SMB137 - Cinquième partie

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SMB137 - Cinqui` eme partie

Virtualisation de Syst` emes

R´ emi LEBLOND

http://remileblond.fr/SMB137

Conservatoire National des Arts et M´etiers - Centre de Strasbourg

1

^er

octobre 2014

(2)

Qu’est-ce que la virtualisation ? Les composants de la virtualisation Les diff´erentes approches de virtualisation Application de la virtualisation

Plan

1 Qu’est-ce que la virtualisation ?

2 Les composants de la virtualisation

3 Les diff´erentes approches de virtualisation

4 Application de la virtualisation

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Système virtuel Usages de la virtualisation Les intérêts de la virtualisation Critères d’évaluation

Qu’est-ce que la virtualisation ?

Qu’est-ce qu’un composant virtuel ?

apparence fonctionnelle

6= structure physique

m´ emoire, syst` emes de fichiers... machine compl` ete Virtualisation de syst` emes :

fait fonctionner X systèmes sur Y machines physiques généralement,X 6=Y

Finalit´ es

maintenabilit´e consolidation souplesse

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Historique

En grande partie d´ evelopp´ e au centre scientifique de Cambridge d’IBM, en collaboration avec le MIT

Mise au point du syst`eme exp´erimental CP/CMS Devenu ensuite VM/CMS

Commercialis´ e sur IBM OS/360

1965

introduction du temps partag´e

rétro-compatibilité par émulation des séries 1400 ou 7094 (logiciel et micro-code)

repris ensuite sur l’ensemble de la gamme mainframe

Vers 1985-90 : virtualisation pour les ordinateurs personnels

´

emulation de différents systèmes (ordinateur, consoles...) support purement logiciel ou adossé à du matériel additionnel

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Historique

Exemples d’´ emulateurs sur ordinateurs personnels Commodore Amiga ` a la pointe

Processeurs hétérogènes : 80386 et 80486, 68xxx, et PPC Possibilité de lancer d’autres systèmes d’exploitation

Dos / Windows, Macintosh, Unix, Atari...

SideCar et PC Task sur PC

Emplant et ShapeShifter sur Macintosh

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Historique

Apr` es 1990 : solutions Unix

Architectures NUMA des Superdome d’HP (PA-RISC et IA-64) E10000/E15000 de Sun (UltraSparc).

Apr` es 1995 : ´ emulation de machines anciennes

Atari, Amiga, Amstrad et les consoles NES, SNES, Neo-Geo AES

D´ ebut 2000 : explosion des solutions de virtualisation professionnelles sur x86

commerciales : VmWare en tˆete, VirtualPC, Virtual Server libres : Xen, KVM, QEMU, Bochs, Linux-VServer, Virtual Box

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Usages de la virtualisation

Emulateur : ´

VirtualPC, Parallels Desktop, Apple Rosetta

Outil d’infrastructure :

VmWare ESX, Microsoft Hyper-V Server, Citrix Xen

Support d’applications :

Java, CLR .Net

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Comparaison avec une architecture physique

●

Machine physique

^●

Machines virtuelles

Traitement

Traitement Traitement Traitement

Noyau

Matériel

Noyau

Matériel

Noyau Noyau

MV1 MV2 MV3

Implémentation de la machine virtuelle

Interface de programmation

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Exemple de combinaison de machines virtuelles

Matériel VMWARE

Windows NT JVM Applet

Machines virtuelles

IBM VM/OS

Linux AIX

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Pourquoi un tel essor ?

Syst` emes centraux

concentration des centres de traitement

Micro-informatique

multiplication du nombre de serveurs difficult´e de maintenance

dépense énergétique

N´ ecessit´ e de re-centraliser Trois probl` emes

Sous-utilisation des ressources, adaptation aux besoins,

´

equilibrage de charge

Difficult´ es de maintenance et de s´ ecurisation

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Int´ erˆ ets de la virtualisation

Utilisation optimale des ressources

mutualisation du matériel facilité d’adaptation à la charge allocation dynamique des ressources

Facilit´ e d’installation, de gestion et de param´ etrage

r´eplication

points de reprise

plan de reprise facilit´e (PRA)

