Pour l’optimisation des coûts la virtualisation est devenue une réelle nécessité pour les entreprises. Cet article retrace un concept vieux de plus de 40 ans mais qui correspond à l’avenir des architectures informatiques.
Introduction
Formation virtualisation – JL Gestion
La virtualisation est un outil qui change radicalement l’approche de l’informatique en repoussant les limites de nos ordinateurs. Il s’agit d’une technologie à la portée de tous, du particulier qui souhaite exécuter en toute sécurité une distribution Linux sur sa plateforme
Windows, aux grandes entreprises qui souhaitent rentabiliser davantage leur infrastructure informatique.
Qu’est-ce que la virtualisation?
La racine du mot « virtuel » est tirée du latin « virtualis« , qui est lui-même issu de « vritus » qui signifie force, puissance.
Philosophiquement, on dira que ce qui est virtuel existe en puissance, mais non en acte. On peut dire, par exemple qu’un arbre est virtuellement présent dans une graine.
Partant de ce principe, on peut dire que le virtuel ne va pas à l’encontre du réel, mais plutôt de l’actuel. Virtualité et actualité sont seulement deux manières d’être différentes.
La virtualisation informatique consiste à faire fonctionner un ou plusieurs systèmes
La virtualisation est un composant technique clé dans le Cloud Computing.
d’exploitation/applications comme un simple logiciel, sur un ou plusieurs ordinateurs – serveurs / système d’exploitation, au lieu de ne pouvoir en installer qu’un seul par machine. Ces ordinateurs virtuels sont appelés serveur privé virtuel (Virtual Private Server ou VPS) ou encore environnement virtuel (Virtual Environment ou VE).
D’après cette description, 3 éléments importants ressortent de la virtualisation:
1. L’abstraction des ressources informatiques ;
2. La répartition des ressources par l’intermédiaire de de différents outils de manière à ce que celles-ci puissent être utilisées par plusieurs environnements virtuels;
3. La création d’environnements virtuels.
Ces trois concepts fondamentaux nous amènent à donner la définition suivante de la virtualisation:
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« La virtualisation est un processus qui va permettre de masquer les caractéristiques physiques d’une ressource informatique de manière à simplifier les interactions entre cette ressource et d’autres systèmes, d’autres applications et les utilisateurs. Elle va permettre de percevoir une ressource physique comme plusieurs ressources logiques et, inversement, de percevoir plusieurs ressources physiques comme une seule ressource logique. »
Historique de la virtualisation
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La virtualisation, contrairement à ce que pensent de nombreuses personnes, n’est pas née en 1999 avec la sortie du premier produit VMware. Ses débuts remontent à environ 40 ans sur la plate-forme de superordinateurs (mainframe) d’IBM. À cette époque, les machines virtuelles étaient appelées des pseudo-machines. À l’origine, l’ordinateur central utilisait le programme de contrôle pour allouer des ressources et isoler les différentes instances des pseudo-machines les unes des autres.
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La version contemporaine du programme de contrôle s’appelle un hyperviseur, qui est un superviseur de machines virtuelles installé directement sur le matériel (bare-metal). Ce matériel est usuellement un système serveur sans système d’exploitation installé. L’hyperviseur n’est pas accessible directement, mais il emploie ce qu’on appelle une machine virtuelle Domain0, qui est un système d’exploitation qui semble installé sur le matériel comme système d’exploitation primaire.
L’utilisateur interagit indirectement avec l’hyperviseur par le biais de cette machine virtuelle primaire.
Les différents domaines de la virtualisation
1. La virtualisation d’application
La virtualisation d’application est une technologie logicielle qui va permettre d’améliorer la portabilité et la compatibilité des applications en les isolant du système d’exploitation sur lequel elles sont exécutées.
Elle consiste à encapsuler l’application et son contexte d’exécution système dans un environnement cloisonné.
Puisque cette opération est transparente, l’application n’a pas notion de son état virtuel. Le terme virtualisation d’application est trompeur puisqu’il ne s’agit pas de virtualiser l’application mais plutôt le contexte au sein duquel elle s’exécute.
