Livre Blanc - La Virtualisation

LA VIRTUALISATION
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LA VIRTUALISATION
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LA VIRTUALISATION
Les Livres Blancs LINAGORA :
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L'analyse est confiée à nos spécialistes techniques, qui croisent leurs points de vue et leurs
preneurs de tous avis et contradictions, dans l'esprit de la culture Open Source. N'hésitez pas à
nous sol iciter à l'adresse suivante : wb@linagora.com.
Résumé :
Date de rédaction : Décembre 2007
Rédacteurs :
David HANNEQUIN, Administrateur Système & Réseaux, Groupe LINAGORA,
dhannequin@linagora.com.
Ce document est publié sous licence Creative Commons
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2 Pour une compréhension des usages autorisés, voir le tableau www.adamfields.com/CC-NC-allowed-uses-flowchart.pdf
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Sommaire
1. Introduction..................................................................................................................................................5
1.1 Intérêts...................................................................................................................................................5
1.2 Historique...............................................................................................................................................6
1.3 Comparaison des différentes techniques de virtualisation......................................................................7
1.3.1 Machine Virtuelle............................................................................................................................8
1.3.2 Virtualisation d'OS, Isolateur..........................................................................................................9
1.3.3 Hyperviseur complet.....................................................................................................................10
1.3.4 Paravirtualiseur..............................................................................................................................10
2. Le besoin....................................................................................................................................................11
2.1 Contexte...............................................................................................................................................11
2.1.1 Outils en place...............................................................................................................................12
2.1.2 Orientation....................................................................................................................................12
2.1.3 Besoins identifiés..........................................................................................................................13
2.2 L'état de l'art.........................................................................................................................................14
2.2.1 Fonctionnalités..............................................................................................................................14
2.2.2 Respect des standards....................................................................................................................15
2.2.3 Scénarios d'utilisation....................................................................................................................16
2.2.4 Ergonomie.....................................................................................................................................17
2.2.5 Sécurité..........................................................................................................................................17
2.2.6 Restrictions techniques..................................................................................................................18
3. Les solutions..............................................................................................................................................19
3.1 Méthode de sélection............................................................................................................................19
3.1.1 Présélection...................................................................................................................................19
3.1.2 Comparaison des solutions sélectionnées......................................................................................21
3.2 Solutions retenues................................................................................................................................21
3.2.1 Qemu.............................................................................................................................................22
3.2.2 KVM.............................................................................................................................................25
3.2.3 VirtualBox.....................................................................................................................................29
3.2.4 Xen................................................................................................................................................32
3.2.5 OpenVZ.........................................................................................................................................35
4. Synthèse de l'étude.....................................................................................................................................39
4.1 Comparaison des solutions retenues.....................................................................................................39
4.2.1 Qemu ............................................................................................................................................40
4.2.2 Kvm...............................................................................................................................................42
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LA VIRTUALISATION
4.2.3 VirtualBox.....................................................................................................................................45
4.2.4 Xen................................................................................................................................................48
4.2.5 OpenVZ.........................................................................................................................................51
4.3 Perspectives des technologies...............................................................................................................55
4.4 Comment faire ?...................................................................................................................................57
4.5 Méthodologie.......................................................................................................................................58
4.5.1 Définition des critères communs...................................................................................................58
4.5.2 Définition des niveaux pour chaque critère...................................................................................60
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1. Introduction
Virtualiser : proposer, par l'intermédiaire d'une couche d'abstraction proche du matériel,
une vue multiple d'un matériel unique, en sérialisant les appels vus concurrents de
l'extérieur.
La virtualisation recouvre l'ensemble des techniques matériel es et/ou logicielles qui permettent de
faire fonctionner sur une seule machine plusieurs systèmes d'exploitation, plusieurs instances
différentes et cloisonnées d'un même système ou plusieurs applications, séparément les uns des
autres, comme s'ils fonctionnaient sur des machines physiques distinctes.
Chaque outil de virtualisation implémente une ou plusieurs de ces notions :
couche d'abstraction matériel e et/ou logiciel e,
système d'exploitation hôte (instal é directement sur le matériel),
systèmes d'exploitations (ou applications, ou encore ensemble d'applications)
« virtualisé(s) » ou « invité(s) »,
partitionnement, isolation et/ou partage des ressources physiques et/ou logiciel es,
images manipulables : démarrage, arrêt, gel, clonage, sauvegarde et restauration,
sauvegarde de contexte, migration d'une machine physique à une autre réseau virtuel :
réseau purement logiciel, interne à la machine hôte, entre hôte et invités.
1.1 Intérêts
Les intérêts sont :
virtuel es sur les machines physiques en fonction des charges respectives),
physique à une autre, notamment dans le contexte d'une mise en production à partir
d'un environnement de qualification ou de pré-production, livraison facilitée,
physique, monitoring, support, compatibilité matériel e, etc.),
du système hôte,
pas des systèmes d'exploitation hôtes qui sont invisibles pour l'attaquant, tests
d'architectures applicatives et réseau),
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site central),
application à un instant donné,
l'architecture d'une application, l'ajout de puissance (nouveau serveur etc.) étant alors
transparent.
Notons que l'INRIA travail e actuel ement sur le projet Kerrighed3, certes orienté calcul, qui fait
exactement le contraire : faire un serveur virtuel unique à partir de plusieurs machines. Si cette
approche semble à première vue opposée à la virtualisation présentée ici, nul doute que la
solution ultime proposerait p serveurs répartis sur n machines, assurant redondance, équilibrage
de charge, haute disponibilité.
1.2 Historique
Une bonne part des travaux sur la virtualisation fut développée au centre de recherche IBM
France de Grenoble (aujourd'hui disparu), qui développa le système expérimental CP/CMS,
devenant ensuite le produit (alors nommé hyperviseur) VM/CMS, proposé au catalogue dès 1972.
Par la suite, les mainframes ont été capables de virtualiser leurs OS avec des technologies
spécifiques et propriétaires, à la fois logicielles et matériel es.
Les grands Unix ont suivi avec les architectures NUMA des Superdome d'HP (PA-RISC et IA64) et
des E10000/E15000 de Sun (UltraSparc).
Dans la seconde moitié des années 1990, les émulateurs sur x86 des vieil es machines des
années 1980 ont connu un énorme succès, notamment les ordinateurs Atari, Amiga, Amstrad et
les consoles NES, SNES, Neo Geo.
La société VMware développa et popularisa au début des années 2000 un système propriétaire de
virtualisation logiciel e pour les architectures de type x86. Les logiciels libres Xen, Qemu, Bochs,
Linux-VServer et les logiciels propriétaires mais gratuits VirtualPC et VirtualServer ont achevé la
popularisation de la virtualisation dans le monde x86.
Cependant, les solutions envisageables sur architecture x86 sont longtemps restés bridés par les
spécificités de l'architecture x86 et surtout par son utilisation. En effet, cette famil e de processeurs
(depuis le 80386) offre, pour l'écriture de systèmes, 4 niveaux de privilèges, mais à priori tous les
systèmes d'exploitation ont pris le parti de placer le système au niveau le plus privilégié (ring 0), et
les applications au niveau le plus faible (ring 3), sans penser à se rendre plus indépendant des
3http://www.kerrighed.org
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niveaux d'exécution. Par conséquent, 2 niveaux de privilèges sont perdus, et écrire une couche de
virtualisation pour embarquer des systèmes d'exploitation complets, nécessitant des privilèges
supérieurs à ceux du ring 0, ne peut plus se faire que par émulation.
C'est pourquoi les fabricants de processeurs x86 AMD et Intel ont ajouté dans leurs gammes des
instructions dédiées afin de proposer des solutions de virtualisation matériel e dans la seconde
moitié des années 2000. Ces instructions permettent la coexistence de plusieurs "ring 0"
simultanée, on parle parfois par extension à leur sujet de "ring -1".
Aujourd'hui, les principaux éditeurs de solutions propriétaires de virtualisation sont VMWare,
éditeur du logiciel éponyme, leader du marché, Microsoft avec Virtual PC et Virtual Server (ces
deux produits sont spécifiques à l'environnement de Microsoft), Avanquest qui édite Paral els
(dédié MacOS X sur Intel), le seul logiciel du marché qui permet une accélération 3D sur système
invité, Citrix qui a acquis Xen, SWSoft, éditeur de Virtuozzo et Innotek GMBH avec VirtualBox.
1.3 Comparaison des différentes techniques de virtualisation
Très peu de systèmes démarrent directement, et sur plateforme PC tous les systèmes démarrent
selon un processus (boot) en trois temps : le BIOS, le chargeur de démarrage (bootloader) et le
système. Pour les systèmes embarqués et les anciens calculateurs, ces phases étaient aussi un
choix à prendre en compte. Des moniteurs, OS minimaux emportant des fonctionnalités de débug,
ont vu le jour. L'idée initiale était de se concentrer sur cette phase, puis ensuite d'en généraliser
les concepts : un système d'exploitation reposant sur l'API d'un noyau réduit.
Les systèmes de virtualisation partent donc du principe de l'utilisation de couches logicielles
intermédiaires. Afin d'avoir une idée théorique des performances des applications au sommet, il
faut comparer verticalement l'empilage de couches. Il faut garder à l'esprit qu'il est possible
d'élargir les schémas en rajoutant des environnements virtualisés consommant également des
ressources de l'hôte, en mémoire puis en disque.
