VIRTUALISATION

& CLOUD

Principes, mise en oeuvre et [nom]

[nom]

“ Virtualisation et cloud

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P REAMBULE

S MILE

[lien]

Smile est une société d’ingénieurs experts dans la mise en œuvre de solutions [nom] et l’intégration de systèmes appuyés sur l’[nom] Smile est membre de l’APRIL, l’association pour la promotion et la défense du logiciel libre, du PLOSS – le réseau des entreprises du Logiciel Libre en Ile-de-France et du CNLL – le conseil national du logiciel libre.

Smile compte près de 1200 collaborateurs dans le monde, ce qui en fait le premier intégrateur français et européen de solutions [nom]

Depuis 2000, environ, Smile mène une action active de veille technologique qui lui permet de découvrir les produits les plus prometteurs de l’[nom], de les qualifier et de les évaluer, de manière à proposer à ses clients les produits les plus aboutis, les plus robustes et les plus pérennes. Cette démarche a donné lieu à toute une gamme de livres blancs couvrant différents domaines d’application. La gestion de contenus (2004), les portails (2005), la business intelligence (2006), la virtualisation (2007), la gestion électronique de documents

(2008), les PGIs/ERPs (2008), les VPN [nom] (2009), les Firewall et Contrôle de flux

(2009), les Middleware orientés messages (2009), l’ecommerce et les Réseaux Sociaux d'Entreprise (2010) et plus récemment, le Guide de l’[nom] et NoSQL (2011). Chacun de ces ouvrages présente une sélection des meilleures solutions [nom] dans le domaine considéré, leurs qualités respectives, ainsi que des retours d’expérience opérationnels.

Au fur et à mesure que des solutions [nom] solides gagnent de nouveaux domaines, Smile sera présent pour proposer à ses clients d’en bénéficier sans risque. Smile apparaît dans le paysage informatique français comme le prestataire intégrateur de choix pour accompagner les plus grandes entreprises dans l’adoption des meilleures solutions [nom]

[nom]

Ces dernières années, Smile a également étendu la gamme des services proposés. Depuis

2005, un département consulting accompagne nos clients, tant dans les phases d’avant-projet, en recherche de solutions, qu’en accompagnement de projet. Depuis 2000, Smile dispose d’un studio graphique, devenu en 2007 Smile Digital – agence interactive, proposant outre la création graphique, une expertise e-marketing, éditoriale, et interfaces riches. Smile dispose aussi d’une agence spécialisée dans la TMA (support et l’exploitation des applications) et d’un centre de formation complet, Smile Training. Enfin, Smile est implanté à Paris, Lille, Lyon, Grenoble, Nantes, Bordeaux, Marseille et Montpellier. Et présent également en Espagne, en Suisse, au Benelux, en Ukraine et au Maroc.

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Q UELQUES RÉFÉRENCES

DE S MILE

SMILE est fier d’avoir contribué, au fil des années, aux plus grandes réalisations Web françaises et européennes. Vous trouverez ci-dessous quelques clients nous ayant adressé

[lien]

leur confiance.

Infrastructure et Hébergement

Agence Nationale pour les Chèques Vacances, Pierre Audoin Consultants, Rexel, Motor Presse, OSEO, Sport24, Eco-Emballage, Institut Mutualiste Montsouris, ETS, Ionis, Osmoz, SIDEL, Atel

Hotels, Cadremploi, SETRAG, Institut Français du Pétrole, Mutualité Française, Bouygues

Telecom, Carrefour, HEC, Jardiland, Orange, TNS Sofres, Manpower, Ministère de l’économie, Eram, Kantar Worldpanel, Fiducial……

Sites Internet

EMI Music, Salon de l’Agriculture, Mazars, Areva, Société Générale, Gîtes de France, Patrice

Pichet, Groupama, Eco-Emballage, CFnews, CEA, Prisma Pub, Véolia, NRJ, JCDecaux, 01 Informatique, Spie, PSA, Boiron, Larousse, Dassault Systèmes, Action Contre la Faim, BNP

Paribas, Air Pays de Loire, Forum des Images, IFP, BHV, ZeMedical, Gallimard, Cheval Mag, Afssaps, Beneteau, Carrefour, AG2R La Mondiale, Groupe Bayard, Association de la Prévention

Routière, Secours Catholique, Canson, Veolia, Bouygues Telecom, CNIL…

Portails, Intranets et Systèmes d’Information

HEC, Bouygues Telecom, Prisma, Veolia, Arjowiggins, INA, Primagaz, Croix Rouge, Eurosport, Invivo, Faceo, Château de Versailles, Eurosport, Ipsos, VSC Technologies, Sanef, Explorimmo, Bureau Veritas, Région Centre, Dassault Systèmes, Fondation d’Auteuil, INRA, Gaz Electricité de Grenoble, Ville de Niort, Ministère de la Culture, PagesJaunes Annonces…

E-Commerce

Krys, La Halle, Gibert Joseph, De Dietrich, Adenclassifieds, Macif, Furet du Nord, Gîtes de France, Camif Collectivité, GPdis, Projectif, ETS, Bain & Spa, Yves Rocher, Bouygues Immobilier, Nestlé, Stanhome, AVF Périmédical, CCI, Pompiers de France, Commissariat à l’Energie

Atomique, Snowleader, Darjeeling…

ERP et Décisionnel

Veolia Transport, Solucom, Casden Banques Populaires, La Poste, Christian Louboutin, PubAudit, Effia Trasnport, France 24, Inra, Publicis, Nomadvantage, Nouvelles Frontières, Anevia, Jus de Fruits de Mooréa, Espace Loggia, Bureau Veritas, Skyrock, Lafarge, Cadremploi, Groupe Vinci, IEDOM (Banque de France), Carrefour, Corsair, Le Bon Coin, Jardiland, Trésorerie

Générale du Maroc, Ville de Genève, ESCP, Sofia, Faiveley Transport, INRA, Deloitte, Yves

Rocher, ETS, DGAC, Generalitat de Catalunya, Gilbert Joseph, Perouse Médical…

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Gestion documentaire

Primagaz, UCFF, Apave, Géoservices, Renault F1 Team, INRIA, CIDJ, SNCD, Ecureuil Gestion, CS informatique, Serimax, Veolia Propreté, NetasQ, Corep, Packetis, Alstom Power Services, Mazars…

[lien]

Consultez nos références, en ligne, à l’adresse : [lien]

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C E LIVRE BLANC

Si les solutions de virtualisation ont très rapidement conquis le monde de l’administration système et des infrastructures d’hébergement, comme de développement, c’est qu’elles

[lien]

apportent des bénéfices considérables, tant dans l’optimisation des coûts que dans la flexibilité de l’exploitation.

