Virtualisatie onder Linux

Windows af en toe gebruiken op een Linux-pc zonder dual-boot,  of een nieuwe Linux-distributie uitproberen? Geen probleem: de tools voor virtualisatie zitten al in Linux.

Virtualisatie is bij servers een gangbare manier om een flexibele, portable en uitvalveilige infrastructuur op te zetten. In een virtuele machine kan een ander besturingssysteem worden geïnstalleerd dat volledig autonoom en geïsoleerd draait. Dat kun je ook op een desktopcomputer prima doen.

Met de juiste processoruitbreidingen en slimme oplossingen in de virtualisatiesoftware draait een virtuele machine bijna even snel als de echte hardware. De op het hostsysteem aangesloten apparaten kunnen naar de gastsystemen worden doorgeleid. En je hebt zelfs geen root-privileges of speciale rechten meer nodig om dat te doen.

Er zijn verschillende redenen om virtuele machines op een desktopsysteem of notebook te gebruiken. Bijvoorbeeld als je van Windows wilt overstappen naar Linux, maar niet kunt zonder sommige programma’s die alleen onder Windows draaien. Maar al te vaak helpt de Wine runtime-omgeving dan niet.

Een dualboot-oplossing is vaak omslachtig en gedoe omdat dat telkens opnieuw opstarten en dus meer tijd vergt – en dan niet alle bestanden beschikbaar zijn voor het andere systeem. In plaats daarvan is het veel handiger om Windows gewoon in een programmavenster te starten of het even uit een diepe slaap te wekken.

Zelfs het kopiëren en plakken tussen een host- en gast­systeem werkt meestal zonder problemen. Met behulp van snapshots kan de status van een systeem worden geback-upt en opnieuw worden ingesteld in geval van storingen en als de installatie niet meer werkt.

Een virtuele machine is ook nuttig als bepaalde software alleen onder Windows 7 of zelfs XP draait. Aangezien Microsoft daar geen beveiligingslekken meer van dicht, is het gebruik ervan uit veiligheidsoogpunt zeer problematisch.

Ontvang gratis info over Linux, hardware en meer, schrijf je in voor de nieuwsbrief:

Om die oude software toch met een gerust hart te kunnen gebruiken, hoef je alleen maar de netwerk- of internettoegang van de virtuele machine af te sluiten. Als internettoegang voor de software noodzakelijk is, moet je dringend op zoek naar een alternatief of een update.

Maar er zijn meer scenario’s denkbaar waarbij virtuele machines handig zijn. Wij gebruiken virtuele machines om de gebruikersinterfaces van nieuwe Linux-systemen uit te proberen of om nieuwe versies te vergelijken met oude.

Wat hardware-ondersteuning betreft krijgen we dan een goede eerste indruk, we kunnen wat screenshots maken of even snel iets controleren. Ontwikkelaars en systeembeheerders gebruiken virtuele machines om testsystemen op te zetten, daar mee te experimenteren of hun eigen software uitgebreid te testen.

Dit praktijkartikel richt zich op virtuele machines voor persoonlijk gebruik die kunnen worden opgezet en beheerd met een grafische gebruikersinter­face. We richten ons daarbij voornamelijk op makkelijk te gebruiken hulpmiddelen zoals Libvirt, een abstractie­laag voor verschillende virtualisatietechnieken zoals KVM (Kernel-based Virtual Machine) en Xen.

We gebruiken Libvirt hier echter uitsluitend voor virtuele machines gerealiseerd met QEMU en KVM. Grafische programma’s zoals Gnome Boxes en de door Red Hat ontwikkelde Virtual Machine Manager, beter bekend als virt-manager, maken het installeren en beheren een stuk eenvoudiger.

Gnome Boxes maakt het makkelijk om virtuele machines aan te maken en virt-­manager geeft je de flexibiliteit om ze te configureren naar je behoeften.

