title: Lebenszyklus-Management von virtuellen Maschinen in Grid und Cloud Umgebungen
title: Virtual Machine Lifecycle Management in Grid and Cloud Computing
Creators: name: Schwarzkopf, Roland
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Natural resources, energy and environment
Nat
Security
Sicherheit
Cloud Computing , Virtualisierung
Grid Computing
Grid Computing, Cloud Computing
Virtualization

description: Virtualization is the foundation
      for two important technologies: Virtualized Grid and Cloud
      Computing. Virtualized Grid Computing is an extension of the
      Grid Computing concept introduced to satisfy the security and
      isolation requirements of commercial Grid users. Applications
      are confined in virtual machines to isolate them from each
      other and the data they process from other users. Apart from
      these important requirements, Virtualized Grid Computing also
      solves other issues associated with Grid Computing, e.g., the
      problem of software deployment. Cloud Computing is another
      paradigm for using remote resources. This thesis focuses on
      the Infrastructure as a Service model that combines some of
      the ideas of (Virtualized) Grid Computing with a new kind of
      business model that features on-demand provisioning of raw
      computing resources (virtual machines) based on a
      pay-as-you-go pricing model, i.e., customers pay only for
      their actual usage. The use of virtualization technology
      increases the utilization of physical hosts and simplifies
      systems management compared to physical machines, e.g., by
      allowing users to clone a virtual machine or to create a
      snapshot of a virtual machine as a backup of its state before
      it is modified. However, not all challenges regarding
      virtualization are solved yet, and the dynamic nature of both
      Virtualized Grid and Cloud Computing poses new requirements
      on the technology. This thesis addresses various aspects of
      virtual machine usage in Virtualized Grid and Cloud Computing
      environments. First, the lifecycle of virtual machines in
      these environments is analyzed and corresponding models are
      developed. Then, several issues are identified and solutions
      for these issues are proposed. The key areas this thesis
      focuses on are the storage, deployment, and execution of
      virtual machines. Both storage and deployment are negatively
      affected by the traditional, self-contained image format used
      for storing virtual machines: large image files that store
      the contents of virtual disks. This format prevents an
      efficient deployment and wastes storage space. Furthermore,
      the security of virtual machines in these environments is a
      crosscutting concern affecting all three areas. For example,
      deployment processes should consider information about the
      security of a virtual machine image and the execution
      environment should provide means to monitor virtual
      infrastructures effectively. This thesis proposes the concept
      of image composition that combines multiple layers to a
      composite disk image. This facilitates sharing of common
      parts and reduces the deployment times of virtual machines as
      well as their storage requirements. The Marvin Image
      Compositor, an implementation of this concept, is presented.
      Furthermore, this thesis introduces the Marvin Image Store, a
      storage system for virtual machines that replaces traditional
      image files by a specialized storage system that separately
      stores the data and metadata contained in an image file. To
      improve the security of virtual environments, four different
      proposals are made: The Update Checker is a system that
      enables scanning virtual machines for outdated software
      irrespective of their state. The second proposal is an
      approach for centrally updating virtual machines that are
      built with the image composition technique, i.e., installing
      updates a single time and at the same time affecting multiple
      virtual machines. The Online Penetration Suite is a system
      that can automatically scan virtual machines for
      vulnerabilities. The last proposal in the security context is
      a monitoring concept that is based on monitoring every layer
      of a virtualized system and facilitates automatic responses
      to detected incidents. Finally, a virtual machine migration
      approach is presented that is able to efficiently migrate a
      virtual machine in the absence of a shared storage system.
      The main contributions of this thesis are: an analysis of the
      virtual machine lifecycle in Virtualized Grid and Cloud
      Computing environments for different usage models, the
      introduction of the Marvin Image Compositor and the Marvin
      Image Store that optimize storage and deployment of virtual
      machines, as well as multiple solutions for improving the
      security of virtual machines and their management. Design and
      implementation details as well as experimental evaluations
      are presented for each of the proposals. A summary of the
      contributions and a discussion of areas for future work
      conclude this thesis.
description: Virtualisierungstechnologie ist die
      Grundlage für zwei wichtige Konzepte: Virtualized Grid
      Computing und Cloud Computing. Ersteres ist eine Erweiterung
      des klassischen Grid Computing. Es hat zum Ziel, die
      Anforderungen kommerzieller Nutzer des Grid hinsichtlich der
      Isolation von gleichzeitig ausgeführten Batch-Jobs und der
      Sicherheit der zugehörigen Daten zu erfüllen. Dabei werden
      Anwendungen in virtuellen Maschinen ausgeführt, um sie
      voneinander zu isolieren und die von ihnen verarbeiteten
      Daten vor anderen Nutzern zu schützen. Darüber hinaus löst
      Virtualized Grid Computing das Problem der
      Softwarebereitstellung, eines der bestehenden Probleme des
      klassischen Grid Computing. Cloud Computing ist ein weiteres
      Konzept zur Verwendung von entfernten Ressourcen. Der Fokus
      dieser Dissertation bezüglich Cloud Computing liegt auf dem
      “Infrastructure as a Service Modell”, das Ideen des
      (Virtualized) Grid Computing mit einem neuartigen
      Geschäftsmodell kombiniert. Dieses besteht aus der
      Bereitstellung von virtuellen Maschinen auf Abruf und aus
      einem Tarifmodell, bei dem lediglich die tatsächliche Nutzung
      berechnet wird. Der Einsatz von Virtualisierungstechnologie
      erhöht die Auslastung der verwendeten (physischen)
      Rechnersysteme und vereinfacht deren Administration. So ist
      es beispielsweise möglich, eine virtuelle Maschine zu klonen
      oder einen Snapshot einer virtuellen Maschine zu erstellen,
      um zu einem definierten Zustand zurückkehren zu können.