La virtualisation d’application va nécessiter l’ajout d’une couche logicielle supplémentaire entre un programme donné et le système d’exploitation. Son but est d’intercepter toutes les opérations d’accès ou de modification de fichiers ou de la base registre1 afin de les rediriger de manière totalement transparente vers une localisation virtuelle (généralement un fichier).
La virtualisation d’applications a de nombreux avantages :
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elle permet d’exécuter les applications qui ont été développées pour d’autres environnements d’exécution (par exemple, Wine permet d’exécuter des applications Windows sur une plateforme Linux);
elle protège le système d’exploitation hôte en s’assurant que l’application virtualisée ne viendra pas interagir avec les fichiers de configuration du système;
elle évite de faire appel à une machine virtuelle qui consomme plus de ressources;
elle autorise l’exécution de code incorrect
2. La virtualisation de réseau
De manière générale, la virtualisation des réseaux consiste à partager une même infrastructure physique (débit des liens, ressources CPU des routeurs,…) au profit de plusieurs réseaux virtuels isolés.
Un VLAN (Virtual Local Area Network) est un réseau local regroupant un ensemble de machines de façon logique et non physique. Puisqu’un VLAN est une entité logique, sa création et sa configuration sont réalisées de manière logicielle et non matérielle.
On distingue plusieurs types de réseaux virtuels:
1. Les réseaux virtuels de niveau 1, appelés réseaux virtuels par port.
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Ils définissent un réseau virtuel en fonction des ports de raccordement sur le commutateur (switch). Ainsi, chaque port du commutateur est associé à un réseau virtuel, indépendamment de la machine qui y est physiquement raccordée.
Le principal inconvénient d’un VLAN de niveau 1 est sa rigidité: si une station se raccorde physiquement au réseau par intermédiaire d’un autre port du commutateur, alors il est nécessaire de reconfigurer ce commutateur afin de réintégrer la station dans le bon réseau virtuel.
2. Les réseaux virtuels de niveau 2, appelés réseaux virtuels par adresse MAC.
Ils consistent à définir un réseau virtuel sur base des adresses MAC des stations. Une adresse MAC est un identifiant unique implémenté dans chaque adaptateur réseau. Ce type de VLAN est beaucoup plus souple que le précédent car il est indépendant de la localisation de la machine.
3. Les réseaux virtuels de niveau 3.
On distingue principalement deux types de VLAN de niveau 3:
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1. Les réseaux virtuels par adresse de sous-réseau (Network adress-based VLAN), qui déterminent les réseaux virtuels sur base de l’adresse IP source des segments. Ce type de réseaux virtuel est très flexible puisque les commutateurs adaptent automatiquement leur configuration lorsqu’une station est déplacée. En revanche, une légère dégradation des performances peut se faire ressentir puisque les segments doivent être analysés plus minutieusement.
2. Les réseaux virtuels par protocole (Protocol-based VLAN), qui sont créés sur base des protocoles utilisés (TCP/IP, IPX, …) et les stations sont regroupées en réseaux virtuels suivant le protocole qu’elles utilisent.
Les avantages qu’offrent les réseaux virtuels sont les suivants:
une réduction du trafic de diffusion (broadcast) puisque celui-ci est à présent contenu au sein de chaque réseau virtuel;
une sécurité accrue puisque l’information est encapsulée dans une couche supplémentaire;
une meilleure flexibilité puisqu’une modification de la structure des réseaux peut être réalisée en modifiant la configuration du commutateur.
3. La virtualisation de stockage
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La virtualisation de stockage est un procédé qui va séparer la représentation logique et la réalité physique de l’espace de stockage. Son but est de faire abstraction des périphérique de stockage utilisés et des interface qui leur sont associés (SATA, SCSI, …) afin de limiter l’impact des modifications structurelles de l’architecture de stockage.
Ce processus de virtualisation peut être vu comme une extension du modèle de partitionnement classique des disques dur.
