Syntèse sur la virtualisation (appliquée aux systèmes d exploitations) Benjamin OBOUSSIER

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1 Syntèse sur la virtualisation (appliquée aux systèmes d exploitations) Benjamin OBOUSSIER 23 février 2009

2 Syntèse sur la virtualisation II INPG / CUEFA

3 Rédacteurs : Benjamin Oboussier (benjamin.oboussier@gmail.com) Date de rédaction : Janvier-Février 2009 Disponible en version PDF : Révision : V0.10-Draft - redaction premiere partie. Révision : V0.20-Draft - relecture et correction première partie. Licence et droits d utilisation : Ce document est publié sous licence Creative Commons CC BY-NC-SA 1 : CC : Creative Commons cf BY : Paternité. L auteur conserve la paternité de son oeuvre, et vous ne pouvez vous attribuer que vos propres contributions, NC : Pas d Utilisation Commerciale (Noncommercial). Ce travail ne peut faire l objet d une utilisation commerciale 2, SA : Partage des Conditions Initiales à l Identique (Share Alike). Toute altération, transformation, tout produit dérivé de ce travail doit être distribué sous une licence identique ou similaire. 1. Vous trouverez le contrat de licence complet à 2. Pour une compréhension des usages autorisés, voir le tableau pdf Syntèse sur la virtualisation i INPG / CUEFA

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5 Table des matières Introduction v 1 Presentation de la virtualisation Que recouvre le terme de virtualisation? Comment est née et d où vient la virtualisation Contexte dans lequel s inscrit la virtualisation Rappel sur "les structures en anneaux" Vision de la structure en anneaux vue depuis les Machines virtuelles Evolution des microprocesseurs Les différentes architectures de virtualisation [7] La machine virtuelle (virtualisation complète) La Para-virtualisation Les systèmes à hyperviseur Les techniques de cloisonnement (L isolateur) Les principales solutions du marché KVM VmWare (ESX) Xen Bilan Management de la mémoire entre Xen et ces machines virtuelles Attribution et gestion de la mémoire des machines virtuelles La translation d adresse virtuelle [17] [10] Gestion de la mémoire Conclusion 17 Glossaire 23 Glossaire Références 25 iii

6 TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES Syntèse sur la virtualisation iv INPG / CUEFA

7 Introduction Le terme de virtualisation revient de plus en plus souvent dans les DSI (Direction des systèmes d information), et est présenté comme un argument de poids dans la vente de solutions chez certains prestataires. En effet depuis quelques années avec la multiplication des applications et des serveurs les supportants on parle à outrance de cette technologie dans les services informatiques et les DSI. Il peut donc être intéressant de chercher à comprendre si cette euphorie est le résultat d un effet de mode ou-bien si elle s inscrit dans la continuité d une évolution technologique. Aujourd hui pour les entreprises, dans le contexte économique difficile dans lequel le mode semble ce diriger, l optimisation des ressources, l augmentation de la flexibilité et la diminution d interruption de service, la réduction des coûts, en finissant par la sécurité sont autant de points critiques, jouant fortement pour la promotion de ces technologies, notamment sur les serveurs d entrée et de moyenne gamme de type X86. Dans une première partie, cette syntèse cherche à comprendre d où vient cette "technologie", en faisant une rétrospective depuis l origine de l informatique moderne, pour ensuite présenter les mécanismes mis en oeuvre, et finir en voyant les différentes variantes que l on peux avoir à notre disposition en terme de solutions pour mettre en place une architecture informatique virtualisée. Une deuxième partie présente les mécanismes de communication mis en oeuvre en un hyperviseur (Xen) et les machines virtuelles. v

