux Header installiert sind:
[code]apt-get install -y dkms build-essential linux-headers-generic linux-headers-$(uname -r)[/code]

Und als letztes werden dann die GuestAdditions auch unter Linux per Script installiert:
[code]/media/cdrom/VBoxLinuxAdditions.run[/code]

Habt ihr die VM geklont müsst ihr noch den Hostnamen der VM ändern, dies geht mit
[code]nano /etc/init.d/hostname.sh[/code]

Bei einer Änderung des Hostnamen müsst ihr den neuen Namen noch in die hosts Datei einfügen:
[code]nano /etc/hosts[/code]

Im Anschluss solltet ihr die VM einmal neustarten.

[title]Starten und Stoppen einer VM via Kommandozeile[/title] Für das tägliche Backup einer VM muss die VM zuvor gestoppt werden, da sonst eine Dateninkonsistenz der VDI-Datei nicht ausgeschlossen werden kann. Ich zeige dies anhand eines Ubuntu Linux Server Hostsystems:

Zuerst muss man wissen, dass sämtliche VBoxManage Befehle immer für den aktuell angemeldeten Benutzer ausgeführt werden. Da wir in phpVirtualBox den Benutzer [b]vbox[/b] benutzen, können wir nun nicht einfach per root auf die VMs zugreifen, sondern müssen dies über den Benutzer vbox tun.

Um den Crontab für den Benutzer vbox anzuzeigen, geben wir folgendes ein (root Sitzung):
[code]crontab -e -u vbox[/code]

Meine VM die ich backupen möchte heißt „Testserver – Ubuntu 14.04 LTS“. Diese stoppe ich nun mit dem Befehl:
[code]VBoxManage controlvm „Testserver – Ubuntu 14.04 LTS“ acpipowerbutton[/code]

Anschließend übertrage ich diese per FTP (apt-get install ncftp) auf ein NAS auf welchem die VMs liegen:
[code]ncftpput -u FTPBENUTZER -p FTPPASSWORT -R -v 192.168.100.9 „/VM-Backup/VMs/Testserver – Ubuntu 14.04 LTS/“ „/var/www/VMs/Testserver – Ubuntu 14.04 LTS/“[/code]

Nach dem Backup wird die VM dann wieder gestartet:
[code]VBoxManage startvm „Testserver – Ubuntu 14.04 LTS“ –type headless[/code]

Die 3 Befehle sind voneinander abhängig, d.h. der Befehl Nr. 2 darf erst erfolgen nachdem die VM gestoppt wurde. Die VM darf zudem erst wieder gestartet werden wenn das Backup abgeschlossen wurde.

Man kann hierfür ein Loop-Bash-Script benutzen. Da für mich die Verfügbarkeit des Systems in der Nacht keine Rolle spielt, spare ich mir dies und setze einfach die Crontab Zeiten dementsprechend großzügig. Mein kompletter Crontab für den Benutzer vbox sieht dann so aus:

[code]1 4 * * * VBoxManage controlvm „Testserver – Ubuntu 14.04 LTS“ acpipowerbutton[/code] [code]2 4 * * * ncftpput -u FTPBENUTZER -p FTPPASSWORT -R -v 192.168.100.9 „/VM-Backup/VMs/Testserver – Ubuntu 14.04 LTS/“ „/var/www/VMs/Testserver – Ubuntu 14.04 LTS/“[/code] [code]1 5 * * * VBoxManage startvm „Testserver – Ubuntu 14.04 LTS“ –type headless[/code]

Hinweis: Wenn ihr ncftp benutzt um das Backup per FTP zu sichern, probiert vorher manuell den FTP Zugang aus (Zugriffsrechte und Zugangsdaten).

[title]Performance Tipps und Benchmarks[/title] Verwendet man eine dynamische Festplattengröße halbiert sich die Geschwindigkeit der Festplatte in einer VM. Daher empfehlen wir die Verwendung einer festen Festplattengröße. Hier mal 2 Tests die ich mit der Samsung 850 Pro SSD mit 256GB druchgeführt habe, einmal mit einer dynamischen Festplatte und einmal mit einer Festplatte mit fester Größe: [gallery_2]

In einem weiteren Test habe ich einen Cinebench R15 Benchmark durchgeführt (16 Kerne, 32 logische Prozessoren). Betriebssystem war einmal ein natives Windows 7 Pro SP1 64bit und einmal eine VM mit Windows 7 Pro SP1 64bit:

[table] [tr][td][/td][td]Cinebench R15 Einkern[/td][td]Cinebench R15 Mehrkern[/td][/tr] [tr][td]Nativ[/td][td]131[/td][td]2097[/td][/tr] [tr][td]in VM[/td][td]122[/td][td]1937*[/td][/tr] [/table]

* Den Mehrkern Test habe ich in der VM mit 50% der logischen Prozessoren (16) durchgeführt und mit 2 multipliziert, da es nicht möglich ist einer VM 100% der logischen Kerne zuzuweisen (das Hostsystem braucht selbst auch Ressourcen um die VM zu betreiben). Man kann in einer VM mit einem Leistungsverlust von 3-15% (je nach Aufgabe) ausgehen, in meinem Fall lag der Leisungsverlust in Cinebench R15 bei rund 8%.

[youtube=6ZI4F3wSx8g] [title]Fazit[/title] Eine Server-Virtualisierung muss nicht teuer sein und kann sich auch für kleinere und mittelgroße Netzwerke eignen. VirtualBox unter einem Linux-Hostsystem macht einen guten Job mit relativ kleinen Leistungsverlusten. Die VMs lassen sich einfach sichern und später auf ein neues, stärkeres Hostsystem überführen.

Die Bedienung per PHPVirtualBox ist einfach und bequem – so lassen sich die Firmenserver bei entsprechender Freigabe sogar vom Home-Office aus neustarten oder herunterfahren. Wir hoffen das wir euch einen kleinen Einblick in die Möglichkeiten der Server-Virtualisierung geben konnten.

[i]Letztes Update am 19.08.2015 von Stefan (Version 4.3 auf 5.0.2 aktualisiert)[/i]