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Cours GNU/Linux
Chapitre 10 :
Virtualisation sous linux
1. Notion de virtualisation
L’encyclopédie francophone en ligne Wikipédia définit la virtualisation comme «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». Il
s’agit donc de faire fonctionner sur une même machine (physique) plusieurs systèmes d'ex-
ploitation (qui peuvent être tous différents) en même temps.
Concrètement, un système d'exploitation, dit « hôte », est installé sur la machine « phy-
sique » et émule une ou plusieurs machines « virtuelles » (avec processeur, mémoire,
disque dur, carte réseau, BIOS, ...). Chaque machine virtuelle peut accueillir un système
d'exploitation dit « virtualisé » (ou « invité »). Le système hôte assure le cloisonnement
entre les systèmes virtualisés et le partage des ressources physiques : On l’appelle « super-
viseur ».
Les systèmes virtualisés sont manipulables à souhait par le superviseur : démarrage, arrêt,
gel, sauvegarde de contexte ... De plus, comme le disque dur d'un système virtualisé est
généralement émulé par un fichier, il est facile de dupliquer un système virtualisé ou de le
faire migrer d'un hôte à un autre. La virtualisation permet donc d'utiliser de manière
optimale les ressources d'une machine : on peut ajouter des machines virtuelles si la
machine physique est sous-exploitée (économie d'argent par mutualisation des ressources)
ou en supprimer si elle est saturée (gestion de la montée en charge). Enfin la virtualisation
permet une répartition des services sur plusieurs machines virtuelles et par là même une
meilleure sécurité : si un système est compromis, les autres peuvent continuer à
fonctionner normalement.
2.
Intérêt de la virtualisation :
La virtualisation peut être utilisée pour plusieurs fins et selon le contexte d’utilisation. Pour
le particulier, la virtualisation permet d’avoir accès à des applications ne fonctionnant pas
sur le système d’exploitation principal de l’utilisateur. On peut notamment citer les appli-
cations trop vieilles pour s’exécuter sur la dernière génération du système d’exploitation
(les anglophones parlent de legacy applications). Un autre domaine couvert par la virtuali-
sation est l’utilisation de programmes non portés sur la plate-forme cible (architecture PC
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vs architecture Mac, par exemple). On peut aussi citer, même si c’est plus rare, l’utilisation
de virtualisation pour les jeux : faire fonctionner un jeu fait pour Microsoft Windows dans
une machine virtuelle s’exécutant sur un système GNU/Linux. La société VMware propose
notamment l’accès à l’accélération 3D depuis une machine virtuelle pour son produit grand
public, permettant d’atteindre des performances proches de l’original.
Pour les professionnels et les chercheurs en sécurité, un système d’exploitation virtualisé
permet d’observer le comportement d’un logiciel malveillant (malware) comme un virus,
un ver un spyware dans un système sain sans avoir à infecter une machine physique. De
plus, le processus d’infection est reproductible, car il suffit de sauvegarder l’état de la ma-
chine virtuelle avant l’infection pour pouvoir répéter l’opération plusieurs fois, dans des
conditions contrôlées. Il est alors possible d’analyser l’état de la machine virtuelle après in-
fection, et de tirer des conclusions sur l’action du logiciel.
Pour une entreprise, les technologies de virtualisation permettent de séparer des applications
et des systèmes de manière logique, quand les prérequis des applications sont mutuelle-
ment exclusifs. Par exemple, une application critique mais incompatible avec une version
donnée d’un logiciel ne peut pas cohabiter sur la même machine avec une autre application
dépendant d’une autre version du même logiciel. Certains cas ’incompatibilités peuvent se
résoudre en laissant installés les deux logiciels dans deux versions différentes, mais le sur-
coût de maintenance est non négligeable.
En plus de la simple incompatibilité de versions, deux applications peuvent aussi avoir le
même rôle, mais dans des contextes différents. Par exemple une version de développement
et une version finale d’un site web ne peuvent pas cohabiter de manière simple, à moins
d’y consacrer un effort de maintenance là aussi conséquent. Pour le développement d’une
application web, le test du site sous plusieurs navigateurs est primordial. La virtualisation
de plusieurs systèmes d’exploitation permettra aux développeurs de tester le rendu de plu-
sieurs navigateurs sur plusieurs plates-formes sans avoir à changer de machine — et donc
d’environnement de travail — en permanence.
Au delà de la possibilité de faire fonctionner des applications qui ne peuvent normalement
pas s’exécuter sur une machine donnée, la virtualisation permet aussi de les rassembler sur
une même machine physique, sans avoir à maintenir un serveur distinct par application.
