Definition Was ist Virtual Networking?

Beim Virtual Networking werden virtuelle Netzwerke entkoppelt von der darunter liegenden physischen Netzwerkinfrastruktur eingerichtet und betrieben. Beispiele für Virtual Networking sind VPNs, VLANs, VXLANs, die Vernetzung virtueller Maschinen oder virtuelle private Kundennetze in Cloud-Umgebungen.

Der Begriff Virtual Networking bezeichnet Technologien und Verfahren, um Netzwerke und Netzwerkressourcen von der physischen Netzwerkinfrastruktur zu entkoppeln. Auf einer physischen Netzwerkinfrastruktur werden virtuelle, softwarebasierte Overlay-Netzwerke eingerichtet und betrieben, die logisch voneinander abgegrenzt sind. Es entstehen abstrahierte Netzwerke mit von der physikalischen Ebene unabhängigen Topologien, über die sich Endgeräte, virtuelle Maschinen, Anwendungen oder Netze sicher miteinander verbinden lassen.

Virtual Networking ist für die Netzwerkteilnehmer transparent. Aus Sicht der mit einem virtuellen Netzwerk verbundenen Netzwerkteilnehmer besteht bezüglich der Vernetzung und der Kommunikationsmöglichkeiten kein Unterschied zu einem physischen Netzwerk. Änderungen an virtuellen Netzwerken lassen sich durchführen, ohne dass die darunterliegende physische Netzwerkinfrastruktur angepasst werden muss. Virtuelle Netzwerkfunktionen und Netzwerkkonfigurationen basieren auf Software oder auf Netzwerkprotokolloptionen und lassen sich auch mithilfe virtualisierter Netzwerkkomponenten wie virtueller Netzwerkadapter, Router oder Switches abbilden.

Beispiele für typische Anwendungsbereiche des Virtual Networking

Virtual Networking kommt in zahlreichen Anwendungsbereichen zum Einsatz. Abstrahierte, logische Netze ermöglichen beispielsweise eine sichere Kommunikation über öffentliche und potenziell unsichere Netzwerke wie das Internet. Virtual Networking lässt sich aber auch einsetzen, um Netzwerkverkehr zu steuern und Lasten zu verteilen oder virtuelle Maschinen beziehungsweise virtuelle Server miteinander zu verbinden. Weitere Anwendungsbereiche sind die Bereitstellung von Testumgebungen oder die Einrichtung sicherer, privater und von anderen Teilnehmern und ihren Ressourcen abgegrenzter Kundennetze in Cloud-Umgebungen.

Ein Beispiel für Virtual Networking in Cloud-Umgebungen ist Azure Virtual Network von Microsoft. Dieser Dienst ermöglicht die Bereitstellung eines virtuellen privaten Netzwerks in einer Azure-Cloud-Umgebung. Andere Cloud-Anbieter wie Google, Amazon, Oracle oder IBM haben ähnliche Dienste in ihrem Portfolio, mit denen sich die Einrichtung virtueller privater Clouds realisieren lässt.

Unterscheidung zwischen internen und externen virtuellen Netzwerken

Beim Virtual Networking wird häufig zwischen internen und externen virtuellen Netzwerken unterschieden. Interne virtuelle Netzwerke werden auf demselben Rechner beziehungsweise Server eingerichtet und betrieben. Sie verbinden beispielsweise mehrere auf diesem Server betriebene virtuelle Maschinen untereinander oder mit externen Netzen. Die Kommunikation der virtuellen Ressourcen findet nicht über ein echtes, physisches Netzwerk statt. Es werden virtuelle Netzwerke, die sich aus Sicht der virtuellen Maschinen wie reale Netzwerke verhalten, emuliert und genutzt. Sie stellen die Netzwerkpakete entsprechend der logischen Netzwerkkonfiguration den gewünschten Netzwerkzielen zu. Virtuelle Maschinen kommunizieren mit Standardnetzprotokollen über die internen virtuellen Netzwerke. Die internen virtuellen Netzwerke dienen als definierte, auf Netzwerkebene steuerbare Schnittstellen zur Inter-VM-Kommunikation und machen nur schwer zu kontrollierende Interprozesskommunikationen zwischen VMs auf einem Server überflüssig.

Externe virtuelle Netzwerke verbinden verschiedene physische Netzwerkteilnehmer oder virtuelle Ressourcen unterschiedlicher Lokationen miteinander. Das Virtual Networking findet über physische Netzwerkgeräte statt, auf denen die logischen, softwarebasierten Netzwerke und Netzwerkelemente konfiguriert sind. Physische Netzwerkgeräte sorgen für den Transport der Datenpakete der übergeordneten virtuellen Netze. Virtuelle Netzwerktopologien und Kommunikationsmöglichkeiten können sich von der zugrundeliegenden physischen Netzwerkinfrastruktur unterscheiden.

