Bildersturm

von Tim Schürmann

Trotz des Siegeszugs der Container kommen in vielen Bereichen immer noch virtuelle Maschinen zum Einsatz. Vagrant und Co zünden diese sogar automatisch anhand einer vorgegebenen Konfiguration. Hin und wieder müssen Admins jedoch selbst Hand an die Festplatten-Images legen. In solchen Fällen springt Ihnen VirtualBox mit ein paar versteckten Werkzeugen und Einstellungen zur Seite – selbst dann, wenn Sie eigentlich ein anderes Virtualisierungsprodukt nutzen.

Nicht immer müssen es ausgewachsene Fehler sein, die den Blick in ein VM-Image notwendig machen: So wird vielleicht beim Umzug auf eine andere Virtualisierungsplattform ein alternatives Format benötigt oder das Festplatten-Abbild ist schlicht zu klein geworden und muss vergrößert werden. Bei solchen Aktionen hilft Ihnen VirtualBox [1]. Es enthält zahlreiche nützliche Werkzeuge, mit denen Sie Images öffnen, manipulieren und konvertieren können – sogar in dem Fall, wenn Sie bislang mit einer anderen Umgebung gearbeitet haben.

Wer seine VMs hingegen bereits mit VirtualBox betreibt, kann zudem die Bandbreite der virtuellen Festplatten limitieren und mit dem I/O-Cache des Host-Systems Schreiboperationen beschleunigen. Die entsprechenden Funktionen verstecken sich allerdings an gleich mehreren Stellen, einige lassen sich sogar nur über Kommandozeilenprogramme aufrufen. Die wiederum eignen sich hervorragend für den Einsatz in (Shell-)Skripten.

Alle im Folgenden vorgestellten Funktionen offeriert die unter der GNU GPL stehende VirtualBox-Fassung, die Sie auch im Unternehmen kostenlos einsetzen dürfen. Ihre Installation gelingt unter Linux über die Softwareverwaltung Ihrer Distribution, für Windows und macOS stellen die Entwickler fertige Installationspakete parat [2]. Die Virtualisierungssoftware verarbeitet prinzipiell die Formate HDD, QED, QCOW, VHD, VHDX, VMDK und das hauseigene VDI. Hinzu kommen RAW-Images, die das Bit-weise Abbild eines Datenträgers enthalten. Einige Tools in VirtualBox akzeptieren allerdings nur eine Auswahl der genannten Formate. Das betrifft insbesondere die Programme auf der Kommandozeile.

Metadaten abfragen

Besonders komfortabel manipulieren Sie Images in der grafischen Benutzeroberfläche von VirtualBox. Dort aktivieren Sie den zuständigen Media-Manager aus Bild 1 über die Tastenkombination "Strg + D" oder "Datei / Werkzeuge / Virtuelle Medien". Ein existierendes Abbild lässt sich "Hinzufügen".

Informationen über das gerade selektierte Image liefert das gleichnamige Register, das Sie unter Umständen per "Medium / Eigenschaften" hinzuholen müssen. VirtualBox verrät dort unter anderem das "Format" sowie unter "Art der Abspeicherung", ob es sich um ein "dynamisch" mit seinen Inhalten wachsendes Abbild handelt. In der Liste zeigt die Spalte "Größe", wie viel Platz ein Image tatsächlich auf der Festplatte belegt. Den in der virtuellen Festplatte bereitstehenden Platz liefert die Spalte "Endgröße". Alle diese Informationen ruft auf der Kommandozeile das Tool VBoxManage ab, im folgenden Beispiel für "ubuntu.vdi":

Im Gegensatz zu VBoxManage merkt sich der Media-Manager alle hinzugefügten Images. Dieses Gedächtnis ist nützlich, wenn Sie das Abbild direkt unter VirtualBox in eine virtuelle Maschine einhängen möchten. Damit der Media-Manager ein Image wieder vergisst, lassen Sie es "Entfernen".

In den Metadaten der Images finden sich unter Umständen sogenannte Properties. Sie steuern das Verhalten oder liefern wichtige ergänzende Informationen. Alle enthaltenen Properties verrät "VBoxManage showmediuminfo" unter "Property". Ein solches ändern Sie mit VBoxManage. Im folgenden Fall würde im Abbild "linux.vmdk" das Property "Partitions" auf "5" gesetzt:

Die Änderung eines Property kann allerdings weitreichende Auswirkungen haben. Sie sollten es daher nur dann verändern, wenn Sie wissen, was Sie tun.

