Virtualisation & Cloud Computing Mehrez Ben Soltan S/D de la Technologie de l’information et de la communication Plan
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Définitions Virtualisation complète Para-Virtualisation Virtualisation au niveau de l’OS Intérêts de la virtualisation
Virtualisation des serveurs
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La virtualisation des serveurs permet d’exécuter
plusieurs SE sur un même serveur physique sous la forme de VM, dont chacune peut accéder aux ressources de calcul du serveur sous-jacent.
Consiste aussi à regrouper un cluster de serveurs en une
seule et même ressource consolidée, de façon à optimiser l’efficacité globale et à réduire les coûts.
Techniques de virtualisation
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On distingue principalement trois techniques de virtualisation:
Para-virtualisation Virtualisation complète Cloisonnement.
Para-Virtualisation
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Dans une solution de para-virtualisation, l’OS invité est modifié
pour être exécuté par la VM.
Les modifications effectuées visent à rendre l’OS invité « au
courant » du fait qu'il s'exécute dans une VM.
L’OS invité collabore plus étroitement avec l’OS hôte, en utilisant une interface spécifique, au lieu d'accéder au matériel virtuel via les couches d'abstraction (cas de la virtualisation complète)
Un paravirtualiseur est un noyau hôte allégé et optimisé pour ne faire tourner que des noyaux d’OS invités, adaptés et optimisés.
Les applications en espace utilisateur des OS invités tournent
ainsi sur une pile de deux noyaux optimisés.
Para-Virtualisation
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En pratique, un système para-virtualisé possède
quelques pilotes de périphériques et sous-systèmes modifiés, qui lui permettent de communiquer directement avec le système hôte, sans avoir passer par une couche d'abstraction pour parler au matériel virtuel.
Para-Virtualisation
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Avantages : un gain de performances, du fait du contournement des
couches d'abstraction le système invité collabore activement avec la VM, il ne se comporte plus comme un OS à part entière s'exécutant directement sur du matériel. Il adapte son comportement pour que les accès au matériel soient des appels directs via des pilotes.
Limites : Comme l’OS invité doit être modifié pour être
paravirtualisé, l'usage de la para-virtualisation est donc généralement limité aux systèmes libres.
Para-Virtualisation
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Quelques hyperviseurs : Citrix XENServer VMWare vSphere Hyper-V (Microsoft) KVM
Virtualisation complète (full virtualization)
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Permet de faire fonctionner n’importe quel OS en tant
qu’invité dans une VM: Windows, GNU/Linux, Mac OS X, etc.
La virtualisation complète consiste à émuler l'intégralité
d'une machine physique pour le système invité.
Le système invité « croit » s'exécuter sur une véritable
machine physique.
La caractéristique principale de la virtualisation complète : les systèmes invités n'ont pas à être modifiés pour être utilisés dans une VM utilisant une technologie de virtualisation.
Virtualisation complète
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Avantage: Pour l’utilisateur final, ce type de
virtualisation est la plus simple à mettre en place et est la plus pratique.
Limite: L'empilement de couches d'abstraction et
l'impossibilité pour la VM d'accéder directement au matériel, affectent les performances du système invité qui seront assez éloignées de celles d'un système « natif ».
Virtualisation complète
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Quelques hyperviseurs VMWare Workstation Parallels Desktop for Windows et
Linux
KVM: Intégré au noyau GNU/Linux
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à partir de la version 2.6.20
Virtualisation complète
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Usages principaux:
Attribution dynamique des ressources : certains produits
(VmWare vSphere) permettent d'attribuer des ressources en fonction de la consommation.
Gestion de la haute disponibilité : certains produits
(VmWare vSphere) permettent de basculer des VM d'un serveur à un autre en cas de panne
Virtualisation assistée par le matériel
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Consiste à introduire des fonctionnalités de la
virtualisation directement dans les processeurs des machines physiques ce qui rend ainsi possibles des solutions de la virtualisation complète des systèmes invités non modifiés avec de très bonnes performances. Exemple: Les processeurs Intel-VT (Intel Virtualization Technology) et AMD-V (Advanced Micro Devices Virtualization)
https://www.youtube.com/watch?v=gqZrarZiHp8
Isolateurs ou cloisonnement
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On l’appelle aussi virtualisation au niveau de
l’OS.