Fondamentalement, on trouvera deux idées principales : isolation par empilement ou par
juxtaposition, dont les variations, dans des buts d'optimisation, donneront principalement quatre
types de technologies :
Application
Application
Application
Application
Application
Application
Application
Application
Application
Application
Application
Couche de virtualisation
Isolateur
modifié
modifié
modifié
Hyperviseur
Hyperviseur
Machine virtuelle
Virtualisation d'OS
Hyperviseur complet
Paravirtualisation
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Illustration 1: Technologies
LA VIRTUALISATION
1.3.1 Machine Virtuelle
Une machine virtuel e est un logiciel qui tourne sur l'OS hôte, ce logiciel Application Application Application
permettant de lancer un ou plusieurs OS invités, c'est l'archétype de la
solution de virtualisation par empilement de systèmes. La machine
virtualise le matériel (ce qui passe généralement par un émulation
Couche de virtualisation
partiel e) pour les systèmes d'exploitation invités : les systèmes
d'exploitation invités croient dialoguer directement avec le matériel. En
pratique on a recours à une émulation logiciel e des périphériques, et
parfois aussi de tout ou partie de la machine.
Machine virtuelle
Cette solution isole bien les systèmes d'exploitation invités, mais el e a un coût, en premier lieu en
performance, dont les principales victimes seront 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'échel e ne peut être réalisée en ce qui concerne les OS (kernels) chargés.
Exemple :
Le talon d'Achille de cette solution est donc l'importante consommation en performances. Certains
projets minimisent l'impact de ce coût en ressources en permettant des courts-circuits optionnels
(KVM, KQemu, VirtualBox), disponibles uniquement hors du contexte d'émulation bien sûr.
Les deux technologies suivantes constituent el es aussi le résultat de considérations d'optimisation
de cette solution, le principe étant de diminuer au mieux l'épaisseur des couches de virtualisation
tout en conservant le même degré d'isolation.
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1.3.2 Virtualisation d'OS, Isolateur
Un isolateur est un logiciel permettant d'isoler l'exécution des
applications dans des contextes ou zones d'exécution, c'est l'archétype Application Application Application
de la solution de virtualisation par "juxtaposition". L'isolateur permet ainsi
de faire tourner plusieurs fois la même application (à base d'un ou
Isolateur
plusieurs logiciels) prévue pour ne tourner qu'à une seule instance par
machine.
Notons que cette technologie consiste en quelque sorte à généraliser la
Virtualisation d'OS
notion de "contexte" Unix : ce dernier isole les processus (mémoire,
accès aux ressources), on ajoute alors : une isolation des périphériques (c'est le rôle de
l'isolateur), voire leur partage, les systèmes de fichiers donc les fichiers eux-mêmes et leurs
Cette solution est très performante, du fait du peu d'overhead (chute de performance conséquente
de l'ajout des couches de virtualisation), mais les environnements virtualisés ne sont pas
complètement isolés, ils partagent en particulier le code du noyau. Cette solution est aussi
remarquablement économique en mémoire par conséquence de la dernière remarque. Ces
environnements sont donc bien adaptés au déploiement de nombreux serveurs virtuels de test ou
développement basés sur un même système.
Quelques isolateurs :
version open-source du logiciel Virtuozzo.
Les isolateurs tendent à isoler à un niveau de plus en plus proche du système, voire dans le
système dans le cas de OpenVZ, qui peut être vu comme un Linux avec plusieurs tables de
processus, chacune dans le contexte d'une distribution propre.
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1.3.3 Hyperviseur complet
Partant du principe, exposé précédemment, qu'une approche pour une
virtualisation efficace consiste à affiner les couches, une première
Application
Application
approche consiste à proposer un noyau léger (de type micro-noyau par
exemple), lequel est accompagné d'outils de supervision, et adapté pour
faire tourner des systèmes d'exploitation natifs. Pour réussir cette
Hyperviseur
approche, soit on émule le matériel (et on revient aux performances de
la machine virtuel e pour les I/O), soit on dispose des instructions
dédiées à la virtualisation. Dans ce dernier cas, les logiciels libres
Hyperviseur complet
concernés se limiteront au monde x86 ou x86-64, munis des instructions ad-hoc.
Les principaux exemples de ce principe sont :
ou VTx (version 3.0 ou ultérieure).
1.3.4 Paravirtualiseur
Un paravirtualiseur est un noyau hôte al égé et optimisé pour ne faire
tourner que des noyaux de systèmes d'exploitation invités, adaptés et Application Application Application
optimisés. Les applications en espace utilisateur des systèmes
d'exploitation invités tournent ainsi sur une pile de deux noyaux modifié modifié modifié
optimisés, les systèmes d'exploitation invités ayant conscience d'être
Hyperviseur
virtualisés. Cette approche offre l'avantage d'être utilisable en l'absence
des instructions spécifiques, mais el e est impraticable pour des
systèmes non libres pour lesquels l'éditeur ne fera pas l'effort
Paravirtualisation
d'adaptation.
Exemple :
Xen : noyau léger supportant des noyaux Linux, Plan9, NetBSD, etc,
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2. Le besoin
2.1 Contexte
La virtualisation est une approche système dans la continuité logique de l'évolution : après avoir
"virtualisé le processeur" c'est-à-dire fait du temps partagé, pour faire du multitâche sur une unité
de traitement unique, on virtualise le système entier pour disposer de plusieurs OS complets
tournant simultanément sur une même machine. Cette approche, historiquement introduite sur les
gros systèmes (IBM), se démocratise en raison de la puissance très importante des
microprocesseurs aujourd'hui, laquel e est largement sous-exploitée, on estime l'utilisation de la
puissance des serveurs à environ 10% aujourd'hui4.
Cette technologie a commencé sous la forme de projets d'amateurs (Boochs, émulateur de
processeur x86 qui a peu à peu émulé toutes les phases de cette famil e de processeurs), en
paral èle d'une solution commerciale, VMWare. Par la suite, un projet Open Source a changé la
donne. S'appuyant sur une partie du code de Boochs en améliorant et affinant ses concepts,
Fabrice Bel ard a démarré Qemu, apportant un compilateur just-in-time, puis une accélération en
Dans le même temps, les laboratoires d'informatique de Cambridge lançaient un moniteur évolué
permettant la cohabitation de plusieurs OS, Xen. Plusieurs projets Open Source de bonne facture
existent aujourd'hui dans cette technologie. Signe concret de cette évolution, les deux fondeurs de
microprocesseurs de PC ont intégré dernièrement des instructions destinés à faciliter et accélérer
la virtualisation (VT pour Intel et AM-V chez AMD).
Signe de l'adoption large des technologies de virtualisation, RedHat a lancé le projet Libvirt
(www.libvirt.org), dont le but est l'écriture d'une API commune à plusieurs solutions de
virtualisation, base au développement d'outils graphiques ou d'administration génériques. La
première mouture de libvirt visait Xen, la version à jour supporte aussi Qemu et OpenVZ,
candidats étudiés ici.
Les gains de l'utilisation de la virtualisation sont matériels (une machine peut simuler plusieurs
serveurs totalement cloisonnés, utile pour proposer par exemple une plate-forme de tests ou pour
déployer de nouveaux services sur un parc préexistant sans se soucier de migrations), ou en
sûreté de fonctionnement (un serveur sur une machine virtuel e peut prendre le relais en
permet par exemple de configurer une ferme de serveurs de secours proposant plusieurs services
4http://linuxvirtualization.com/pages/why-virtualize
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différents sur une machine de secours unique sans contraindre tous les services aux mêmes
versions logicielles, même environnement système, même configuration.
L'arrivée des technologies de virtualisation dans le monde des PC a donc ouvert de
nouvelles voies pour sécuriser, simplifier et rationaliser les coûts dans les systèmes
d'information.
2.1.1 Outils en place
La référence commerciale en la matière est VMWare, qui propose une gamme de solutions de
virtualisation matures, chaque solution se trouvant accompagnée d'outils facilitant la gestion du
parc virtuel. VMWare est disponible gratuitement pour les machines disposant d'au plus 2 unités
de traitement, mais est payant au-delà. C'est un logiciel commercial distribué sous licence, aucune
Le logiciel libre phare du domaine, Qemu, est aussi une base de référence, d'autant plus que
plusieurs produits (dont VirtualBox) en utilisent des parties. Par contre, utilisé « sec », Qemu ne
propose qu'une interface en ligne de commande qui, bien qu'efficace, ne manquera pas de
rend incontournable : il est le premier logiciel présenté ci-après.
Ces deux références sont des implantations selon la technologie des machines virtuel es,
VMWare ayant aussi à son catalogue un produit qui s'apparente plus à un hyperviseur complet. Le
gros avantage des systèmes libres d'aujourd'hui, c'est qu'ils couvrent presque toutes les
techniques de virtualisation identifiées, avec donc Qemu et VirtualBox pour les machines
virtuel es, Xen pour la paravirtualisation, OpenVZ pour la virtualisation au niveau OS, et Xen 3.0
ou kvm, utilisés sur des machines les supportant, pour l'hyperviseur complet.
2.1.2 Orientation
Les technologies de virtualisation sur plate-forme x86 ont bénéficié d'une maturation rapide en
raison du grand intérêt que la technologie présente et du sérieux des acteurs impliqués. Il en est
de même pour les solutions Open Source. Ces dernières ont de plus l'avantage de couvrir la
totalité des technologies existantes.
