Virtualisation (informatique)

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En informatique, on appelle virtualisation l'ensemble des techniques matérielles et/ou logicielles qui permettent de faire fonctionner sur une seule machine plusieurs systèmes d'exploitation et/ou plusieurs applications, séparément les uns des autres, comme s'ils fonctionnaient sur des machines physiques distinctes. Les outils de virtualisation servent à faire fonctionner ce qu'on appelle communément des serveurs privés virtuels (« Virtual Private Servers » ou VPS) ou encore environnements virtuels (« Virtual Environments » ou VE).

Sommaire

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Notions [modifier]

Chaque outil de virtualisation implémente une ou plusieurs de ces notions :

  • couche d'abstraction matérielle et/ou logicielle
  • système d'exploitation hôte (installé directement sur le matériel)
  • systèmes d'exploitations (ou applications, ou encore ensemble d'applications) « virtualisé(s) » ou « invité(s) »
  • partitionnement, isolation et/ou partage des ressources physiques et/ou logicielles
  • images manipulables : démarrage, arrêt, gel, clonage, sauvegarde et restauration, sauvegarde de contexte, migration d'une machine physique à une autre
  • réseau virtuel : réseau purement logiciel, interne à la machine hôte, entre hôte et/ou invités

Intérêts de la virtualisation [modifier]

Les intérêts sont :

  • utilisation optimale des ressources d'un parc de machines (répartition des machines virtuelles sur les machines physiques en fonction des charges respectives),
  • installation, déploiement et migration facile des machines virtuelles d'une machine physique à une autre, notamment dans le contexte d'une mise en production à partir d'un environnement de qualification ou de pré-production, livraison facilitée,
  • économie sur le matériel par mutualisation (consommation électrique, entretien physique, monitoring, support, compatibilité matérielle, etc.)
  • installation, tests, développements, cassage et pouvoir recommencer sans casser le système d'exploitation hôte
  • sécurisation et/ou isolation d'un réseau (cassage des système d'exploitation virtuels, mais pas des système d'exploitation hôtes qui sont invisibles pour l'attaquant, tests d'architectures applicatives et réseau)
  • isolation des différents utilisateurs simultanés d'une même machine (utilisation de type site central)
  • allocation dynamique de la puissance de calcul en fonction des besoins de chaque application à un instant donné,
  • diminution des risques liés au dimensionnement des serveurs lors de la définition de l'architecture d'une application, l'ajout de puissance (nouveau serveur etc) étant alors transparent.

Historique [modifier]

Une bonne part des travaux sur la virtualisation fut développée au centre de recherche IBM France de Grenoble (aujourd'hui disparu), qui développa le système expérimental CP/CMS, devenant ensuite le produit (alors nommé hyperviseur) VM/CMS. Voir IBM 360 et 370

Par la suite, les mainframes ont été capables de virtualiser leurs OS (système d'exploitation) avec des technologies spécifiques et propriétaires, à la fois logicielles et matérielles.

Les grands Unix ont suivi avec les architectures NUMA des Superdome d'HP (PA-RISC et IA-64) et des E10000/E15000 de Sun (UltraSparc).

Dans la seconde moitié des années 1990, les émulateurs sur x86 des vieilles machines des années 1980 ont connu un énorme succès, notamment les ordinateurs Atari, Amiga, Amstrad et les consoles NES, SNES, Neo Geo.

La société VMware développa et popularisa à la fin des années 1990 et au début des années 2000 un système propriétaire de virtualisation logicielle des architectures de type x86 pour les architectures de type x86. Les logiciels libres Xen, QEMU, Bochs, Linux-VServer et les logiciels propriétaires mais gratuits VirtualPC et VirtualServer ont achevé la popularisation de la virtualisation dans le monde x86. En fin de compte, VMware finit par rendre gratuite la version la plus rudimentaire de son gestionnaire de machines virtuelles.

Les fabricants de processeurs x86 AMD et Intel ont implémenté dans leurs gammes de la virtualisation matérielle dans la seconde moitié des années 2000.

Comparaison de différentes techniques de virtualisation [modifier]

Légende :

  • En caractères gras : les couches lourdes et consommatrices en ressources.
  • En caractères italique : les couches légères et peu consommatrices en ressources.

Afin d'avoir une idée théorique des performances des applications au sommet, il faut comparer verticalement l'empilage de couches. Il faut garder à l'esprit qu'il est possible d'élargir les schémas en rajoutant des environnements virtualisés consommant également des ressources de l'hôte.

Isolateur [modifier]

Un isolateur est un logiciel permettant d'isoler l'exécution des applications dans des contextes ou zones d'exécution. L'isolateur permet ainsi de faire tourner plusieurs fois la même application (à base d'un ou plusieurs logiciels) prévue pour ne tourner qu'à une seule instance par machine.

Cette solution est très performante, du fait du peu d'overhead, mais les environnements virtualisés ne sont pas complètement isolés.