      Jedoch sind noch nicht alle Probleme im Zusammenhang mit der
      Virtualisierungstechnologie gelöst. Insbesondere entstehen
      durch den Einsatz in den sehr dynamischen Umgebungen des
      Virtualized Grid Computing und des Cloud Computing neue
      Herausforderungen für die Virtualisierungstechnologie. Diese
      Dissertation befasst sich mit verschiedenen Aspekten des
      Einsatzes von Virtualisierungstechnologie in Virtualized Grid
      und Cloud Computing Umgebungen. Zunächst wird der
      Lebenszyklus von virtuellen Maschinen in diesen Umgebungen
      untersucht, und es werden Modelle dieses Lebenszyklus
      entwickelt. Anhand der entwickelten Modelle werden Probleme
      identifiziert und Lösungen für diese Probleme entwickelt. Der
      Fokus liegt dabei auf den Bereichen Speicherung,
      Bereitstellung und Ausführung von virtuellen Maschinen.
      Virtuelle Maschinen werden üblicherweise in so genannten Disk
      Images, also Abbildern von virtuellen Festplatten,
      gespeichert. Dieses Format hat nicht nur Einfluss auf die
      Speicherung von größeren Mengen virtueller Maschinen, sondern
      auch auf deren Bereitstellung. In den untersuchten Umgebungen
      hat es zwei konkrete Nachteile: es verschwendet Speicherplatz
      und es verhindert eine effiziente Bereitstellung von
      virtuellen Maschinen. Maßnahmen zur Steigerung der Sicherheit
      von virtuellen Maschinen haben auf alle drei genannten
      Bereiche Einfluss. Beispielsweise sollte vor der
      Bereitstellung einer virtuellen Maschine geprüft werden, ob
      die darin installierte Software noch aktuell ist. Weiterhin
      sollte die Ausführungsumgebung Möglichkeiten bereitstellen,
      um die virtuelle Infrastruktur wirksam zu überwachen. Die
      erste in dieser Dissertation vorgestellte Lösung ist das
      Konzept der Image Composition. Es beschreibt die Komposition
      eines kombinierten Disk Images aus mehreren Schichten.
      Dadurch können Teile der einzelnen Schichten, die von
      mehreren virtuellen Maschinen verwendet werden, zwischen
      diesen geteilt und somit der Speicherbedarf für die
      Gesamtheit der virtuellen Maschinen reduziert werden. Der
      Marvin Image Compositor ist die Umsetzung dieses Konzepts.
      Die zweite Lösung ist der Marvin Image Store, ein
      Speichersystem für virtuelle Maschinen, das nicht auf den
      traditionell genutzten Disk Images basiert, sondern die darin
      enthaltenen Daten und Metadaten auf eine effiziente Weise
      getrennt voneinander speichert. Weiterhin werden vier
      Lösungen vorgestellt, die die Sicherheit von virtuellen
      Maschine verbessern können: Der Update Checker ist eine
      Lösung, die es ermöglicht, veraltete Software in virtuellen
      Maschinen zu identifizieren. Dabei spielt es keine Rolle, ob
      die jeweilige virtuelle Maschine gerade ausgeführt wird oder
      nicht. Die zweite Sicherheitslösung ermöglicht es, mehrere
      virtuelle Maschinen, die auf dem Konzept der Image
      Composition basieren, zentral zu aktualisieren. Das bedeutet,
      dass die einmalige Installation einer neuen Softwareversion
      ausreichend ist, um mehrere virtuelle Maschinen auf den
      neuesten Stand zu bringen. Die dritte Sicherheitslösung
      namens Online Penetration Suite ermöglicht es, virtuelle
      Maschinen automatisiert nach Schwachstellen zu durchsuchen.
      Die Überwachung der virtuellen Infrastruktur auf allen Ebenen
      ist der Zweck der vierten Sicherheitslösung. Zusätzlich zur
      Überwachung ermöglicht diese Lösung auch eine automatische
      Reaktion auf sicherheitsrelevante Ereignisse. Schließlich
      wird ein Verfahren zur Migration von virtuellen Maschinen
      vorgestellt, welches auch ohne ein zentrales Speichersystem
      eine effiziente Migration ermöglicht.