Bien que techniquement mature et de qualité en ce qui concerne les solutions libres, cette
technologie est encore jeune. Si, en effet, la qualité technique de ces produits en font des
éléments parfaitement capables d'assumer des utilisation en production, ce sont les outils
d'administration qui n'ont pas encore tout-à-fait atteint le niveau de leurs équivalents propriétaires.
Le jugement sera donc orienté sur un usage pour lequel cette déficience passagère ne présente
pas de difficulté, c'est-à-dire en développement et en test de plate-forme, la mise en production
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étant techniquement parfaitement viable, mais potentiel ement complexe pour le court terme. Nous
indiquerons évidemment les candidats techniquement adaptés à un passage en production en
précisant leurs points fort dans ce contexte et en relevant les points qu'il peut leur rester à
améliorer pour cela.
2.1.3 Besoins identifiés
sont globalement sous-utilisés (de l'ordre de 10% de charge moyenne comme cela a été cité en
introduction). S'il est rationnel de voir la virtualisation sous l'angle de l'économie de matériel
conséquente, il est bon de penser aux besoins réels souhaités, afin de choisir la solution adaptée.
On retient couramment les utilisations suivantes :
optimisation de l'utilisation des serveurs,
établissement d'un plan de reprise d'activité en cas de catastrophe sur le site principal,
banalisation de la plateforme afin de faciliter déploiement, support et pérennité.
Ces besoins stratégiques se voient dans une première approche pragmatique en terme de
faire cohabiter plusieurs OS différents, ces solutions de virtualisation peuvent
techniquement permettre l'utilisation de plusieurs OS sur une même machine sans la
redémarrer (cependant certains accords de licence, par exemple chez Microsoft pour Vista
et XP, imposent l'achat d'une licence spécifique pour un usage en machine virtuel e),
déployer plusieurs instances cloisonnées d'un même système, de configurations
différentes,
proposer rapidement un serveur de développement ou de test sans besoin de fourniture
consolider une architecture de production.
Outre la sensibilité naturel e à la performance des systèmes étudiés et à leur stabilité, on prêtera
donc attention, en raison de besoins liés à des tâches d'administration système, à la disponibilité
d'outils permettant une prise en main aisée de ces outils. Les critères de choix des systèmes de
virtualisation vont donc se décliner ainsi :
qualité des outils d'administration disponibles, car si la virtualisation est une réponse
économique à une sous-utilisation matériel e globale, l'administration des systèmes est un
poste aussi très important dans le coût des systèmes et datacenter, et il convient de
prendre en compte le coût total de possession incluant le coût d'exploitation ,
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diversité des plateformes invitées possibles, ce qui peut permettre de récupérer des
applications lors de transitions de systèmes ou à l'occasion de migrations, ce qui a une
influence sur le niveau souhaité de virtualisation,
performance, de l'ordre du confort sur un poste de développement, nécessaire sur un
serveur de test, la performance est une donnée critique en production. Selon les
approches techniques et l'utilisation, le coût en CPU des couches de virtualisation peut
varier de quelques pourcents à plus de 60% dans le cas d'une émulation totale,
densité, surtout dans une logique de serveur de reprise d'activité, on veut pouvoir tirer le
meil eur d'un nombre réduit de serveurs sur un site distant pour laisser passer l'incident,
facilité de déploiement, l'intérêt numéro 1 de la virtualisation étant qu'une nouvel e
instal ation ne demande qu'une simple copie de fichier,
facilité de migration, pour pouvoir passer un service d'une machine à une machine plus
puissante sans l'interrompre ou plus exactement avec une interruption minimale.
2.2 L'état de l'art
Historiquement, la virtualisation a commencé sur des gros systèmes avec un matériel conçu dans
ce contexte.
Une fois que les processeurs sont devenus suffisamment puissants pour rendre des couches
d'abstraction matériel e utilisables, la virtualisation a gagné les systèmes personnels, lesquels ont
premières solutions (émulation, machine virtuel e complète).
Aujourd'hui, plusieurs solutions de virtualisation existent, plusieurs approches technologiques
différentes cohabitent, et les processeurs, à l'image du matériel de mainframes d'alors, ont adopté
des instructions dédiées. Nous faisons ici un point sur l'état des divers logiciels de virtualisation.
2.2.1 Fonctionnalités
Le strict minimum attendu d'un système de virtualisation, c'est qu'il permette d'exécuter deux
instances d'un logiciel prévu pour fonctionner en instance unique, tout en séparant complètement
ces deux instances. C'est l'approche d'un concept comme une prison 'chroot' pour les systèmes
Unix, complété par une translation de ports. L'inconvénient principal de cette approche, c'est qu'il
reste des éléments d'exécution communs, comme la libc. A ce niveau, la principale fonctionnalité
attendue, c'est le lancement séparé de deux instances d'un logiciel sans télescopage dus à des
ressources qui deviendraient partagées (fichiers de configuration par exemple). Notons que l'on
lance toujours les processus sur la même machine ce qui peut impliquer quelques soucis dans le
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cas d'utilisation de ressources plus subtiles que le développeur n'avait pas pensé à protéger
d'exécutions multiples, comme des segments de mémoire partagée...
L'étape suivante consiste à généraliser la séparation à d'autres périphériques et à faire le
nécessaire pour accepter deux systèmes différents, surtout 2 libc différentes, ceci afin de se
rendre moins vulnérables aux anomalies éventuel es d'une libc, ou être plus souple dans le choix
de ses éléments systèmes. Nous approchons là l'approche d'un BSD Jail ou d'un OpenVZ. Il reste
encore une contrainte : le système bas niveau (kernel) est le même pour tout le monde, et ce
dernier devient le talon d'Achil e, mais on commence réel ement à voir deux machines différentes
au niveau logique.
L'approche suivante consiste à utiliser un logiciel d'émulation pour émuler une machine complète
sur laquel e on instal e un nouveau système. Cette approche permet l'utilisation simultanée de
systèmes différents, au détriment des performances. C'est l'approche Qemu, VMWare ou
VirtualBox. On peut cependant fortement atténuer la perte de performances due à l'empilement de
plusieurs systèmes en se permettant des raccourcis surveil és. Là, la séparation est totale, les
périphériques étant vus sous la forme d'une émulation. Seuls les périphériques émulés sont alors
utilisable, ce qui est le cas des périphériques destinés aux serveurs mais moins des périphériques
très spécifiques (cartes d'accélération 3D par exemple) qui proposeront souvent que des
fonctionnalités limitées dans la machine virtuel e.
Concernant les fonctionnalités plus orientées gestion de parc, on mettra en avant les possibilités
2.2.2 Respect des standards
Nous avons sélectionné des logiciels émulant, de plus ou moins près, la plateforme PC IA-32/x86.
Cependant, les derniers nés de cette famil e de processeurs ont bénéficié d'ajouts de leur langage
machine explicitement orientés virtualisation (AMD AM-V ou Intel VT). Si l'utilisation de ces
instructions permet de simplifier l'écriture de programmes de virtualisation et d'améliorer fortement
leur performance, el e contraint toutefois techniquement la plateforme de déploiement. Aussi les
solutions utilisant explicitement ces instructions seront signalées, ainsi que cel es les utilisant tout
en leur gardant un caractère optionnel.
De plus, certains virtualiseurs nécessitent la modification du système invité. Si cela est facile pour
un système open source, une tel e modification n'est pas envisageable pour un système
propriétaire. Ces contraintes seront signalées.
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LA VIRTUALISATION
Enfin, il reste la question du format des images (de disque, de machine etc.). Certains virtualiseurs
montent des fichiers que l'on peut créer en loopback, d'autres demandent l'utilisation d'outils
dédiés pour gérer un fichier optimisé (en performance ou en place : par exemple Qemu propose
en option des disques utilisant le "copy on write"). Si les raisons qui poussent cette démarche sont
parfaitement justifiées, la difficulté est après de porter les images de machine d'un virtualiseur à
l'autre. Pour cette raison, l'option permettant, tel un 'chroot', de monter une sous-arborescence
(qui pourra au passage être un montage d'un fichier par loopback), ou l'utilisation d'images de
systèmes de fichiers loopback, est un plus appréciable.
Un mot maintenant concernant l'instal ation de systèmes : la plupart des virtualiseurs demandent
une base pour démarrer, seuls Qemu et dérivés (dont VirtualBox, qui lui emprunte le code de
boot) sont capables d'instal er un PC virtuel avec des disques ou images de disques d'instal ation.
Cette contrainte n'est pas gênante lorsqu'une image est disponible, mais cela complique fortement
l'instal ation de systèmes "exotiques", tout comme l'instal ation à partir de disques amorçables.
2.2.3 Scénarios d'utilisation
Les scénarios suivants d'utilisation sont communs à toutes les technologies de virtualisation.
Selon les technologies et solutions, certains scénarios seront plus ou moins attrayants.
La virtualisation permet d'isoler chaque service réseau (comme Apache, le serveur mail, le
serveur DNS etc.) dans un environnement virtuel séparé. Dans ces conditions, si un intrus trouvait
une fail e de sécurité dans une des applications, il ne pourrait maltraiter que ce service même ;
puisque tous les autres services sont dans des VE (environnements virtuels) séparés, il ne
pourrait pas y accéder.