8 Introduction Syntèse sur la virtualisation vi INPG / CUEFA

9 Chapitre 1 Presentation de la virtualisation 1.1 Que recouvre le terme de virtualisation? La virtualisation se définit au sens large comme étant l ensemble des techniques matériels et /ou logiciels permettant à un ou plusieurs systèmes d exploitation d être exécutés de façon indépendante et sur un matériel physique commun. La meilleure représentation qu il puisse en être faite sur le principe est représentée par la figure 1.1. Figure 1.1 Principe générale de la virtualisation Pour être plus précis on notera que ce document aborde la virtualisation matérielle. Dans le cas du système d exploitation, rappelons que c est ce programme qui est en charge de gérer les ressources matérielles de l ordinateur (CPU, ram, périphériques...). Les applications (couche au dessus du système d exploitation) n ont aucun liens direct avec le matériel, elles passent toutes par l intermédiaire de celui-ci. Par cette conception le système d exploitation s attend donc à avoir seul la gestion de toutes les ressources matérielles de l ordinateur et à pouvoir dialoguer directement avec le CPU comme le schèmatise la figure 1.2 Les logiciels de virtualisation doivent donc tromper les multiples systèmes d exploitation fonctionnant en parallèle pour leur faire croire qu ils sont installés seuls sur une machine, alors qu en fait ils sont plusieurs à se partager les mêmes ressources. Pour ce faire, il faut que le logiciel de virtualisation simule autant de «machines virtuelles» que de système d exploitation. Chaque système d exploitation ne voit alors que sa propre machine virtuelle et les couches sous-jacentes à celle-ci sont alors totalement transparente pour l utilisateur. 1

10 Presentation de la virtualisation Comment est née et d où vient la virtualisation Figure 1.2 Système d exploitation 1.2 Comment est née et d où vient la virtualisation Pour comprendre la mise en place de ces évolutions techniques, il faut ce replacer dans le contexte initial. En 1956, le premier ordinateur à transistors est créé par la Bell Labs (le Tradic), les évolutions technologiques sont très rapides tant au niveau des machines développées que des systèmes d exploitation permettant leur utilisation. Ceux-ci permettant en quelques années de passer d un stade de savoir-faire technique à celui de discipline scientifique. Trois années plus tard en juin 1959, Chirtopher Strachez se penche sur la multiprogramation temps partagé, et publie lors de la conférence internationale sur le traitement de l information à l UNESCO un document nommé "Time Sharing in Large Fast Computer", document qu il clarifiera en 1974 auprès de Donald Knuth en expliquant que son idée porte principalement sur la multiprogramation. Cette idée de multiprogrammation se rapporte à l idée de ne plus attendre le chargement d un périphérique, et de pouvoir travailler sur une autre tâche sur son ordinateur. En 1961 le Massachussetts Institute of Technology (MIT) lance le projet MAC 1. Celui-ci a pour but le travail simultané de plusieurs personnes sur le même ordinateur afin d éliminer les temps d attente du traitement par lots. On peut considérer que ce projet est le balbutiement des systèmes d exploitations multi-tache et multi-utilisateur. Trois années plus tard (1964) le MIT s allie avec Général Electric et les Bell Labs d AT&T pour le projet MULTICS 2 dont le but est de développer un prototype de nouvel ordinateur ainsi qu un nouveau système d exploitation temps partagé (time sharing). Le but du projet est de créer un système d exploitation pour ordinateur parfaitement fiable, capable de tourner 24H sur 24, 7 jours sur 7, utilisable par plusieurs personnes à la fois et capable en même temps de faire tourner des calculs en tâche de fond. L architecture ainsi que les les principes mis en oeuvre dans ce nouveau système d exploitation sont repris pour concevoir le système Unix et différentes évolution venant par la suite. En parallèle aux différentes recherches universitaire la société IBM 3 met en place des projets (à but industriel) ayant pour but d évaluer les concepts naissant sur le partage du temps. Le premier de ces projet est : M44 / 44X. La décomposition de l architecture est la suivante : une machine : IBM 7044 (M44) principale d autres machines où chacune est une image expérimentale de la machine principale (M44) L espace d adressage de 44X réside dans la hiérarchie de la mémoire de M44, implémenté via de la mémoire virtuelle et de la multiprogrammation. Par la suite IBM développe en 1967 la machine System/360. L idée est de faire de la virtualisation matérielle. Pour cela IBM reprend tous les concepts développés précédemment. Cette machine a la par- 1. MAC : Multi Access Computer 2. Multiplexed Information and Computing Service 3. IBM : International Business Machines, société multinationale américaine présente dans les domaines du matériel informatique, du logiciel et des services informatiques - Crée en Syntèse sur la virtualisation 2 INPG / CUEFA