Image erstellen

Falls Sie ein neues, leeres Image benötigen, klicken Sie im Media-Manager auf "Erzeugen". Den hervorgeholten Assistenten schalten Sie in den "Experten-Modus". Nur in ihm stehen sämtliche Optionen und Dateitypen bereit. Bei den meisten Formaten können Sie die "Volle Größe im Voraus allozieren" und so ein Image mit fester Größe erzeugen. Wenn Sie sich für das VMDK-Format entscheiden, lässt sich das Abbild über die entsprechende Option in 2 GByte fassende Dateien aufteilen. Das ist hilfreich, wenn Sie das Image auf einem USB-Stick mit FAT32-Dateisystem transportieren möchten.

Auf der Kommandozeile erzeugt VBoxManage mit "createmedium" ein neues Image. Die notwendigen Eckdaten übergeben Sie dabei in Parametern:

Hinter "--filename" folgt der Dateiname, "--size" verrät die Größe der virtuellen Festplatte in MByte. Als Formate stehen ausschließlich "VDI", "VMDK" und "VHD" zur Wahl. "--variant=Standard" sorgt für ein dynamisch wachsendes Abbild, ein Exemplar mit fester Größe erzeugt "--variant=Fixed". Sofern Sie sich für das VMDK-Format entschieden haben, können Sie hinter "--variant=" noch drei Alternativen wählen: "Split2G" verteilt das Image über 2 GByte große Dateien, "Stream" und "ESX" optimieren es für den Download beziehungsweise für die Zusammenarbeit mit entsprechenden VMware-Produkten.

Abbild vergrößern

Über den Media-Manager können Sie nachträglich VDI-, VHD- und QED-Images vergrößern. Dazu ziehen Sie auf dem Reiter "Attribute" die "Größe" auf den passenden Wert und lassen die Einstellung "Sichern". VBoxManage vergrößert ebenfalls ein Abbild, unterstützt dabei aber nur das VDI- und VHD-Format:

Nach diesem Kommando würde die virtuelle Festplatte im Image "ubuntu.vdi" 15.360 MByte und somit 15 GByte Speicher zur Verfügung stellen.

Sowohl der Media-Manager als auch VBoxManage können eine virtuelle Festplatte nur vergrößern, aber nicht verkleinern. Das Dateisystem beziehungsweise die Betriebssysteme im Image bekommen zudem von der Vergrößerung nichts mit. Sie müssen deshalb noch das Abbild in eine laufende VM einhängen und dort mit entsprechenden Werkzeugen die Partitionen anpassen.

Image kopieren

VM-Abbilder lassen sich jederzeit duplizieren. Um etwa mehrere identische Datenbankinstanzen in Betrieb zu nehmen, müssen Sie nur das Image einer passenden VM kopieren. Diese bestechende Idee verhindern allerdings einige Virtualisierungsplattformen: Jedes Image besitzt eine eindeutige Identifikationsnummer, die UUID. Der Media-Manager verrät sie auf dem Register "Informationen", "VBoxManage showmediuminfo" neben "UUID". VirtualBox und einige andere Kollegen lehnen Abbilder mit einer bereits bekannten UUID kategorisch ab. Wenn Sie ein Image duplizieren möchten, müssen Sie folglich nach dem Kopieren die UUID des Klons ändern.

Beide Schritte erledigt für Sie der Media-Manager via "Kopieren". Schalten Sie im erscheinenden Assistenten in den "Experten-Modus" und wählen Sie im oberen Bereich den Speicherort für das Duplikat – mehr ist nicht notwendig.

VBoxManage kopiert mit folgendem Befehl "ubuntu.vdi" in die Datei "clone.vdi", die automatisch eine andere UUID erhält:

Einige Linux-Distributionen sowie Windows-Systeme überprüfen bei ihrem Start die UUID des Datenträgers. Sollten sie eine veränderte UUID erkennen, verweigern sie die Arbeit oder verlangen eine (erneute) Aktivierung. Sie müssen daher unter Umständen das System beispielsweise den Bootloader im Image umkonfigurieren. Achten Sie zudem beim Klonen auf die Lizenzbedingungen der im Abbild installierten Software.

Eine UUID dürfen Sie eigentlich nicht selbst modifizieren. Mit einem inoffiziellen, versteckten Kommando in VBoxManage gelingt das dennoch. Der folgende Befehl setzt die UUID in "ubuntu.vdi" auf "1234":

Snapshots klonen

In VirtualBox können Sie Snapshots alias Sicherungspunkte anlegen. Dabei erzeugt VirtualBox ein neues leeres Image, das ab sofort alle gegenüber dem ursprünglichen geänderten Datenblöcke sammelt. Es ist daher auch von einem Differenzabbild (Differencing Image) die Rede. Solche stellt der Media-Manager wie in Bild 4 ersichtlich eingerückt dar. In der Ausgabe von VBoxManage showmediuminfo sind Differenzabbilder unter "Type" mit einem "differencing" gekennzeichnet. Die UUID des ursprünglichen verknüpften Images ist die "Parent UUID".