Actuel ement, la plupart des serveurs sont peu employés, de 10 à 20% selon les experts. En
utilisant la virtualisation, de tels serveurs peuvent être consolidés en les migrant dans des
environnements virtuels, un même serveur physique pouvant supporter de 2 à une dizaine de
serveurs virtuels. Le gain est dans l'espace pris par les racks, les factures d'électricité, la
mutualisation des équipements matériels de redondance et sûreté (RAID, climatisation), et les
coûts de gestion.
Une autre utilisation de la virtualisation, c'est l'installation d'un système de secours situé dans un
site distant. Ce système de secours étant destiné à embarquer tous les services à secourir à titre
temporaire, il pourra donc être dimensionné moins généreusement que le système de production.
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LA VIRTUALISATION
La virtualisation permet aux hébergeurs de proposer de l'hébergement virtualisé à bon marché.
Chaque Environnement Virtuel (donc éventuel ement, chaque client) a un accès root total, ce qui
signifie que le propriétaire du VE peut réinstal er n'importe quoi, et employer des outils tel es que
les tables IP de Linux (règles de pare-feu).
Les développeurs et testeurs ont souvent besoin d'accéder à un grand nombre de distributions
Linux ; parfois ils doivent réinstal er ceux-ci à partir de zéro. Si toutefois les configurations sont
instal ations prévues, et démarrer une instal ation se fait dans un temps de l'ordre de la durée de
la copie d'un (gros) fichier.
2.2.4 Ergonomie
Un des buts de la virtualisation est l'économie, par une utilisation rationnelle (si possible optimale)
des ressources matériel es. Cependant, si cette économie matériel e se fait au prix d'un surcoût
trop important d'administration, de formation et par des concepts trop peu clairs, le jeu risque de
ne pas en valoir la chandel e.
Le minimum exigé d'un outil de virtualisation, c'est la création, l'instal ation et la copie rapide et
simples de machines virtuel es à l'arrêt, avec un recours minimum aux modes d'emplois, aides en
lignes etc. Certaines solutions proposent de plus des facilités de surveil ance des machines
virtuel es, présentant sur un tableau synthétique ce que présenterait en fait un bon outil de
surveil ance de parc.
Les outils les plus aboutis en terme d'ergonomie permettent la création de machines virtuel es en
quelques clics. Si c'est un plus appréciable aux utilisateurs occasionnels, il est bon de garder la
possibilité de scripter la création de machines, si l'on veut en créer un grand nombre de manière
automatique.
2.2.5 Sécurité
De par leurs approches différentes, toutes les solutions proposent un compromis
efficacité/sécurité différent, tout dépend du niveau d'isolation obtenu. Cependant, toutes les
méthodes proposées ici assurent une séparation totale au niveau logiciel : une fail e exploitée sur
une machine virtuel e ne compromettra au pire que les autres services de cette machine virtuel e5.
5à moins d'une fail e au sein même du kernel dans le cas particulier d'OpenVZ, puisque par conception de la
virtualisation niveau OS toutes les VM partagent un même kernel. Mais de tel es fail es sont si rares, et la
communauté du kernel si active, que ce danger peut être négligé.
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LA VIRTUALISATION
2.2.6 Restrictions techniques
La virtualisation est aujourd'hui concentrée sur l'aspect serveurs et applications classiques, il reste
des progrès à faire en terme de partage de matériel afin de faire bénéficier les environnements
virtualisés de, par exemple, l'accélération 3D (utile pour l'utilisation de CAO/CFAO en
environnement virtuel), ou d'autres accélérations matériel es (accélérateurs cryptographiques).
Peut-être sur le modèle du partage de bus USB que certains logiciels font déjà ? A noter,
l'accélération 3D a déjà été réalisée dans le cadre d'un virtualiseur propriétaire sous MacOS,
Paral els 3.0.
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LA VIRTUALISATION
3. Les solutions
Candidats libres
On indique ici les logiciels de virtualisation fonctionnant sur architecture compatible x86 (ia32) ou
x86-64, en mentionnant les éventuel es contraintes d'architecture. Les émulateurs destinés à
fonctionner sur PowerPC ou autres architectures ont été écartés de cette étude.
Seuls les logiciels libres, c'est-à-dire ceux pour lesquels le code source est accessible, modifiable
et le programme regénérable, en plus du libre déploiement, ont été retenus.
Cooperative Linux
FreeVPS
KVM (nécessite les extensions de virtualisation AMD ou Intel)
Linux-VServer
PearPC (émule un powerPC)
View-OS
User Mode Linux
VirtualBox
Zones (licence libre Solaris)
3.1 Méthode de sélection
Les projets sont sélectionnés sur des critères de maturité du projet, utilisabilité dans
l'environnement souhaité (Linux et Windows), dynamisme de la communauté, ergonomie. On
écarte donc les solutions obsolètes, en forte perte de vitesse, ou cantonnés à l'émulation de
systèmes anciens.
3.1.1 Présélection
Sur les critères ci-dessus, on filtre donc les solutions suivantes, non retenues :
Bochs : ce programme était au départ un émulateur de processeur type ia-32 (x86). S'il ne
propose pas une émulation complète et se repose sur le système pour permettre le
déploiement de plusieurs systèmes, Bochs est aujourd'hui dans une large partie réutilisé
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LA VIRTUALISATION
par les projets récent, tout ou en partie. Cependant, Bochs n'est pas une solution d'avenir
industriel e, mais une bonne base de départ.
Cooperative Linux : solution de virtualisation à base de multitâche coopératif, cette solution
sert surtout à utiliser un environnement Linux depuis un environnement Windows. Comme
toute solution de multitâche coopératif, si le processus part en boucle, tout se bloque, ce
qui ne convient pas à un environnement de production.
FreeVPS (Virtual Private Servers) : ce logiciel a une approche pour le moins originale.
Plutôt que de gérer pénurie et concurrence, chacun récupère son al ocation de ressource
ressources matériel es ne sont plus utilisées de façon optimales mais partagées a priori. Si
une application a besoin de place, el e ne la récupèrera pas d'une autre qui, el e, « nage »
dans son espace. Cette solution, essentiel ement à base de chroot() et généralisant les
autres ressources sous l'appellation de « contexte », propose un niveau d'isolation
aujourd'hui trop faible pour être pertinent.
VServer : isolation moindre que la solution précédente. Ces solutions se justifient dans des
User Mode Linux : Projet initialement orienté debug kernel, il n'a pas reçu l'aval de Linus
Torvalds et son utilisation est aujourd'hui trop peu répandue dans l'industrie. Ce projet
semble peu vivant aujourd'hui. Il visait à permettre à un kernel (invité) Linux d'être exécuté
comme un processus normal du kernel hôte, mais après une apparition furtive dans les
sources officiels du noyau, sa réputation d'instabilité a eu raison de lui.
ViewOS : Projet ambitieux et dispersé, View-OS vise, en retouchant les concepts sous-
jacents d'un système Unix, à permettre aux utilisateurs des droits aujourd'hui interdits par
passe en fait des appels systèmes par l'intermédiaire d'un démon contrôleur. Ce projet n'a
pas l'air d'avoir encore atteint une maturité critique.
PearPC : Solution d'émulation de PowerPC destiné aux Intel x86, ce logiciel sort fortement
du cadre proposé (virtualisation des x86) et a donc été laissé de côté. Cependant c'est une
solution très décente d'émulation d'un Macintosh à base de PowerPC.
Zones : solution de virtualisation, basée sur un isolateur s'appuyant sur un support
d'instructions adaptées, Zones est dédié au système Solaris : ce n'est pas le contexte
souhaité.
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LA VIRTUALISATION
3.1.2 Comparaison des solutions sélectionnées
Au final, les solutions actuel ement en état convenable pour un serveur de production, indiquées à
la suite, seront comparées de la manière suivante :
Chaque solution est testée dans un contexte contenant deux machines virtuel es invitées dont une
tournant à vide.
3.2 Solutions retenues
Solutions permettant de virtualiser un invité différent de l'hôte, en particulier un système Windows
et un système Linux :
Solution fournissant plusieurs environnements cloisonnés d'un seul et même système
OpenVZ est certes un peu en marge, puisqu'il est un isolateur. Dans sa catégorie, il est le plus
abouti, permettant en particulier l'instal ation et l'exécution de plusieurs Linux en paral èle pourvu
qu'ils partagent le même noyau. Il est conservé dans ce rapport en raison de son exceptionnel e
scalabilité, conséquente de son approche : en effet, c'est le seul qui peut prétendre proposer des
dizaines6 de machines virtuel es.
réel vers un système virtuel sont dédiés à la version commerciale, Virtuozzo.
6le site avance une centaine avec seulement 768Mo de RAM
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LA VIRTUALISATION
3.2.1 Qemu
Application
Application
Application
Projet développé par Fabrice Bel ard, autour de qui une petite
communauté d'experts actifs s'est formée, Qemu est l'archétype d'une
Couche de virtualisation
solution de type machine virtuel e complète.
Qemu ne nécessite pas de processeur spécifique, n'impose pas de
modifier le système invité et marche sur un système hôte non modifié.
Cependant, kQemu, approche d'accélération dédiée, permet d'accélérer
Machine virtuelle
notablement les performances (toujours sans contrainte sur la génération de processeur).