Un isolateur est un logiciel permettant d’isoler l’exécution des applications dans ce qui sont appelés des contextes, ou bien zones d’exécution (Séparation des processus s’exécutant sur un même OS).
La plupart des OS basés sur UNIX proposent
un moyen d'isoler les processus.
Le plus répandu (et le plus ancien) est la
commande chroot, qui permet de créer un environnement minimal contenant uniquement ce qui est strictement nécessaire pour exécuter le programme isolé.
chroot
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Qu'est-ce qu'un chroot? Signifie change root La commande chroot permet d'isoler la racine du système de fichier (le / de l'arborescence) pour une commande spécifique. La racine est la référence pour tous les chemins absolus utilisés par un processus lui permettant d'accéder aux fichiers (librairies, configurations, etc.) qui lui sont nécessaires.
En réalité, cette racine est un paramètre du processus qu'il est possible de modifier grâce à l'utilitaire chroot. Cela permet de faire croire à ce processus que le dossier que nous lui avons fixé comme racine, est l'origine de tous ses chemins absolus.
chroot
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Exemple Quand vous travaillez sur Linux et/ou Unix, on
parle de racine pour identifier la base du système de fichier représentée par le nom de répertoire /
De ce répertoire racine découle:
chroot srv test / chroot /srv/test
/
C'est à dire l'arborescence du système.
Le principe de chroot est de définir une sous-arborescence du système de fichier visible comme la racine du système de fichier.
Par exemple, si nous créons les répertoires ci-dessous :
En appelant chroot : chroot /srv/test
le shell en cours ne verra que le contenu de /srv/test mais au lieu de voir le nom de répertoire /srv/test il verra la racine /
chroot
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Des cas d’usage : Mettre en prison les processus (jail): Elle permet par
exemple de lancer des processus critiques dans un dossier isolé du reste du système.
Elle permet aussi de créer des environnements qui
fonctionnent sur des règles différentes du reste du système: Il est ainsi possible de faire tourner une debian au sein d'une mandriva, ou encore un linux en 32bits au sein d'un linux 64 bits. La seule limitation est que le kernel doit être compatible entre les deux distributions.
Isolateurs ou cloisonnement
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Autres solutions d’isolation :
Linux-VServer : isolation des processus en user-space, BSD Jail : isolation en user-space, OpenVZ : libre, partitionnement au niveau noyau sous Linux et Windows 2003. C'est la version open-source du logiciel Virtuozzo.
LXC (LinuX Containers) : libre, usage des Cgroups du noyau
Linux.
LXC
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Le chrooting a été fortement améliorée pour donner naissance
au principe de conteneurs avec par exemple LXC. Et c'est LXC qui à son tour a servi de base à Docker.
LXC repose sur la notion de groupes de contrôle Linux, les
cgroups. Chaque groupe de contrôle offre aux applications une isolation totale des ressources (notamment processeur, mémoire et accès E/S) sans recourir à des machines virtuelles à part entière.
Référence originale: « Containers: Challenges with the memory
resource controller and its performance” https://pdfs.semanticscholar.org/4708/1fd3577460128925282ba5b
8847190d7c8d9.pdf
LXC
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Les LXC implémentent :
La gestion de ressources via les « groupes de contrôle de
processus » (implémentés via le système de fichiers /cgroup) ;
L'isolation de ressources via les nouveaux drapeaux (flags) de l'appel système clone(2) (capable de créer plusieurs types de nouveaux espaces de noms pour des choses telles que les PID et le routage réseau) ;
Plusieurs mécanismes d'isolation additionnels (tels que le drapeau -o newinstance du système de fichiers devpts).
