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Je vais continuer dans la suite logique des billets précédents. Pour rappel, j’ai précédemment parlé de l’intérêt de la virtualisation, proposé une classification des différents types de virtualisation et puis expliqué plus en détail la virtualisation totale. Je vais donc continuer cette série d’article en vous parlant de virtualisation matériel assistée.

Tout d’abord, le terme de virtualisation matériel assistée semble assez explicite. On comprend bien qu’il s’agit de virtualisation qui va être assistée par une fonctionnalité spécifique du matériel. Les détails du fonctionnement de cette technologie le sont cependant bien moins. Ce terme est une traduction de l’anglais « Hardware Assisted Virtualization ». On peut aussi trouver comme autre traduction « virtualisation assistée par matériel ». Tous ces termes sont cependant équivalents. Cependant, la virtualisation partielle n’a aucun rapport.

Comme vous pouvez le voir, le schéma d’architecture ne change que très peu par rapport à la virtualisation totale. Avec la virtualisation totale, nous parlions de couche logicielle de virtualisation alors que parlerons plutôt de « Virtual Machine Monitor » ou VMM dans le cas de la virtualisation matériel assistée.

Une extension du jeu d’instructions du processeur

Ensuite, il est important de préciser que la virtualisation matériel assistée n’est pas une technique à part entière. Il s’agit en réalité d’une extension du principe de virtualisation totale. La principale modification qui est apportée est l’ajout d’extensions processeur de virtualisation. Vous en avez surement entendu parlé, je parle bien d’Intel VT et d’AMD-V. Ces instructions ont été implémentées dans les processeurs afin de pouvoir améliorer la virtualisation totale. Ces instructions sont une extension du jeu d’instructions exécutables par le processeur similairement à SSE ou MMX.

Ces instructions apportent plusieurs améliorations. Tout d’abord, elles créent un anneau -1 qui sera l’endroit privilégié de l’exécution d’un hyperviseur. Ceci permet de garder la localisation traditionnelle des anneaux avec le système d’exploitation présent dans l’anneau 0 et les applications dans l’anneau 3. Les autres ne sont jamais utilisé à l’exception de quelques rares cas. J’aurais l’occasion de revenir plus tard sur la notion d’anneau. Le placement du système d’exploitation dans son anneau traditionnel permet de simplifier l’accès à certains instructions et donc de supprimer une partie du travail de la couche de virtualisation.

De plus, elles permettent aux machines virtuelles de gérer leurs propres interruptions et donc changements de contexte. Ceci évite à la couche logicielle de virtualisation de devoir les gérer. Egalement, elles permettent au matériel de gérer directement  les zones de mémoire vive (non forcément linéaires) disponibles au machines virtuelles. Sans les extensions, il était nécessaire que la couche de virtualisation émule et gère des zones.

Si vous souhaitez plus d’informations sur ces instructions, je vous invite à consulter la documentation d’Intel disponible ici ou ici.

Au final, les extensions processeur de virtualisation permettent d’améliorer la technique de la virtualisation totale. Ceci se fait par l’ajout d’un degré d’intelligence au niveau du matériel qui sera conscient de l’utilisation d’une couche de virtualisation. La virtualisation matériel assistée est donc une évolution du principe de virtualisation totale.

Dans l’article précédent, j’ai proposé une classification des différents types de virtualisation de systèmes d’exploitation basée sur différents critères. Je vais continuer cette série d’articles en vous présentant la virtualisation totale qui est le type de virtualisation le plus répandu historiquement.

La virtualisation totale consiste à émuler l’intégrité d’une machine physique. Pour rappel, l’émulation est le principe qui consiste à remplacer un composant matériel par une application dont le comportement est similaire voire identique. Le cas le plus classique d’émulation est l’émulation de vieilles consoles de jeux telles que la Super Nintendo ou la Game Boy. L’objectif de la virtualisation totale est donc de faire croire au système d’exploitation invité qu’il est présent sur du matériel physique et non au dessus d’une couche applicative.

Il s’agit de l’approche la plus basique en terme de virtualisation : « On ne peut pas avoir du matériel physique du coup on va le remplacer par une application ». Il s’agit de la première approche qui a été adoptée par VMWare en 1999 lors de sa création.

Comme présenté dans le schéma, la base installée sur le matériel est un système d’exploitation classique. Tous les systèmes d’exploitation, à ma connaissance, sont capables d’exécuter une application de virtualisation totale. Ceci est lié à la simplicité de son fonctionnement. La « Couche Logicielle » évoquée dans le schéma est une application telle que VMWare ou VirtualBox qui s’exécute comme toute autre application. Cette couche logicielle va ensuite émuler autant de matériel qu’il y a de machines virtuelles.

Certains vendeurs telles que VMWare vendent des solutions de virtualisation nommées « Bare Metal Hypervisor ». Cependant ce que VMWare appelle hyperviseur n’est absolument pas un hyperviseur au sens de Xen. Il s’agit en réalité d’un Linux Red Hat customisé.

L’inconvénient de la virtualisation totale est la performance. Il est nécessaire d’émuler de nombreux composants physiques et de capter toutes les instructions émanants des machines virtuelles ce qui consomme beaucoup de ressources. Des tests montrent de pertes de performance de l’ordre de 20% à 80%. Il est possible d’améliorer significativement les performances en ajoutant des pilotes de paravirtualisation qui permettent un meilleur interfacage avec la couche logicielle sous-jacente.