Sowohl im Media-Manager als auch in VBoxManage lassen sich Differenzabbilder wie normale Images verwenden und beispielsweise kopieren. VirtualBox achtet darauf, dass alle zugehörigen Inhalte im Duplikat landen. Nachdem Sie im Media-Manager einen Snapshot ausgewählt haben, kontrollieren Sie unbedingt noch einmal auf dem Reiter "Informationen", ob Sie den korrekten Kandidaten erwischt haben. Unter "angeschlossen an" finden Sie in den Klammern den Namen des Snapshots. Der jeweils aktuelle Stand der VM wartet im letzten Snapshot ohne Namen.

In den VBoxManage-Befehlen müssen Sie anstelle eines Dateinamens die UUID des Differenzabbildes angeben. Die wiederum verrät Ihnen der Media-Manager oder VBoxManage list hdds. Letztgenannter Befehl liefert sämtliche in VirtualBox bekannten Images, weshalb die Liste recht umfangreich ausfallen kann.

Abbilder konvertieren

Beim Kopieren erzeugt VirtualBox ein neues, leeres Image und kopiert den Inhalt des Quellabbilds hinein. Dabei können Sie für das Duplikat ein anderes Format wählen. Auf diese Weise lässt sich etwa der Inhalt eines VDI-Images in ein VMDK-Abbild umtopfen. Im Media-Manager wählen Sie "Kopieren" und dann im Dropdown-Menü das gewünschte Format. Unter VBoxManage nutzen Sie den obigen clonemedium-Befehl. Das Format geben Sie in den schon bekannten Parametern "--format=" und "--variant=" an, die Sie am Ende des Befehls platzieren.

Im Media-Manager dürfen Sie der duplizierten virtuellen Festplatte auch direkt noch mehr Speicherplatz spendieren. Dazu ziehen Sie den Regler auf die gewünschte Größe. VBoxManage kann dies beim Kopieren leider nicht, hier müssen Sie den Klon nachträglich mit VBoxManage modifymedium disk vergrößern.

Im Gegenzug kann VBoxManage einen realen Datenträger in ein VDI-Image gießen. Dazu benötigen Sie die zugehörige Gerätedatei:

Hier liest VBoxManage die unter "/dev/ sdb" erreichbare Festplatte Bit-weise aus und schiebt sie in das Image "fedora.vdi". Dessen Format definieren wieder die bekannten Parameter. Für den Aufruf des Befehls benötigen Sie unter Umständen passende Zugriffsrechte, die Sie unter Linux etwa mit einem vorangestellten "sudo" erlangen. Alternativ können Sie mit einem Tool wie "dd" zunächst den realen Datenträger in eine RAW-Datei auslesen und diese dann anstelle der Gerätedatei VBoxManage vorsetzen.

Abschließend nimmt VBoxManage die Daten auch über die Standardeingabe entgegen. Dazu tauschen Sie im obigen Befehl die Gerätedatei gegen "stdin". Dann können Sie den Inhalt eines Datenträgers über eine Pipe in ein Image leiten. Unter Linux sieht das beispielsweise so aus:

Hier schiebt dd den Inhalt von "/dev/ sdb" über die Pipe an VBoxManage, das wiederum die Daten in das Image "fedora.vdi" lenkt. Die Zahl hinter dem Dateinamen gibt dabei an, wie viele Bytes VBoxManage insgesamt liest. Im Beispiel ist der Datenträger 32.212.254.720 Bytes und somit 30 GByte groß. Diese Größenangabe ist beim Einsatz von "stdin" Pflicht. An den passenden Wert gelangen Sie mit einem entsprechenden Werkzeug, unter Linux etwa via sudo fdisk -l /dev/sdb.