Et ce n'est pas seulement vrai pour le monde des serveurs puisque la virtualisation s'attaque de plus en plus à la problématique du poste de travail où un marché immense s'offre à elle.

De plus, la virtualisation est à la base du phénomène Cloud – présenté dans ce livre blanc – notamment depuis l'apparition de solutions d'Iaas [nom] telles qu'OpenStack

(également décrit comme « le framework [nom] plateforme du cloud ») permettant l'industrialisation de la virtualisation.

Pratiquant les différentes solutions de virtualisation depuis leurs débuts, les administrateurs système de Smile les ont mises en œuvre dans une variété de contextes, et en maîtrisent toutes les possibilités, de même qu’ils en connaissent les difficultés.

Ce livre blanc s’efforce de réunir :

• Une présentation générale des concepts de la virtualisation de serveurs, et de ses champs d’application (dont le Cloud Computing).
• Un recensement des solutions du marché, qui sont majoritairement [nom], avec un focus particulier sur les plus matures.
• Un retour d’expérience sur le déploiement de ces [nom] dans différents contextes.
• Une présentation d'une problématique connexe à la virtualisation : le stockage, et les solutions à mettre en œuvre en environnement virtualisé telles que les interfaces d'administration.

Enfin en conclusion, nous présentons un tableau comparatif dressant la synthèse des fonctionnalités présentes dans les différents [nom], et une note présentant l'avenir très prometteur de la virtualisation [nom]

N’hésitez pas à nous transmettre vos avis et évaluations sur ce livre blanc.

Une seule adresse : [e-mail]

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S OMMAIRE

PREAMBULE..............................................................................................2

S MILE ..................................................................................................................................................................2

Q UELQUES RÉFÉRENCES ..............................................................................................................................................3

DE S MILE ..............................................................................................................................................................3

[lien]

C E LIVRE BLANC ......................................................................................................................................................5

LES PRINCIPES DE LA VIRTUALISATION......................................................8

P ARTAGE D ’ UN SERVEUR .............................................................................................................................................8

O BJECTIFS ET BÉNÉFICES .............................................................................................................................................9

H ISTORIQUE ........................................................................................................................................................10

U N PEU DE VOCABULAIRE .........................................................................................................................................11

H YPERVISEUR ...................................................................................................................................................12

E SPACE NOYAU , ESPACE UTILISATEUR .........................................................................................................................13

OS HÔTE , OS INVITÉ .........................................................................................................................................14

É MULATION .....................................................................................................................................................14

P ERFORMANCES ET RENDEMENT ..................................................................................................................................14

S ÉCURITÉ ............................................................................................................................................................15

A DMINISTRATION ...................................................................................................................................................15

C ONTRÔLE DES [nom] ......................................................................................................................................15

L ICENCES ET SUPPORT ..............................................................................................................................................16

ÉTAT DE L'ART.........................................................................................17

I SOLATION ...........................................................................................................................................................17

P RÉSENTATION ..................................................................................................................................................17

L ES SOLUTIONS .................................................................................................................................................19

V IRTUALISATION COMPLÈTE ........................................................................................................................................19

P RÉSENTATION ..................................................................................................................................................19

QEMU.....................................................................................................................................................20

X EN ..............................................................................................................................................................20

LES PRINCIPALES SOLUTIONS..................................................................22

O PEN VZ............................................................................................................................................................22

P RÉSENTATION ..................................................................................................................................................22

H ISTORIQUE .....................................................................................................................................................22

P RINCIPE ........................................................................................................................................................23

L IMITATIONS ....................................................................................................................................................23

C APACITÉS .......................................................................................................................................................23

X EN ..................................................................................................................................................................24

F ONCTIONNEMENT DE X EN ...................................................................................................................................24

P ARAVIRTUALISATION SOUS X EN ..............................................................................................................................24

M ACHINE VIRTUELLE SOUS X EN ..............................................................................................................................25

A VANTAGES DE X EN ...........................................................................................................................................25

L IMITATIONS DE X EN ...........................................................................................................................................26

DOMAINES D’APPLICATION.....................................................................27

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H ÉBERGEMENT VDS..............................................................................................................................................27

P LATEFORME DE VALIDATION ET DE DÉVELOPPEMENT ...........................................................................................................28

H AUTE DISPONIBILITÉ ..............................................................................................................................................29

R ÉPARTITION DE CHARGE ......................................................................................................................................29

R EPRISE AUTOMATIQUE ........................................................................................................................................30

V IRTUAL APPLIANCE ................................................................................................................................................31

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L E CONCEPT D ’ APPLIANCE .....................................................................................................................................31

D E TRÈS NOMBREUSES POSSIBILITÉS ..........................................................................................................................32

A RCHITECTURE LAMP.......................................................................................................................................32

F IREWALL , VPN...............................................................................................................................................32

C LOUD C OMPUTING ...............................................................................................................................................32

LE STOCKAGE..........................................................................................34

D IFFÉRENTS BESOINS ...............................................................................................................................................34

S TOCKAGE EN RÉSEAU .............................................................................................................................................34

NAS ET NFS.................................................................................................................................................35

SAN.........................................................................................................................................................36

I SCSI...........................................................................................................................................................36

F IBRE C HANNEL ................................................................................................................................................37

C RITÈRES DE CHOIX ................................................................................................................................................37

INTERFACES D'ADMINISTRATION............................................................38

P ROXMOX VE.......................................................................................................................................................38

L ES DEUX MONDES SUR UNE PLATEFORME SIMPLE D ' ACCÈS ................................................................................................38

