Machine virtuelle

Qu’est-ce qu’une machine virtuelle ?

L’utilisation de machines virtuelles présente plusieurs avantages dans de nombreux domaines de la gestion de l’infrastructure IT :

• Évolutivité : les machines virtuelles permettent d’augmenter ou de diminuer les ressources de traitement en fonction de la demande, en ajoutant ou en supprimant facilement des VM sans avoir à déployer de nouveau matériel.
• Portabilité : les machines virtuelles peuvent être répliquées et déplacées entre les serveurs et les datacenters, permettant ainsi l’équilibrage de la charge de travail, la reprise après sinistre et des transferts transparents.
• Flexibilité : la virtualisation prend en charge l’exécution de plusieurs systèmes d’exploitation et applications sur un seul serveur physique, en utilisant efficacement les ressources et en s’adaptant à diverses charges de travail.
• Sécurité : les machines virtuelles améliorent la sécurité grâce à l’isolement, réduisant ainsi le risque d’infections virales et de violations se propageant dans le système.
• Agilité et rapidité : la virtualisation permet un provisionnement et un déploiement rapides des machines virtuelles, réduisant considérablement le temps de configuration des nouveaux serveurs et applications, permettant une innovation et une réponse plus rapides aux besoins de l’entreprise.
• Temps d’arrêt réduits : la virtualisation prend en charge la migration en direct et la haute disponibilité, limitant les temps d’arrêt pendant la maintenance ou les pannes matérielles et garantissant un service continu.
• Efficacité des coûts : en consolidant plusieurs machines virtuelles sur moins de serveurs physiques, les organisations économisent sur les coûts matériels et énergétiques, tout en réduisant les dépenses d’exploitation grâce à une gestion rationalisée.

Les machines virtuelles (VM) peuvent être classées en différents types en fonction de leur objectif, de leurs fonctionnalités et du niveau d’accès qu’elles fournissent au matériel sous-jacent. 

• Les machines virtuelles système sont un type principal, fournissant un environnement système complet qui prend en charge l’exécution d’un système d’exploitation (OS) complet. Ces machines virtuelles émulent une machine physique, permettant à plusieurs instances de système d’exploitation de s’exécuter simultanément sur un seul hôte physique. Les exemples incluent les machines virtuelles basées sur un hyperviseur telles que VMware ESXi, Microsoft Hyper-V et KVM (machine virtuelle basée sur un noyau). Ces hyperviseurs peuvent être divisés en hyperviseurs bare-metal (type 1), qui s’exécutent directement sur le matériel de l’hôte, et en hyperviseurs hébergés (type 2), qui s’exécutent sur un système d’exploitation existant.
• Les machines virtuelles de traitement, également appelées machines virtuelles d’application, sont conçues pour exécuter une seule application ou un seul processus, offrant un environnement indépendant de la plateforme. Ces machines virtuelles garantissent la compatibilité entre différents systèmes d’exploitation en offrant un environnement isolé pour l’exécution de chaque application. 

Les machines virtuelles (VM) fonctionnent en exploitant un hyperviseur pour abstraire et gérer les ressources matérielles physiques, permettant ainsi à plusieurs environnements isolés de s’exécuter sur le même hôte physique. Voici une explication simplifiée étape par étape :

1. Abstraction matérielle

L’hyperviseur agit comme une couche intermédiaire entre le matériel physique et les machines virtuelles pour créer un environnement matériel virtualisé. L’hyperviseur gère les composants suivants :

• Processeurs virtuels (vCPU) : Il planifie et traduit les instructions du CPU de la VM en processeurs physiques à l’aide de techniques de changement de contexte.
• Mémoire virtuelle : Il mappe la mémoire virtuelle à la mémoire physique tout en isolant les VM entre elles.
• Stockage virtuel : Il émule le stockage physique (p. ex., les disques durs) en tant que disques virtuels, souvent représentés par des fichiers sur le système hôte.
• Réseau virtuel : Il crée des interfaces réseau virtuelles (vNIC) pour les VM afin de connecter celles-ci à des réseaux physiques ou virtuels.