EMU is, in tegenstelling tot wat de naam Quick EMUlator doet vermoeden, niet alleen een emulator, maar ook een virtualisatie-oplossing. Het kan worden gebruikt om verschillende architecturen te emuleren, bijvoorbeeld om software voor ARM-chips op een x86-systeem te draaien, maar ook om gevirtualiseerde hardware te creëren.

In combinatie met de ingebouwde KVM-hypervisor van de Linux-kernel draait een x86-gastsysteem op een x86-systeem met zeer weinig verlies aan snelheid.

Wat latentie kan merkbaar zijn, maar een soepele werking is zonder problemen mogelijk. KVM vereist processors met instructieset-uitbreidingen voor virtualisatie. AMD noemt die technologie gewoon AMD-V, Intel gebruikt daar de naam VT-x voor.

Alle populaire processors hebben die extensies, maar het kan zijn dat je ze moet inschakelen in de BIOS-­set-up. Om te controleren of je systeem de virtualisatie-­extensie ondersteunt, open je een terminal en typ je het volgende commando in: lscpu | grep Virt

Het commando lscpu toont een lijst van de naam en eigenschappen van de cpu, en grep filtert de specifieke invoer waar je naar op zoek bent. De hoofdletter V is belangrijk, anders krijg je andere informatie.

Een output als Virtualisation: VT-x wijst op een virtualisatie-uitbreiding die klaar is voor gebruik. Als het commando niets oplevert, ondersteunt de processor dat niet of is het nog niet ingeschakeld. Raadpleeg in geval van twijfel de databases van de processor­fabrikanten.

Als de cpu een VT-uitbreiding heeft, maar die wordt niet weergegeven door lscpu, start je de computer opnieuw op en open je de BIOS-set-up. Zoek naar termen als Virtualisatie, Intel VT of SVM (op een AMD-systeem) en activeer de overeenkomstige items.

Die zitten meestal verborgen bij secties als CPU Configuration, Chipset of Advanced, maar kunnen ook gevonden worden onder Security. Activeer ook extensies zoals VT-d (Intel) of IOMMU/AMD-Vi (AMD), die de hardwaretoegang, bestandsbewerkingen en het netwerkverkeer in een virtuele machine versnellen.

Bovendien maken ze het mogelijk fysieke hardware-uitbreidingen zoals insteekkaarten rechtstreeks in de virtuele machine te gebruiken. De afzonderlijke opties zijn deels ook onderverdeeld in verschillende (sub)categorieën, zoals Northbridge of System Agent.

Naast de juiste cpu is er ook opslagruimte nodig voor de virtuele harde schijven en voldoende RAM. De ontwikkelaars van Gnome Boxes raden minimaal 8 GB RAM aan en 20 GB vrije ruimte op de schijf.

Als je echter slechts 8 GB RAM beschikbaar hebt, moet je andere toepassingen afsluiten en voorbereid zijn op een wat traag systeem, vooral met Windows.
De ruimte op de harde schijf moet je per virtuele harde schijf inplannen, en afhankelijk van het gastsysteem is aanzienlijk meer nodig.

We adviseren 20 GB voor een grafisch Linux-systeem en zelfs 75 GB of meer voor Windows 10. De virtuele schijven worden aangemaakt in het QEMU-formaat Qcow2 en nemen alleen de werkelijk gebruikte ruimte in.

Dus als je 50 GB voor een virtuele schijf ingepland hebt, maar er momenteel slechts 20 GB door het gastsysteem worden gebruikt, zal de qcow2-image op de schijf van het hostsysteem gewoonlijk niet meer dan die 20 GB in beslag nemen.

Voel je in geval van twijfel dus vrij om de image-­bestanden wat royaler te maken, maar vergeet niet dat je hostsysteem en andere virtuele machines ook zullen groeien en dat snapshots extra ruimte in beslag zullen nemen.

De snelste manier om een virtuele machine op te zetten is met Gnome Boxes, dat in de eerste plaats fungeert als een grafisch front-end voor Libvirt. Zoals typisch voor een Gnome-toepassing, zijn de instellingen beperkt tot het essentiële.