R ETOURS D ' EXPÉRIENCE .......................................................................................................................................39

L IMITATIONS DE P ROXMOX VE...............................................................................................................................39

O PEN S TACK ........................................................................................................................................................40

P RÉSENTATION ..................................................................................................................................................40

A RCHITECTURE DU PRODUIT ...................................................................................................................................41

L A PÉRENNITÉ D ’O PEN S TACK .................................................................................................................................44

CONCLUSION...........................................................................................45

S YNTHÈSE ...........................................................................................................................................................46

Q UELLE SOLUTION CHOISIR ?..................................................................................................................................46

L' AVENIR ............................................................................................................................................................46

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L ES P RINCIPES DE LA V IRTUALISATION

P ARTAGE D ’ UN SERVEUR

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Un serveur est un ordinateur utilisé à distance depuis différents postes de travail, ou autres serveurs. Il possède des [nom] matérielles, principalement CPU, mémoire, disques et interfaces réseau. Ces [nom] sont utilisées par des applications, non pas de manière directe, mais en s’appuyant sur un système d’exploitation.

La virtualisation de serveurs est un ensemble de techniques et d’[nom] permettant de faire tourner plusieurs systèmes d’exploitation sur un même serveur physique.

Le principe de la virtualisation est donc un principe de partage : les différents systèmes d’exploitation se partagent les [nom] du serveur.

Pour être utile de manière opérationnelle, la virtualisation doit respecter deux principes fondamentaux :

Le cloisonnement : chaque système d’exploitation a un fonctionnement indépendant, et ne peut interférer avec les autres en aucune manière.

La transparence : le fait de fonctionner en mode virtualisé ne change rien au fonctionnement du système d’exploitation et a fortiori des applications.

La transparence implique la compatibilité: toutes les applications peuvent tourner sur un système virtualisé, et leur fonctionnement n’est en rien modifié.

Pour ce qui est du cloisonnement, il existe bien sûr une interférence passive liée à la concurrence dans le partage des [nom] Mais nous verrons que ce partage peut être parfaitement contrôlé.

Architecture traditionnelle

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Architecture virtualisée

Il existe depuis longtemps d’autres moyens de partager des [nom] physiques. En fait, les applications tournant sur un même serveur, en l’absence de virtualisation, se partagent déjà les [nom] du serveur. C’est l’une des missions du système d’exploitation que de permettre et d’administrer ce partage : plusieurs applications se partagent les disques, le processeur, la mémoire, les accès réseau, et le système d’exploitation est le chef d’orchestre, gérant les règles de ce partage.

Alors, pourquoi ce partage ne suffit-il pas ? Pourquoi a-t-on besoin de virtualisation ?

A cela, deux réponses.

La première relève de la rigueur du cloisonnement, au sein d’un même système, entre les différents contextes de travail. Le fonctionnement natif de la plupart des systèmes ne permet pas un cloisonnement suffisamment étanche. Nous verrons qu’une des voies de la virtualisation consiste à renforcer le cloisonnement.

La seconde relève du système d’exploitation lui-même, et des configurations système.

Il arrive couramment que les applications requièrent un système d’exploitation particulier, ou bien une configuration particulière du système, ou encore des composants logiciels majeurs qui ne peuvent pas cohabiter sur un même système d’exploitation.

Dans tous ces cas de figure, le partage [nom] offert par le système lui même ne convient plus : on veut partager les [nom] en dessous du système d’exploitation, de manière à faire cohabiter plusieurs systèmes d’exploitation sur le même serveur physique.

O BJECTIFS ET BÉNÉFICES

Le premier objectif de la virtualisation est économique.

Partager les [nom] physiques dont on dispose entre différents serveurs virtuels, permet de ne pas acheter plusieurs serveurs physiques, lorsqu’un seul a une capacité suffisante en termes [nom]

Le constat sous-jacent est que les serveurs sont souvent sous-utilisés. On estime que dans un datacenter privé ordinaire, le taux d'utilisation moyen est de l'ordre de 10%, et qu'une utilisation généralisée de la virtualisation permet d'atteindre 35%. C'est encore loin de 100, mais c'est quand même trois fois moins de serveurs.

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Parce que les serveurs commercialisés correspondent à un « quantum » minimal de puissance

; vous pouvez certes ajuster la configuration mémoire, mais si votre besoin est seulement un dixième de processeur, il vous faut un processeur entier, et donc un serveur entier, qui sera alors sous-utilisé.

Par ailleurs, les besoins d’une application donnée peuvent varier dans le temps de manière extraordinaire. Soit à court terme, avec les heures de pointes dans une même journée. Soit

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sur le long terme, avec par exemple un environnement de développement mis en sommeil pour plusieurs mois, puis à nouveau utilisé pour une opération de maintenance.

Bien sûr, on peut aussi partager un serveur dans le temps, en sauvegardant toute la configuration logicielle, y compris le système d’exploitation, et en installant un autre système pour une autre utilisation. C’est en fait ce que l’on faisait avant la virtualisation pour remettre en place l’environnement de développement d’un projet ancien afin d’y faire une opération de maintenance. La réinstallation d’un système complet est une opération lourde, qui peut prendre plusieurs heures, et présente un risque de petites variations de configuration.

Aujourd’hui, on préfère conserver un environnement virtualisé prêt à l’emploi, qui ne consommera pratiquement aucune [nom], si ce n’est une part de l’espace disque.

Éviter de multiplier les serveurs physiques apporte des bénéfices en termes de coût d’acquisition, bien entendu, mais aussi en termes de coût de possession, tant au niveau de l’hébergement (rack, électricité, refroidissement, câblage, interfaces réseau), que de l’exploitation.

Mais la virtualisation apporte aussi des bénéfices qui ne sont pas directement liés au partage des [nom]

Ainsi, la virtualisation permet de déplacer un serveur virtuel d’un hôte à un autre de manière très aisée, y compris sur des environnements matériels très hétérogènes, puisque les couches matérielles dans les serveurs virtuels sont le plus souvent génériques.