11 Presentation de la virtualisation Contexte dans lequel s inscrit la virtualisation ticularité de virtualiser toutes les interfaces matérielles via la Virtual Machine Monitor (VMM), et le système d exploitation (ou hyperviseur) associé à celle-ci ce nommait le TSS (Time-Sharing Système). Pour cela la VMM s exécute directement sur le matériel physique, ceci permet l existence de plusieurs machines virtuelles (les VM). Chaque machine virtuelle fait tourner son propre système d exploitation. Par la suite la machine évolue pour donner l IBM 360/67, équipée d un "hyperviseur" appelé CP/67, capable de supporter plusieurs machines virtuelles 360/65 tournant sous des versions de système différents. CP/67 a engendré VM/CMS (CMS correspond à la notion de système de temps partagé) L évolution de ces architecture donne les mainframes 4, qui ont pût virtualiser leurs OS avec des technologies spécifiques et propriétaires, à la fois logicielles et matérielles, le système GCOS de BULL en est un exemple. Le schéma de la figure 1.3 présente une vue graphique et minimaliste de l évolution de ces systèmes vers ce qu il en est l héritage aujourd hui. Figure 1.3 Schéma simplifié de l évolution des systèmes 1.3 Contexte dans lequel s inscrit la virtualisation Rappel sur "les structures en anneaux" Il est utile avant d expliquer l évolution des microprocesseurs avec les mécanismes d instruction réserver aux machines virtuelles de bien comprendre comment un système d exploitation gère ses privilèges. Les processeurs x86 par l intermédiaire des deux derniers bits (DPL) du registre CS [15] gèrent un mécanisme (ou privilèges) nommé de façon courante "anneaux concentriques" 5. L anneau 0 est l anneau le plus privilégié (root), il permet l exécution du noyau et des pilotes, et on l appelle communément l espace noyau. On y trouve le code critique ou peut s executer tout type d instructions (gestion des interruptions, de la mémoire, changement d état du processeur...). En général le système d exploitation est prévu pour fonctionner sur cet anneau, il utilise des instructions critiques afin de répartir les ressources du processeur entre les différentes applications. Si un code plante dans l anneau 0, le noyau ne peut pas récupérer et on se trouve confronté à un crash système. Les systèmes d exploitation, utilisent uniquement les anneaux 0 et 3. L anneau 3 inclut toutes les "applications" et est dénommé espace utilisateur (cf. figure 1.4). En opposition à l anneau 0 certaines instructions sont interdites. Si le code plante dans les anneaux 1, 2, ou 3, une exception matérielle est générée et le système peut reprendre grâce au code de l anneau 0. C est ce qui se produit par exemple avec une application. La problématique qui se pose lorque la virtualisation rentre en jeux, est qu elle s appuie sur un hyperviseur ou un moniteur de machine virtuelle (VMM) qui partage les resources entre divers environnements 4. Le terme mainframe (Ordinateur central en français) est utilisé en informatique pour définir un ordinateur de grande puissance de traitement. 5. Les anneaux concentriques ou niveaux de privilèges existent depuis l architecture des processeurs Syntèse sur la virtualisation 3 INPG / CUEFA

