Les systèmes d'exploitation/Virtualisation et machines virtuelles

Grâce aux différentes technologies de virtualisation, il est possible de lancer plusieurs systèmes d'exploitation en même temps sur le même ordinateur. Il est ainsi possible de passer d'un O.S à un autre relativement rapidement, suivant les besoins, avec un simple raccourci clavier. Vous avez certainement déjà eu l'occasion d'utiliser VMWARE ou un autre logiciel de virtualisation. Ces technologies sont aussi beaucoup utilisées sur les serveurs, entre autres.

Historique de la virtualisation

Les machines virtuelles

Les logiciels de virtualisation implémentent ce qu'on appelle des machines virtuelles. Il s'agit d'une sorte de faux matériel, simulé par un logiciel. Un logiciel qui s’exécute dans une machine virtuelle aura l'impression de s’exécuter sur un matériel et/ou un O.S différent du matériel sur lequel il est en train de s’exécuter. Dans ce qui suit, nous parlerons de V.M (virtual machine), pour parler des machines virtuelles.

Les machines virtuelles sont aussi utilisées sur ce qu'on appelle les émulateurs, des logiciels qui permettent de simuler le fonctionnement d'anciens ordinateurs ou consoles de jeux. Les techniques de virtualisation fonctionnent un peu différemment de l'émulation de consoles de jeux. Un émulateur a besoin d'émuler le processeur, qui est généralement totalement différent entre le matériel émulé et le matériel sur lequel s’exécute la V.M. La différence principale est une différence de jeu d'instruction, ce qui fait que l'émulation implique généralement de traduire les instructions à exécuter dans la V.M par des instructions exécutables par le processeur. Ce n'est pas le cas avec la virtualisation, le jeu d'instruction étant le même.

Emulateur

Le logiciel de virtualisation est généralement limité à un logiciel appelé hyperviseur. Celui-ci gère plusieurs machines virtuelles, une par O.S lancé sur l'ordinateur. Il existe différents types d'hyperviseurs, qui sont généralement appelées sous les noms techniques de virtualisation de type 1 et 2. Dans le premier cas, l'hyperviseur s’exécute directement, sans avoir besoin d'un O.S sous-jacent. Dans le second cas, l'hyperviseur est un logiciel applicatif comme un autre, qui s’exécute sur un O.S bien précis. Les émulateurs utilisent systématiquement un hyperviseur de type 2 amélioré, capable de simuler le jeu d'instruction du processeur émulé.

Hyperviseur de type 1

Hyperviseur de type 2

Une méthode annexe à la virtualisation de type 2 consiste à modifier l'O.S à virtualiser de manière à ce qu'il puisse communiquer directement avec l'hyperviseur. On parle alors de paravirtualisation. Avec cette méthode, les appels systèmes des O.S sont remplacés par des appels systèmes implémentés par l'hyperviseur.

Virtualization - Para vs Full

Fonctionnement/implémentation

On peut se demander comment les technologies de virtualisation et les émulateurs font pour simuler une machine virtuelle. Pour être considéré comme un logiciel de virtualisation, un logiciel doit remplir trois critères :

• L'équivalence : l'O.S virtualisé et les applications qui s’exécutent doivent se comporter comme s'ils étaient exécutés sur le matériel de base, sans virtualisation.
• L'efficacité : La grande partie des instructions machines doit s’exécuter directement sur le processeur, afin de garder des performances correctes. Ce critère n'est pas respecté par les émulateurs matériels, qui doivent simuler le jeu d'instruction du processeur émulé.
• Le contrôle des ressources : tout accès au matériel par l'O.S virtualisé doit être intercepté par la machine virtuelle et intégralement pris en charge par l'hyperviseur.

Remplir ces trois critères est possible sous certaines conditions, établies par la théorie de la virtualisation de Popek et Goldberg. Ceux-ci ont réussit à établir plusieurs théorèmes sur la possibilité de créer un hyperviseur pour une architecture matérielle quelconque. Ces théorèmes se basent sur la présence de différents types d'instructions machines. Pour faire simple, on peut distinguer les instructions systèmes, qui agissent sur le matériel. Il s'agit d'instructions d'accès aux entrées-sorties, aussi appelées instructions sensibles à la configuration, et d'instructions qui reconfigurent le processeur, aussi appelées instructions sensibles au comportement.

Une autre distinction est la distinction entre instruction privilégiées ou non. Certaines instructions sont exécutables uniquement si le processeur est en mode noyau. Si ce n'est pas le cas, le processeur considère qu'une erreur a eu lieu et lance une exception matérielle. Ces instructions sont appelées des instructions privilégiées. On peut considérer qu'il s'agit d'instructions que seul l'O.S peut utiliser. À côté, on trouve des instructions non-privilégiées qui peuvent s’exécuter aussi bien en mode noyau qu'en mode utilisateur.

La théorie de Popek et Goldberg dit qu'il est possible de virtualiser un O.S à une condition : que les instructions systèmes soient toutes des instructions privilégiées. Si c'est le cas, virtualiser un O.S signifie simplement le démarrer en mode utilisateur. Quand l'O.S exécutera un accès au matériel, il le fera via une instruction privilégiée. Ce faisant, celle-ci déclenchera une exception matérielle, qui sera traitée par une routine d'interruption spéciale. L'hyperviseur n'est ni plus ni moins qu'un ensemble de routines d'interruptions, chaque routine simulant le fonctionnement du matériel émulé. Par exemple, un accès au disque dur sera émulé par une routine d'interruption, qui utilisera les appels systèmes fournit par l'OS pour accéder au disque dur réellement présent dans l'ordinateur. Cette méthode est souvent appelé la méthode trap-and-emulate.

Virtualisation avec la méthode trap-and-emulate

Mais le critère précédent n'est pas respecté par beaucoup de jeux d'instructions. Par exemple, ce n'est pas le cas sur les processeurs x86, qu'ils soient 32 bits. Diverses instructions systèmes ne sont pas des instructions privilégiées. La solution est simplement de traduire à la volée les instructions systèmes (privilégiées ou non-privilégiées) en appels systèmes équivalents. Cette technique est appelée la réécriture de code.

Certains processeurs disposent de technologies matérielles d'accélération de la virtualisation. Sur les processeurs x86, on peut citer l'Intel Vtx ou l'AMD-V.