Cette capacité à agencer aisément et rapidement la répartition des serveurs virtuels sur un parc de serveurs physiques est évidemment une révolution dans l’administration d’un parc de serveurs. D'une certaine manière, le serveur devient une [nom] ordinaire, une « commodité », et au lieu de répartir des applications sur des serveurs, on fournit du serveur aux applications.

Avec certaines solutions de virtualisation, le déplacement s’effectue de manière totalement transparente pour le système invité. Le délai de ce déplacement nécessite le transfert de l’espace disque et de la mémoire, et nous verrons que certaines technologies de virtualisation et certaines configuration de stockage permettent des transferts à chaud sans arrêt des applications.

H ISTORIQUE

Le besoin de partager les [nom] physiques pour une utilisation optimale est bien sûr d’autant plus fort que ces [nom] sont coûteuses, et c’était donc un domaine de recherche important dès les débuts de l’informatique transactionnelle.

La capacité à gérer plusieurs utilisateurs simultanément, en séparant leurs contextes de travail, est apparue dès les années 70, et s’est généralisée dans les années 80 avec les grands moniteurs transactionnels, tels que CICS.

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Chaque utilisateur dialogue avec le serveur de manière indépendante, comme s’il était seul, et utilise donc une petite part des [nom] du serveur, selon son besoin. Néanmoins, cette séparation de contextes utilisateurs, que l’on retrouve bien sûr aujourd’hui avec les serveurs

HTTP et les [nom] serveurs d’application du web, n’est pas appelée virtualisation. En effet, si le contexte applicatif est propre à chaque utilisateur, le contexte logiciel est au contraire parfaitement homogène.

[lien]

IBM figure parmi les pionniers de ces technologies avec l’hyperviseur CM/CMS utilisé dès les années 60, qui fut le père de VM/CMS dans les années 70, devenu aujourd’hui z/VM, qui permet de faire tourner y compris AIX ou Linux au sein d’une machine virtuelle sur mainframe.

Dans la seconde moitié des années 1990, le monde de la micro-informatique découvre les émulateurs. La puissance des machines x86 leur permet d'émuler les générations précédentes de machines. Il devient alors possible d'émuler des machines Atari, Amiga, Amstrad ainsi que de nombreuses consoles.

A la fin des années 1990 la société VMware développe et popularise le produit du même nom, système propriétaire de virtualisation logicielle des architectures de type Intel x86, ouvrant la possibilité de mettre en place n'importe quel environnement x86 à des fins de tests ou de développement sans avoir besoin d'acheter une nouvelle machine. Contrairement aux émulateurs cités précédemment, il est enfin possible de faire tourner les applications professionnelles destinées aux processeurs x86 dans une machine virtuelle.

Il faut citer aussi aux rangs des précurseurs, Qemu, créé par Fabrice Bellard, qui a ouvert la voie et sur lequel se sont appuyées la plupart des solutions [nom]

Viennent ensuite les logiciels libres comme Xen, KVM, et OpenVZ, que nous décrirons plus en détail dans ce document.

Et pour finir les logiciels orientés poste de travail comme VMware Player ou VirtualBox ont achevé la popularisation de la virtualisation dans le monde x86.

Pour répondre aux nouveaux défis de la virtualisation, notamment en terme de performances, les fabricants de processeurs x86, AMD et Intel, ont implémenté dans leurs gammes de processeurs des instructions spécifiques améliorant les possibilités de virtualisation. Ces processeurs ont commencé à être diffusés à partir de 2006. Ils permettent une virtualisation avec un rendement proche de 100%. La course à la performance n'est cependant pas terminée, et de nouvelles technologies comme la virtualisation des IO sont encore en cours de généralisation.

Mais dans l'ensemble, la technologie à la base de la virtualisation est mature, et l'essentiel des efforts se concentre désormais sur les [nom] permettant de tirer profit de la virtualisation :

que ce soit les [nom] de stockage, de sauvegarde, ou d'administration. Les offres estampillées

« Cloud Computing » sont un bon exemple des possibilités offertes par une virtualisation dont le cycle de vie est entièrement automatisé.

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U N PEU DE VOCABULAIRE

Hyperviseur

L’hyperviseur est la couche logicielle qui s’insère entre le matériel et les différents systèmes

d’exploitation. · C’est bien un composant clé, que l'on retrouve dans la plupart des

[lien]

technologies de virtualisation de bas niveau.

Ainsi, par rapport au schéma de base d’un serveur distinguant le matériel, le système d’exploitation, et ses applications :

L’hyperviseur vient s’insérer entre le matériel et plusieurs systèmes d’exploitation, de la manière suivante :

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L’hyperviseur peut soit gérer lui-même toutes les [nom] matérielles du serveur, soit s’appuyer pour cela sur un système d’exploitation existant. Dans ce dernier cas, on parle d’hyperviseur de type 2, comme figuré ci-après.

[lien]

Espace

noyau, espace utilisateur

Rappelons que l’on distingue, dans un serveur deux espaces :

• L’espace noyau (kernelspace), qui inclut le noyau du système d’exploitation et ses drivers.
• L’espace utilisateur (userspace), qui inclut tout le reste, incluant tous les composants systèmes de la distribution ainsi que les applicatifs spécifiques.

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OS hôte, OS invité

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Dans le cas d'un hyperviseur de type 2, on appelle « OS hôte » ou Host OS, l’OS sous-jacent, sur lequel s’appuie l’hyperviseur.

On appelle « OS invité » ou Guest OS, les OS des machines virtuelles.

Émulation

L’émulation consiste à simuler l’exécution d’un programme en interprétant chacune des instructions destinées au micro-processeur. Il est possible d’émuler ainsi n’importe quel processeur et l’environnement complet d’un serveur.

On a vu apparaître ainsi, dans les années 90, des émulateurs reproduisant fidèlement les premiers micro-ordinateurs tels que Amiga, ou Atari.

L’émulation est la technique qui offre le plus haut niveau d’abstraction de la plateforme. Il faut rappeler en effet que toutes les autres techniques de virtualisation citées ont une exigence en commun : tous les exécutables doivent être compilés pour le processeur physiquement disponible sur le serveur.