2. Processus de démarrage du système d’exploitation invité

Lorsqu’une machine virtuelle est mise sous tension, l’hyperviseur initialise le matériel virtuel et transmet le contrôle au système d’exploitation invité. Le système d’exploitation invité démarre comme s’il fonctionnait sur une machine physique :

• Le BIOS/EFI virtuel lance la séquence de démarrage.
• Le noyau du système d’exploitation invité détecte et initialise le matériel virtuel.
• Les pilotes des périphériques virtuels sont chargés, ce qui permet aux processus de l’espace utilisateur de démarrer.

3. Exécution des instructions

L’hyperviseur assure la traduction et facilite l’exécution des instructions du système d’exploitation invité auprès du matériel physique à l’aide de plusieurs techniques :

• Traduction binaire : Il convertit les instructions privilégiées en opérations sécurisées pour le système hôte.
• Virtualisation assistée par matériel : Les processeurs modernes (p. ex., Intel VT-x ou AMD-V) optimisent la virtualisation en capturant et en exécutant directement les instructions privilégiées.
• Paravirtualisation : Dans certains cas, le système d’exploitation invité interagit directement avec l’hyperviseur pour améliorer les performances.

4. Gestion des ressources

L’hyperviseur alloue et optimise dynamiquement les ressources physiques des machines virtuelles en fonction de la demande :

• Surengagement : Il alloue des ressources virtuelles (p. ex., CPU et mémoire) au-delà de la capacité physiquement disponible, en supposant que toutes les machines virtuelles n’utiliseront pas simultanément toute la capacité qui leur est allouée.
• Migration en direct : Il déplace les machines virtuelles en cours d’exécution entre les hôtes physiques sans temps d’arrêt, garantissant ainsi une utilisation équilibrée des ressources et une tolérance aux pannes.

5. Virtualisation des I/O

Lorsqu’une machine virtuelle effectue des opérations d’entrée/sortie (I/O) (p. ex., lecture/écriture sur disque ou communications réseau), l’hyperviseur intercepte ces demandes et les traduit en actions matérielles physiques. Les pilotes de périphériques virtuels présents au sein système d’exploitation invité facilitent ce processus de manière transparente.

Pour conclure

Les machines virtuelles opèrent en virtualisant les ressources matérielles via un hyperviseur, permettant ainsi aux systèmes d’exploitation invités de fonctionner indépendamment de l’hôte physique. L’hyperviseur assure l’allocation efficace ainsi que la sécurité et l’isolation des ressources, ce qui permet de disposer de machines virtuelles polyvalentes pour exécuter plusieurs charges de travail distinctes sur une infrastructure partagée.

Les machines virtuelles (VM) présentent des cas d’utilisation polyvalents dans divers secteurs et environnements IT nécessitant l’émulation du matériel physique.

