Minist re de lEnseignement Sup rieur, de la Recherche Scientifique et de la Technologie
Universit Virtuelle de Tunis
Syst me dExploitation
GNU/Linux
Virtualisation sous linux
Yahia Slimani
Hbib Elsmii
Attention !
Ce produit p dagogique num ris est la propri t exclusive de l'UVT. Il est
strictement interdit de la reproduire des fins commerciales. Seul le
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utilisateur) est permis.
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Syst me dExploitation GNU/Linux
Virtualisation sous linux
Objectifs :
D finir la notion de virtualisation sous GNU/Linux
Identifier les diff rentes techniques de virtualisation
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1. Notion de virtualisation
Lencyclop die francophone en ligne Wikip dia d finit la virtualisation comme lensemble
des techniques mat rielles et/ou logicielles qui permettent de faire fonctionner sur une
seule machine plusieurs syst mes dexploitation et/ou plusieurs applications, s par ment
les uns des autres, comme sils fonctionnaient sur des machines physiques distinctes . Il
sagit donc de faire fonctionner sur une m me machine (physique) plusieurs syst mes
d'exploitation (qui peuvent tre tous diff rents) en m me temps.
Concr tement, un syst me d'exploitation, dit h te , est install sur la machine
physique et mule une ou plusieurs machines virtuelles (avec processeur, m moire,
disque dur, carte r seau, BIOS, ...). Chaque machine virtuelle peut accueillir un syst me
d'exploitation dit virtualis (ou invit ). Le syst me h te assure le cloisonnement
entre les syst mes virtualis s et le partage des ressources physiques : On lappelle
superviseur .
Les syst mes virtualis s sont manipulables souhait par le superviseur : d marrage, arr t,
gel, sauvegarde de contexte ... De plus, comme le disque dur d'un syst me virtualis est
g n ralement mul par un fichier, il est facile de dupliquer un syst me virtualis ou de le
faire migrer d'un h te un autre. La virtualisation permet donc d'utiliser de mani re
optimale les ressources d'une machine : on peut ajouter des machines virtuelles si la
machine physique est sous-exploit e ( conomie d'argent par mutualisation des ressources)
ou en supprimer si elle est satur e (gestion de la mont e en charge). Enfin la virtualisation
permet une r partition des services sur plusieurs machines virtuelles et par l m me une
meilleure s curit : si un syst me est compromis, les autres peuvent continuer
fonctionner normalement.
2. Int r t de la virtualisation :
La virtualisation peut tre utilis e pour plusieurs fins et selon le contexte dutilisation. Pour
le particulier, la virtualisation permet davoir acc s des applications ne fonctionnant pas
sur le syst me dexploitation principal de lutilisateur. On peut notamment citer les
applications trop vieilles pour sex cuter sur la derni re g n ration du syst me
dexploitation (les anglophones parlent de legacy applications). Un autre domaine couvert
par la virtualisation est lutilisation de programmes non port s sur la plate-forme cible
(architecture PC vs architecture Mac, par exemple). On peut aussi citer, m me si cest plus
rare, lutilisation de virtualisation pour les jeux : faire fonctionner un jeu fait pour
Microsoft Windows dans une machine virtuelle sex cutant sur un syst me GNU/Linux.
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La soci t VMware propose notamment lacc s lacc l ration 3D depuis une machine
virtuelle pour son produit grand public, permettant datteindre des performances proches
de loriginal.
Pour les professionnels et les chercheurs en s curit , un syst me dexploitation virtualis
permet dobserver le comportement dun logiciel malveillant (malware) comme un virus,
un ver un spyware dans un syst me sain sans avoir infecter une machine physique. De
plus, le processus dinfection est reproductible, car il suffit de sauvegarder l tat de la
machine virtuelle avant linfection pour pouvoir r p ter lop ration plusieurs fois, dans des
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conditions contr l es. Il est alors possible danalyser l tat de la machine virtuelle apr s
infection, et de tirer des conclusions sur laction du logiciel.