Présentation
QEMU est une solution de virtualisation sur le modèle de la machine virtuel e, techniquement très
aboutie, permettant depuis la virtualisation de machine cible identique à l'hôte, avec une
virtualisation potentiel ement accélérée (par le module noyau kQemu, récemment reversé à l'Open
Source) jusqu'à l'émulation complète de machine, même d'architecture processeur différente
(ARM, MIPS par exemple).
Qemu ne requiert pas une plateforme spécifique, n'utilisant pas de code spécifique d'un
processeur particulier. De plus, parmi les exemples choisis, Qemu est la seule solution qui, avec
une intervention totalement logiciel e en mode utilisateur (sans patch ni module kernel), puisse
être néanmoins fonctionnel e. Cependant l'utilisation d'un module dédié permet un gain notable de
performances.
Fonctionnalités
En solution de virtualisation, Qemu propose, sur la base d'une émulation complète
(optionnel ement accélérée par un module kernel), une approche séduisante de la virtualisation
native, et par un émulateur écrit sur le modèle d'un compilateur just-in-time, un outil appréciable
pour faciliter le développement sur plates-formes ésotériques comme dans l'embarqué, par
sur un hôte Linux.
Ce programme est très évolué techniquement, sur la piste d'une maturation rapide, et se trouve
nanti de deux possibilités d'accélération différentes, l'une spécifique nommée kQemu, l'autre,
Kvm, requérant un patch à QEMU. Cette partie testera Qemu seul puis accompagné de sa propre
accélération kQemu, le module KVM faisant l'objet d'une section dédiée.
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LA VIRTUALISATION
Parmi les fonctionnalités intéressantes qu'il propose, on note une émulation de disque selon une
technologie copy-on-write (optionnel car non disponible pour tous les systèmes de fichiers, en
particulier incompatible avec les FAT), ce qui permet à un disque émulé de n'occuper que la place
effectivement prise et non toute la place al ouée. Qemu supporte ainsi une grande variété de
formats d'images disques.
En terme de support matériel, Qemu émule une carte graphique Cirrus Logic (SVGA) sans aucune
Ethernet de type NE2000. Cette carte est globalement la plus répandue, ce qui assure son
Evaluation
Instal ation
Qemu se présente sous la forme de .tar.gz source et binaire, des distributions le packagent pour
leur système de paquets (RedHat, ubuntu en particulier), et s'instal e sans difficulté, il faut
cependant noter qu'en cas de recompilation, il nécessite un gcc version 3.4.x (le module compat-
gcc des distributions récentes). L'instal ation par défaut (rpm ou sources) génère les Qemu pour à
peu près toutes les plateformes supportées.
Qemu est une solution d'émulation par recompilation sur un modèle "just-in-time" utilisant déjà un
bon nombre d'accélérations dans les cas sûrs (plate-forme native, instructions non dangereuses).
Un module proposant une accélération supplémentaire (kQemu) est disponible et se compile et
s'instal e sans souci.
Qemu étant à la base une solution d'émulation, la sécurisation du reste du serveur par rapport aux
fail es de la machine virtuel e est complètement assurée, à l'exception de l'effet d'éventuel es
anomalies dans le module d'accélération noyau si on l'utilise.
En consolidation de serveurs, Qemu est utilisable mais peut se montrer gourmand et un peu lent,
en particulier dans une version non accélérée.
Qemu est d'un déploiement aisé, que l'on dispose ou non des images prêtes à l'emploi, puisque
l'instal ation d'un Linux à partir des supports se fait sans souci. On peut donc l'envisager en
secours, mais sa gourmandise en RAM (inhérente au choix technologique) est à ne pas oublier.
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LA VIRTUALISATION
En terme d'hébergement, Qemu n'est probablement pas la solution la plus scalable à cause de la
différents) mais son utilisation est néanmoins tout à fait pertinente dans certains contextes.
En ce qui concerne les considérations de test et développement, c'est probablement le domaine
dans lequel QEMU excel e, étant la seule solution à proposer une émulation complète
d'architectures même non x86, et permettant son utilisation (sans accélération) depuis un compte
non privilégié. Qemu peut aussi s'utiliser pour déboguer le noyau (mais le cheminement temps
réel n'étant pas identique à une plate-forme réel e, certaines anomalies très liés à des
chronologies d'accès ne pourront être reproduites).
En terme de performances subjectives, Qemu sans accélération se montre un peu poussif, mais
reste utilisable. Sa technologie particulière (compilateur just-in-time en émulation) permet même
d'émuler une machine spécifique de manière utilisable. Le module spécifique kQemu lui offre une
accélération conséquente.
Analyse de performances
Sans accélération, Qemu est lent et charge fortement le système hôte, même si configuré en
Retours d'expérience
Tout d'abord, notons que VirtualBox et Kvm reposent sur Qemu : le premier se replie sur son code
pour les cas complexes (boot mode réel et quelques cas sporadiques), le second l'utilise patché,
cela souligne l'aboutissement de ce logiciel, dont le numéro de version n'indique toutefois pas une
version finale (version actuel e : 0.9.0).
Avec une image de disque préchargée, nous avons testé le boot en émulation d'architecture
ARM : la mise en route d'une émulation de plate forme a été très simple. A cet égard, Qemu est
un outil d'une redoutable efficacité. Des images exemples de boot Linux existent aussi, mais
générer son image propre n'est pas difficile, il n'a que l'inconvénient de la ligne de commande.
Thalès Optronique utilise Qemu en environnement R&D, en profitant de la simplicité avec laquel e
on obtient des émulations de plates-formes d'ail eurs.
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LA VIRTUALISATION
Linagora a utilisé Qemu en production, surpassé par VMWare Serveur, en raison de la qualité des
outils ayant la particularité intéressante de vouloir couvrir plusieurs solutions de virtualisation par
une seule interface.
y compris industriels, est la meil eure preuve.
Application
Application
ireann s virtu
KVM est en fait vu comme un périphérique (/dev/kvm) dédié à la
virtualisation, utilisant les instructions de virtualisation des derniers
Hyperviseur
AMD et Intel. Il n'est donc disponible que sur les plates-formes
proposant ces extensions. Technologiquement, il s'apparente à un
hyperviseur complet, le périphérique "/dev/kvm" s'occupant de la
Hyperviseur complet
gestion de la pagination des systèmes hôtes, et le noyau Linux
accompagné d'utilitaires système jouant le rôle de gestionnaire de machines virtuel es. Il s'appuie
largement, pour la partie hors instructions spécifiques, sur Qemu : le virtualiseur réel associé à
Kvm est en réalité une version patchée de Qemu.
Présentation
KVM ( Kernel-based Virtual Machine) est un module du kernel définissant un périphérique
(/dev/kvm) dédié à la virtualisation. Il a été choisi pour intégrer la version 2.6.20 du noyau Linux.
Ce module, accompagné d'une version patchée de Qemu, propose une solution de virtualisation
qui fonctionne avec des systèmes d'exploitation invités non modifiés. Cependant, il impose
d'utiliser des processeurs x86 récents, équipés d'extensions pour faciliter la virtualisation : VT
chez Intel et AM-V chez AMD pour les architecture X86.
Le module KVM a l'intérêt d'affecter très peu le noyau, son intégration a demandé peu de
modifications, ce qui réduit la complexité et les risques d'instabilité.
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LA VIRTUALISATION
Il propose un périphérique dédié dont l'interface, au fichier spécial nommé /dev/kvm, sert à être
utilisé par un programme utilisateur (hors kernel), afin de mettre en place l'espace d'adressage,
d'IO et l'affichage de la machine virtuel e dans l'espace de l'hôte. Le seul programme qui s'en sert
aujourd'hui est une version modifiée de QEMU (dont l'exécutable s'appel e d'ail eurs Kvm sous
Ubuntu). Ces modifications sont destinées à être intégrées au projet Qemu.
Fonctionnalités
KVM est une infrastructure de support de la virtualisation au niveau du noyau Linux proposant, par
l'utilisation des instructions de virtualisation des processeurs Intel (extensions Vanderpool, flag
vmx) et AMD (extensions Pacifica), la virtualisation complète (de machines Linux) et un support
en système invité, les systèmes de type Windows. Cependant ces systèmes devront être instal és
Comme indiqué, cette extension au kernel (actuel ement sous forme de module) nécessite le
support des extensions ad hoc au langage machine x86, donc l'un des processeurs suivants :
(sauf T2300E) et Core 2 Duo (sauf T5200, T5500, E4x00).
processeurs sur socket post-939 (AM2 pour les Athlons-64).
La virtualisation el e-même s'appuie sur Qemu, on retrouve les fonctionnalités de ce dernier :
(plus de changement mode réel/mode utilisateur en cours, et quelques contraintes sur
pas le serveur destination).
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LA VIRTUALISATION
Evaluation
KVM propose une formalisation de l'utilisation des instructions de virtualisation des processeurs
récents, mais n'est pas un logiciel de virtualisation. Pour utiliser les services qu'il fournit, on n'a à
disposition aujourd'hui qu'une version modifiée de Qemu.
KVM se pose plutôt en alternative à kQemu, la grosse différence entre ces deux projets, c'est que
Kvm a été choisi pour intégrer les sources officielles du noyau Linux (le noyau "Vanil a" de
kernel.org), ce qui lui donne une assise intéressante en terme de qualité de support et de vivacité
de la communauté. Il a aussi beaucoup gagné en visibilité.