12 Presentation de la virtualisation Contexte dans lequel s inscrit la virtualisation Figure 1.4 Principe structure en anneaux d execution. L hyperviseur s executant dans l anneau 0, les machines virtuelles sous son contrôle, sont alors dans un niveau moins privilégié Vision de la structure en anneaux vue depuis les Machines virtuelles Pour que le dispositif décrit paragraphe fonctionne, il doit prendre en compte les différentes types d instructions que le processeur peut rencontrer : les instructions privilégiées qui nécessitent d être dans l anneau 0 pour pouvoir être exécutées ; les instructions non privilégiées qui peuvent être traitées quel que soit l anneau dans lequel elle sont exécutées ; les instructions sensibles (17) qui bien que non privilégiées ont un comportement non souhaitable dans un contexte de virtualisation (consultation ou modification de l état de la machine, accès à la mémoire, etc.). Ce sont ces dernières 17 instructions qui posent problème et où G. Popek et R. Golberg en font constatation dans leur ouvrage Formal Requierments for Virtualizable Third Generation Architectures [2]. La parade trouvée pour contourner l exécution de ces 17 instructions peut se regrouper en 2 catégories. Modification du système d exploitation La modification du système d exploitation hébergé permet "d éliminer" toutes instructions sensibles ou privilégiées (cf ). Interception des instructions sensibles L interception de toutes instructions privilégiées ou sensibles pour la faire exécuter par le manager de machine virtuelle (VMM). Les instructions privilégiées ne posent pas de problème car elles génèrent, des exceptions. Cependant ce n est pas le cas pour les instructions sensibles, ce qui rend leur traitement beaucoup plus délicat. Diverses solutions existent pour prendre en compte cet écueil parmi lesquelles la détection et traduction à la volée du code problématique avec mise en cache des sections traduites comme cela peut être mis en oeuvre dans la virtualisation complète (cf ). Voila comment est organiser l exécution d instruction dans un processeur du point de vue hyperviseur. Il est à noter que la virtualisation demande un travail plus important, car il faut prendre en compte la gestion de la mémoire, des entrées-sorties, de l horloge CPU... Syntèse sur la virtualisation 4 INPG / CUEFA

13 Presentation de la virtualisation Les différentes architectures de virtualisation [7] Evolution des microprocesseurs Afin d optimiser et de simplifier les traitements d instructions venant des couches logiques supérieurs (VM) les principaux fondeurs (Intel et AMD) au milieu des années 2000 cherchent à supprimer la nécessité de surveillance et de traduction d instructions pour les machines virtuelles. Dans le cas d Intel, l ajout d instructions spécials ainsi qu une nouvelle structure de contrôle (VMCS 6 ) est implémentée. Elles ont pour but l augmentation (à leur dire) "considérable" de la vitesse des hyperviseurs. Les problèmes d exécution d instructions dans les anneaux se voient gommé par, par exemple l instruction "VM entry" qui permet la bascule du processeur dans un nouveau mode d exécution dédié aux systèmes d exploitation invités. Ainsi sont supprimés les problèmes liés à l exécution de l OS invité en anneau 3 : le système d exploitation invité peut s exécuter en anneau 3 et quand le contexte l exige, le processeur bascule du mode invité au mode normal. Cette bascule est décidée par des conditions fixées par le moniteur de machine virtuelle à l aide des bits de contrôle stockées dans la VMCS. 1.4 Les différentes architectures de virtualisation [7] Il existe plusieurs catégories de virtualisation, chacune d elles s appuyant sur des technologies différentes. Comme le détaille Lucas Bonnet dans son livre blanc : État de l art des solutions libres de virtualisation pour une petite entreprise les techniques de virtualisation peuvent être approchées de plusieurs façons différente La machine virtuelle (virtualisation complète) La machine virtuelle est probablement l architecture la plus connu et la plus répendu. Il s agit d utiliser un logiciel tournant sur l OS 7 - (SE) hôte (ou Machine hote). Sa principale caractéristique est de fournir des drivers permettant aux systèmes d exploitation invités de croire qu ils dialogue directement avec le matériel physique. Son rôle est de transformer les instructions du système invité en instructions pour le système hôte. Le système s exécutant dans celle-ci est un système d exploitation à part entière, tel que l on pourrait l installer sur une machine physique (Ms windows, Linux, Mac Os x...). Par cette technique les périphériques sont Figure 1.5 Principe de la machine virtuel donc émulé comme le montre le schéma de la figure 1.5. Cette solution isole bien les systèmes d exploitation invités, mais a un coût. En premier lieu sur les performances, dont les principales victimes seront 6. VMCS pour : Virtual. Machine. Control. Structure, technologie des processeurs Intel pour gérer les machines virtuelles. 7. Operating System ou en français Système d exploitation. Syntèse sur la virtualisation 5 INPG / CUEFA