Pour une entreprise, les technologies de virtualisation permettent de s parer des applications
et des syst mes de mani re logique, quand les pr requis des applications sont
mutuellement exclusifs. Par exemple, une application critique mais incompatible avec une
version donn e dun logiciel ne peut pas cohabiter sur la m me machine avec une autre
application d pendant dune autre version du m me logiciel. Certains cas incompatibilit s
peuvent se r soudre en laissant install s les deux logiciels dans deux versions diff rentes,
mais le surco t de maintenance est non n gligeable.
En plus de la simple incompatibilit de versions, deux applications peuvent aussi avoir le
m me r le, mais dans des contextes diff rents. Par exemple une version de d veloppement
et une version finale dun site web ne peuvent pas cohabiter de mani re simple, moins
dy consacrer un effort de maintenance l aussi cons quent. Pour le d veloppement dune
application web, le test du site sous plusieurs navigateurs est primordial. La virtualisation
de plusieurs syst mes dexploitation permettra aux d veloppeurs de tester le rendu de
plusieurs navigateurs sur plusieurs plates-formes sans avoir changer de machine et
donc denvironnement de travail en permanence.
Au del de la possibilit de faire fonctionner des applications qui ne peuvent normalement
pas sex cuter sur une machine donn e, la virtualisation permet aussi de les rassembler sur
une m me machine physique, sans avoir maintenir un serveur distinct par application.
Traditionnellement, lusage tait de consacrer une machine physique un service
(messagerie, stockage, h bergement dintranet, etc.), tant pour des raisons pratiques
(associer une machine un r le unique) que pour la s curit (s paration des services).
Toutefois, cette dispersion a un co t qui nest pas nul pour lentreprise, que ce soit en espace
occup (location au m tre carr dans les datacenters), en nergie (consommation
lectrique) ou en maintenance (plus de machines physiques implique plus de risques de
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pannes mat rielles). De plus, la plupart des services fournis sur un r seau local (DHCP,
DNS, Intranet, ...) ne consomment quune tr s faible partie des ressources offertes par une
machine r cente. Tous ces facteurs font quil nest plus pertinent aujourdhui dutiliser des
machines s par es pour h berger des services ne n cessitant quune fraction de la
puissance dune machine.
Aussi, lheure actuelle, la tendance est plut t au rassemblement de plusieurs services,
autrefois distincts, sur une seule machine, par le biais de lutilisation de technologies de
virtualisation pour maintenir une s paration entre les services. On parle de consolidation de
serveurs.
Enfin, lutilisation dapplications anciennes (au sens informatique du terme) est au
moins aussi importante chez les entreprises que chez les particuliers. Limportance parfois
critique de ces applications pour le fonctionnement de lentreprise fait quil est souvent
plus facile de continuer maintenir un syst me et une machine obsol tes (et donc avec un
risque de panne mat rielle plus important) que dentamer une migration vers une nouvelle
plate-forme. La virtualisation permet dans ce cas dex cuter lapplication comme dans son
environnement dorigine, mais sur du mat riel r cent. On peut citer, sans ordre particulier :
une application de comptabilit (ou un progiciel quelconque) utilis e depuis des ann es
mais non port e sur la nouvelle version dun syst me dexploitation ou encore un logiciel
de pilotage de machine industrielle. Ce sont deux exemples classiques dapplication de la
virtualisation pour autre chose que de lh bergement de services.
En plus des possibilit s techniques cit es ci-dessus, la virtualisation est galement une
technologie clef pour lavenir de lentreprise. En effet, elle ne permet pas seulement de
contourner les limitations mat rielles des ordinateurs, mais elle peut aussi fournir un
avantage d cisif sur la concurrence dans le milieu tr s disput quest linformatique de
services.
