Machines virtuelles et hyperviseurs

La virtualisation permet à un serveur physique de se faire passer pour plusieurs ordinateurs distincts. Chacun de ces ordinateurs simulés est une machine virtuelle (VM) dotée de son propre système d’exploitation, de ses applications, de son processeur virtuel, de sa mémoire et de son disque. Les VM partagent le matériel réel sous-jacent, tout en restant isolées les unes des autres.

C’est le fondement des centres de données modernes et du cloud. Au lieu d’exécuter une seule application par machine physique, un serveur puissant peut héberger des dizaines de VM, réduisant considérablement les coûts, la consommation d’énergie et l’espace au sol.

Un hyperviseur (également appelé moniteur de machine virtuelle) est la couche logicielle qui crée et exécute les VM. Il répartit le CPU, la RAM et le stockage physiques, puis attribue une partie de ces ressources à chaque VM, en les maintenant isolées afin qu’un plantage ne puisse pas affecter les VM voisines.

L’hyperviseur planifie l’accès au matériel réel, tout comme un système d’exploitation planifie l’exécution des applications. Pour chaque système d’exploitation invité, la VM semble posséder une machine physique complète.

Un hyperviseur de type 1 s’exécute directement sur le matériel, sans système d’exploitation hôte sous-jacent. Comme il se trouve sur le matériel nu, il est rapide, efficace et sécurisé, ce qui en fait le choix privilégié pour les serveurs de production et les environnements cloud.

• VMware ESXi
• Microsoft Hyper-V
• KVM (machine virtuelle basée sur le noyau)
• Xen

Les centres de données utilisent des hyperviseurs de type 1 afin qu’un seul hôte puisse servir plusieurs locataires simultanément.

Un hyperviseur de type 2 s’exécute comme une application au-dessus d’un système d’exploitation normal tel que Windows ou macOS. Il est facile à installer et convient parfaitement aux tests, à l’apprentissage et aux ordinateurs de bureau, mais il est plus lent, car les requêtes passent d’abord par le système d’exploitation hôte.

• VMware Workstation et Fusion
• Oracle VirtualBox
• Parallels Desktop

Utilisez le type 2 pour exécuter Linux sur votre ordinateur portable ; utilisez le type 1 pour exploiter une ferme de serveurs.

L’hôte est la machine physique ainsi que l’hyperviseur qui exécute l’ensemble. Un système d’exploitation invité est le système d’exploitation installé à l’intérieur d’une VM. Vous pouvez mélanger librement les systèmes invités : un même hôte peut exécuter côte à côte Windows Server, Ubuntu Linux et une ancienne version de Windows.

Chaque système invité croit disposer d’un matériel dédié, mais tous partagent le pool de CPU et de mémoire de l’hôte, selon la planification de l’hyperviseur.

Les administrateurs attribuent à chaque VM une part de vCPU (cœurs de processeur virtuels), de RAM et de disque. La surallocation consiste à attribuer davantage de ressources virtuelles au total que l’hôte n’en possède physiquement, en supposant que toutes les VM n’atteindront pas leur pic d’utilisation en même temps.

Lorsqu’elle est réalisée avec prudence, elle améliore l’efficacité ; mal gérée, elle provoque une concurrence pour les ressources, les VM se disputant le CPU ou la mémoire et ralentissant. Dimensionner correctement chaque VM permet de maintenir des performances prévisibles.

Un instantané capture l’état exact d’une VM à un moment donné. Si une mise à jour ou une modification provoque un problème, vous pouvez revenir à l’instantané en quelques secondes. Le clonage copie une VM entière afin d’en créer rapidement une nouvelle identique.

Ces fonctionnalités rendent les VM bien plus flexibles que les serveurs physiques, pour lesquels la reconstruction d’une machine défaillante peut prendre des heures. Les instantanés ne sont toutefois pas des sauvegardes, car ils résident sur le même stockage que l’hôte.

Les conteneurs (comme Docker) sont une forme plus légère de virtualisation. Au lieu de disposer chacun d’un système d’exploitation invité complet, les conteneurs partagent le noyau de l’hôte et n’embarquent que l’application et ses dépendances. Ils démarrent en quelques millisecondes et utilisent beaucoup moins de mémoire.

Les VM assurent une isolation au niveau du matériel, chacune avec un système d’exploitation complet ; les conteneurs assurent une isolation au niveau du système d’exploitation. Les deux sont courants, et de nombreux déploiements réels exécutent des conteneurs à l’intérieur de VM pour obtenir une isolation par couches.

La migration à chaud déplace une VM en cours d’exécution d’un hôte physique vers un autre, avec peu ou pas d’interruption. L’hyperviseur copie la mémoire de la VM sur le réseau vers le nouvel hôte, puis bascule dessus de manière si fluide que les utilisateurs le remarquent rarement.

Cela permet d’effectuer la maintenance du matériel, la répartition de charge et la reprise après défaillance sans arrêter les services. VMware appelle cette fonction vMotion : c’est l’une des raisons essentielles pour lesquelles les environnements virtualisés restent hautement disponibles.

Les fournisseurs de cloud exploitent d’immenses parcs d’hyperviseurs. Lorsque vous louez un serveur cloud, vous obtenez en réalité une VM sur du matériel partagé. La virtualisation permet au fournisseur de créer votre VM en quelques minutes, de la faire évoluer et de ne vous facturer que ce que vous utilisez.

Pour un technicien réseau, cela est important, car le réseau s’étend désormais à l’intérieur de l’hôte et relie les machines virtuelles par l’intermédiaire de commutateurs virtuels que vous découvrirez dans la prochaine leçon.

Avantages : consolidation du matériel, mise à disposition rapide, sauvegardes facilitées grâce aux instantanés, isolation et migration à chaud pour garantir la disponibilité.

Compromis : l’hyperviseur ajoute une légère surcharge, la surallocation comporte un risque de concurrence pour les ressources, et de nombreuses VM sur un même hôte créent un point unique de défaillance si celui-ci tombe en panne. Une bonne conception répartit les VM critiques entre plusieurs hôtes afin de maîtriser ce risque.

Testez votre compréhension des types d’hyperviseurs.

La virtualisation divise un serveur physique en nombreuses machines virtuelles isolées, gérées par un hyperviseur. Les hyperviseurs de type 1 s’exécutent sur le matériel nu pour la production ; ceux de type 2 s’exécutent sur un système d’exploitation hôte pour les ordinateurs de bureau et les tests. Chaque VM dispose d’un vCPU, de RAM et d’un disque, prend en charge les instantanés, le clonage et la migration à chaud, et constitue un élément fondamental de l’informatique en nuage.