14 Presentation de la virtualisation Les différentes architectures de virtualisation [7] les entrées-sorties. Ce coût, assez 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. On notera également qu une architecture à base de virtualisation complète, si le système hôte est monopolisé par un processus utilisateur (par exemple un programme consommant énormément de mémoire), les systèmes invités peuvent se voir fortement ralentis dans leur activité. Quelques exemples de logiciel : VMWare Server : propriétaire, émulateur de plateforme x86, Qemu : émulateur de plateformes x86, PPC, Sparc, Microsoft VirtualPC et VirtualServer : propriétaire, émulateur de plateforme x86, VirtualBox : émulateur de plateforme x La Para-virtualisation La para-virtualisation tout comme la virtualisation complète s appuie sur une machine virtuel qui émule le matériel. La différence réside dans le fait que le système invité est modifier pour être exécuté par cette machine virtuel. Le but étant de rendre conscient le système invité qu il ne s exécute pas sur du matériel physique mais sur une machine virtuel. Comme on peut le voir sur la figure 1.6, cet empilement de couches et cette gestion donne une architecture plus performante que la virtualisation complète car le système invité dialogue plus étroitement avec le système hôte. Pour donner plus de détails, les pilotes virtualisés échangent directement avec la machine virtuelle, cela sans avoir à passer par une émulation du matériel. Pour cela, quelques pilotes et sous-systémes doivent être modifiés pour tirer pleinement parti de "l accélération". De façon général, les parties du système hôte modifiés sont la gestion de la mémoire et la gestion des entrées-sorties qui sont en général les deux goulots d étranglement (nombre de couches d abstraction à traverser). Figure 1.6 Principe de la para virtualisation Quelques exemples de logiciel : VMWare ESX : propriétaire, hyperviseur sur plateforme x86, Xen : noyau léger supportant des noyaux Linux, Plan9, NetBSD, La para-virtualisation apporte donc un gain de performance avéré, cela en partie grasse au contournement des couches d abstraction comme le décrivent : A. Whitaker, M. Shaw, S. Gribble dans leur rapport Lightweight virtual machines for distributed and networked applications [8]. Le système d exploitation Syntèse sur la virtualisation 6 INPG / CUEFA