3. Les des diff rentes techniques de la
virtualisation
Tr s peu de syst mes d marrent directement, et sur plateforme PC tous les syst mes d marrent
selon un processus (boot) en trois temps : le BIOS, le chargeur de d marrage (bootloader) et le
syst me. Pour les syst mes embarqu s et les anciens calculateurs, ces phases taient aussi un
choix prendre en compte. Des moniteurs, OS minimaux emportant des fonctionnalit s de
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d bug, ont vu le jour. L'id e initiale tait de se concentrer sur cette phase, puis ensuite d'en
g n raliser les concepts : un syst me d'exploitation reposant sur l'API d'un noyau r duit.
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Les syst mes de virtualisation partent donc du principe de l'utilisation de couches logicielles
interm diaires. Afin d'avoir une id e th orique des performances des applications au sommet, il
faut comparer verticalement l'empilage de couches. Il faut garder l'esprit qu'il est possible
d' largir les sch mas en rajoutant des environnements virtualis s consommant galement des
ressources de l'h te, en m moire puis en disque.
Fondamentalement, on trouvera deux id es principales : isolation par empilement ou par
juxtaposition, dont les variations, dans des buts d'optimisation, donneront principalement quatre
types de technologie :
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Machine Virtuelle
Une machine virtuelle est un logiciel qui tourne sur l'OS h te, ce logiciel permettant de lancer un ou
plusieurs OS invit s, c'est l'arch type de la solution de virtualisation par empilement de syst mes.
La machine virtualise le mat riel (ce qui passe g n ralement par une mulation partielle) pour les
syst mes d'exploitation invit s : les syst mes d'exploitation invit s croient dialoguer directement
avec le mat riel. En pratique on a recours une mulation logicielle des p riph riques, et parfois
aussi de tout ou partie de la machine.
Cette solution isole bien les syst mes d'exploitation invit s, mais elle a un co t, en premier lieu en
performance, dont les principales victimes seront les entr essorties. Ce co t, assez important
d j s'il suffit de prot ger les instructions privil gi es, peut tre tr s lev si le processeur doit
tre int gralement mul . Cette solution n'est pas non plus conome en m moire, puisque
aucune conomie d' chelle ne peut tre r alis e en ce qui concerne les OS (kernels) charg s.
Exemple :
Qemu : mulateur de plateformes x86, PPC, Sparc,
VMWare : propri taire, mulateur de plateforme x86,
Microsoft VirtualPC et VirtualServer : propri taire, mulateur de plateforme x86,
VirtualBox : mulateur de plateforme x86.
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Le talon d'Achille de cette solution est donc l'importante consommation en performances. Certains
projets minimisent l'impact de ce co t en ressources en permettant des courtscircuits optionnels
(KVM, KQemu, VirtualBox), disponibles uniquement hors du contexte d' mulation bien s r.
Les deux technologies suivantes constituent elles aussi le r sultat de consid rations d'optimisation
de cette solution, le principe tant de diminuer au mieux l' paisseur des couches de virtualisation
tout en conservant le m me degr d'isolation.
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Virtualisation d'OS, Isolateur
Un isolateur est un logiciel permettant d'isoler l'ex cution des applications dans des contextes ou
zones d'ex cution, c'est l'arch type de la solution de virtualisation par "juxtaposition". L'isolateur
permet ainsi de faire tourner plusieurs fois la m me application ( base d'un ou plusieurs logiciels)
pr vue pour ne tourner qu' une seule instance par machine.
Notons que cette technologie consiste en quelque sorte g n raliser la notion de "contexte" Unix :
ce dernier isole les processus (m moire, acc s aux ressources), on ajoute alors : une isolation des
p riph riques (c'est le r le de l'isolateur), voire leur partage, les syst mes de fichiers donc les
fichiers euxm mes et leurs acc s.
Cette solution est tr s performante, du fait du peu d'overhead (chute de performance cons quente
de l'ajout des couches de virtualisation), mais les environnements virtualis s ne sont pas
compl tement isol s, ils partagent en particulier le code du noyau. Cette solution est aussi
remarquablement conomique en m moire par cons quence de la derni re remarque. Ces
environnements sont donc bien adapt s au d ploiement de nombreux serveurs virtuels de test ou
d veloppement bas s sur un m me syst me.
