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Cours GNU/Linux
Chapitre 10 :
Virtualisation sous linux
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'ex-
ploitation (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 phy-
sique 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 super-
viseur .
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 appli-
cations 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 virtuali-
sation est lutilisation de programmes non port s sur la plate-forme cible (architecture PC
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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. 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 ma-
chine virtuelle avant linfection pour pouvoir r p ter lop ration plusieurs fois, dans des
conditions contr l es. Il est alors possible danalyser l tat de la machine virtuelle apr s in-
fection, 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 mutuelle-
ment 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 sur-
co 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
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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 plu-
sieurs 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 (messa-
gerie, 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 lec-
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trique) ou en maintenance (plus de machines physiques implique plus de risques de pannes
mat rielles). De plus, la plupart des services fournis sur un r seau local (DHCP, DNS, In-
tranet, ...) 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 ma-
chines 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, au-
trefois distincts, sur une seule machine, par le biais de lutilisation de technologies de vir-
tualisation 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 tech-
nologie 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 avan-
tage 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 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 :
a.
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Machine Virtuelle
Une machine virtuelle est un logiciel qui tourne sur l'OS h te, ce logiciel permettant de lan-
cer un ou plusieurs OS invit s, c'est l'arch type de la solution de virtualisation par empile-
ment 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 in-
vit s croient dialoguer directement avec le mat riel. En pratique on a recours une mula-
tion 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 es-sorties. Ce co t, as-
sez 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.
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 courts-cir-
cuits 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'optimi-
sation 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.
b.
Virtualisation d'OS, Isolateur
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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 "juxta-
position". 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 ma-
chine.
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 eux-m 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 :
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.
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.
c.
Hyperviseur complet
Partant du principe, expos pr c demment, qu'une approche pour une virtualisation efficace
consiste affiner les couches, une premi re approche consiste proposer un noyau l ger
(de type micro-noyau par exemple), lequel est accompagn d'outils de supervision, et adap-
t 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
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libres concern s se limiteront au monde x86 ou x86-64, munis des instructions ad-hoc.
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 AM-V (version 3.03 ou ult -
rieure) ou VTx (version 3.0 ou ult rieure).
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d.
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 es-
pace 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 sous-exploit e. (On estime l'utilisa-
tion de la puissance des serveurs environ 10% aujourd'hui).
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
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 just-in-time, 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 fon-
deurs de microprocesseurs de PC ont int gr derni rement des instructions destin s faci-
liter et acc l rer la virtualisation (VT pour Intel et AM-V 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 -
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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 plu-
sieurs serveurs totalement cloisonn s, utile pour proposer par exemple une plate-forme de
tests ou pour d ployer de nouveaux services sur un parc pr existant sans se soucier de mi-
grations), 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 se-
cours proposant plusieurs services diff rents sur une machine de secours unique sans
contraindre tous les services aux m mes versions logicielles, m me environnement sys-
t me, m me configuration.
L'arriv e des technologies de virtualisation dans le monde des PC a donc ouvert de nou-
velles voies pour s curiser, simplifier et rationaliser les co ts dans les syst mes d'informa-
tion.
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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 au-del . C'est un logiciel commercial dis-
tribu sous licence, aucune partie du code n'est libre. Il fait de surcro t l'objet d'un brevet
aux Etats-Unis.
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 manque-
ra pas de para tre un peu abrupte. Il propose cependant beaucoup de fonctionnalit s origi-
nales, ce qui le rend incontournable : il est le premier logiciel pr sent ci-apr 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 com-
plet. 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 ma-
chines 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 com-
plet.
Outils libres de virtualisation :
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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 tradi-
tionnelle (processeur Intel) ;
KVM soutenu par la soci t Qumranet, KVM se veut une solution de virtualisation perfor-
mante et facile administrer ;
Linux-VServer 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 larchitec-
ture PC ;
Xen soutenu par la soci t XenSource, Xen vise proposer une solution performante pour la
virtualisation de serveurs ;
Ci-dessous une liste des produits de virtualisation opensource :
" Bochs
" Cooperative Linux
" FreeVPS
" Jail
" KVM (n cessite les extensions de virtualisation AMD ou Intel)
" Linux-VServer
" OpenVZ
" PearPC ( mule un powerPC)
" Qemu
" View-OS
" User Mode Linux
" VirtualBox
" Xen
" Zones (licence libre Solaris)
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