Son autre grosse différence par rapport à kQemu, c'est l'utilisation des instructions de
virtualisation ; cela limite les plateformes intéressées aux plateformes récentes, mais cel es-ci se
généralisent. Ces approches différant, il est intéressant d'en comparer les performances.
Instal er KVM à partir d'un noyau 2.6.20 ou plus récent consiste à sélectionner l'option Kvm et le
support spécifique adapté (Intel ou AMD), puis de recompiler le kernel. Le module KVM et la
version modifiée de Qemu qui l'accompagne font l'objet d'un paquetage rpm commun.
A noter à l'utilisation, un bug connu concernant la gestion de l'IO APIC impose l'utilisation de
l'option boot du kernel "NO_APIC" ou, moins restrictif, "NO_L_APIC".
KVM ne propose "que" la possibilité d'accéder aux possibilités de virtualisation des processeurs
récents, et utilise une version modifiée de Qemu. Les résultats ici seront proches de ceux de
Qemu étant à la base une solution d'émulation, la sécurisation du reste du serveur par rapport aux
fail es de la VM est complètement assurée7.
En consolidation de serveurs, Kvm est utilisable mais peut se montrer gourmand en mémoire. Les
performances sont par contre excel entes, proches d'un système natif.
7à l'exception de l'effet d'éventuelles anomalies dans le module d'accélération noyau si on l'utilise
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LA VIRTUALISATION
Le déploiement reste tout aussi aisé, que l'on dispose ou non des images prêtes à l'emploi,
puisque l'instal ation d'un Linux à partir des supports se fait sans souci. Sa gourmandise en RAM
(inhérente au choix technologiques) est son talon d'Achil e, sa performance est un avantage.
En terme d'hébergement, Qemu/Kvm souffre de la même consommation mémoire, par contre
cette solution propose des performances en nette hausse par rapport à Qemu. On peut donc y
voir une compensation si l'on peut se permettre l'investissement en RAM.
En ce qui concerne les considérations de test et développement, QEMU excel e dans ce domaine,
KVM en hérite, mais l'émulation complète est dans ce cas hors-jeu.
Si l'intégration du support de Kvm à la ligne principale de développement du kernel Linux est
récente, cette solution est néanmoins remarquablement stable et ne déprécie pas Qemu sur ce
point, à l'exception de la limitation déjà citée d'IO APIC. Si, maintenant, l'accélération proposée par
le module permet des performances proches de cel es d'une machine seule, la scalabilité n'est
pas la meil eure en raison de l'obligation d'embarquer autant de systèmes complets que de
machines virtuel es, ce qui consomme une forte quantité de mémoire.
En terme de performances subjectives, Kvm est sensiblement plus rapide que kQemu, lui-même
accélérant notablement Qemu. On est effectivement proche des performances natives.
Analyse de performance
kQemu pour des applications utilisant intensivement la mémoire.
Retours d'expérience
Peu de retour d'expérience aujourd'hui, puisqu'il a été intégré au kernel dans la version 2.6.20,
cette version est très récente. Seules les distributions sorties récemment l'intègrent (Fedora 7),
tout comme les distributions dynamiques (Zenwalk par exemple).
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LA VIRTUALISATION
3.2.3 VirtualBox
Application
Application
Application
VirtualBox propose un support optionnel des instructions de virtualisation
Intel VT et AMD AM-V, ce dernier support étant annoncé expérimental
Couche de virtualisation
d'après la documentation de la version en cours (1.4.0). S'il en est de fait
utilisable sur toutes les plates formes x86 32 et 64 bits, l'utilisation de ces
instructions dédiées accélère notablement les systèmes invités.
Il permet une émulation de tout système PC, donc des systèmes
Machine virtuelle
d'exploitation invités de types Windows, moyennant une petite limitation
développée plus loin.
Présentation
VirtualBox est un produit qui se présente comme "seule solution professionnelle de virtualisation
distribuée sous licence GPL". Il se présente accompagné d'utilitaires destinés à faciliter la création
de machines virtuel es, disques et montages CD/DVD (fichiers .iso testés). Cependant, le site de
peu, réservé auparavant à la version commerciale. La version Open Source est disponible
packagée, il faut le noter, pour un nombre important de distributions (dont OpenSuse, Mandriva,
Fedora, RHEL et Ubuntu).
Techniquement, VirtualBox est une solution de virtualisation efficace, potentiel ement accélérée
sur architecture équipée des extensions virtualisation x86, se repliant sur Qemu dans certains cas
Fonctionnalités
VirtualBox émule un PC complet, permettant une variété en théorie totale des systèmes
d'exploitation invités. Une limite à savoir : le modèle de carte réseau émulé, dont le support a été
supprimé de Windows Vista, impose à ce dernier un démarrage sans réseau et l'installation d'un
driver afin d'être pleinement fonctionnel.
A part cela, ce logiciel, produit de la société al emande Innotek GmbH, propose une version Open
Source (OSE, Open Source Edition) pleinement opérationnelle mais sans les interfaces
graphiques les plus efficaces. A noter, le boot ia32 (qui passe par le vénérable mode réel x86) et
quelques situations délicates font opportunément appel au code de Qemu.
A l'instar de ce dernier, VirtualBox propose de plus une accélération par l'intermédiaire d'un
module kernel dédié. Cette accélération profite des instructions de virtualisation.
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LA VIRTUALISATION
Evaluation
Il est en théorie possible d'utiliser VirtualBox pour virtualiser tout système d'un PC, même si
certains systèmes (FreeBSD) ont posé des problèmes par le passé. Notons l'aspect sécurisant de
l'approche virtualisation : c'est le système invité qui plante, sans aucune conséquence fâcheuse
sur le système hôte. Ce défaut a été corrigé depuis, la version 1.5.2 d'octobre dernier permet
d'instal er FreeBSD.
La seconde remarque concernant VirtualBox, c'est qu'il est relativement gourmand en RAM, bien
plus qu'en CPU : démarrer simultanément deux machine virtuel e Linux équipées respectivement
de 384Mo et 256Mo a nécessité 1Go de swap en plus du giga de RAM qui équipe la machine, sur
une Fedora Core 6. Il faudra donc penser à dimensionner généreusement les machines. La
consommation en RAM est déjà le talon d'Achil e des virtualiseurs complets, mais VirtualBox se
montre particulièrement gourmand.
En ce qui concerne son ergonomie, el e est fortement inspirée des aspects agréables des
habitudes "à la Windows", avec un assistant de création de machines virtuel es utilisable avec un
recours minimum aux aides en ligne. Démarrer, arrêter ou gérer plus généralement des VM est
aussi d'une simplicité bien pensée. Cependant, cette ergonomie intéressante gagnerait à
Pour cela, le modèle reste WMWare dont les outils sont remarquablement bien pensés (pas de
dépendance excédentaire sur la machine serveur par exemple).
Par contre la mauvaise nouvel e : VirtualBox a été écrit pour être en partie compilé avec bcc, un
compilateur C qui n'est pas l'habituel gcc. La raison vient des parties du code traitent du mode
réel, qui est du code 8086 d'époque et qui nécessite compilateur et assembleur adaptés.
Recompiler VirtualBox impose donc une dépendance très spécifique.
L'isolation totale des programmes étant garantie par le choix de la technologie, aucun souci à se
faire sur ce point : un seul serveur « plante » et tout le reste est conservé.
Consolidation de serveur
Cette solution s'est montrée la plus gourmande, la limite se trouvera certainement en terme de
densité, en raison de la consommation forte en RAM. D'ailleurs pour cette utilisation particulière,
une virtualisation complète consommera toujours plus de RAM qu'un isolateur. VirtualBox en
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LA VIRTUALISATION
nécessité de support graphique sur le serveur venait à voir le jour, VirtualBox gagnerait beaucoup
sur cet aspect.
Plan de reprise d'activité
La consommation en RAM de VirtualBox sera le frein le plus important à son utilisation dans ce
cadre, mais les utilitaires d'arrêt sur image (snapshot), et arrêt/redémarrage seront bien utiles
dans un contexte aussi sensible, le retour sur investissement en RAM est immédiat en terme de
VirtualBox semble trop gourmand en mémoire pour être utilisé dans un contexte de déploiement
en masse, cela occasionnerait un surcoût significatif. Cette utilisation de la virtualisation est
cependant le terrain sur lequel les virtualiseurs niveau OS sont favoris.
Aucun problème pour l'aspect test, développement et éducatif : à l'image des déclinaisons de
Qemu, c'est l'avantage majeur des virtualiseurs complets que d'offrir une séparation nette et
franche entre les VM, à tous les niveaux logiciels qui leur sont accessibles. L'accélération
En terme de performances subjectives, tout va bien tant que la consommation de la RAM ne
ralentit pas notablement la machine hôte puis par conséquent toutes les machines virtuel es. On
conseillera donc d'utiliser cette solution sur une machine généreusement dotée. Heureusement,
une version pour architecture x86-64 existe ce qui permet de l'installer sur une machine
confortablement dotée.
Analyse de performances
que le swap entre en jeu, ce qui arrive un peu vite en raison de sa gourmandise. Il faudra prévoir
temps (la correction était officiel ement incluse).
