Hyperviseur expliqué : définition, types et exemples réels

L'hyperviseur est une technologie assez ancienne, mais elle reste super pertinente pour permettre la virtualisation. Les premiers hyperviseurs à fournir une virtualisation complète ont été développés par IBM en 1967. Ils ont été développés comme un outil de test (nommé SIMMON) pour le système d'exploitation CP/CMS d'IBM.

Mais qu'est-ce que la virtualisation exactement ? En termes simples, la virtualisation est un processus de création d'une version logicielle (ou virtuelle) de quelque chose qui utilise une quantité fixe de stockage, de réseau et de ressources computationnelles. Elle fonctionne en partitionnant le matériel sous-jacent et en exécutant chaque partition comme une machine virtuelle séparée et isolée, qui a son propre système d'exploitation.

C'est là qu'intervient l'hyperviseur. Ils rendent le processus de virtualisation faisable. Dans cet article de synthèse, nous avons expliqué les différents types d'hyperviseurs et comment ils fonctionnent. Commençons par une question de base.

Qu'est-ce qu'un hyperviseur ?

Définition : Un hyperviseur est un matériel informatique, logiciel ou firmware qui crée des machines virtuelles et gère et alloue ensuite efficacement les ressources à celles-ci. Chaque machine virtuelle peut exécuter son propre système d'exploitation et applications.

L'ordinateur sur lequel l'hyperviseur est installé est appelé machine hôte, et toutes les machines virtuelles sont appelées machines invitées. Un hyperviseur facilite la division des ressources de la machine hôte et leur allocation aux machines invitées individuelles. Il permet aussi de gérer l'exécution des systèmes d'exploitation et applications invités sur un seul morceau de matériel informatique.

Disons que vous avez un PC avec 16 Go de RAM et 500 Go de stockage fonctionnant sous Linux, et vous voulez exécuter des applications qui nécessitent macOS. Dans ce cas, vous pouvez créer une machine virtuelle exécutant macOS et utiliser un hyperviseur pour gérer ses ressources. Par exemple, vous pouvez lui allouer 4 Go de RAM et 100 Go de stockage.

Du point de vue d'une machine invitée, il n'y a pas de différence entre l'environnement physique et virtualisé. Les machines virtuelles ne savent pas qu'elles sont créées par un hyperviseur et qu'elles partagent les ressources disponibles. Elles s'exécutent simultanément sur le matériel qui les alimente. Et ainsi, elles dépendent entièrement du fonctionnement stable du matériel.

Les hyperviseurs existent depuis plus d'un demi-siècle, mais en raison de l'augmentation de la demande pour le cloud computing ces dernières années, leur importance est devenue plus apparente.

Types d'hyperviseurs

Depuis le milieu des années 1970, deux types différents d'hyperviseurs ont été utilisés pour implémenter la virtualisation :

Type 1 / Bare-metal / Hyperviseurs natifs

Les hyperviseurs de type 1 s'exécutent directement sur le matériel de l'hôte. Puisqu'ils ont un accès direct au matériel sous-jacent et n'ont pas besoin de passer par la couche du système d'exploitation, ils sont aussi appelés hyperviseurs bare-metal.

Ils performent mieux, s'exécutent plus efficacement, et sont plus sûrs que les autres types d'hyperviseurs (type 2). C'est pourquoi les grandes organisations et entreprises préfèrent les hyperviseurs bare-metal pour les travaux de calcul en centre de données.

Alors que la plupart des hyperviseurs de type 1 permettent aux administrateurs d'allouer manuellement les ressources basées sur la priorité de l'application, certains fournissent des options d'allocation et de gestion dynamique des ressources.

Les premiers hyperviseurs, comme le logiciel de test SIMMON, étaient des hyperviseurs de type 1.

Exemples modernes : VMware ESXi, Nutanix AHV, Oracle VM Server for x86, Microsoft Hyper-V.

Type 2 / Hyperviseurs hébergés

Comme tous les programmes informatiques, les hyperviseurs de type 2 s'exécutent sur un système d'exploitation. Ainsi, ils dépendent à la fois du matériel et du logiciel sous-jacents. Les systèmes d'exploitation invités sont construits au-dessus du système d'exploitation hôte.

Bien que ces hyperviseurs vous permettent de créer plusieurs machines virtuelles, ils ne peuvent pas accéder directement au matériel hôte et à ses ressources. Le système d'exploitation préinstallé contrôle le réseau, la mémoire et l'allocation de stockage. Cela restreint les hyperviseurs à prendre des décisions critiques et ajoute une certaine latence.

Cependant, ils sont faciles à configurer et gérer. Ils ne nécessitent pas d'administrateur dédié et sont compatibles avec une large gamme de matériel. La plupart des développeurs les utilisent pour des tests.

