Storage-Virtualisierung

Was ist Storage-Virtualisierung?

In einer virtualisierten Umgebung greifen VMs nicht direkt auf physische Festplatten zu. Stattdessen arbeiten sie mit virtuellen Festplatten – Dateien auf einem Speichersystem die sich für die VM wie echte Festplatten verhalten. Der Hypervisor übersetzt alle Festplattenzugriffe der VM in Operationen auf dem darunterliegenden Speichersystem.

Virtuelle Festplattenformate

Thin vs. Thick Provisioning

Eine der wichtigsten Entscheidungen bei virtuellen Festplatten: Wie wird der Speicherplatz auf dem Datastore reserviert?

Thick Provisioning (Eager Zeroed)

VM bekommt 100 GB virtuelle Festplatte:
→ Sofort werden 100 GB auf dem Datastore reserviert
→ Alle Blöcke werden auf 0 gesetzt (formatiert)

Vorteile:
✓ Maximale Performance (keine Initialisierung beim Schreiben)
✓ Garantierter Speicherplatz – kein Risiko von Speichermangel
✓ Empfohlen für Datenbanken und I/O-intensive Workloads

Nachteile:
✗ Sofort 100 GB belegt – auch wenn VM nur 10 GB nutzt
✗ Längere Bereitstellungszeit (Formatierung dauert)

Thick Provisioning (Lazy Zeroed)

VM bekommt 100 GB virtuelle Festplatte:
→ 100 GB werden reserviert aber NICHT vorformatiert
→ Blöcke werden erst beim ersten Schreiben auf 0 gesetzt

Vorteile:
✓ Schnellere Bereitstellung als Eager Zeroed
✓ Garantierter Speicherplatz

Nachteile:
✗ Erster Schreibzugriff auf neuen Block etwas langsamer
✗ Immer noch sofort 100 GB belegt

Thin Provisioning

VM bekommt 100 GB virtuelle Festplatte:
→ Nur tatsächlich genutzte Blöcke werden auf Disk geschrieben
→ Datei wächst dynamisch mit

Beispiel:
VM hat 100 GB Festplatte – nutzt aktuell 15 GB
Thin: Datei auf Disk ist 15 GB groß
Thick: Datei auf Disk ist 100 GB groß

Vorteile:
✓ Effizienter Speicherverbrauch
✓ Schnelle Bereitstellung
✓ Overcommitment möglich

Nachteile:
✗ Performance-Overhead beim Wachstum
✗ Risiko: Datastore voll wenn alle VMs wachsen
✗ Fragmentierung möglich

Typische Nutzung: Test/Dev-VMs, wenig I/O

Storage-Typen für Datastores

Lokaler Speicher (DAS – Direct Attached Storage)

Server ──── SATA/SAS/NVMe ──── Lokale Festplatten

Vorteile:
✓ Maximale Performance (besonders NVMe)
✓ Keine Netzwerkabhängigkeit
✓ Günstig

Nachteile:
✗ Kein Live-Migration zwischen Hosts möglich
✗ Kein Shared Storage – VM gehört an einen Host
✗ Keine HA (High Availability)

NAS – Network Attached Storage

Server ──── Ethernet (NFS/SMB) ──── NAS-Gerät

Protokolle:
NFS (Network File System)  → Linux/VMware Standard
SMB/CIFS                   → Windows Hyper-V Standard

Vorteile:
✓ Shared Storage – mehrere Hosts nutzen denselben Datastore
✓ Live-Migration möglich
✓ Einfache Verwaltung
✓ Günstig

Nachteile:
✗ Netzwerk-Latenz (wichtig: 10 GbE oder mehr empfohlen)
✗ Netzwerk als Single Point of Failure

SAN – Storage Area Network

Server ──── Fibre Channel / iSCSI ──── SAN

Protokolle:
Fibre Channel (FC)  → Dediziertes Storage-Netz, max. Performance
iSCSI               → SCSI über Ethernet – günstiger als FC
FCoE                → Fibre Channel over Ethernet

Vorteile:
✓ Maximale Performance und Zuverlässigkeit
✓ Shared Storage für alle Hosts
✓ Dediziertes Netzwerk – kein Konflikt mit VM-Traffic

Nachteile:
✗ Teuer (besonders Fibre Channel)
✗ Komplex in der Verwaltung
✗ Spezielle Hardware erforderlich (FC-HBA)

Storage-Protokolle im Vergleich

Snapshots

Ein Snapshot ist ein eingefrorener Zustand einer VM zu einem bestimmten Zeitpunkt. Technisch gesehen wird beim Snapshot eine Delta-Datei erstellt die alle Änderungen nach dem Snapshot-Zeitpunkt aufnimmt:

Vor Snapshot:
[Base Disk: 50 GB] ← VM schreibt hier

Nach Snapshot:
[Base Disk: 50 GB] ← eingefroren, nur-lesend
[Delta Disk: 0 GB] ← VM schreibt jetzt hier (wächst)

Nach 1 Woche Betrieb:
[Base Disk: 50 GB]
[Delta Disk: 12 GB] ← alle Änderungen der letzten Woche

Rollback: Delta Disk verwerfen → sofort zurück zum Snapshot-Zeitpunkt
Commit:   Delta in Base zusammenführen → Snapshot gelöscht

Snapshot-Ketten

Vorsicht bei langen Snapshot-Ketten:
[Base] → [Delta 1] → [Delta 2] → [Delta 3] → aktuelle VM

Probleme:
✗ Performance sinkt mit jeder zusätzlichen Schicht
✗ Festplattenverbrauch wächst unkontrolliert
✗ Merge (Zusammenführung) kann sehr lange dauern

Empfehlung: Nie mehr als 2-3 Snapshots gleichzeitig
            Snapshots sind KEIN Ersatz für Backups!

Storage vMotion / Live-Migration von Disks

Bei VMware ermöglicht Storage vMotion das Verschieben der virtuellen Festplatten einer laufenden VM von einem Datastore auf einen anderen – ohne Ausfallzeit:

Anwendungsfall:
Datastore A ist fast voll → VM-Disk auf Datastore B verschieben
Thin → Thick konvertieren ohne VM-Downtime
Alten langsameren Storage auf neuen NVMe-Storage migrieren

Zusammenfassung

• VMs nutzen virtuelle Festplatten (VMDK, VHDX, QCOW2) statt physischer Disks

• Thin Provisioning: Speicher wächst dynamisch – effizient aber mit Overcommitment-Risiko

• Thick Provisioning: Speicher sofort reserviert – bessere Performance und Planbarkeit

• DAS (lokal) ist schnell aber kein Shared Storage – keine Live-Migration möglich

• NAS (NFS/SMB) ist günstig und ermöglicht Shared Storage über Ethernet

• SAN (iSCSI/FC) bietet maximale Performance und Zuverlässigkeit für Enterprise

• Snapshots sind Delta-Dateien – kein Backup-Ersatz und nicht dauerhaft nutzen

• Lange Snapshot-Ketten verschlechtern Performance erheblich