Sinnvoll komprimieren

Der Media-Manager und VBoxManage ignorieren beim Kopieren eines Images alle Datenblöcke, die ausschließlich Nullen enthalten. Damit belegt das Duplikat unter Umständen etwas weniger Speicherplatz auf dem realen Datenträger als das Original. VBoxManage entfernt solche Datenblöcke sogar nachträglich aus einem bestehenden Abbild. Der folgende Befehl radiert alle Datenblöcke mit Nullen aus "ubuntu.vdi":

Da mit Nullen gefüllte Datenblöcke in der Praxis selten auftreten, dürfte der Platzgewinn überschaubar ausfallen. Um mehr herauszuholen, müssen Sie der Funktion unter die Arme greifen: In dynamisch wachsenden Images bleiben gelöschte Inhalte erst einmal liegen, bis sie andere Daten überschreiben. Netterweise existieren einige Werkzeuge, die diese überflüssigen Datenblöcke gezielt mit Nullen überschreiben.

Unter Windows gelingt das beispielsweise mit dem Befehl sdelete -z, auf macOS-Systemen hilft der Aufruf diskutil secureErase freespace 0 /, während Linux-Anwender mit Ext2-, Ext3- und Ext4-Dateisystem auf das Tool zerofree zurückgreifen. Zünden Sie diese Werkzeuge in der virtuellen Maschine und lassen Sie anschließend von VBoxManage das zugehörige Image mit dem obigen Befehl schrumpfen. Das Ergebnis ist dann häufig ein deutlich kompakteres Abbild. Lohnenswert ist diese Schrumpfkur vor allem bei Images, in denen sich das Betriebssystem bereits mehrfach aktualisiert hat.

Image mounten

Unter Linux und macOS können Sie ein Image wie einen normalen Datenträger mounten. Dies ermöglicht das Kommandozeilenwerkzeug "vboximg-mount". Es bedient sich im Hintergrund des Filesystems in Userspace (FUSE), das auf Ihrem System aktiviert sein muss. Des Weiteren darf niemand auf das Abbild zugreifen und es dürfen keine virtuellen Maschinen laufen. Sofern diese Voraussetzungen erfüllt sind, rufen Sie "vboximg-mount" wie folgt auf:

Hinter "--image" müssen Sie den kompletten Pfad zum Abbild angeben. "--list" sorgt dafür, dass der Befehl wie in Bild 5 alle im Image enthaltenen Partitionen auflistet. Diese Partitionen nummeriert das Werkzeug in Klammern von 0 beginnend an durch. Um eine dieser Partitionen einzubinden, lassen Sie zunächst einen sogenannten Device Node erstellen:

Im Verzeichnis "mynode" finden Sie anschließend mehrere Dateien. Die mit "vol" beginnenden erlauben den Zugriff auf die einzelnen Volumes beziehungsweise Partitionen. Sofern auf Ihrem System ein Treiber für das dortige Dateisystem vorhanden ist, können Sie die entsprechende Partition wie einen normalen Datenträger mounten:

In diesem Beispiel sind die Inhalte der dritten Partition ("vol2") im Verzeichnis "mycontent" erreichbar. Auf einigen Systemen scheitert dies an fehlenden Rechten beziehungsweise der FUSE-Konfiguration. Entfernen Sie dann in der Datei "/etc/fuse. conf" das Hash-Zeichen "#" vor "user_ allow_other" und ergänzen Sie im vboximg-mount-Befehl den Parameter "-o allow_ root" vor "mynode" (Bild 6).

Jetzt sollten Sie "mynode/vol2" mit Root-Rechten einhängen können:

Das Kommando bindet das Image standardmäßig immer nur schreibgeschützt ein. Wenn Sie die Inhalte verändern möchten, geben Sie "vboximg-mount" noch den Parameter "--rw" mit auf den Weg.

Das Tool kennt zudem noch den Parameter "-g". Mit ihm erzeugt "vboximg-mount" unter "mynode" für jede Partition ein Verzeichnis. In diesen Ordnern wartet der Inhalt der jeweiligen Partition. Die Verzeichnisnamen beginnen mit "fd", gefolgt von der Nummer der Partition. Im Ordner "fd2" finden Sie folglich den Inhalt der dritten Partition. Mit dem Parameter "-g" sparen Sie sich nicht nur einen "mount"-Aufruf, Ihr System benötigt auch keinen passenden Dateisystemtreiber. Darüber hinaus müssen Sie sich nicht mit den Zugriffsrechten herumschlagen. Diese hilfreiche Funktion gilt allerdings noch als experimentell. Obendrein klappt der Zugriff nur lesend auf die Dateisysteme FAT, NTFS, Ext2, Ext3 und Ext4.

Controller ändern

Um herauszufinden, ob das Betriebssystem im Image noch startet, müssen Sie es in einer virtuellen Maschine booten. In der grafischen Oberfläche von VirtualBox klicken Sie sich eine solche hinter "Maschine / Neu" zusammen. Abhängig vom eingestellten Betriebssystem wählt der Assistent automatisch die passenden Massenspeichereinstellungen. Um die zu kontrollieren, selektieren Sie die neue VM und wählen "Maschine / Ändern", gefolgt von "Massenspeicher".