Optimisation de la consommation ´ energ´ etique

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Domaines d’application

Permet de mettre en place des serveurs virtuels d´ edi´ es (VDS)

permet le partage de ressource, l’autonomie et le contrˆole total du serveur

h´ebergement mutualis´e

Am´ eliore la disponibilit´ e des serveurs ou des services

r´epartition de charge

reprise automatique sur incident

Facilite les tests

Simulation d’architectures complexes et hétérogènes Facilité de mise en œuvre (clonage et points de reprise)

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Les crit` eres d’´ evaluation de la virtualisation

La transparence

Le fonctionnement du syst`eme non modifi´e par la virtualisation

Le cloisonnement

fonctionnement ind´ependant

pas d’interf´erence entre machines virtuelles

Les performances

minimisation des pertes li´ees `a la virtualisation (overhead)

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L’hyperviseur L’´emulateur Support mat´eriel

Impl´ ementation de l’hyperviseur

Plac´ e entre le mat´ eriel et le syst` eme d’exploitation Utilis´ e pour les ´ emulations de bas niveau

Impl´ ementation :

soit gère directement toutes les ressources (type 1) soit hébergé par un système hôte (type 2)

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L’hyperviseur natif - type 1

Diff´ erents noms

hyperviseur de type 1 hyperviseur natif

´

emulation ”bare metal”

Noyau simplifi´ e

all´eg´e

optimis´e pour accueillir des OS invit´es

Support mat´ eriel de bas niveau :

pas de support sp´ecifique paravirtualisation

instructions de virtualisation mat´erielle (AMD-V et Intel-VT) Virtualisation compl`ete

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Hyperviseur natif - type 1

Cas de la gestion directe des ressources

Matériel Hyperviseur OS

invité OS

invité

Applications Applications Applications Applications

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Exemples de solutions - type 1

Solutions logicielles

CP/CMS d’IBM, ancˆ etre de z/VM Xen (OpenSource), rachet´ e par Citrix Oracle VM

ESX Server de VMware Hyper-V de Microsoft

Kernel-based Virtual Machine : QEmu / KVM (OpenSource) Proxmox, OpenSource - Proxmox Server Solutions GmbH Solutions mat´ erielles

Int´ egration de l’hyperviseur dans le micrologiciel (firmware)

Hyperviseur Virtage d’Hitachi

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Hyperviseur de type 2

Logiciel qui s’ex´ ecute ` a l’int´ erieur d’un autre OS

OS hˆote

OS invit´ e

troisième niveau d’exécution au-dessus du matériel perte de performance (overhead)

Exemples

VMware Server (ex GSX), Workstation, Fusion Open source QEMU

Microsoft Virtual PC et VirtualServer

VirtualBox d’Oracle

(19)

Hyperviseur de type 2

Matériel Hyperviseur OS

invité OS

invité

OS hôte

Applications Applications Applications

Applications

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Hyperviseurs de type 1 ou 2

(21)

L’´ emulation du processeur

Simulation du processeur

traduction de chaque instruction destin´ee `a la CPU

Couteux en performances

´

emulation de tr`es bas niveau overhead important

Viable uniquement si le syst` eme hˆ ote et beaucoup plus puissant que le syst` eme invit´ e :

Atari, Playstation 1, Apple ][, GameBoy, Palm...

(22)

L’´ emulation du processeur

Exemples de solutions

QEMU, ´ emulateur OpenSource

fonctionne ou ´emule x86, PPC ou Sparc

VirtualPC, rachet´ e par Microsoft en 2003

´

emulation d’un PC sur Mac PPC

Roseta, d’Apple

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Emulation d’un syst` ´ eme hˆ ote

Prise en charge d’une autre API, d’un autre format de fichier ex´ ecutable que le syst` eme cible

Impact beaucoup plus l´ eger sur les performances

Niveau d’abstraction nettement plus ´elev´e

Exemples :

Prise en charge de programmes Windows sur MacOsX ou Linux sur PC x86

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Emulation d’un syst` ´ eme hˆ ote

Wine

Impl´ ementation de l’API Win32 pour Linux, MacOsX et autres Unix

Deux possibilit´ es :