De libvirt-daemon die gebruikt wordt door Gnome Boxes heeft geen extra rechten nodig, omdat het volledig in de context van de gebruiker draait (qemu:///session). De images van de virtuele schijven staan dan in de eigen homedirectory van de gebruiker in ~/.local/share/gnome-boxes/images/. Alleen de netwerkconfiguratie is beperkt, maar voldoende voor de meeste doeleinden.

Met de Express Installation zet Gnome Boxes het systeem volledig automatisch op en maakt ook
de gewenste gebruiker met wachtwoord aan.

Installeer Gnome Boxes via het pakket gnome-boxes met de pakketmanager, bijvoorbeeld apt install gnomeboxes in Debian, Linux Mint en Ubuntu. Bij Fedora Workstation is Gnome Boxes standaard al geïnstalleerd.

Als alternatief kun je de laatste versie als flatpak van Flathub.org krijgen. Die variant zet de images in ~/.var/app/org.gnome.Boxes/data/gnome-boxes/.
Open Gnome Boxes en klik op het pluspictogram in de linker bovenhoek. Klik dan op ‘Create a Virtual Machine’.

Er verschijnt een dialoogvenster waarmee je een besturingssysteemimage kunt downloaden of er een kunt selecteren die je lokaal hebt staan. ­Gnome Boxes stelt meteen al sommige distributies voor.

Je kunt er meer vinden bij de downloadlijst die staat bij ‘Operating System Download’, en nog meer als je op de drie puntjes onderaan klikt. Naast de gang­bare Linux-distributies zijn dat ook BSD-systemen en zelfs FreeDOS.

Als je besluit er een te downloaden, zal Gnome Boxes de installatie-image op de achtergrond downloaden en je daar vervolgens van op de hoogte brengen.
Als je al een iso-bestand hebt, open je het dialoogvenster voor het selecteren ervan via het item Operating System Image File’ en open je de gewenste image.

Als Gnome Boxes het te installeren besturingssysteem kan detecteren, zal hij meteen waarden voorstellen voor de grootte van het RAM en de schijf. Indien nodig kun je de toegewezen resources wijzigen via de knop.

Voor sommige images biedt Gnome Boxes een Express Install aan, zoals Ubuntu Server, openSUSE en Red Hat Enterprise. Daar hoef je dan verder alleen een gebruikersnaam en het wachtwoord bij op te geven, en Gnome Boxes zorgt dan automatisch voor de rest van de installatie.

Bij het installeren van bijvoorbeeld openSUSE en Debian bleven we gespaard van verdere vragen, maar de procedure verliep niet echt snel. Dat was anders bij Windows 10, dat Gnome Boxes in minder dan tien minuten op ons testsysteem had geïnstalleerd.

Als je Windows slechts tijdelijk wilt uitproberen of de productsleutel nog niet hebt, kun je een generieke sleutel gebruiken [1]. Voltooi de setup door op ­‘Create’ te klikken.

Met Gnome Boxes kun je virtuele machines beheren en verbindingen met andere computers openen via
SSH of VNC.

Na het installeren start de virtuele machine op in Gnome Boxes. Het venster ervan wordt de virtuele monitor van de virtuele machine. Als je in het venster klikt, kunnen de muis en het toetsenbord in de virtuele ­machine worden ‘gevangen’. Druk kort de linker Ctrl- en Alt-toets tegelijk in om de invoerapparaten weer erbuiten te gebruiken.

Met de knoppen in de balk boven het scherm van de virtuele machine kun je overschakelen naar de schermvullende modus of sneltoetsen zoals Ctrl+ Alt+Del naar de virtuele machine sturen. Gebruik het menu met drie stippen aan de rechterkant om de eigenschappen te openen.

Op het tabblad System kun je vervolgens de toegewezen bronnen aanpassen, met inbegrip van het aantal cpu-kernen, de grootte van het RAM-geheugen en de schijf. Daar kun je ook het gebruik van processor, netwerk en I/O aflezen.