Cgroups
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Cgroups fournit :
Limitation des ressources : des groupes peuvent être mis en place afin de ne pas dépasser une limite de mémoire — cela inclut aussi le cache du système de fichier.
Priorisation : certains groupes peuvent obtenir une plus grande part de ressources processeur ou de bande passante d'entrée-sortie.
Comptabilité : permet de mesurer la quantité de ressources
consommées par certains systèmes en vue de leur facturation par exemple.
Isolation : séparation par espace de nommage pour les groupes, afin qu'ils ne puissent pas voir les processus des autres, leurs connexions réseaux ou leurs fichiers.
Contrôle : figer les groupes ou créer un point de sauvegarde et
redémarrer.
Virtualisation Vs Isolation
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La virtualisation permet de créer des
environnements matériels virtuels complets mais lourd en terme de ressources.
L’isolation permet de créer des environnements logiciels
isolés utilisant le matériel réel et le noyau courant.
Virtualisation Vs Isolation
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L’isolation est:
plus performante (évite la dégradation de performance causé
par l'ajout des couches de virtualisation)
Economique en mémoire (partager en particulier le code du
noyau).
Ces environnements sont donc bien adaptés au déploiement de nombreux serveurs virtuels de test ou développement basés sur un même OS.
Par contre, avec l’isolation, il n’est pas possible d’utiliser des
noyaux différents en même temps.
L’isolation a donné naissance à la conteneurisation.
De la Virtualisation à la Conteneurisation
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Avec la virtualisation: Problème de performance: Une VM imite intégralement un serveur (un OS complet, avec ses pilotes, fichiers binaires ou bibliothèques, etc.). Chaque VM s'exécute sur un hyperviseur (qui s'exécute parfois à son tour sur un os hôte) qui lui-même fait fonctionner le matériel du serveur physique. Cela a un coût, notamment au niveau de l'hyperviseur et OS invités, qui requièrent chacun beaucoup de ressources matérielles et de coûteuses licences.
Le nombre de VM qu'un serveur peut héberger est limité par la taille
des VM.
La résurgence de la conteneurisation vise pallier ces lacunes de la
virtualisation:
La conteneurisation vise à virtualiser les applications sans trop alourdir le
système.
De la Virtualisation à la Conteneurisation
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A la base, le concept de conteneurisation permet aux applications de
partager un OS hôte unique, avec ses fichiers binaires, bibliothèques ou pilotes.
Cette approche réduit le gaspillage des ressources car chaque conteneur
ne renferme que l'application et les fichiers binaires ou bibliothèques associés.
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Comme le conteneur de chaque application est libéré de la charge d'un OS, il est nettement plus petit, plus facile à migrer ou à télécharger, plus rapide à sauvegarder ou à restaurer.
Il en résulte d’importantes économies mémoires et des performances accrues comparées à une virtualisation matérielle, donc une meilleure exploitation des machines physiques.
Le rôle de l'hyperviseur est alors assuré par un moteur de
conteneurisation, tel que Docker (un LXC augmenté).
Machines virtuelles VS Conteneur
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3. Intérêts de la viratualisation
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Au niveau des clusters: Haute disponibilité
Assurer la haute disponibilité (High Availability HA)
VM
VM
VM
VM
VM
VM
VM V M
Serveurs
Switchs Virtuels
Stockage
Cluster
Au niveau des clusters: Load Balacing
Répartition des charges selon la charge des serveurs
V V M M
V M
V M V V V M M M
V M
Cluster
Au niveau des clusters: Scalabilité facile
Scalabilité facilité: ajout de nouvelles ressources au pool de ressources
VM
VM
VM
VM
VM
Virtual Resource Pools
Cluster
Au niveau des clusters: Memory Overcommitment
Memory Sharing
Memory Ballooning
Memory Swapping
70%
70%
20%
VM 3 2 GB
VM 2 2 GB
VM 1 2 GB
VM 3 2 GB
VM 3 2 GB
VM 3 2 GB
VM 3 2 GB
VM 2 2 GB
VM 1 2 GB
Hypervisor 4 GB