Architecture d'un isolateur

Logiciels

de

contrôle
User-space

isolateur
User-space

isolateur
OS hôte
Matériel

Exemples :

  • Linux-VServer : isolation des processus en user-space
  • chroot : isolation changement de racine
  • BSD Jail : isolation en user-space
  • OpenVZ : libre, partionnement au niveau noyau sous Linux et Windows 2003

Noyau en espace utilisateur [modifier]

Un noyau en espace utilisateur « user-space » tourne comme une application en espace utilisateur de l'OS hôte (qui a un noyau qui tourne directement sur la machine hôte en espace privilégié). Le noyau user-space a donc son propre espace utilisateur dans lequel il contrôle ses applications.

Cette solution est très peu performante, car deux noyaux sont empilés, elle sert surtout au développement du noyau.

Architecture d'un noyau en user-space
User-space
noyau user-space
User-space
noyau user-space
OS hôte
Matériel

Exemples :

  • User Mode Linux : noyau tournant en user-space
  • Cooperative Linux ou coLinux : noyau coopératif avec un hôte Windows
  • Adeos : micro noyau RT faisant tourner Linux en kernel-space non-RT
  • L4Linux : micro noyau RT faisant tourner Linux en kernel-space non-RT

Machine virtuelle [modifier]

Une machine virtuelle est un logiciel (généralement assez lourd) qui tourne sur l'OS hôte. Ce logiciel permet de lancer un ou plusieurs OS invités. La machine virtualise le matériel pour les OS invités ; les OS invités croient dialoguer directement avec le matériel. Cette solution est très comparable à un émulateur, et parfois même confondue.

Cette solution isole bien les OS invités, mais elle a un coût en performance. Ce coût peut être très élevé si le processeur doit être émulé.

Architecture d'une machine virtuelle

Logiciels

de

contrôle
User-space
OS invité
Drivers
User-space
OS invité
Drivers
Machine virtuelle
OS hôte
Matériel

Exemples :

  • QEMU : émulateur de plateformes x86, PPC, Sparc
  • Plex86 : émulateur de plateforme x86
  • bochs : émulateur de plateforme x86
  • PearPC : émulateur de plateforme PPC sur matériel x86
  • VMware : propriétaire, émulateur de plateforme x86 (produits GSX server ou VMware Server)
  • Microsoft VirtualPC et VirtualServer : propriétaire, émulateur de plateforme x86
  • Lismoresystems Guest PC : propriétaire, émulateur de plateforme x86 sur matériel PC
  • MacOnLinux : émulateur de plateforme Mac OS sur Linux PPC
  • VirtualBox : émulateur de plateforme x86
  • Parallels : propriétaire, émulateur de plateforme x86 pour Mac OS X.
  • Microsoft Systems Center Virtual Machine Manager 2007 annoncé en septembre 2007 (nom de code Viridian)

Para virtualisation ou hyperviseur [modifier]

Un hyperviseur est un noyau hôte allégé et optimisé pour ne faire tourner que des noyaux d'OS invités adaptés et optimisés pour tourner sur cette architecture spécifique. Les applications en espace utilisateur des OS invités tournent ainsi sur une pile de deux noyaux optimisés, les OS invités ayant conscience d'être virtualisés.

Cette solution de virtualisation est la plus performante.

Xen est un hyperviseur, même si sa version 3 peut maintenant héberger des OS invités non modifiés.

VMware a un produit ESX Server qui fonctionne essentiellement comme un hyperviseur.

Microsoft développe actuellement un hyperviseur basé sur une architecture identique à celle de Xen. L'hyperviseur de Microsoft sera intégré dans la version de Longhorn serveur, successeur de Windows Server 2003 (voir (en) Windows Server 2008).

Architecture d'un hyperviseur

Logiciels

de

contrôle
User-space
OS invité
Drivers Xen
User-space
OS invité
Drivers Xen
Xen
Matériel

Exemples :

  • VMware : propriétaire, émulateur de plateforme x86 (produit ESX server)
  • Xen : noyau léger supportant des noyaux Linux, Plan9, NetBSD, etc.

Matériel [modifier]

Le support de la virtualisation peut être intégré au processeur lui-même, le matériel se chargeant notamment de virtualiser les accès mémoire. Cela permet de simplifier considérablement la complexité logicielle de la virtualisation et de réduire sensiblement la dégradation de performances.

Des exemples de virtualisation matérielle :

  • Hyperviseur IBM Power & Micro-partitionnement AIX
  • Mainframes : VM/CMS
  • Sun LDOM (hyperviseur pour la gestion de "logical domains")
  • Sun E10k/E15k
  • HP Superdome
  • AMD-V (AMD Virtualization, anciennement Pacifica)
  • Intel VT (Virtualization Technology, anciennement Vanderpool)

Voir aussi [modifier]

Liens externes [modifier]

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