15 Presentation de la virtualisation Les différentes architectures de virtualisation [7] invité ne se comporte plus comme un système d exploitation s exécutant directement sur du matériel, mais au contraire adapte son comportement pour que l accès au matériel soit transformé en appel direct à cette dernière. Cette augmentation des performance est cependant restreinte aux systèmes d exploitation pouvant être modifié (modification des drivers). Cela est possible avec des systèmes d exploitation dit libre (notamment GNU/Linux et les systèmes BSD) ou le code peux être "adapté", cependant cela reste très difficile sur les systèmes propriétaires tel MSWindows ou MacOs Les systèmes à hyperviseur Comme vue précédemment, la virtualisation complète ainsi que la para-virtualisation mette en oeuvre, pour émuler le matériel : des machines virtuelles. Les systèmes à Hyperviseur ne repose pas sur la même façon pour faire le liens entre le matériel et les systèmes invité. En effet chaque systèmes invité a un accès presque direct au matériel par l intermédiaire de l hyperviseur. Le matériel accessible est donc celui de la machine physique, cela peux donc engendrer un gain de performances significatif par rapport à la para-virtualisation notamment sur les entrée-sortie ou le système peux utiliser toutes les extensions des périphériques pour accélérer les transferts (cf : figure 1.7). Un des rôle de l hyperviseur est de distribuer et gérer les ressources matériels. Celui-ci peut limiter par exemple la quantité de ram attribuée à tel ou tel système invité, idem pour la gestion CPU... Cela à pour conséquence d isoler chaque machine virtuelle avec son propre pool de ressources ce qui n influe pas sur les performances des autres machines virtuelles. Néanmoins tout comme avec la para-virtualisation les systèmes devant s exécuter au dessus d un hyperviseur doivent être portés. Le but étant la aussi d adapter les couches bas niveau du système d exploitation invité pour qu elles puissent communiquées avec l hyperviseur plutôt qu avec le matériel. Ce portage est lourd, car il nécessite la modification de toutes les couches d accès au matériel. Figure 1.7 Principe du noyau en espace utilisateur Les techniques de cloisonnement (L isolateur) La dernière pratique répandue de virtualisation sont les techniques de cloisonnement. Elles visent à isoler les processus s exécutant sur un même système d exploitation. Chaque processus est donc isolé dans un conteneur dont il est en théorie impossible de sortir (cf : figure 1.8). Cela à donc pour effet au niveau du processus une visibilitée réduite, ne sachant absolument pas quel autre processus s exécute sur le système d exploitation. Le but principale de cette technique étant l amélioration de la sécurité des systèmes d exploitation des des applications. Sur les systèmes d exploitation de type Linux, ceux-ci disposent nativement cette fonction qui s effectue grâce à la commende "CHROOT". En effet celle-ci permet de crée un environnement minimal contenant Syntèse sur la virtualisation 7 INPG / CUEFA

16 Presentation de la virtualisation Les principales solutions du marché Figure 1.8 Principe de l isolateur uniquement ce qui est strictement nécessaire pour exécuter le programme "isolé". JAIL proposé sur les systèmes de type BSD 8 est plus ressente et un peux plus complète de même que plus souple dans son utilisation. Ces technologies ont en commun de s appuyer sur la même instance du système d exploitation, celui-ci est accessible aux processus isolés mais ne pourra pas exécuter un processus d un système d exploitation autre que celui sur lequel il repose. 1.5 Les principales solutions du marché Les outils de virtualisation disponible sur le marché pour processeur de type X86 sont nombreux. Le focus sera fait sur trois outils majeurs donc un leader : VmWare (75% de part de marché en octobre 2008, source Cabinet Gartner), ainsi que deux autres outils KVM et Xen tous deux challenger sérieux a ne pas négliger KVM KVM (Kernel-based Virtual Machine machine virtuelle dans le noyau) est un projet très récent, créé en 2006 par la société Qumranet 9 et rachetée en septembre 2008 par Red-Hat. Aujourd hui IBM finance une partie de ce projet en y dédiant une ressource à temps plein. Il peux être également amusant de souligner que l un des créateurs de la société Qumranet est aussi un des fondateurs de la société XenSouces (cf : 1.5.3)! Technologie mise en oeuvre sous KVM Kvm s apparente technologiquement à un virtualiseur complet. Le virtualiseur réel associer à celui-ci est en réalité une version patchée de Quemu. De plus pour optimisé la virtualisation KVM s appuie sur les jeux d instruction CPU spécifique des architecture X86 récente. Comme le décrivent dans leurs rapports les auteurs du rapport "kvm : the Linux Virtual Machine Monitor " de la conférence d ottawa [9] celui-ci ce compose : d un module noyau qui utilise les instructions de virtualisation et communique avec le processeur, d un programme utilisateur, qui utilise le module noyau pour toutes les opérations privilégiées. KVM s intègre donc comme un module du kernel, celui- est vue comme un périphérique dédié à la vitualisation (/dev/kvm) et dont l interface est utilisée par un autre programme (programme utilisateur) 8. BSD : Berkeley Software Distribution, famille de systèmes d exploitation informatique dérivée d UNIX, 9. Qumranet : société israélienne spécialisée en technologies de virtualisation Syntèse sur la virtualisation 8 INPG / CUEFA