Utilisation des DLL Windows

Ré-écriture à partir des spécifications externes (logiciel libre)

Excellentes performances (parfois meilleures que sous

Windows)

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Support mat´ eriel

Solutions mat´ erielles :

Int´egration au processeur :

instructions spécifiques, niveaux de privilèges Virtualisation des accès mémoire :

MMU cloisonnables

Aide au d´ eveloppement de syst` emes virtualis´ es :

Simplification de la virtualisation logicielle Optimisation des performances

Doit nécessairement être exploité par du logiciel

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Support mat´ eriel

Exemples de support mat´ eriel :

Hyperviseur IBM Power6 et Micro-partitionnement AIX Mainframes : VM/CMS

Sun LDOM (hyperviseur pour la gestion de ”logical domains”) Sun E10k/E15k

HP Superdome

AMD-V (anciennement Pacifica)

Intel VT (anciennement Vanderpool)

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Instructions d´ edi´ ees ` a la virtualisation

Habituellement

noyau en Ring 0

programmes utilisateur en Ring 3 seul l’OS hôte à accès au Ring 0

Technologie de partition processeur

technologie de décalage géré par le BIOS

OS invit´e exploite le Ring 2 lorsqu’il croit acc´eder au Ring 0

Impl´ ementations

VT-x (Virtual Technology) - 2003 - EPT

(Extended Page Table) sur Nehalem

AMD-V

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Isolation (cloisonnement) La paravirtualisation La virtualisation compl`ete

Le cloisonnement

Partitionnement d’un syst` eme d’exploitation

tous les OS invités sont du même type isolés les uns des autres

S´ eparation en plusieurs environnements

tous sont r´egis par l’OS hˆote

chaque processus ne peut interagir qu’avec les ressources et processus de son contexte

Partionnement de serveurs

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Le cloisonnement

Exemple d’Unix :chroot

Isolement d’applications dans des contextes cloisonn´ es

mini-syst`eme

acc`es limit´es

ne contient que les programmes et les ressources n´ecessaires

Utilisation d’un noyau unique

Solution l´ eg` ere ` a mettre en oeuvre (faible overhead)

protection du syst`eme (serveur FTP, par exemple) cohabitation d’applications incompatibles (biblioth`eques)

Exemple d’utilisation de

bash

chroot /home/debian bash -i

(30)

Le cloisement

Exemple de Linux VServer

Patch Linux + outils

Bas´ e sur les Security Context

serveurs virtuels Priv´es (VPS) base utilisateurs propre

isolé de tous les autres VPS, mais partage les mêmes ressources matérielles

Permet d’exploiter de multiples syst` emes

sur un syst` eme hˆ ote

(31)

La paravirtualisation

Plus bas niveau que l’isolation S’appuie sur une

couche hyperviseur

bas niveau : interface avec les ressources matérielles présente une machine générique spécifique

accueille des OS vari´es (invit´es)

N´ ecessite une adaptation des syst` emes invit´ es

OS modifi´e pour la paravirtualisation interfaces sp´eciales→drivers

adaptation du système hôte et des systèmes invités

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La paravirtualisation

Exemple de KVM / Vitrio

Virtual Input-Output

branche officielle du noyau Linux OS invit´e : module du noyau Linux

OS hˆote : outils sp´ecifiques (Linux et Windows)

Pilote sp´ ecifique

Traduit les demandes d’E/S en appel de haut niveau ajout dans une liste FIFO exploitée par le système hôte Support cartes réseau et contrôleurs de disques

N´ ecessite une adaptation du syst` eme invit´ e

uniquement pour des OS ouverts

Linux

(33)

La virtualisation compl` ete

Hyperviseur de bas niveau

´

emulation du niveau mat´eriel aucune modification de l’OS invit´e transparence

les OS invités n’ont pas conscience d’être virtualisés

(34)

Illustration

Exemple de Proxmox Virtual Environment

Solution libre de virtualisation Virtualisation ”bare metal”

containers Linux (OpenVZ) paravirtalisation (KVM / Virtio)

virtualisation compl`ete (KVM sur Inter-VT ou AMD-V)