Traditionnellement, l’usage était de consacrer une machine physique à un service (messa-
gerie, stockage, hébergement d’intranet, etc.), tant pour des raisons pratiques (associer une
machine à un rôle unique) que pour la sécurité (séparation des services).
Toutefois, cette dispersion a un coût qui n’est pas nul pour l’entreprise, que ce soit en espace
occupé (location au mètre carré dans les datacenters), en énergie (consommation élec-
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trique) ou en maintenance (plus de machines physiques implique plus de risques de pannes
matérielles). De plus, la plupart des services fournis sur un réseau local (DHCP, DNS, In-
tranet, ...) ne consomment qu’une très faible partie des ressources offertes par une machine
récente. Tous ces facteurs font qu’il n’est plus pertinent aujourd’hui d’utiliser des ma-
chines séparées pour héberger des services ne nécessitant qu’une fraction de la puissance
d’une machine.
Aussi, à l’heure actuelle, la tendance est plutôt au rassemblement de plusieurs services, au-
trefois distincts, sur une seule machine, par le biais de l’utilisation de technologies de vir-
tualisation pour maintenir une séparation entre les services. On parle de consolidation de
serveurs.
Enfin, l’utilisation d’applications « anciennes » (au sens informatique du terme) est au
moins aussi importante chez les entreprises que chez les particuliers. L’importance parfois
critique de ces applications pour le fonctionnement de l’entreprise fait qu’il est souvent
plus facile de continuer à maintenir un système et une machine obsolètes (et donc avec un
risque de panne matérielle plus important) que d’entamer une migration vers une nouvelle
plate-forme. La virtualisation permet dans ce cas d’exécuter l’application comme dans son
environnement d’origine, mais sur du matériel récent. On peut citer, sans ordre particulier :
une application de comptabilité (ou un progiciel quelconque) utilisée depuis des années
mais non portée sur la nouvelle version d’un système d’exploitation ou encore un logiciel
de pilotage de machine industrielle. Ce sont deux exemples classiques d’application de la
virtualisation pour autre chose que de l’hébergement de services.
En plus des possibilités techniques citées ci-dessus, la virtualisation est également une tech-
nologie clef pour l’avenir de l’entreprise. En effet, elle ne permet pas seulement de
contourner les limitations matérielles des ordinateurs, mais elle peut aussi fournir un avan-
tage décisif sur la concurrence dans le milieu très disputé qu’est l’informatique de services.
3. Les des différentes techniques de la virtualisation
Très peu de systèmes démarrent directement, et sur plateforme PC tous les systèmes
démarrent selon un processus (boot) en trois temps : le BIOS, le chargeur de démarrage
(bootloader) et le système. Pour les systèmes embarqués et les anciens calculateurs, ces
phases étaient aussi un choix à prendre en compte. Des moniteurs, OS minimaux
emportant des fonctionnalités de débug, ont vu le jour. L'idée initiale était de se concentrer
sur cette phase, puis ensuite d'en généraliser les concepts : un système d'exploitation
reposant sur l'API d'un noyau réduit.
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Les systèmes de virtualisation partent donc du principe de l'utilisation de couches logicielles
intermédiaires. 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, en mémoire puis en disque.
Fondamentalement, on trouvera deux idées principales : isolation par empilement ou par
juxtaposition, dont les variations, dans des buts d'optimisation, donneront principalement
quatre types de technologie :
a.
Machine Virtuelle
Une machine virtuelle est un logiciel qui tourne sur l'OS hôte, ce logiciel permettant de lan-
cer un ou plusieurs OS invités, c'est l'archétype de la solution de virtualisation par empile-
ment de systèmes. La machine virtualise le matériel (ce qui passe généralement par une
émulation partielle) pour les systèmes d'exploitation invités : les systèmes d'exploitation in-
vités croient dialoguer directement avec le matériel. En pratique on a recours à une émula-
tion logicielle des périphériques, et parfois aussi de tout ou partie de la machine.
Cette solution isole bien les systèmes d'exploitation invités, mais elle a un coût, en premier
lieu en performance, dont les principales victimes seront les entrées-sorties. Ce coût, as-
sez important déjà s'il suffit de protéger les instructions privilégiées, peut être très élevé si
le processeur doit être intégralement émulé. Cette solution n'est pas non plus économe en
mémoire, puisque aucune économie d'échelle ne peut être réalisée en ce qui concerne les
OS (kernels) chargés.
Exemple :
➔ Qemu : émulateur de plateformes x86, PPC, Sparc,
➔ VMWare : propriétaire, émulateur de plateforme x86,
➔ Microsoft VirtualPC et VirtualServer : propriétaire, émulateur de plateforme x86,
➔ VirtualBox : émulateur de plateforme x86.