17 Presentation de la virtualisation Les principales solutions du marché afin de mettre en place l espace d adressage, d entrée-sortie et l affichage de la machine virtuelle dans l espace utilisateur. Fonctionnalités disponibles sous KVM KVM etant basé sur l outils Qemu, il reprend donc toutes ces fonctionnalitées à savoir : une facilité d usage, une technologie d image disque Copy-on-write, une gestion du réseau en mode TAP, user mode networking, Vlan virtuel, Et ceci avec des performances pour les systèmes invité plus élevé que Qemu grâce aux instructions de virtualisation CPU. KVM permet aussi le management des machines virtuelles et la migration à chaud de celle-ci VmWare (ESX) VmWare est une société qui propose des solutions du même nom (propriértaire) de virtualisation pour les architecture de type X86. Cette société, fondé en 1998 et racheté en 2004 par EMC 10 est implanté de façon dominante sur le marché de la virtualisation grâce à son logiciel Vmware ESX. Technologie mise en oeuvre sous VmWare Dans ESX la virtualisation est mis en oeuvre par une machine virtuelle, la virtualisation est donc "complète" et quatre resources sont clés : le CPU,la mémoire, le disque dure et le réseau. Elle ce compose entre autre d un Bios, d une carte mère avec chipset Intel, de processeurs, carte réseau, SCSI, disquettes... Toutes ces ressources sont allouées de façon dynamique par l intermédiaire du gestionnaire de resources. Les pilotes des périphériques ainsi que les systèmes de fichier (VMFS) sont quant à eux gérés par le service console, ces deux brique constituent le VMkernel. Le moniteur de machine virtuel est charger de virtualiser le processeur, et de faire les différents mapping pour la mémoire, les requets d entrées-sorties (fournient au VMkernel). L architecture de virtualisation est donc composée du VMKernel ainsi que du moniteur de machine virtuelle dont le schéma est décrit figure 1.9 (sources : VMware ESX Server 2 Architecture and Performance Implications [11]) Figure 1.9 Architecture de VmWare ESX (source VmWare Inc.) 10. EMC Corporation est une entreprise américaine de logiciels et de systèmes de stockage fondée en 1979 Syntèse sur la virtualisation 9 INPG / CUEFA