L’émulation lève cette contrainte car les instructions ne sont jamais exécutées par le processeur, elles sont interprétées en simulant le processeur.

Cette interprétation est coûteuse en performances, de sorte que l’émulation est rarement utilisée en dehors d’applications ludiques ou de recherche. Dans le cas de l’émulation des vieux matériels, le différentiel de puissance des processeurs sur 10 ans comblait largement la perte résultant de l’émulation.

Le projet QEMU est la principale solution [nom] de virtualisation par émulation.

P ERFORMANCES ET RENDEMENT

A l’évidence, puisqu’il y a partage des [nom] physiques, chaque environnement virtuel dispose [nom] plus limitées que s’il avait un serveur physique dédié.

Mais la question essentielle est : la somme des [nom] allouées aux différents environnements virtuels est-elle égale aux [nom] physiques disponibles ? Autrement dit :

Quel est le surcoût (« overhead ») de la virtualisation ? On pense en particulier au surcoût en termes de CPU, car les autres [nom] sont en général moins précieuses.

Les bonnes solutions de virtualisation, appuyées sur des processeurs disposant d’instructions spécialisées, permettent un surcoût en performances qui est aujourd’hui négligeable, c’est à dire que le rendement est pratiquement égal à 1.

En d’autres mots : la mise en œuvre d’environnements virtualisés n’implique presque pas de perte de performances.

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Il faut souligner aussi que dans certaines applications de la virtualisation, de nombreux environnement peuvent être dormants, en attendant un usage futur. Dans ce cas leur consommation [nom] CPU est à peu près nulle, et leur consommation de RAM est très faible.

S ÉCURITÉ

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Dans la pratique, la virtualisation n’apporte aucune dégradation en termes de sécurité.

Certes, la sécurité du serveur physique sous-jacent est critique, car un accès console sur ce serveur, ou sur l’hyperviseur de la solution de virtualisation pourrait compromettre l’ensemble des serveurs virtuels hébergés. Il est donc évidemment primordial d'y assurer un haut niveau de sécurité, et donc de bien distinguer en termes d’habilitations, l’administration du serveur physique et de la virtualisation d’une part, et l’administration des environnements virtualisés d’autre part.

A l’inverse, le contrôle administrateur (root) sur l’un des environnements ne donne aucun droit, ni aucune possibilité, même pour un intervenant malveillant, ni sur l’environnement physique et l’hyperviseur, ni sur les autres environnements.

Enfin, la bonne pratique, scrupuleusement appliquée par les bons administrateurs, est de séparer le réseau d'administration des serveurs physiques, et le réseau des VM par lequel arrive le trafic utilisateur.

A DMINISTRATION

Si la virtualisation est transparente pour les utilisateurs, pour les applications, et même pour les systèmes d’exploitation invités, elle ne l’est pas bien sûr pour l’administrateur qui en a la charge.

La mise en œuvre et l’exploitation des solutions de virtualisation requièrent une vraie expertise. Pour un administrateur système de bon niveau, maîtriser une solution de virtualisation demandera plusieurs jours de formation, et quelques semaines de pratique.

C ONTRÔLE DES [nom]

Une des grandes problématiques dans un environnement virtualisé est le contrôle dans l’attribution et dans le partage des [nom] du serveur physique.

On peut souhaiter répartir les [nom] disponibles soit de façon équitable, soit en privilégiant certains environnements par rapport aux autres.

Les règles dépendent bien sûr du domaine d’application. Si 10 sites Internet se partagent un serveur physique et que l’un connaît un pic de trafic, on peut souhaiter lui laisser prendre 90% de la CPU tant que les autres n’en ont pas usage. A l’inverse, si un hébergeur a vendu 1/10 ème de serveur à l’un de ses clients, il doit être en mesure de garantir que le client aura toujours son quota, quelle que soit la demande des autres clients.

Dans tout les cas les différents produits de virtualisation implémentent des mécanismes permettant d'assurer cette répartition, et d'éviter qu'un serveur ne pénalise les autres en consommant toutes les [nom] de la machine physique sur laquelle ils s'exécutent.

Les quatre [nom] principales que l'on souhaite contrôler sont :

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• Le CPU : un ordonnanceur spécifique est généralement en charge de répartir la charge du ou des processeurs entre les différents serveurs virtuels. La plupart des technologies permettent d'attribuer des poids, privilégiant ainsi un serveur par rapport à l'autre ce qui permet d'assurer un minimum de puissance disponible, tout en tirant profit des

[nom] maximales de la machine physique.

• La mémoire : la mémoire est [nom] la mieux maîtrisée par l'ensemble des

[lien]

technologies de virtualisation. La mémoire que l'on souhaite attribuer à un serveur virtuel est souvent réservée à la création.

• Le stockage : les différents produits de virtualisation peuvent s'appuyer sur différents types de stockage, adaptés à différentes échelles, tels qu'un simple répertoire, une image binaire d'un disque dur, ou un volume logique dans un SAN. L'espace disque disponible est connu à l'avance et peut être limité. De plus, une priorisation des accès est généralement possible pour favoriser certains environnements (par exemple les bases de données).
• Le réseau : c'est [nom] la moins bien gérée par les technologies actuelles de virtualisation. Dans les produits présentés ici, aucune limitation de bande passante réseau n'est possible. En revanche, contrairement aux autres [nom], il est possible de contrôler le réseau en amont, au moyen d'un routeur implémentant des technologies de Qualité de Service.

L ICENCES ET SUPPORT

La virtualisation permet d'exécuter des OS supplémentaires, et aussi d'en faire des multiples copies, backups, etc. Cela pose le problème des licences, qui ne sont le plus souvent pas prévues pour une utilisation en machines virtuelles. Il faut donc faire attention à ce problème.

Microsoft Windows, par exemple, permet de licencier un certain nombre d'installations, et autorise d'avoir autant de machines virtuelles que l'on souhaite, du moment qu'on n'en exécute jamais plus simultanément que le nombre autorisé par la licence.

De même, il est fréquent que les éditeurs de logiciels ne supportent pas telle ou telle configuration matérielle, ou technologie de virtualisation. A l'inverse, certains logiciels sont certifiés compatibles avec Xen ou VMWare ESX. Dans les faits, plus la technologie de virtualisation est intrusive pour le système invité, moins il est probable qu'elle soit supportée par les éditeurs.