Bij ‘Devices & Shares’ wijs je een iso-image aan de virtuele DVD-drive toe waar de virtuele machine van moet opstarten. Verwijder die toewijzing na het installeren wel, zodat het geïnstalleerde systeem gewoon opstart en niet opnieuw begint met het installatieprogramma. Soms moet de virtuele machine afgesloten zijn voordat Gnome Boxes de wijzigingen toe kan ­passen.

In Gnome Boxes maak je een nieuwe virtuele machine met een iso-bestand, dat Boxes indien nodig ook voor je kan downloaden.

Als je usb-apparaten hebt aangesloten die aan de virtuele machine moeten worden toegevoegd, worden die hier ook weergegeven. Als je de schakelaar op aan zet, zal het apparaat onmiddellijk beschikbaar zijn voor het gastsysteem. Dat apparaat is dan tegelijkertijd niet meer bruikbaar in het hostsysteem. Een usb-stick die in een Windows-gastsysteem gestoken wordt, verdwijnt dan uit het Linux-bestandsbeheer en verschijnt in Windows Verkenner.

Op het laatste tabblad kun je snapshots maken van de huidige toestand van de virtuele machine, bijvoorbeeld voor een test of een complexe installatie, of terugkeren naar een vorige toestand. QEMU slaat die snapshots ook op in het Qcow2-imagebestand, waar ze net zoveel ruimte innemen als er wijzigingen zijn ten opzichte van de vorige versie.

Maar let op: als je de grootte van de image vervolgens wijzigt, worden alle snapshots verwijderd, zodat alleen de huidige toestand overblijft.

Vanuit het weergavescherm van de virtuele machine brengt de pijlknop in de linkerbovenhoek je weer terug naar het overzicht, waar de bestaande virtuele machines, maar ook de opgeslagen remote verbindingen met bijvoorbeeld SSH of VNC worden weergegeven. Een previewbeeld betekent dat de virtuele machine draait en grijstinten wijzen op een tijdelijk gepauzeerde virtuele machine.

Als je Gnome Boxes sluit, wordt de toestand van de draaiende virtuele machines bevroren en wordt het programma afgesloten. Dat is vergelijkbaar met het op stand-by zetten van een echte computer en die toestand overleeft zelfs een herstart van de hostcomputer.

Als je wilt dat een virtuele machine in plaats daarvan op de achtergrond door blijft draaien, activeer je de betreffende optie ‘Run in background’ bij de eigenschappen van de virtuele machine op het tabblad System.

Om ervoor te zorgen dat de gebruikersinterface van het gastsysteem in de virtuele omgeving zo comfor­tabel mogelijk bestuurd kan worden, zijn daar speciale stuurprogramma’s voor beschikbaar: de gast-extensies.

Die maken niet alleen een einde aan het hinderlijke vangen van de muis, maar maken het ook mogelijk het klembord te delen tussen gast en host. Niet alleen teksten, maar zelfs afbeeldingen kunnen via kopiëren en plakken heen en weer worden ge­kopieerd.

Bovendien wordt de resolutie van het beeldscherm van het gastsysteem dan automatisch aangepast aan de grootte van het virtuele-machinevenster.
De weergave van het scherm van de virtuele machine wordt gedaan met het SPICE-protocol.

Bij Linux-­gastsystemen moet je dan ook de SPICE ­vdagent installeren. Sommige distributies zoals Fedora en Ubuntu leveren de extensies mee in hun distributie en ondersteunen de genoemde functies standaard. Installeer in andere gevallen het pakket spice-vdagent in het gastsysteem via de pakketmanager.

Voor Windows heet het stuurprogrammapakket spice-guest-tools, en omvat het naast de vdagent ook de grafische QXL-driver. Je kunt dit downloaden op de website spice-­space.org.

De eenvoudigste manier is om het bestand spice-guest-toolslatest.exe te downloaden en te starten in het Windows-gastsysteem. Je kunt zien dat het installeren ervan succesvol is verlopen aan het feit dat de Windows-interface zich dan onmiddellijk aanpast aan veranderingen in de grootte van het venster van de virtuele machine.