Ce type de virtualisation fait appel à une application d’administration de volumes logiques (Logical Volume Manager, LVM). Il s’agit d’une couche logicielle qui va permettre de regrouper plusieurs espaces de stockage, appelés volumes physiques, pour ensuite découper cet espace global suivant la demande en partitions virtuelles appelées volumes logiques.
La virtualisation de stockage permet :
d’adjoindre un périphérique de stockage supplémentaire sans interruption des services ;
de regrouper des unités de disques durs de différentes vitesses, de différentes tailles et de différents constructeurs ;
de réallouer dynamiquement de l’espace de stockage. Ainsi, un serveur nécessitant un espace de stockage supplémentaire pourra rechercher des ressources non allouées sur le disque logique. Inversement, un serveur nécessitant moins d’espace de stockage pourra libérer cet espace et le rendre disponible pour d’autres serveurs.
4. La virtualisation de serveur
La virtualisation des serveurs consiste à masquer les ressources du serveur, c’est-à-dire le nombre et les caractéristiques de chaque machine physique, de chaque processeur et de chaque système d’exploitation pour les utilisateurs de ce serveur. L’administrateur du serveur va utiliser un logiciel grâce auquel il va diviser un serveur physique (constitué ou non de plusieurs machines distinctes) en plusieurs environnements virtuels isolés les uns des autres.
Ces environnements isolés sont parfois appelés serveurs privés virtuels, hôtes, instances, containers ou émulations.
La virtualisation de serveurs s’inscrit dans une tendance globale qui
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tend à promouvoir la virtualisation au sein des entreprises en faisant notamment appel à la virtualisation de stockage et à la virtualisation de réseaux. Cette tendance est une composante dans le développement de systèmes autonomes. Un système est dit autonome s’il est capable de s’auto-gérer sur base de l’activité qu’il perçoit, sans aucune intervention externe, et en conservant les détails de son implémentation invisibles pour l’utilisateur.
Les avantages
Au cours des dernières années, la virtualisation semble s’être imposée comme un élément incontournable au sein des entreprises et ce sont principalement les serveurs qui sont au
centre de toutes les attentions. La virtualisation présente les avantages suivants :
1. Une optimisation de l’infrastructure.
La virtualisation permet d’optimiser la charge de travail des serveurs physiques. En effet, il y a quelques années, la relation une application <-> un serveur était encore largement répandue. Cependant, cette relation introduit un gaspillage important des ressources puisqu’on estime que la charge moyenne d’un serveur se situe entre 5% et 15% . L’idée est alors de récupérer ces ressources disponibles afin d’en faire bénéficier d’autres applications.
La virtualisation va apporter une solution efficace : plutôt que de faire tourner une seule application sur le serveur physique, on va installer sur celui-ci plusieurs serveurs virtuels exécutant chacun une application bien précise, et c’est le logiciel de virtualisation qui se charge de répartir équitablement les ressources entre les différentes instances. De cette manière, on optimise le rendement de chacun des serveurs physiques.
2. Une réduction de l’infrastructure physique et des économies d’énergies.
Les centres de données sont d’importants consommateurs de ressources.
VMware affirme qu’un serveur au repos consomme jusqu’à 30% du pic de consommation électrique et selon Intel, 36,4% de l’énergie est utilisée par les composants physiques des serveurs (processeurs, mémoire,…) tandis que les 63,6% restants sont consommés par les équipements de climatisation.
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Ces chiffres sont interpelants et la virtualisation de l’infrastructure d’une entreprise doit devenir un de ses projets prioritaires. Puisque plusieurs applications peuvent à présent cohabiter de manière efficace sur un même système, les entreprises vont pouvoir réduire le nombre de machines de leur centre de données en investissant à nouveau dans d’importants mainframes avec lesquels réapparaît le modèle de centralisation de la puissance de calcul. Par conséquent, les entreprises font des économies en terme d’espace mais aussi en terme de frais de ventilation et d’alimentation.