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É TAT DE L ' ART

Il existe différentes techniques de virtualisation, citons par niveau d'abstraction croissant :

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• L’isolation
• La paravirtualisation
• La virtualisation complète, ou machine virtuelle
• Le partitionnement matériel

L’isolation consiste à mettre en place, sur un même noyau de système d’exploitation, une séparation forte entre différents contextes logiciels. Il s'agit de la technique de virtualisation la plus « légère » qui existe.

La paravirtualisation présente aux systèmes d’exploitation une machine générique spéciale, qui requiert donc des interfaces spéciales, intégrées aux systèmes invités sous la forme de drivers ou de modifications du noyau. Il s'agit d'un compromis entre un niveau d'abstraction élevé et un niveau de performance satisfaisant.

Dans la virtualisation complète, l’hyperviseur intercepte de manière transparente tous les appels que le système d’exploitation peut faire aux [nom] matérielles, et supporte donc des systèmes invités non-modifiés.

Le partitionnement matériel, enfin, est la technique historique utilisée sur les gros systèmes.

Elle consiste à séparer les [nom] matérielles au niveau de la carte mère de la machine.

Cette technique est surtout répandue dans les serveurs hauts de gamme, par exemple les Logical Domains de chez Sun. Elle est assez rare dans le monde x86. Les blades en sont un exemple, mais ils n'offrent pas des fonctionnalités aussi avancées que ce que l'on retrouve sur d'autres architectures matérielles comme SPARC.

Nous présenterons dans la suite les deux techniques majeures du monde x86 : l'isolation et la virtualisation complète.

L'édition précédente de ce livre blanc traitait de paravirtualisation, cette séparation n'est plus d'actualité car paravirtualisation et virtualisation complète sont désormais utilisées conjointement au sein d'un même produit.

I SOLATION

Présentation

L'isolation (aussi appelée cloisonnement) est une technique qui intervient au sein d’un même système d'exploitation. Elle permet de séparer un système en plusieurs contextes ou environnements. Chacun d'entre eux est régi par l'OS hôte, mais les programmes de chaque contexte ne peuvent communiquer qu'avec les processus et les [nom] associées à leur propre contexte.

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Il est ainsi possible de partitionner un serveur en plusieurs dizaines de contextes, presque sans ralentissement.

L'isolation est utilisée sous Unix depuis longtemps pour protéger les systèmes. Via des mécanismes comme chroot ou jail il est possible d'exécuter des applications dans un environnement qui n'est pas celui du système hôte, mais un « mini système » ne contenant que ce dont l'application a besoin, et n’ayant que des accès limités aux [nom] Il est

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possible également de lancer des programmes dans une autre distribution que celle du système principal.

Avec l’isolation, l’espace noyau n’est pas différencié, il est unique, partagé entre les différents contextes. Mais on définit de multiples espaces utilisateurs cloisonnés. C’est ainsi que l’on peut faire cohabiter différentes distributions de système d’exploitation, à condition qu’elles partagent le même noyau.

L’isolation des contextes est une solution légère, tout particulièrement dans les environnements Linux.

L’unicité du noyau reste bien sûr une petite limitation. D’une part en termes de robustesse, puisqu’un plantage du noyau – fort heureusement très rare dans le monde Linux – plante simultanément tous les environnements. D’autre part dans les utilisations possibles, puisque typiquement ce mode ne conviendra pas pour valider une nouvelle version de noyau.

Mais pour les besoins les plus courants de la virtualisation, la simplicité de mise en œuvre et le faible overhead sont d’excellents arguments.

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Les solutions

Les deux principales solutions pour l’isolation Linux sont OpenVZ et LXC. Linux-Vserver, une solution qui a eu son heure de gloire, est parfois rencontrée, mais son adoption diminue rapidement.

OpenVZ est aujourd'hui la solution la plus mature et disposant du plus grand nombre de

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fonctionnalités. C'est pourquoi c'est la solution que nous avons choisi de présenter en détails.

LXC est pour sa part une solution relativement jeune et encore instable, mais très prometteuse, car plus profondément intégrée au noyau Linux.

V IRTUALISATION COMPLÈTE

Présentation

La virtualisation complète, comme son nom l'indique, consiste à simuler un ordinateur complet, de façon à exécuter le système d'exploitation de façon naturelle, sans que celui-ci ne se rende compte qu'il est virtualisé.

On parle aussi de 'machines virtuelles', en désignant ces systèmes simulés.

Cela permet donc de faire fonctionner plusieurs systèmes d'exploitation non modifiés sur un serveur physique. Le matériel du serveur physique est rendu abstrait et remplacé, du point de vue des serveurs virtuels, par un matériel « générique ». Ce matériel est soit émulé pour ressembler à un matériel réel (généralement répandu, comme les contrôleurs disque Intel PIIX ou les cartes réseau Broadcom), soit paravirtualisé, c'est à dire qu'il nécessite un pilote particulier dans le système invité pour fonctionner.

Sur une machine virtuelle, il est possible d'installer n'importe quel OS non modifié, et donc aussi bien propriétaire (Windows) que [nom], du moment qu'il dispose des pilotes pour le matériel que lui présente l'hyperviseur.

Les premières solutions de virtualisation complète étaient entièrement basées sur des émulateurs, donc des logiciels qui réinterprétaient chaque opération demandée par le système virtuel, pour les adapter au matériel physique, au prix d'une perte considérable de performances.

Les produits modernes tirent partie des nouveaux jeux d'instructions spécialisés des dernières générations de processeurs pour assurer des performances de calcul quasi identiques aux performances natives.

Avec l'essor de ce procédé, des techniques issues de la paravirtualisation se sont greffées aux hyperviseurs : en effet la présence de périphériques émulés ralentissait les entrées-sorties de la machine virtuelle, en particulier les accès disques et le trafic réseau. Un pilote de périphérique spécial, capable de dialoguer nativement avec l'hyperviseur sans passer par une interface simulée, permet d'obtenir des performances quasi natives pour les entrées-sorties.