Exemples : VMware Workstation, VirtualBox, QEMU, VMware Player, VMware Fusion, et Parallels Desktop pour Mac.

Avantages

Portabilité : Un hyperviseur peut exécuter plusieurs machines invitées (virtuelles) indépendamment de la machine hôte, et chaque machine invitée peut avoir un système d'exploitation différent.

Un utilisateur autorisé peut déplacer des charges de travail et allouer mémoire, stockage et ressources de calcul à travers plusieurs machines invitées selon les besoins. Quand une application spécifique a besoin de plus de puissance, les utilisateurs peuvent accorder des ressources supplémentaires (de la machine hôte) via l'hyperviseur.

Rentabilité : Si vous n'installez pas d'hyperviseur, vous pourriez avoir besoin d'acheter du matériel physique différent pour exécuter ou tester différentes applications. Cependant, en utilisant un hyperviseur, vous pouvez configurer plusieurs instances d'une variété de systèmes d'exploitation sur une seule machine physique puissante. Cela réduit aussi significativement le coût des ressources informatiques et de la consommation d'électricité.

Flexibilité : Puisque l'hyperviseur isole le système d'exploitation du matériel sous-jacent, les applications associées ne dépendent plus de pilotes matériels particuliers. Cela rend le système global plus flexible pour exécuter une variété de logiciels.

Sécurité : L'isolation de chaque invité signifie qu'un problème avec un invité n'affecte pas les autres. Par exemple, si un programme malveillant corrompt tous les fichiers sur une machine virtuelle, les fichiers et applications sur les autres machines sont moins susceptibles d'être affectés.

Sauvegarde et récupération système : Les machines virtuelles sont des fichiers, et comme tout fichier conventionnel, ils peuvent être copiés et restaurés. La réplication basée sur l'hyperviseur est plus facile et rentable que d'autres techniques de réplication de machines virtuelles. Elle est aussi agnostique au matériel, ce qui signifie qu'on peut stocker n'importe quel fichier dupliqué sur n'importe quel dispositif de stockage facilement.

Inconvénients

Performance compromise : Parce que les ressources sont partagées dans les environnements virtuels (bien que les invités restent isolés les uns des autres), cela pourrait affecter la performance significativement.

Parfois, la cause racine sous-jacente reste cachée. Par exemple, si la charge augmente sur un programme au point où l'allocation matérielle maximale est atteinte, alors la machine invitée est soit bloquée, soit commence à saisir des ressources des autres invités s'exécutant sur la même machine hôte. Cela crée une pénurie matérielle, ce qui impacte la réactivité des autres applications actives.

Risque : La virtualisation vient avec un risque car vous mettez tous vos œufs dans le même panier. Si la machine hôte échoue, toutes ses machines invitées échoueront aussi. Ce type de risque est appelé « point unique de défaillance ».

Complexité accrue : Gérer plusieurs machines virtuelles est plus complexe que gérer une machine physique. Certains hyperviseurs ont une courbe d'apprentissage raide. Et comme la virtualisation devient plus populaire, de nouvelles compétences sont requises.

Rendre la virtualisation faisable sur les ordinateurs domestiques

Au milieu des années 2000, les fabricants de microprocesseurs ont commencé à ajouter une assistance de virtualisation matérielle à leurs produits comme AMD-V et Intel VT-x. Dans les modèles de processeurs ultérieurs, ils ont intégré plus de support matériel qui a permis des gains de vitesse significatifs. En 2019, tous les processeurs Intel et AMD modernes supportent les capacités de machine virtuelle.

Les hyperviseurs ont aussi leur place dans les systèmes embarqués modernes. Ce sont principalement des hyperviseurs de type 1 conçus avec des exigences spécifiques. Contrairement au matériel informatique, les systèmes embarqués utilisent une large gamme d'architectures et d'environnements moins standardisés.

La virtualisation dans ces systèmes facilite une plus grande efficacité, des canaux de communication à large bande, l'isolation, la sécurité et les capacités temps réel. Par exemple, OKL4 supporte diverses architectures, incluant x86 et ARM. Il a été déployé sur plus de 2 milliards de téléphones portables, tant comme système d'exploitation de bande de base que pour héberger des systèmes d'exploitation virtuels.

Sécurité

La sécurité est l'un des facteurs les plus cruciaux dans la technologie de virtualisation. Si un attaquant obtient un accès non autorisé à l'hyperviseur, il pourrait alors accéder à chaque machine invitée sur le logiciel hôte en exploitant des caches matériels partagés ou d'autres vulnérabilités. Ce type d'attaque est appelé hyperjacking.

Cependant, les hyperviseurs modernes sont robustes et bien protégés. Bien qu'il y ait eu quelques nouvelles de petits piratages, aucun hyperjacking majeur n'a été signalé jusqu'à présent en dehors des tests de « preuve de concept ».