Helaas is het uitwisselen van bestanden tussen gast- en hostsysteem niet ideaal opgelost. De makkelijkste manier is via een netwerkopslag zoals een NAS of met een clouddienst zoals Nextcloud – of door vanaf de gast toegang te krijgen tot het hostsysteem met WinSCP, SSH of een vergelijkbaar protocol.

Er is echter ook een ingebouwde oplossing, namelijk de Spice WebDAV-daemon. Die maakt directory’s van het hostsysteem beschikbaar in het gastsysteem via een WebDAV-daemon.

Om dat te doen, installeer je de dienst eerst in het gastsysteem. Voor gewone Linux-distributies heet het pakket spice-webdavd. De service zou automatisch moeten starten, wat je bij het gastsysteem kunt controleren met systemctl status spice-­webdavd of anders altijd nog kunt doen met sudo systemctl start spice-webdavd.

Als de spice-webdav-service in het gastsysteem draait, verschijnen de Spice-uitwisselmappen in de bestandsbeheerder bij de netwerklocaties.

Open daarna de eigenschappen van de virtuele machine op de host via het menu in Gnome boxes. Onder ‘Devices & Shares’ moet dan een nieuw sub-item Folder ­Shares staan.

Je kunt dat alleen instellen bij een actieve virtuele machine met een draaiende daemon. Voeg daar de mappen toe die je wilt delen. Sluit het venster, open de bestandsmanager van het gastsysteem in de ­virtuele machine en klik op ‘Browse network’ of ‘Other locations’.

Na een paar seconden moet er onder Network een nieuw item verschijnen met de naam ­‘Spice client folder’, met het pictogram van een gedeelde map. Wanneer je dat opent, zouden de eerder geselecteerde mappen in de lijst moeten staan.

Voor Windows kun je het installatieprogramma voor de ‘Spice WebDAV daemon’ weer vinden op de website spice-space.org. Controleer na het installeren of de SPICE-WebDAV-service draait. Open de Services-­app in het startmenu.

Virtual Machine Manager toont een lijst van de (virtuele) apparaten die aan een virtuele machine zijn toegewezen en stelt je in staat om die te bewerken en extra apparaten toe te voegen.

De snelste manier om dat te doen is de zoekfunctie te gebruiken. Selecteer het item ‘Spice webdav proxy’ op de lijst en controleer of het actief is, start het anders. Open dan Windows Verkenner en ga naar de map ‘C:\Program Files\SPICE webdavd’.

Daar staat een script genaamd map-drive.bat. Start het door erop te dubbelklikken. Het script maakt een netwerkstation aan voor het WebDAV-adres en kent daar een stationsletter aan toe. Open daarna ‘Deze pc’ in Windows Verkenner. Er zou een ‘Spice client (Z:)’ of iets vergelijkbaars moeten staan onder Netwerklocaties, waaronder de gedeelde mappen te vinden zijn.

Als je af en toe wat kleinere bestanden wilt delen, is dat voldoende. Helaas is deze oplossing niet erg stabiel. Als je een virtuele machine uit een diepe slaap hebt gewekt of opnieuw hebt opgestart, gebruik dan systemctl (Linux) of de Services-app (Windows) om te controleren of de WebDAV-service binnen de virtuele machine draait.

Virt-manager laat de virtuele machines van verschillende virtualizers zien met gedetailleerde informatie zoals de cpu-belasting.

Onder Windows kunnen alleen bestanden tot 50 MB via de WebDAV-map gekopieerd worden. Om die ­limiet te verhogen, moet je het Windows-register bewerken. Start Regedit en open het item HKEY_LOCAL_MACHINE\ SYSTEM\CurrentControlSet\Services\WebClientParameters.

Dubbelklik op FileSizeLimitInBytes en vul daar de maximumwaarde van 4 GB hexadecimaal in als ffffffff of verander de ­basis naar decimaal en voer dan de gewenste limiet in ­bytes

Bij Gnome Boxes is een virtuele machine snel aangemaakt en kunnen de belangrijkste instellingen worden gewijzigd, maar veel opties zijn weggelaten. Daar is de Virtual Machine Manager, kortweg virt-manager, een alternatief.