La réduction des coûts d’alimentation et de refroidissement s’inscrit également dans une tendance générale à la promotion du respect de l’environnement.
Selon Gartner, une entreprise américaine de conseil et de recherche dans le domaine des techniques avancées, l’industrie informatique serait responsable de 2% des émissions mondiales de CO2. La virtualisation aurait permis d’économiser 5 milliards de kWh d’énergie électrique (source : VMware).
3. Une reprise automatique lors des incidents.
La virtualisation permet d’améliorer la prévention et la gestion des pannes ainsi que le plan de reprise de l’activité du système.
En effet, les équipements virtuels étant constitués d’un ensemble de fichiers, il est très simple de les sauvegarder. Si un problème survient sur une machine physique, les fichiers qui ont été sauvegardés auparavant pourront rapidement être restaurés sur une autre machine physique, en attendant que la machine virtuelle initiale soit redémarrée.
4. Une optimisation de la sécurité des données.
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Par la centralisation des ressources applicatives au sein du centre de données, la virtualisation contribue à sécuriser l’accès et l’usage des données de l’entreprise. Il est en effet beaucoup plus simple de contrôler l’accès aux données lorsqu’elles sont regroupées en un lieu que lorsqu’elles sontréparties sur l’ensemble des sites de l’entreprise, comme c’est le cas dans un modèle d’informatique distribué. Il est néanmoins indispensable de disposer d’un système de synchronisation qui permettra de sauvegarder l’ensemble des informations sur un site extérieur. De cette manière, on limite les risques liés à la destruction du centre de données initial.
5. Une facilité de migration.
La virtualisation apporte la possibilité de migrer facilement un environnement virtuel d’une machine physique vers une autre, facilitant ainsi la mise à jour du centre de donnée ou le remplacement de matériel défectueux. De nombreux outils d’aide à la migration ont été développées.
Ils peuvent être regroupées en 3 grandes catégories :
P2V (Physical to Virtual),
V2P (Virtual to Physical) et
V2V (Virtual to Virtual).
Les outils P2V sont généralement utilisées dans les projets de
Les outils V2V, qui permettent de convertir des serveurs virtuels d’un format dans un autre, sont principalement utilisées au sein d’entreprises qui utilisent des gestionnaires de systèmes virtuels différents.
virtualisationd’une infrastructure informatique. Ils consistent à convertir les serveurs physiques en serveurs virtuels. Les outils V2P, qui permettent de convertir des serveurs virtuels en serveurs physiques, sont peu demandées mais une telle fonctionnalité rassure les entreprises qui souhaitent utiliser de la virtualisation ; elle leur permet, si elles le désirent, de faire marche arrière.
6.Flexibilité et compatibilité.
La virtualisation est un outil efficace en terme de flexibilité et de compatibilité. En effet, elle supprime toute dépendance entre une application donnée et l’aspect matériel de la machine sur laquelle elle est exécutée. Il devient alors possible d’exécuter sur un système une application qui a été développée à destination d’un autre système.
7. Un cloisonnement.
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Le développement d’une application s’accompagne nécessairement de phases de tests au cours desquelles le programmeur s’assure du bon fonctionnement et de la stabilité de son logiciel. Néanmoins, il est parfois risqué d’exécuter une application lorsque l’on n’est pas certain du résultat qui sera produit. Pour réduire les risques liés à des applications peu fiables, la virtualisation peut être utilisée pour créer des environnements isolés et sécurisés qui vont servir de plateformes d’essai. Il devient dès lors possible d’itérer un grand nombre de fois un processus de test sans craindre de déstabiliser la machine physique sur laquelle s’exécute l’application.
Les inconvénients
1. Un point de défaillance unique.
Il s’agit probablement du plus gros désavantage de la virtualisation. Puisque plusieurs environnements virtuels s’exécutent sur une unique machine physique, si cette machine tombe en panne, alors les services fournis par les environnements virtuels sont interrompus.