Quelques isolateurs :
LinuxVServer : isolation des processus en userspace,
BSD Jail : isolation en userspace,
OpenVZ : libre, partitionnement au niveau noyau sous Linux et Windows 2003. C'est la version
opensource du logiciel Virtuozzo.
Les isolateurs tendent isoler un niveau de plus en plus proche du syst me, voire dans le syst me
dans le cas de OpenVZ, qui peut tre vu comme un Linux avec plusieurs tables de processus,
chacune dans le contexte d'une distribution propre.
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Hyperviseur complet
Partant du principe, expos pr c demment, qu'une approche pour une virtualisation efficace
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consiste affiner les couches, une premi re approche consiste proposer un noyau l ger (de type
micronoyau par exemple), lequel est accompagn d'outils de supervision, et adapt pour faire
tourner des syst mes d'exploitation natifs. Pour r ussir cette approche, soit on mule le mat riel
(et on revient aux performances de la machine virtuelle pour les I/O), soit on dispose des
instructions d di es la virtualisation. Dans ce dernier cas, les logiciels libres concern s se
limiteront au monde x86 ou x8664, munis des instructions adhoc.
Les principaux exemples de ce principe sont :
KVM : Int gr au noyau GNU/Linux partir de la version 2.6.20.
Xen sur une machine offrant le support des instructions AMV (version 3.03 ou ult rieure) ou VTx
(version 3.0 ou ult rieure).
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Paravirtualiseur
Un paravirtualiseur est un noyau h te all g et optimis pour ne faire tourner que des noyaux de
syst mes d'exploitation invit s, adapt s et optimis s. Les applications en espace utilisateur des
syst mes d'exploitation invit s tournent ainsi sur une pile de deux noyaux optimis s, les syst mes
d'exploitation invit s ayant conscience d' tre virtualis s. Cette approche offre l'avantage d' tre
utilisable en l'absence des instructions sp cifiques, mais elle est impraticable pour des syst mes
non libres pour lesquels l' diteur ne fera pas l'effort d'adaptation.
Exemple :
Xen : noyau l ger supportant des noyaux Linux, Plan9, NetBSD, etc,
4. Les produits de virtualisation
a. Introduction :
La virtualisation est une approche syst me dans la continuit logique de l' volution : apr s avoir
"virtualis le processeur" pour faire du multit che sur une unit de traitement unique, on
virtualise le syst me entier pour disposer de plusieurs syst mes dexploitation complets tournant
simultan ment sur une m me machine. Cette approche, historiquement introduite sur les gros
syst mes (IBM), se d mocratise en raison de la puissance tr s importante des microprocesseurs
aujourd'hui, laquelle est largement sousexploit e. (On estime l'utilisation de la puissance des
serveurs environ 10% aujourd'hui).
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Cette technologie a commenc sous la forme de projets d'amateurs (Boochs, mulateur de
processeur x86 qui a peu peu mul toutes les phases de cette famille de processeurs), en
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parall le d'une solution commerciale, VMWare.
Par la suite, Fabrice Bellard a d marr Qemu, un projet Open Source qui a chang la donne en
s'appuyant sur une partie du code de Boochs et en am liorant et affinant ses concepts. Il a
apport un compilateur justintime, puis une acc l ration en permettant des 'raccourcis'
ma tris s contr l s par un fichier sp cial (un p riph rique Unix) d di .
Dans le m me temps, les laboratoires d'informatique de Cambridge lan aient un moniteur volu
permettant la cohabitation de plusieurs OS, Xen. Plusieurs projets Open Source de existent
aujourd'hui dans cette technologie. Signe concret de cette volution, les deux fondeurs de
microprocesseurs de PC ont int gr derni rement des instructions destin s faciliter et acc l rer
la virtualisation (VT pour Intel et AMV chez AMD).
Signe de l'adoption large des technologies de virtualisation, RedHat a lanc le projet Libvirt
(www.libvirt.org), dont le but est l' criture d'une API commune plusieurs solutions de
virtualisation, base au d veloppement d'outils graphiques ou d'administration g n riques. La
premi re mouture de libvirt visait Xen, la version ce jour supporte aussi Qemu et OpenVZ.