Via de grafische interface kunnen alle door Libvirt ondersteunde apparaten worden toegevoegd aan de configuratie van een virtuele machine en kunnen talrijke details worden aangepast, zoals de opstartvolgorde van het virtuele BIOS, extra gebruikte disk-images en andere (virtuele) hardware.

Bij Ubuntu en Fedora installeer je de Virtual Machine Manager met behulp van Software of je installeert het pakket virt-manager. Voor andere distributies bestaan er vergelijkbare methoden.

Standaard maakt virt-manager verbinding met de meer flexibele QEMU-systeem-instantie (qemu:///system), maar dat vereist de juiste rechten. Om dat te regelen, voeg je je gebruiker toe aan de groep libvirt en log je opnieuw in om de wijziging te laten ingaan.

Als alternatief kun je de foutmelding of de vraag om je te authenticeren als systeembeheerder negeren om verbinding te maken met de QEMU-gebruikerssessie.

Je kunt met virt-manager makkelijk hardware aan de virtuele machine toevoegen, zoals hier een (extra) geluidskaart.

Om dat te doen open je ‘File / Add Connection’, selecteer je ‘QEMU/KVM user session’ als Hypervisor en klik je op Connect. Virt-manager zou dan de virtuele machines die gemaakt zijn met Gnome Boxes moeten tonen in de Virtual Machine Manager.

Dubbelklik op een van de virtuele machines om die in een apart venster te openen. Als die al gestart is, zal virt-manager de scherminhoud tonen. Om de instellingen te bekijken en te bewerken, klik je op het tweede pictogram van links op de menubalk.

Bij Ubuntu is het een i in een blauwe cirkel, bij Fedora is het een gloeilamp. Die weergave laat alle toegewezen apparaten zien. Je kunt de details aanpassen of op zijn minst bekijken door op het betreffende item te klikken.

Onder Boot Options kun je bijvoorbeeld de volgorde van de bootmedia instellen en booten via het netwerk inschakelen voor de virtuele machine. Met de optie ‘Enable boot menu’ wordt bij elke start van de virtuele machine gevraagd vanaf welk (reeds gemount) medium hij moet starten.

Onder de lijst staat een knop waarmee je meer apparaten kunt toevoegen. Die zijn meestal pas beschikbaar nadat de virtuele machine opnieuw opgestart is. Om een extra schijf toe te voegen, klik je op ‘Add Hardware’ en selecteer je vervolgens Storage.

Voeg daar een nieuwe virtuele schijf mee toe of wijs een bestaande image toe via Image. Je kunt ook een optisch station of een diskette als apparaattype gebruiken.

Je hoeft eventuele usb-apparaten niet afzonderlijk toe te voegen, maar ze alleen door te sluizen via het menu-item ‘Virtual Machine / Redirect USB ­device’, vergelijkbaar met hoe dat bij Gnome Boxes gaat. Daar wordt een Spice-kanaal voor gebruikt, dat door Gnome Boxes automatisch wordt aangemaakt.

Als je zelf een virtuele machine hebt aangemaakt met virt-manager ontbreekt dat nog. Voeg dat toe met Add Hardware en Channel en selecteer com.redhat.spice.0 als naam. Na een herstart kun je de aangesloten usb-apparaten zoals gewoonlijk doorsturen.

De beschreven stappen laten zien hoe eenvoudig het is om virtuele machines op een desktop-pc te gebruiken met libvirt, Gnome Boxes en virt-manager.

Met de QEMU-gebruikerssessie heb je geen speciale rechten of meer gedetailleerde kennis over virtualisatie nodig, maar kun je meteen aan de slag.

Als je dieper op deze materie wilt ingaan, kun je vrij veel dingen met behulp van virt-manager instellen en ook configureren via een grafische gebruikers­interface.

(Informatie afkomstig uit het artikel van Keywan Tonekaboni en Noud van Kruysbergen, c’t magazine 5/2021, p. 114. Online versie bewerkt door Alieke van Sommeren)