Le talon d'Achille de cette solution est donc l'importante consommation en performances.
Certains projets minimisent l'impact de ce coût en ressources en permettant des courts-cir-
cuits optionnels (KVM, KQemu, VirtualBox), disponibles uniquement hors du contexte
d'émulation bien sûr.
Les deux technologies suivantes constituent elles aussi le résultat de considérations d'optimi-
sation de cette solution, le principe étant de diminuer au mieux l'épaisseur des couches de
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virtualisation tout en conservant le même degré d'isolation.
b.
Virtualisation d'OS, Isolateur
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Un isolateur est un logiciel permettant d'isoler l'exécution des applications dans des
contextes ou zones d'exécution, c'est l'archétype de la solution de virtualisation par "juxta-
position". 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 ma-
chine.
Notons que cette technologie consiste en quelque sorte à généraliser la notion de "contexte"
Unix : ce dernier isole les processus (mémoire, accès aux ressources), on ajoute alors : une
isolation des périphériques (c'est le rôle de l'isolateur), voire leur partage, les systèmes de
fichiers donc les fichiers eux-mêmes et leurs accès.
Cette solution est très performante, du fait du peu d'overhead (chute de performance consé-
quente de l'ajout des couches de virtualisation), mais les environnements virtualisés ne sont
pas complètement isolés, ils partagent en particulier le code du noyau. Cette solution est
aussi remarquablement économique en mémoire par conséquence de la dernière remarque.
Ces environnements sont donc bien adaptés au déploiement de nombreux serveurs virtuels
de test ou développement basés sur un même système.
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 à isoler à un niveau de plus en plus proche du système, voire dans le
système dans le cas de OpenVZ, qui peut être vu comme un Linux avec plusieurs tables de
processus, chacune dans le contexte d'une distribution propre.
c.
Hyperviseur complet
Partant du principe, exposé précédemment, qu'une approche pour une virtualisation efficace
consiste à affiner les couches, une première approche consiste à proposer un noyau léger
(de type micro-noyau par exemple), lequel est accompagné d'outils de supervision, et adap-
té pour faire tourner des systèmes d'exploitation natifs. Pour réussir cette approche, soit on
émule le matériel (et on revient aux performances de la machine virtuelle pour les I/O), soit
on dispose des instructions dédiées à la virtualisation. Dans ce dernier cas, les logiciels
libres concernés se limiteront au monde x86 ou x86-64, munis des instructions ad-hoc.
Les principaux exemples de ce principe sont :
➔ KVM : Intégré au noyau GNU/Linux à partir de la version 2.6.20.
➔ Xen sur une machine offrant le support des instructions AM-V (version 3.03 ou ulté-
rieure) ou VTx (version 3.0 ou ultérieure).
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d.
Paravirtualiseur
Un paravirtualiseur est un noyau hôte allégé et optimisé pour ne faire tourner que des
noyaux de systèmes d'exploitation invités, adaptés et optimisés. Les applications en es-
pace utilisateur des systèmes d'exploitation invités tournent ainsi sur une pile de deux
noyaux optimisés, les systèmes d'exploitation invités ayant conscience d'être virtualisés.
Cette approche offre l'avantage d'être utilisable en l'absence des instructions spécifiques,
mais elle est impraticable pour des systèmes non libres pour lesquels l'éditeur ne fera pas
l'effort d'adaptation.
Exemple :
Xen : noyau léger supportant des noyaux Linux, Plan9, NetBSD, etc,
4. Les produits de virtualisation
a. Introduction :
La virtualisation est une approche système dans la continuité logique de l'évolution : après
avoir "virtualisé le processeur" pour faire du multitâche sur une unité de traitement unique,
on virtualise le système entier pour disposer de plusieurs systèmes d’exploitation complets
tournant simultanément sur une même machine. Cette approche, historiquement introduite
sur les gros systèmes (IBM), se démocratise en raison de la puissance très importante des
microprocesseurs aujourd'hui, laquelle est largement sous-exploitée. (On estime l'utilisa-
tion de la puissance des serveurs à environ 10% aujourd'hui).
Cette technologie a commencé sous la forme de projets d'amateurs (Boochs, émulateur de
processeur x86 qui a peu à peu émulé toutes les phases de cette famille de processeurs), en
parallèle d'une solution commerciale, VMWare.
Par la suite, Fabrice Bellard a démarré Qemu, un projet Open Source qui a changé la donne
en s'appuyant sur une partie du code de Boochs et en améliorant et affinant ses concepts. Il
a apporté un compilateur just-in-time, puis une accélération en permettant des 'raccourcis'
maîtrisés contrôlés par un fichier spécial (un périphérique Unix) dédié.