La paravirtualisation des entrées-sorties n'est pas systématiquement supportée, contrairement à l'émulation de périphérique, car elle exige une coopération de la part du système invité. Elle est donc réservée aux systèmes les plus répandus comme Windows et Linux.

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Dans les produits commerciaux, elle prend la forme d'un agent s'installant dans la machine virtuelle, et se nomme, selon le produit, « VMWare Tools », « XenServer Tools », « VirtualBox

Guest Additions », etc.

En plus de l'accélération des entrées-sorties, ces agents permettent une meilleure interaction entre l'hyperviseur et le système, et permet notamment de commander l'extinction d'une machine virtuelle depuis l'hyperviseur.

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QEMU

QEMU a été un des premiers projets libres à proposer des performances quasi natives. A l'origine QEMU est un émulateur, et, bien qu'il ait intégré un système de compilation en temps réel vers le processeur cible, il souffrait d'une grosse baisse de performance des machines virtuelles. QEMU étant un précurseur, tous les autres produits de virtualisation [nom]

ont emprunté sa couche d'émulation des périphériques.

Après une période de relative obsolescence, QEMU revient aujourd'hui sur le devant de la scène, suite à la fusion du projet avec KVM.

KVM est un module de virtualisation complète fourni par le noyau Linux, qui assure des performances de calcul excellentes, et la possibilité de migrer une VM à chaud entre machines sans nécessiter d'agent, contrairement à toutes les autres solutions. Quant à virtio il s'agit d'une couche de paravirtualisation des entrées-sorties, disponible uniquement dans les VM

Linux. La combinaison de KVM et virtio permet à QEMU d'exécuter des machines virtuelles

Linux extrêmement performantes et agiles. KVM est à la base de solutions telles que RedHat

Enterprise Virtualisation où encore OpenStack Compute qui est présenté dans la suite de ce livre blanc.

Xen

Xen est initialement un logiciel de paravirtualisation, qui nécessitait l'utilisation d'un noyau spécial dans les machines virtuelles. Avec le temps, Xen s'est doté d'un mode de

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fonctionnement similaire aux machines virtuelles, afin de pouvoir virtualiser des systèmes tels que Windows, dont le noyau propriétaire interdit la paravirtualisation.

Initialement réservé à Linux, BSD et Solaris, la virtualisation Xen se tourne de plus en plus vers Windows depuis le rachat de l'éditeur de Xen par Citrix. Simultanément, Xen est de moins en moins utilisé par les éditeurs de distribution Linux au profit de QEMU. Cependant Xen est

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toujours aujourd'hui la référence pour la virtualisation haute performance sous Linux, puisque plus ancien et bien ancré dans les versions actuelles des principales distribution Linux orientées entreprise : RHEL et SLES. Xen a été récemment intégré au noyau Linux ce qui garantit sa pérennité.

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L ES P RINCIPALES S OLUTIONS

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O PEN VZ

Une des solutions les plus avancées et matures dans le domaine de l'isolation est OpenVZ.

Ce produit se présente sous la forme d'un patch pour le noyau Linux, et d'un ensemble d'[nom] d'administration. Le patch du noyau permet à un système GNU/Linux de gérer des contextes virtualisés. Les [nom] d’administration permettent de créer, d'instancier, et de contrôler les environnements virtuels.

Rappelons que la technologie d'isolation ne permet d'exécuter que des serveurs virtuels Linux sur un hôte OpenVZ, même si ces serveurs peuvent être de distributions différentes.

Certaines distributions Linux proposent des versions packagées d'OpenVZ. En particulier, la distribution Debian GNU/Linux, dans les versions Lenny et Squeeze, permet dès l'installation du serveur physique de mettre en place cette solution en quelques secondes via son système de packages. Il faut cependant noter que OpenVZ sera remplacé par LXC dans la future version

Squeeze, à paraître en 2013.

Présentation

Le projet OpenVZ fournit aux systèmes GNU/Linux une méthode de virtualisation. Cette virtualisation se situe au niveau du noyau de l'OS. Cela rend possible l'exécution de multiples instances d'OS GNU/Linux sur la même machine. Ces instances fonctionnant de façon complètement sécurisées et partageant intelligemment les [nom] du serveur hôte.

Historique

OpenVZ a été initialement développé par la société SWSof, dans le but de fournir à des hébergeurs un moyen de disposer d'un grand nombre d'environnements séparés sur un petit nombre de serveurs physiques. Après quelques années d'existance, l'éditeur créa le projet

OpenVZ en 2005 pour continuer à développer ce produit, nommé Virtuozzo en suivant les principes de l'[nom]

Aujourd'hui, OpenVZ est le « moteur » du produit commercial Paralells Virtuozzo Containers utilisé par de nombreuses entreprises dans le monde, et constitue en lui-même un produit utilisable et bien intégré aux distributions Linux.

OpenVZ travaille à intégrer le plus possible de ses fonctions dans le noyau Linux afin de faciliter la maintenance et assurer la pérennité du projet.

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Principe

OpenVZ est un isolateur de contexte. Il est capable d'isoler le contexte d'exécution de plusieurs OS sur la même machine. Nativement un noyau Linux ne permet aux processus que de tourner dans un seul contexte commun. Le patch noyau de ce projet [nom] permet d'ajouter au noyau un ensemble d'[nom] pour isoler ces contextes. On peut alors faire tourner plusieurs instances de l'OS sur la même machine. Toutefois elles partagent quand même le

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noyau, ce qui veut dire que si celui-ci se retrouve en défaut, alors tous les contextes le sont.

OpenVZ est aussi capable d'isoler les contextes réseau, c’est à dire que les contextes ne voient pas le trafic des autres contextes de la machine hôte, tout comme la machine hôte en elle-même. Cette parfaite étanchéité en terme de sécurité et de confidentialité des données traversant les machines virtuelles et la machine hôte, est particulièrement appréciable, surtout dans le cas d'un hébergement.

En fait, le projet OpenVZ découle des [nom] déjà existants sous Linux comme la barrière chroot et les limitations [nom], mais le tout intégré à un niveau plus bas de l'OS, plus développé et accompagné d’un ensemble d'[nom] d'administration.