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LA VIRTUALISATION
Présentation
Xen est un hyperviseur, c'est-à-dire un système
Application
Application
Application
Application
Application
Application léger de type moniteur auquel ont été ajoutées
des fonctionnalités destinées à la virtualisation.
modifié
modifié
modifié
Dans ses premières versions, Xen se présentait
Hyperviseur
Hyperviseur
d'ail eurs comme un moniteur. Il se présente sous
la forme de l'hyperviseur proprement dit
Matériel avec support VT
accompagné d'un kernel Linux patché, mais
Paravirtualisation
Paravirtualisation
saurait en théorie se présenter sous la forme d'un
autre système plus réduit.
Dans les versions actuel ement libres et en l'absence de l'utilisation des extensions de
virtualisation des fondeurs de x86, Xen nécessite de patcher les systèmes hôtes. Depuis la
version 3.0 (pour Intel, et 3.03 pour AMD), Xen offre de plus la possibilité, sur les machines
supportant les instructions de virtualisation, de faire tourner des systèmes d'origine.
Il existe une version commerciale de Xen, offrant plusieurs niveaux de support, un produit
est dédié aux serveurs Windows.
Fonctionnalités
embarquant l'hyperviseur, que la terminologie Xen nomme Dom0, faisant tourner un ou plusieurs
OS invités, nommés DomU. En théorie, Xen peut, dans sa version Open Source, faire tourner tout
OS adapté pour se reloger dans l'espace d'adressage réservé et dans des niveaux de priorités
processeur non maximum, ce qui signifie en pratique que la plupart des systèmes actuels ont
besoin d'être patchés. C'est en particulier le cas de Windows.
De plus, exécuté sur un processeur disposant des extensions de virtualisation d'Intel et AMD, la
version 3.1 de Xen est capable de démarrer des systèmes d'exploitation non modifiés, dont
d'après la documentation, les versions de Microsoft Windows XP, 2000, Vista, sous réserve que
les périphériques émulés se trouvent supportés par l'OS invité.
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LA VIRTUALISATION
(thread local storage), actuel ement utilisée par la plupart des distributions. Xensource propose, en
guise de contournement, de la désactiver en renommant « /lib/tls » en « /lib/tls.disabled », la
correction consistant à recompiler la libc sans support tls. Cette limitation est signalée lors du boot,
dès que Xen détecte l'utilisation de la tls.
Evaluation
L'instal ation de Xen est assez particulière, non qu'el e soit complexe mais el e requiert certaines
versions très spécifiques du kernel. De l'aveu de XenSource et des laboratoires de l'Université de
ou plus exactement, le patch requis pour adapter un kernel Linux à devenir dom0 n'est pas trivial.
Fort heureusement, Xen a fait son chemin jusqu'aux sources officiel es du kernel, dans la
déclinaison domU.
Xen a été intégré à la Fedora Core 6 et s'instal e sans souci ; de plus, sa recompilation à partir des
sources ne pose pas de difficulté particulière, à part que certains utilitaires requièrent bcc, le
compilateur de Bruce Ewans générant du code x86 mode réel. C'est le même compilateur que
celui requis pour recompiler VirtualBox Open Source Edition.
Concernant l'instal ation d'une distribution à partir du CD, il y a un détail qui mérite une certaine
attention : l'installation par instal ateurs graphiques utilisant la lib curses ne marche pas sous Xen,
il faut donc passer si possible en mode texte ou carrément par un instal eur sous X11.
L'alternative : passer par l'image tirée d'un système instal é, par la commande dd par exemple, ou
par copie pour le cas du déploiement d'une image sur plusieurs domU.
La paravirtualisation, tout comme la virtualisation complète, garantit la séparation logique effective
des machines virtuel es, pas de souci sur ce point. Cependant, dans le cas particulier de Xen, le
système privilégié nommé Dom0 ou domain-0 est assez sensible : le mettre en difficulté (par une
réservation mémoire inadaptée par exemple) peut conduire à une catastrophe. La bonne
pratique, qui de plus conserve la similitude des hôtes virtualisés, consiste à réserver Dom0 pour
l'administration du parc virtuel et placer les serveurs virtuels dans les DomU.
A l'instar des Qemu et VirtualBox, instal er n systèmes en tenant compte de la recommandation
notablement plus léger et limite un peu cette considération, mais, pour garantir la stabilité de
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LA VIRTUALISATION
l'ensemble de la machine, on portera une attention particulière à la surveil ance des services
tournant dans le domain-0 si l'on insiste pour en laisser.
La souplesse de Xen et sa possibilité de prendre en compte de multiples OS est un avantage, sa
consommation en RAM, liée à la technologie utilisée, et liée à l'avantage dans le domaine de la
sécurité, est son point faible. Par contre, instal er des machines virtuel es à partir des supports
n'est pas évident, un plan de reprise d'activité devra donc s'anticiper pour disposer des fichiers
utiles en avance de phase.
Pour de l'hébergement de services en masse, on va être limité par la consommation en RAM,
mais cet usage s'accomode mieux de virtualisation au niveau OS. En ce qui concerne la mise à
disposition de machines virtuel es destinées à des utilisateurs, Xen peut être une solution.
Xen vient du monde universitaire, et l'aspect développement et test sont certainement parmi les
priorités du projet. Cependant, il reste relativement difficile d'instal er une VM à partir des supports,
qui concerne la transition mode réel - mode protégé. Donc pour déployer des serveurs de
développement ou de test à partir d'images préalablement générées, pas de problème, mais
instal er une distribution à partir d'un support se fera indirectement.
Analyse de performances
simultanée, au-dessus d'un Dom0 Linux, de 2 Linux DomU est fluide tout en ne chargeant pas
De plus des astuces de configuration permettent de dédier des périphériques à un domaine,
Retours d'expérience
Le plus gros frein à Xen sera sans doute sa relative complexité de configuration, puisque le parti a
été pris, eu égard au nombre de paramètres impressionnant qu'il propose, de se servir d'un fichier
de configuration en sus d'un paramétrage partiel en ligne de commande, le dernier surchargeant
le précédent. L'ergonomie est donc un peu passée de mode, même si el e se prête du coup
assez bien à un déploiement de masse.
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LA VIRTUALISATION
Autre inconvénient, la relative difficulté à instal er un système d'exploitation depuis les supports, et
ressemble à ce titre à une fonctionnalité non terminée : il faut déclarer un élément « kernel »
spécifique nommé hvm (se chargeant de la virtualisation) et les périphériques de boot, pour un
hôte Windows, Linux ou autre.
Le service OSSA de LINAGORA utilise Xen, c'est la solution la plus efficace et d'administration la
plus rationnel e pour virtualiser des systèmes sur un hôte ne disposant pas des extensions
processeur de virtualisation, à utiliser si l'on se contente de virtualiser des OS Open Source
(puisqu'une modification de l'OS est nécessaire en l'absence de ces extensions).
3.2.5 OpenVZ
Présentation
OpenVZ est une technologie de virtualisation de niveau OS basée sur le
Application
Application
Application
noyau Linux. OpenVZ permet à un serveur physique d'exécuter de
multiples instances de système d'exploitation isolés, connus sous le nom
Couche de virtualisation
de serveurs privés virtuels.
En comparaison aux machines virtuel es tel es que VMware et aux
technologies de paravirtualisation tel es que Xen, OpenVZ offre moins de
flexibilité dans le choix du système d'exploitation : le système
Machine virtuelle
d'exploitation invité et hôte doivent être de type Linux. Cependant, la
virtualisation au niveau OS d'OpenVZ offre une meil eure performance, une meil eure scalabilité,
une meil eure densité, une meil eure gestion de ressource dynamique, et une meil eure facilité
d'administration que ses alternatives. Selon le site Web d'OpenVZ, cette méthode de virtualisation
introduirait une très faible pénalité sur les performances : 1 à 3% de pertes seulement par rapport
à un ordinateur physique.
OpenVZ est la base de Virtuozzo, un produit propriétaire fourni par SWsoft, Inc. OpenVZ est
distribué sous la Licence publique générale GNU (GPL) version 2. L'entreprise à l'origine des deux
produits, SWSoft, inc., vend du support sur OpenVZ et la suite Virtuozzo, qui propose des
fonctionnalités supplémentaires comme migration d'une machine vers une VM et vice-versa, une
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LA VIRTUALISATION
gestion par fermes et par serveurs nommés plutôt que par IP (plus besoin d'al ouer des IP), des
outils de surveil ance, de statistiques, d'instal ation, de sauvegarde et d'administration par interface
Fonctionnalités
OpenVZ, de par sa conception, offre une excel ente scalabilité, et permet une densité de serveurs
très élevée, et offre en outre des outils facilitant la gestion de fermes de machines virtuel es.
Scalabilité : Comme OpenVZ utilise un modèle de noyau unique, il se comporte comme le noyau
2.6 de Linux : il supporte, sur architecture ia-32, jusqu'à 64 CPU et jusqu'à 64 GB de RAM. Un
environnement virtuel unique peut être étendu jusqu'à la machine physique dans sa totalité, c'est-
à-dire tous les CPU et toute la RAM.
En effet, certains déploient un unique environnement virtuel OpenVZ. C'est étrange à première
vue, mais étant donné qu'un VE unique peut employer toutes les ressources matériel es avec une
performance proche du natif, tout en bénéficiant d'autres avantages tels que l'indépendance du
matériel, la gestion des ressources et la migration à chaud, ceci est un choix évident dans
beaucoup de scénarios.