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Dans le même temps, les laboratoires d'informatique de Cambridge lançaient un moniteur
évolué permettant la cohabitation de plusieurs OS, Xen. Plusieurs projets Open Source de
existent aujourd'hui dans cette technologie. Signe concret de cette évolution, les deux fon-
deurs de microprocesseurs de PC ont intégré dernièrement des instructions destinés à faci-
liter et accélérer la virtualisation (VT pour Intel et AM-V chez AMD).
Signe de l'adoption large des technologies de virtualisation, RedHat a lancé le projet Libvirt
(www.libvirt.org), dont le but est l'écriture d'une API commune à plusieurs solutions de
virtualisation, base au développement d'outils graphiques ou d'administration géné-
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riques. La première mouture de libvirt visait Xen, la version à ce jour supporte aussi Qemu
et OpenVZ.
Les gains de l'utilisation de la virtualisation sont matériels (une machine peut simuler plu-
sieurs serveurs totalement cloisonnés, utile pour proposer par exemple une plate-forme de
tests ou pour déployer de nouveaux services sur un parc préexistant sans se soucier de mi-
grations), ou en sûreté de fonctionnement (un serveur sur une machine virtuelle peut
prendre le relais en configuration cluster si le maître cède pour des raisons logicielles), ou
les deux. Cette approche permet par exemple de configurer une ferme de serveurs de se-
cours proposant plusieurs services différents sur une machine de secours unique sans
contraindre tous les services aux mêmes versions logicielles, même environnement sys-
tème, même configuration.
L'arrivée des technologies de virtualisation dans le monde des PC a donc ouvert de nou-
velles voies pour sécuriser, simplifier et rationaliser les coûts dans les systèmes d'informa-
tion.
b.
Quelques produits du marché :
La référence commerciale en la matière est VMWare, qui propose une gamme de solutions
de virtualisation matures, chaque solution se trouvant accompagnée d'outils facilitant la
gestion du parc virtuel. VMWare est disponible gratuitement pour les machines disposant
d'au plus 2 unités de traitement, mais est payant au-delà. C'est un logiciel commercial dis-
tribué sous licence, aucune partie du code n'est libre. Il fait de surcroît l'objet d'un brevet
aux Etats-Unis.
Le logiciel libre phare du domaine, Qemu, est aussi une base de référence, d'autant plus que
plusieurs produits (dont VirtualBox) en utilisent des parties. Par contre, utilisé « sec »,
Qemu ne propose qu'une interface en ligne de commande qui, bien qu'efficace, ne manque-
ra pas de paraître un peu abrupte. Il propose cependant beaucoup de fonctionnalités origi-
nales, ce qui le rend incontournable : il est le premier logiciel présenté ci-après.
Ces deux références sont des implantations selon la technologie des machines virtuelles,
VMWare ayant aussi à son catalogue un produit qui s'apparente plus à un hyperviseur com-
plet. Le gros avantage des systèmes libres d'aujourd'hui, c'est qu'ils couvrent presque toutes
les techniques de virtualisation identifiées, 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, utilisés sur des machines les supportant, pour l'hyperviseur com-
plet.
Outils libres de virtualisation :
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Du côté de la communauté du logiciel libre, il y a énormément de projets de virtualisation,
ayant des buts variables. Certains d’entre eux sont soutenus par une société, qui fournit un
service payant pour les clients le souhaitant. Les plus connus sont :
Bochs (prononcer « box ») Bochs est un émulateur très complet de l’architecture PC tradi-
tionnelle (processeur Intel) ;
KVM soutenu par la société Qumranet, KVM se veut une solution de virtualisation perfor-
mante et facile à administrer ;
Linux-VServer projet de virtualisation destiné à fonctionner sur le système d’exploitation
GNU/Linux ;
OpenVZ soutenu par la société Virtuozzo, OpenVZ est une solution de virtualisation
visant à obtenir les meilleures performances possibles ;
QEMU créé et développé par Fabrice BELLARD, QEMU est un projet visant à offrir une
machine virtuelle complète pour plusieurs architectures matérielles, y compris l’architec-
ture PC ;
Xen soutenu par la société XenSource, Xen vise à proposer une solution performante pour la
virtualisation de serveurs ;
Ci-dessous une liste des produits de virtualisation opensource : • Bochs • Cooperative Linux • FreeVPS • Jail • KVM (nécessite les extensions de virtualisation AMD ou Intel) • Linux-VServer • OpenVZ • PearPC (émule un powerPC) • Qemu • View-OS • User Mode Linux • VirtualBox • Xen • Zones (licence libre Solaris)
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