18 Presentation de la virtualisation Les principales solutions du marché Fonctionnalités disponibles sous VmWare [16] ESX se manage par une interface graphique nommée Virtual Infrastructure. Via celle ci la possibilité est donnée de manager un ou plusieurs serveur ESX ainsi que les machines virtuelles hébergées sur les Datacenter (regroupant le stockage de VM sur les serveurs ESX ainsi que sur les stockage déportés comme les LUN des baies de stockage sur réseau SAN). Il est également grâce a l interface de management de faire des snapchots, cloner, faire des templates, des VM, ainsi que des migration a froid de même qu a chaud avec certaines contraintes. Un autre point non négligeable, le système de fichier de ESX permet de faire de l extension de fichier VMFS dynamiquement pour grandir un volume sans recréer le LUN ou simplement crée des volumes supérieurs à 2Go. ESX étant basé sur un noyaux de type linux il est également possible de scripter une majorité des commandes disponible sous l interface graphique dans le but de réaliser l installation, le déploiement, ou la maintenance des VM Xen Xen est un contrôleur de machines virtuelles pour les architectures x86, développé à l origine par l université de Cambridge au Royaume -Uni sous le nom de Xenoserver, le but étant d héberger une centaine de système invité sous une seule machine physique. En 2003, les initiateurs du projet fonde la société XenSource dans le but de promouvoir le projet. En 2007 le projet et racheté par Citrix 11. Le but de cet outil de virtualisation est de proposer un outils très simple d utilisation à l administrateur. Cela cache toutefois une véritable complexité technique non négligeable qu il est souhaitable de connaître et de maîtrisé pour exploité au mieux ces possibilité (cf : documentation officiel en ligne, [13], [14]). Xen se décline en plusieurs produits, une version libre (version actuel 3.3) et une version propriétaire payante ou le nombre de machines virtuelles supportées n est pas restreint, néanmoins la technologie est identique et donc non "bridée" sur la version libre, ce qui engendre donc des performances identiques entre les produits. Technologie mise en oeuvre sous Xen Cet outil de virtualisation est un hyperviseur (cf 1.4.3), c est donc lui qui accède au matériel de façon exclusive et répartit les ressources aux systèmes invités. Cependant il est aussi considéré comme une solution de paravirtualisation du fait que les couches basse des systèmes d exploitation hôte doivent être modifiées (voir schéma d architecture figure [?]). Afin de pouvoir virtualiser des systèmes d exploitation "propriétaire", comme on peux le voir dans le Official User s Manual [12] ; Xen a recours aux instructions de virtualisation des CPU, dans le but d outrepasser l impossibilité de patcher ces systèmes, l exemple le plus parlant étant MS Windows. Xen s appuie également sur des niveaux de privilèges pour gérer ses machines virtuelles. Deux niveaux cohabitent : le domaine zéro (dom0) : premier domaine démarré au boot de l hyperviseur. Il possède des privilèges spéciaux comme le faite d accéder au disque dure directement, de démarrer/arreter de machines virtuelles, le domaine utilisateur (domu) : domaine des systèmes d exploitation invités (VM). L accès a la demande de matériel ce faisant entre autre par BackendDriver et FrontendDriver. Fonctionnalités disponibles sous Xen Xen possède des outils permettant une configuration pointu. Il prend en effet en charge la gestion des interfaces réseau en créant pour chaque système invité une interface virtuelle qui seront toutes redirigées 11. Citrix Systems, Inc : société américaine d édition de logiciel et de solutions materielles. Acquière XenSource, pour un montant d environ $ 500 millions. Citrix entre ainsi dans le marché prometteur de la virtualisation sur les serveurs et les stations de travail. Syntèse sur la virtualisation 10 INPG / CUEFA

19 Presentation de la virtualisation Les principales solutions du marché Figure 1.10 Architecture de Xen (source [10].) vers une interface physique via un système de pont (on parle alors de "Bridge"). Pour ce qui est du stockages des hôtes invités, cela se fait simplement sur un fichier dans un répertoire du système hôte, qui pourrait par exemple être basé sur ext3. C est fichiers peuvent être pour des besoins de performance ou de sécurité être placé sur des partitions dédiées. Xen permet aussi le management poussé des machines virtuelles, les performances (consommation du temps processeur et de la mémoire allouée) peuvent être affinées grâce aux fichiers de configurations, les machines virtuelles migrées à chaud. Malgré tous ces points positif Xen reste un outil extrêmement complexe si on souhaite en tirer toute sa puissance. Mais cette complexitée a un impact directe sur les performances qui peuvent être très proches d un système d exploitation s exécutant directement sur une machine physique sans virtualisation Bilan Les trois outils vue précédemment permettant de mettre en place une infrastructure de machines virtuelles, ils s utilisent dans des contextes et mettent en oeuvre des technologies différentes. Le tableau suivant propose le rappel des types de virtualisation mis en oeuvre dans ces outils : VmWare KVM Xen Virtualisation Complète X X Para-Virtualisation (x) X Hyperviseur X Table 1.1 Rappel des technologies de virtualisation VS solutions de virtualisation. Syntèse sur la virtualisation 11 INPG / CUEFA

20 Presentation de la virtualisation Les principales solutions du marché Syntèse sur la virtualisation 12 INPG / CUEFA