In der Regel hat der Assistent das Image als virtuelle SATA-Festplatte an einen entsprechenden (AHCI-)Controller gestöpselt. Hinderlich ist diese Standardeinstellung, wenn Sie ein SCSI-Treiberproblem untersuchen möchten. Um den Controller auszutauschen, selektieren Sie ihn in der Liste und passen auf der rechten Seite den "Typ" an, für SCSI wählen Sie "LsiLogic SAS". Soll VirtualBox ein SSD-Laufwerk simulieren, müssen Sie noch das Abbild selektieren und rechts "SSD-Laufwerk" aktivieren. Abhängig vom Controller können Sie dort auch den Port einstellen, an dem der Datenträger hängt, sowie festlegen, ob das Laufwerk Hotplug-fähig ist. Über die kleinen Symbole am unteren Ende der Liste fügen Sie weitere Controller und virtuelle Datenträger hinzu.

Auf der Kommandozeile erstellt der folgende Befehl eine neue VM namens "Ubuntu" für Ubuntu 22.04:

Alle möglichen Betriebssystemkürzel liefert VBoxManage list ostypes. Einen neuen SATA-Controller namens "SATA" mit Intel-Chipsatz verbaut in der VM "Ubuntu" das Kommando

Über den frei wählbaren Namen identifizieren Sie im Folgenden den Controller. An den SATA-Port 0 können Sie jetzt die virtuelle Festplatte ("--type hdd") aus dem Image "ubuntu.vdi" unter der Gerätenummer 0 hängen:

Die bereits verbauten Controller samt ihrer Namen verrät VBoxManage show-vminfo "Ubuntu". Die Maschine selbst startet VBoxManage startvm "Ubuntu".

Cache-Beschleunigung nutzen

Schreibt eine VM in ein Image, sammelt das Host-Betriebssystem diese Schreiboperationen zunächst in einem I/O-Cache. Damit sind die Schreiboperationen für das Gastsystem zwar extrem flott abgeschlossen, die eigentlichen Daten landen jedoch erst später auf dem physischen Datenträger. Damit steigt die Gefahr eines Datenverlusts, wie etwa bei einem Stromausfall. Sehr viele Schreiboperationen lassen zudem den Cache volllaufen und zwingen so das Host-Betriebssystem in die Knie.

Aus diesen Gründen nutzt VirtualBox standardmäßig nicht den I/O-Cache. In der Folge laufen alle Schreiboperationen etwas langsamer ab. Das bekommen Sie etwa zu spüren, wenn ein Linux-Gast ein Kernel-Update einspielt. Sofern Ihre VMs nicht extrem viele Schreiboperationen ausführen, können Sie rechts in den Massenspeicher-Einstellungen den verbauten Controller den "Host I/O-Cache verwenden" lassen. Mit VBoxManage knipsen Sie den Cache des Controllers "SATA" in der VM "Ubuntu" wie folgt an:

Bandbreite limitieren

Um in der VM Massenspeicherproblemen auf die Spur zu kommen, schränken Sie mit VBoxManage gezielt die Bandbreite der virtuellen Festplatten ein:

Dieser Befehl legt in der VM "Ubuntu" für die virtuellen Festplatten ("--type disk") ein Limit von 20 MByte pro Sekunde fest. Sehr wahrscheinlich sollen nur ganz bestimmte Datenträger unter diese Beschränkung fallen. Um nicht jeden einzeln maßregeln zu müssen, erstellt der Befehl erst einmal nur eine Gruppe namens "Slow". Alle Datenträger, die dieser Bandwidth Group angehören, arbeiten automatisch nur mit 20 MByte pro Sekunde. Der folgende Befehl hängt das Image "ubuntu.vdi" in die virtuelle Maschine "Ubuntu" und steckt sie gleichzeitig in die Gruppe "Slow":

Fazit

In der grafischen Oberfläche und auf der Kommandozeile versteckt VirtualBox viele nützliche Werkzeuge, von denen einige sogar rechte Multitalente sind. Die "Kopieren"-Funktion etwa klont ein Image, konvertiert es, vergrößert es und lässt auch noch überflüssige Datenblöcke zurück – alles in einem Schritt. Wenn Sie häufiger mit virtuellen Festplatten arbeiten, sollten Sie daher die entsprechenden Funktionen der Virtualisierungsplattform ausprobieren.

VM-Images mit VirtualBox verwalten