Les gains de l'utilisation de la virtualisation sont mat riels (une machine peut simuler plusieurs
serveurs totalement cloisonn s, utile pour proposer par exemple une plateforme de tests ou
pour d ployer de nouveaux services sur un parc pr existant sans se soucier de migrations), ou en
s ret de fonctionnement (un serveur sur une machine virtuelle peut prendre le relais en
configuration cluster si le ma tre c de pour des raisons logicielles), ou les deux. Cette approche
permet par exemple de configurer une ferme de serveurs de secours proposant plusieurs services
diff rents sur une machine de secours unique sans contraindre tous les services aux m mes
versions logicielles, m me environnement syst me, m me configuration.
L'arriv e des technologies de virtualisation dans le monde des PC a donc ouvert de nouvelles voies
pour s curiser, simplifier et rationaliser les co ts dans les syst mes d'information.
b.
Quelques produits du march :
La r f rence commerciale en la mati re est VMWare, qui propose une gamme de solutions de
virtualisation matures, chaque solution se trouvant accompagn e d'outils facilitant la gestion du
parc virtuel. VMWare est disponible gratuitement pour les machines disposant d'au plus 2 unit s
de traitement, mais est payant audel . C'est un logiciel commercial distribu sous licence, aucune
partie du code n'est libre. Il fait de surcro t l'objet d'un brevet aux EtatsUnis.
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Le logiciel libre phare du domaine, Qemu, est aussi une base de r f rence, d'autant plus que
plusieurs produits (dont VirtualBox) en utilisent des parties. Par contre, utilis sec , Qemu ne
propose qu'une interface en ligne de commande qui, bien qu'efficace, ne manquera pas de
para tre un peu abrupte. Il propose cependant beaucoup de fonctionnalit s originales, ce qui le
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rend incontournable : il est le premier logiciel pr sent ciapr s.
Ces deux r f rences sont des implantations selon la technologie des machines virtuelles,
VMWare ayant aussi son catalogue un produit qui s'apparente plus un hyperviseur complet. Le
gros avantage des syst mes libres d'aujourd'hui, c'est qu'ils couvrent presque toutes les
techniques de virtualisation identifi es, avec donc Qemu et VirtualBox pour les machines
virtuelles, Xen pour la paravirtualisation, OpenVZ pour la virtualisation au niveau OS, et Xen 3.0 ou
kvm, utilis s sur des machines les supportant, pour l'hyperviseur complet.
Outils libres de virtualisation :
Du c t de la communaut du logiciel libre, il y a norm ment de projets de virtualisation, ayant
des buts variables. Certains dentre eux sont soutenus par une soci t , qui fournit un service
payant pour les clients le souhaitant. Les plus connus sont :
Bochs (prononcer box ) Bochs est un mulateur tr s complet de larchitecture PC traditionnelle
(processeur Intel) ;
KVM soutenu par la soci t Qumranet, KVM se veut une solution de virtualisation performante et
facile administrer ;
LinuxVServer projet de virtualisation destin fonctionner sur le syst me dexploitation
GNU/Linux ;
OpenVZ soutenu par la soci t Virtuozzo, OpenVZ est une solution de virtualisation
visant obtenir les meilleures performances possibles ;
QEMU cr et d velopp par Fabrice BELLARD, QEMU est un projet visant offrir une machine
virtuelle compl te pour plusieurs architectures mat rielles, y compris larchitecture PC ;
Xen soutenu par la soci t XenSource, Xen vise proposer une solution performante pour la
virtualisation de serveurs ;
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Cidessous une liste des produits de virtualisation opensource :
" Bochs
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Cooperative Linux
FreeVPS
Jail
KVM (n cessite les extensions de virtualisation AMD ou Intel)
LinuxVServer
OpenVZ
PearPC ( mule un powerPC)
Qemu
ViewOS
User Mode Linux
VirtualBox
Xen
Zones (licence libre Solaris)
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