Prinzipielle Funktionsweise des Virtual Networking

Beim Virtual Networking wird auf einer zugrundeliegenden physischen Netzwerkinfrastruktur eine Abstraktionsschicht eingerichtet. Auf dieser logischen Abstraktionsschicht lassen sich softwarebasiert oder über zusätzliche Netzwerkprotokollelemente und -optionen gesteuert virtuelle Overlay-Netzwerke einrichten, konfigurieren und betreiben, die von der physischen Netzwerkinfrastruktur entkoppelt sind. Ähnlich wie bei der Einrichtung von virtuellen Maschinen auf einem physischen Server ist eine Art von Hypervisor notwendig, der die Abstraktionsschicht für die virtuellen Netze bereitstellt und für deren Abgrenzung untereinander sorgt. Die Einrichtung der virtuellen Netzwerke findet über diesen "Netzwerk-Hypervisor" softwarebasiert statt und erfordert keine Anpassungen der physischen Netzwerkkomponenten.

Um die gewünschte Topologie herzustellen, werden zum Beispiel getunnelte oder über Tagging gekennzeichnete Verbindungen zwischen den gewünschten Endpunkten eingerichtet. Für die Netzwerkteilnehmer selbst erscheint das virtuelle Netzwerk wie ein reales Netzwerk. Die Teilnehmer verwenden Standardnetzwerkprotokolle und kommunizieren über physische oder virtuelle Netzwerkadapter, ohne zu "wissen", ob sie ein physisches oder ein virtuelles Netzwerk nutzen.

Verschiedene Arten von Virtual Networking

Virtual Networking lässt sich über unterschiedliche Verfahren realisieren und in verschiedene Arten einteilen. Die am häufigsten genannten Arten von Virtual Networking sind:

• das Virtual Private Network (VPN)

• das Virtual Local Area Network (VLAN)

• das Virtual Extensible LAN (VXLAN)

Virtuelle private Netzwerke (VPNs) werden in der Regel auf öffentlichen, als potenziell unsicher geltenden Netzwerken eingerichtet. Typischer Anwendungsbereich eines VPNs ist die Herstellung einer sicheren Kommunikationsverbindung über das öffentliche Internet. Das VPN verbindet Endgeräte oder Netzwerke mit einem zentralen Netzwerk. Zwischen den VPN-Clients und dem VPN-Server werden verschlüsselte Verbindungen aufgebaut. Das Internet transportiert die verschlüsselten Daten, ohne selbst Einblick in diese zu haben. Routingkomponenten des Internets kennen nur die entsprechenden Tunnelendpunkte der Kommunikation und deren Adressen. Typischer Einsatzbereich eines VPNs ist die Verbindung eines Heim- oder Remote-Arbeitsplatzes mit dem Unternehmensnetzwerk über das Internet.

Bei einem VLAN werden physische lokale Netzwerke in mehrere logische LANs aufgeteilt. Die Segmentierung des physischen LANs findet auf der Netzwerkschicht 2 (Sicherungsschicht, Data Link Layer) statt, indem die Datenframes zusätzlich getaggt werden. Über die Auswertung dieser VLAN-Tags lassen sich Netzwerkverkehre und Netzwerkteilnehmer logisch voneinander trennen. Auf einem einzigen physischen LAN sind so mehrere tausend virtuelle VLANs konfigurierbar und betreibbar. Über ein VLAN lassen sich aber auch mehrere physisch getrennte LANs zu einem einzigen umfassenden virtuellen LAN verbinden. Aus Endgerätesicht verhält sich ein Virtual Local Area Network wie ein physisches LAN-Segment.

Das Virtual Extensible LAN (VXLAN) ermöglicht wie das VLAN das Einrichten und Betreiben virtueller LAN-Segmente. Im Gegensatz zum VLAN erweitert das VXLAN die Segmentierungsmöglichkeiten auf den Layer 3 (Vermittlungsschicht, Network Layer) beziehungsweise den Layer 4 (Transportschicht, Transport Layer) des OSI-Refernzmodells. Daten und Adressen der Schicht 2 werden in UDP-Datenpakete (User Datagram Protocol) eingepackt, die sich über verschiedene Netzwerke hinweg über ihre IP-Adressen routen und zustellen lassen. Dadurch vergrößert sich die Anzahl der maximal möglichen Layer-2-LAN-Segmente deutlich auf über 16 Millionen. Die virtuellen lokalen Netzwerke können sich über große IP-Netze hinweg erstrecken.

Vorteile durch Virtual Networking

Virtual Networking bietet zahlreiche Vorteile. Zu diesen zählen:

• sichere Datenkommunikation unabhängig vom zugrundeliegenden physischen Netzwerk

• hoher Sicherheitslevel durch Segmentierung von Netzen und Netzwerkverkehren

• effiziente, zentralisierte Verwaltung und Pflege der Netzwerke

• hoher Automatisierungsgrad dank softwarebasierter Verwaltung

• schnelle Einrichtung und Bereitstellung virtueller Netze

• reduzierter Hardwareaufwand

• hohe Flexibilität der Netzwerkbereitstellung und Netzwerkkonfiguration

• gute Kontroll- und Überwachungsmöglichkeiten

Nachteile und Herausforderungen durch Virtual Networking

Virtual Networking bringt auch einige Nachteile und Herausforderungen mit sich. Durch die Einführung einer zusätzlichen Abstraktionsschicht und logischer Netzwerkstrukturen ist neben der physischen Managementebene eine weitere Netzwerkmanagementebene notwendig. Die Komplexität des Gesamtnetzwerks steigt. Die Fehlersuche und das Troubleshooting sind unter Umständen erschwert, da bei Problemen sowohl der physische Layer als auch die virtuelle Netzwerkebene berücksichtigt werden müssen.

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