Limitations

Du fait que les serveurs virtuels utilisent le noyau de l'OS hôte, OpenVZ est incapable de faire tourner d'autres OS que GNU/Linux; en revanche cela lui confère un rendement proche des performances natives. En effet la couche « conteneurs » est très fine et permet de positionner les OS virtualisés au plus proche du noyau (on considère que la charge provoqué par l'isolation est inférieure à 1% des capacités de la machine. Les performances obtenues sont donc supérieures à 99% des performances natives).

Certaines fonctions nécessitant un accès direct au noyau par une des machines virtuelles, comme le contrôle de l'horloge ou des paramètres du noyau sont désactivées par défaut, pour des raisons de sécurité.

Il est possible de configurer la machine virtuelle de façon à lui ajouter des « capacités », c’est à dire de donner des droits vis à vis du noyau de la machine hôte. Cela n'est toutefois pas recommandé du fait des risques de sécurité que cela peut engendrer. Si le besoin existe, il est préférable de se tourner vers des solutions comme Xen qui donnent un noyau "invité" aux OS virtualisés.

Capacités

Contrairement à Linux-Vservers, son principal concurrent, présenté dans l'édition précédente de ce livre blanc, OpenVZ permet la virtualisation de la couche réseau (filtrage, routage, etc.), ainsi que la migration à chaud entre deux hôtes identiques.

Il est aussi possible de limiter finement l'utilisation des [nom] de l'hôte pour chaque serveur virtuel, en particulier la mémoire résidente (RSS) ou la mémoire virtuelle (VSZ). On peut aussi mettre en place des quotas d'utilisation de l'espace disque. Il est enfin possible de mettre en place des priorités d'accès au CPU et aux disques.

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X EN Xen est une solution de virtualisation [nom] développée initialement par le département informatique de l'Université de Cambridge. Son développement est aujourd'hui activement sponsorisé par Citrix, qui a racheté l'éditeur initial [nom]

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Citrix distribue une version commerciale de Xen, nommée Citrix XenServer, particulièrement adaptée à la virtualisation des OS Microsoft Windows et Linux RHEL et SLES. Elle est dotée d'une interface d'administration avancée, et d'un accès au support technique. Quant aux fonctionnalités, elles sont les mêmes que dans la version distribuée librement.

De grandes sociétés comme IBM ont contribué au développement de Xen, et de gros efforts ont été faits par Citrix pour assurer une compatibilité parfaite avec Windows, compatibilité aujourd'hui reconnue par Microsoft.

Fonctionnement de Xen

Chaque système s'exécutant sous l'hypervision de Xen s'appelle un domaine, et dispose d'une interface particulière d'accès aux [nom]

Il est possible d'attribuer à chaque domaine une limite de mémoire, une limite d'utilisation du CPU, ainsi qu'une priorité d'utilisation du temps de CPU disponible ce qui permet de donner une priorité plus importante par exemple aux serveurs virtuels considérés comme

« critiques ».

L'un des domaines possède un rôle particulier au sein de Xen, il s'agit du domaine zéro. Ce domaine est le premier OS lancé par l'hyperviseur au démarrage du serveur physique. Il donne accès aux [nom] par l'intermédiaire de ses pilotes de périphériques. Depuis le domaine zéro, il est également possible d'avoir accès au bus de contrôle de Xen, permettant de lancer, d'arrêter et même de prendre le contrôle des domaines virtuels exécutés. Il est donc important d'accorder une attention particulière à la sécurité de ce domaine, par exemple en l'isolant du réseau.

Le système d’exploitation du domaine 0, et lui seul, doit disposer d'un noyau patché (modifié) d'une manière particulière. Pour l'heure, seuls GNU/Linux, Solaris et NetBSD proposent les patchs permettant de fonctionner en domaine zéro.

De nombreuses distributions Linux fournissent l'hyperviseur Xen, un noyau patché pour fonctionner en domaine zéro, et des [nom] d'administration. C'est notamment le cas de Red

Hat Entreprise Linux, ou encore Debian GNU/Linux. De la même façon qu' OpenVZ, Xen s'installe très facilement sur un serveur physique, mais nécessite quelques étapes supplémentaires, notamment en termes de partitionnement des disques.

La particularité de Xen en tant que solution de virtualisation est de fournir deux modes d'utilisation. Un mode paravirtualisation et un mode virtualisation complète.

Paravirtualisation sous Xen

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Seules les distributions GNU/Linux et certaines versions de BSD peuvent être exécutées en tant que domaine zéro. De même, seuls quelques systèmes sont utilisables en tant que domaine non-privilégiés de façon stable ; en particulier GNU/Linux, Plan9, NetBSD, et Solaris.

GNU/Linux est naturellement la cible privilégiée de la paravirtualisation sous Xen. Les serveurs paravirtualisés avec Xen ne souffrent quasiment d'aucune perte de performance due à la présence de l'hyperviseur, et sa gestion du processeur est simple et garantit un partage

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équitable du temps de calcul. Il est possible de choisir le noyau des domaines virtuels indépendamment du domaine zéro, ce qui autorise une grande hétérogénéité dans le choix des distributions.

En mode paravirtualisé, Xen fournit aux domaines non-privilégiés des disques et des interfaces réseau virtuelles, lesquelles peuvent être configurées à chaud. Il est possible d’ajouter à chaud des disques ou interfaces réseau virtuels, au moyen des [nom]

d'administration fournis dans le domaine zéro. Il est également possible de modifier à chaud la quantité de mémoire allouée aux domaines virtuels, les limitations de CPU, et de redimensionner l'espace disque disponible.

Machine virtuelle sous Xen

Le mode HVM de Xen est apparu avec la version 3. Il utilise un noyau spécial en mode paravirtualisé pour simuler une machine virtuelle, ce qui permet de faire fonctionner des OS fermés comme Microsoft Windows pour lesquels il n'existe pas de patch Xen publics pour le mode paravirtualisé.

Ce mode n'est toutefois possible que si la machine hôte dispose d'un processeur doté des j