Inclut :

syst`eme d’exploitation complet (Debian Lenny 64 bits) partitionnement de disque dur avec LVM2

outil de sauvegarde

support du clustering avec migration `a chaud des VM outil Web d’administration et de surveillance

(35)

Virtualisation de serveurs Virtualisation du poste client (VDI) Virtualisation d’application Virtualisation et Cloud Computing

Virtualisation de serveurs

Utilisation traditionnelle de la virtualisation

(36)

Virtualisation du poste client

VDI : Virtual Desktop Infrastructure : H-VDI : Hosted VDI :

Hyperviseur centralis´e Client l´eger

D´eport d’affichage (RCP, ICA)

Local-VDI : Hyperviseur local

(37)

Virtualisation d’application

Emulation de plateforme :

Wine : ´emulation d’application Windows sur Linux JVM, CLR : machine virtuelle Java/.Net

Encapsulation :

VMware ThinApp Microsoft APP-V Citrix XenApp

(38)

Les cinq caract´ eristiques du Cloud Computing [1]

1

Acc` es r´ eseau universel

Accessible via le r´eseau, quel que soit le terminal

2

Mise en commun de ressources

pooling des ressources logiques (puissance de calcul, capacit´e totale de stockage, bande passante disponible)

ne tient pas compte des ressources physiques (nombre de serveurs, taille de disques ou nombre de processeurs)

3

Elasticit´ e

Possibilit´e d’adapter rapidement les ressources `a ses besoins, dans un sens comme dans l’autre

4

Libre-Service

Traitement automatique des demandes de ressources

5

Service mesurable et facturable

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Les diff´ erents niveaux de prise en charge

SaaS

: Software as a Service

Mise `a disposition d’applications PaaS

: Platform as a Service

Mise `a disposition de plateformes de haut niveau IaaS

: Infrastructure as a Service

Mise `a disposition d’une infrastructure virtuelle compl`ete

(40)

Les diff´ erents niveaux de prise en charge [1]

(41)

SaaS : Software as a Service [2]

Logiciel consomm´ e sous la forme d’un service

Aucune visibilit´ e sur la plateforme et l’infrastructure mises en oeuvre

Niveau d’abstraction : l’application Exemples de fournisseurs

Google Docs, Office 365, Sales Force, Adobe Creative Cloud, Apple

iCloud, DropBox, ...

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PaaS : Platform as a Service

Mise ` a disposition d’une plateforme sur laquelle des d´ eveloppeurs peuvent d´ eployer des applications Exemples :

Serveur d’application (J2EE...), serveur Web, API...

Serveur de base de donn´ees (SQL, NoSQL... )

Niveau d’abstraction : la plateforme

Exemples de fournisseurs

Google App Engine (serveurs Google ou AppScale), Microsoft

Azure...

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IaaS : Infrastructure as a Service

L’entreprise g` ere :

les syst`emes d’exploitation des serveurs

les logiciels applicatifs (exécutables, paramétrages, l’intégration SOA, les bases de données)

Le fournisseur Cloud g` ere :

le mat´eriel serveur

les couches de virtualisation le stockage

les r´eseaux

Niveau d’abstraction : l’infrastructure logique Exemples de fournisseurs

Cloud Power, Desktone, Infoserv, Provectio, DotRiver...

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Exemple d’IaaS : OpenStack

Plateforme OpenSource

double licence GPL, LGPL

Compatible avec de nombreux hyperviseurs

KVM, Xen, VmWare...

Soutenu par de nombreux acteurs importants

NASA, IBM, Dell, HP, Cisco, NTT, Redhat, Canonical...

(45)

OpenStack : les composants de base

OpenStack Compute : gestion de l’ex´ ecution et des communications r´ eseau

OpenStack Object Storage : gestion du stockage des donn´ ees

OpenStack Image Service : gestion des images de r´ ef´ erence

des machines virtuelles (image de base et snapshot)

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Bibliographie I

SysDis.

Cloud computing : D´ efinitions et notions de base.

http://communication.sysdis.fr/2012/05/09/

cloud-computing-dfinitions-et-notions-de-base/, 11 2013.

Wikip´edia.

Software as a service.

http:

//en.wikipedia.org/wiki/Software_as_a_service, 11 2013.