2. Un recours à des machines puissantes.
La virtualisation permet de réaliser des économies puisque moins de machines physiques sont nécessaires. Néanmoins, les outils de virtualisations sont des applications très gourmandes en ressources et nécessitent des machines puissantes. Il est évidemment possible d’utiliser la virtualisation sur des machines plus modestes, mais un manque de mémoire ou de capacité CPU peut faire chuter les performances de manière dramatique.
3. Une dégradation des performances.
Bien qu’elle soit implémentée sur des machines puissantes, la virtualisation peut réduire les performances des applications. Suivant le type de virtualisation envisagé, cette perte de performances peut ou non être significative. Ce problème est d’autant plus embarrassant qu’il est difficile d’estimer à l’avance l’impact qu’aura la virtualisation sur une application donnée. Dans certains cas, la dégradation des performances est telle qu’il est préférable de conserver l’application
dans un environnement physique.
4. Une complexité accrue de l’analyse d’erreurs.
La virtualisation d’un serveur implique des changements importants dans l’infrastructure du système. La couche de virtualisation vient s’ajouter aux autres et apporte potentiellement avec elle un ensemble de nouveaux problèmes. La difficulté de cette couche additionnelle réside dans le fait que, si quelque chose ne fonctionne pas correctement, la localisation du problème peut demander des efforts considérables.
5. Une impossibilité de virtualisation.
Bien que, dans la plupart des cas, il n’est pas possible de prédire si une application se comportera normalement une fois virtualisée, il existe des applications qui sont connues pour rencontrer des difficultés lors de leur virtualisation. Les bases de données sont un exemple de telles applications. En effet, les bases de données ont recours à de nombreux accès disques et le délai d’accès supplémentaire introduit par la virtualisation peut dans certain cas rendre l’application inutilisable.
6. Un déploiement massif de serveurs.
Il ne s’agit pas réellement d’un désavantage de la virtualisation en tant que tel, mais d’un désavantage de la facilité de mise en place d’un nouvel environnement virtuel. En effet, certains administrateurs estiment qu’il est plus sécurisant de déployer un serveur dans un nouvel environnement virtuel, isolé des autres, plutôt qu’au sein d’un système d’exploitation qui exécute simultanément d’autres applications. Cependant, l’administration et les coûts d’une telle opération ajoutent une charge supplémentaire qu’il est difficile d’estimer à l’avance.
7. Un problème de standardisation.
La virtualisation est une technologie largement répandue mais elle ne fait l’objet d’aucun protocole de normalisation. Il n’existe par conséquent aucun outil standard aux différentes formes de virtualisation.
Conclusion
Nous avons vu que la virtualisation est une technologie aujourd’hui largement répandue au sein des entreprises. Elle peut prendre de nombreuses formes et est présente à tous les niveaux. Bien que ces solutions présentent un certain nombre d’inconvénients, les avantages qu’elles apportent peuvent s’avérer déterminants dans la politique d’acquisition, de structuration et de gestion des ressources informatiques.
Basée sur le travail de deux chercheurs américains qui ont, dans un document publié il y a bientôt 40 ans, imposé au jeu d’instructions des processeurs un certain nombre de contraintes afin de pouvoir supporter la virtualisation, celle-ci pose aujourd’hui de nombreux problèmes. En effet, le jeu d’instructions de l’architecture la plus répandue actuellement ne respecte pas ces contraintes. Ceci a pour conséquence de complexifier le travail des hyperviseurs et il en résulte une dégradation des performances des logiciels de virtualisation.
Le besoin de pallier ces problèmes s’est vite fait ressentir et c’est ainsi que s’est développé un grand nombre de solutions d’aide à la virtualisation directement incluses au sein du matériel qui constitue nos ordinateurs.
Aujourd’hui, même s’il existe beaucoup de logiciels de virtualisation, ceux-ci peuvent être regroupés en trois grandes classes : la virtualisation complète, la para-virtualisation et la virtualisation au niveau du système d’exploitation.
Formation Informatique sur mesure Bruxelles 