Densité : OpenVZ peut accueil ir des centaines d'environnements virtuels sur un matériel décent
(les limitations principales sont la RAM et le CPU). Des tests ont permis d'évaluer qu'une machine
équipée de 768Mo de RAM pouvait être utilisée pour héberger jusqu'à 120 systèmes faisant
tourner xinetd, init et les services de base plus apache, servant des pages statiques, avant que le
swap excessif ne rende les temps de réponse rédhibitoires.
Gestion de masse : OpenVZ offre la possibilité de faire tourner un simple script qui mettra a jour
tous les VE immédiatement, ou juste certains VE choisis.
Peut être le moins fort des points d'OpenVZ, le fait de faire tourner tous les serveurs sur le même
code kernel fait de ce code un point de défail ance potentiel important. On évitera donc
naturel ement les kernels non considérés comme stables, mais ces derniers ne sont de toutes
façons pas à envisager en production. Les kernels stables, quand à eux, ont une stabilité digne de
la réputation de Linux en la matière, aussi ce risque est-il très limité. En tous cas aucune crainte
concernant les données intrinsèques à chacune des VM, la séparation est assurée pour cel es-ci.
De par son excel ente scalabilité et en raison de son nombre minimal de couches de virtualisation,
OpenVZ pourra optimiser l'utilisation de serveurs tous basés sur un système identique. En gardant
le chiffre de 15% d'utilisation des serveurs actuels, si l'on considère que le surcoût dû à la
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LA VIRTUALISATION
présence d'un système d'exploitation s'élève à 3% donc un coût unitaire de service d'environ 12%,
ce sont 8 serveurs virtuels par CPU qui peuvent être simulés sur le modèle de OpenVZ, contre 5
serveurs plus l'hôte pour les autres modèles, sans même considérer l'aspect mémoire vive.
A condition d'avoir une image prête à l'avance (comme pour Xen), l'utilisation de OpenVZ pour ce
cadre est particulièrement adaptée si l'on a la chance que les services se basent tous sur le même
kernel. En effet, on retrouve de nouveau l'argument scalabilité, OpenVZ est le seul système
raisonnablement adapté à une virtualisation massive, donc à même de prendre à bras le corps le
relais de gros serveurs. De plus des outils facilitent la mise à jour et la migration, ce qui est
intéressant pour redéployer le matériel lors de l'intervention, ou déployer suite à mise à niveau
peu documentée et rentre clairement dans le cadre du produit commercial Virtuozzo.
Là encore, à condition que l'aspect kernel commun ne soit pas rédhibitoire, cette solution s'utilise
remarquablement pour de l'hébergement massif grâce à ses qualités de scalabilité, dus
rappelons-le à une légèreté logiciel e par conception et à la non multiplication des noyaux.
Peut-être le domaine pour lequel la condition de noyau commun est la plus gênante, et peut
éventuel ement être rédhibitoire : pas question ici d'instal er une VM Windows, FreeBSD ou autre
dans un Linux, tout le monde partage le même noyau. Ce produit n'est pas le plus souple pour cet
usage qui demande justement une adaptabilité en priorité. Cependant, on peut être intéressé par
une virtualisation des seuls serveurs d'application, et vouloir en faire simplement tourner plusieurs
sur une même machine physique pour comparaison, et dans ce cadre OpenVZ apporte une
réponse technique utile et très impartiale.
Evaluation
Instal ation
OpenVZ nécessite un noyau patché, ce qui détermine la version de kernel à utiliser de manière
assez rigide, nous avons testé la dernière version d'OpenVZ, destinée au kernel 2.6.20. La
configuration des options du kernel est aussi assez directive, à tel point que le site d'openVZ
propose une configuration de base.
A cela, il faut ajouter les outils en ligne de commande vztools, disponibles sous la forme de
paquets rpm sur le site dédié.
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LA VIRTUALISATION
Cependant, OpenVZ demande, pour pouvoir démarrer un « Environnement Virtuel » (VE), toute
documentée.
des scénarios préférés de consolidation de serveurs, hébergement, plan de reprise d'activité.
Par contre ce choix technologique impose le système invité (nécessairement Linux), la version du
kernel et virtualise "seulement" l'environnement machine (processus, libc, distribution, drivers en
En terme de sécurité, le caractère dangereux d'une anomalie d'un serveur dépend directement
des patches kernel de OpenVZ.
Analyse de preformances
Les distributions particulières ne peuvent être facilement instal ées sans les dénaturer de façon
effectivement là à une limite du modèle logiciel libre jumelé avec une offre commerciale : les outils
préparée et travail ée ou d'une distribution moins répandue. Aucun problème par contre pour les
distributions majeures pour lesquel es des images prêtes sont distribuées non loin d'OpenVZ.
Retours d'expérience
solution est trop peu praticable.
http://openvz.org/
http://fr.wikipedia.org/wiki/OpenVZ
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LA VIRTUALISATION
4. Synthèse de l'étude
4.1 Comparaison des solutions retenues
Comparatif des solutions étudiées
Qemu VirtualBox
OpenVZ
Machine virtuelle
Virtualisation OS
Paravirtualisation
Hyperviseur
Manipulations de Machines Virtuelles
Création graphique
Sauvegarde
Restauration
Migration
(commercial) (commercial)
Invités Windows
Système invité Windows sans
virtualisation matérielle
(commercial)
Système invité Windows avec
virtualisation matérielle
Déploiement
Déploiement multiple
Interface réseau virtuel e avec
OS invités multiples
Création scriptée
Administration à distance
(commercial) (commercial)
(commercial)
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LA VIRTUALISATION
4.2.1 Qemu
Propriétés génériques
Cartouche
Date d'évaluation
Auteur de l'évaluation
Informations générales
Nom du logiciel open source
Domaine fonctionnel du logiciel
Machine virtuel e
Méthode de virtualisation par émulation de
Description succincte du logiciel
périphériques et/ou processeur
soumis le logiciel
Site principal du projet open source
http://fabrice.bel ard.free.fr/qemu/
Tout système supportant gcc et bcc.
Systèmes d'exploitation compatibles
Qemu permet des machines virtuel es sous tout OS PC
non modifié, y compris Windows.
Démonstrations du logiciel (par Plusieurs images de disques disponibles sur
exemple portail démo pour un produit http://www.oszoo.org/wiki/index.php/Category:OS_imag
de portail)
Services existants
Toute la documentation utile est présente, mais en
Documentation
anglais uniquement.
Aucune dédiée sur le Web.
Nombre d'offres de support contractuel Support OSSA est possible (licence GPL)
Nombre d'offres de prestation de Linagora
formation
Nombre d'offres de prestation de Linagora
conseil
Aspects fonctionnels et techniques
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LA VIRTUALISATION
Machine virtuel e, émulation éventuel e à base de
Technologie(s) d'implémentation
technologie Just-in-Time
graphique de la console (utile pour instal er une
Pré-requis techniques
distribution qui utilise ncurses, comme les Red Hat
Entreprise)
Emulation CPU, carte VGA Cirrus Logic 5440, Ethernet,
Fonctionnalités détail ées
Plan de développement (roadmap)
Intégration des patches Kvm à venir.
Critères qualitatifs
sous licence spécifique, est intégralement GPL, bien
Pérennité
écrit et intéresse suffisamment de monde pour être
Issu de Bochs, Qemu est remarquablement stable et
Maturité
Communauté réduite, mais efficace. On pourrait la
Dynamisme de la communauté
industriel.
Tout en ligne de commande, en local sur la machine,
Exploitabilité
Sans accélération, on reste souvent en mode émulation,
néanmoins fonctionnel.
Performance
Avec accélération dédiée kQemu, le gain est très net.
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LA VIRTUALISATION
Modérée à forte, il lui manque la prise de contrôle à
Adaptabilité
distance et une interface graphique,
Pas de prise de contrôle à distance, pas de
déploiements massifs, par contre tout le reste est
Industrialisation
fonctionnel, stable et robuste.
Synthèse
Qemu est techniquement la solution libre de référence,
surtout en raison de son émulation globale de PC très
Tendance générale
pour emporter une plus large adhésion.
Solution techniquement impressionnante concernant
accélération optionnelle efficace, il ne lui manque que
Ces deux points sont en développement chez Red Hat :
Notre commentaire
il pourrait donc devenir la solution de virtualisation.
« bricolé » en raison de son origine non-industriel e,
mais des solutions industriel es comme VirtualBox
Propriétés génériques
Cartouche
Qemu-Kvm
Date d'évaluation
Auteur
Informations générales
Nom du logiciel open source
Kvm kernel module
Domaine fonctionnel du logiciel
Virtualisation
Description succincte du logiciel
Interface assistant à la virtualisation.
Licences auxquelles/à laquel e est GPL (intégré au code officiel du kernel et soumis à la
soumis le logiciel
même licence)
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LA VIRTUALISATION
Site principal du projet open source
http://Kvm.qumranet.com/Kvmwiki
Systèmes d'exploitation compatibles
Invité : en théorie tout OS, Windows XP et Vista ont été
Démonstrations du logiciel (par
exemple portail démo pour un produit N/A
de portail)
Services existants
largement sur cel e de Qemu, qui constitue sa partie
Documentation
contrôleur userland, mais el e suffit à démarrer une
machine sans peine.