• Environnements de développement et de test : les machines virtuelles permettent aux développeurs de créer des environnements isolés pour le développement, les tests et le débogage sans affecter la production. Ils permettent une configuration rapide de différents systèmes d’exploitation et configurations, facilitent les tests et permettent des snapshots et des restaurations, rendant le développement efficace et à faible risque.
• Reprise après sinistre et sauvegarde : les machines virtuelles sont essentielles à la reprise après sinistre en répliquant et en sauvegardant les machines virtuelles vers des emplacements hors site, en garantissant la continuité de l’activité avec des options de reprise rapide, réduisant les temps d’arrêt et simplifiant la restauration du système. Les machines virtuelles prolongent également la durée de vie des applications existantes, évitant ainsi des réécritures coûteuses et garantissant la compatibilité avec le matériel moderne.
• Cloud computing : les machines virtuelles sont fondamentales dans le cloud computing, où les fournisseurs de services proposent une infrastructure as-a-service (IaaS). Cela permet aux utilisateurs de gérer des serveurs virtuels dans le cloud, en fournissant des ressources évolutives et flexibles, en permettant des modèles de paiement à l’utilisation et en prenant en charge les architectures mutualisées.
• Infrastructure de bureau virtuel (VDI) : la VDI déploie des postes de travail virtuels pour des expériences cohérentes pour les utilisateurs distants et mobiles, centralisant la gestion, améliorant la sécurité, prenant en charge le travail à distance et simplifiant les mises à jour et les correctifs.
• Isolation et sécurité des applications : les machines virtuelles isolent les applications, réduisant ainsi les risques de sécurité, prévenant les conflits et permettant des tests sécurisés des logiciels suspects. Les meilleures pratiques incluent les correctifs, les configurations sécurisées, l’isolement, la segmentation et la surveillance continue.
• Analyse et isolation des programmes malveillants : Les experts en sécurité utilisent des ordinateurs virtuels pour analyser et confiner les programmes malveillants en toute sécurité. En exécutant des logiciels potentiellement dangereux dans des environnements virtuels isolés, les chercheurs peuvent analyser leur comportement sans endommager le système hôte. 
• Accès sécurisé et exécution de logiciels incompatibles : Les ordinateurs virtuels fournissent un environnement sécurisé pour accéder à Internet ou exécuter des applications potentiellement dangereuses.
• Équilibrage de charge et haute disponibilité : les machines virtuelles prennent en charge l’équilibrage de charge et la haute disponibilité en répartissant les charges de travail sur plusieurs serveurs, en améliorant les performances et en fournissant une redondance en cas de panne.
• Recherche et expérimentation : les machines virtuelles permettent des environnements contrôlés pour les expériences et les simulations, offrant une flexibilité pour diverses configurations, une restauration facile et l’isolation des configurations.
• Allocation et gestion des ressources : une allocation efficace des ressources est cruciale pour les performances des machines virtuelles. L’utilisation d’outils et de techniques de gestion des ressources garantit l’optimisation et évite les conflits.
• Orchestration : pour répondre aux demandes, les machines virtuelles doivent être évolutives. Les outils d’orchestration tels que Kubernetes et OpenStack automatisent la gestion, améliorent l’efficacité et prennent en charge l’intégration avec les technologies de conteneurisation.
• Licences et conformité : le déploiement de machines virtuelles sous-tend des implications en matière de licences pour les systèmes d’exploitation et les applications. Le respect des accords logiciels et matériels ainsi que des normes réglementaires est essentiel pour éviter des pénalités.

1. Intégration avec des technologies cloud-native

Les machines virtuelles (VM) évoluent pour s’intégrer de manière transparente aux technologies cloud-native telles que les conteneurs et les plateformes d’orchestration. Elles restent essentielles dans les environnements hybrides et multiclouds, où elles fournissent une infrastructure pour les charges de travail conteneurisées tout en garantissant la sécurité et l’isolation. Les API améliorées et les cadres d’automatisation simplifient le provisionnement, l’adaptation et la migration des machines virtuelles, qui conservent ainsi toute leur pertinence au moment où les organisations se tournent vers les architectures cloud-native.

2. Rôle croissant des machines virtuelles dans l’edge computing

Les machines virtuelles sont essentielles dans l’edge computing, où les charges de travail se rapprochent de leur source de données, comme dans le cas des devices IoT et des applications de ville intelligente. Alors que l’atout majeur des conteneurs réside dans la légèreté de leur conception, les machines virtuelles leur sont préférées dans les scénarios nécessitant une isolation forte, une prise en charge d’applications héritées ou des exigences diverses en matière de système d’exploitation. Les technologies de machines virtuelles légères réduisent la surcharge des ressources et les temps de démarrage, garantissant ainsi que les machines virtuelles restent un choix efficace pour les charges de travail edge qui exigent flexibilité et sécurité.

3. Sécurité renforcée dans les environnements virtualisés

Les machines virtuelles adoptent de puissantes fonctionnalités de sécurité assistées par matériel telles que les environnements d’exécution de confiance (TEE), le chiffrement de la mémoire et les enclaves sécurisées pour protéger les données et les calculs sensibles. L’informatique confidentielle garantit que les données restent chiffrées même pendant le traitement. Ces avancées font des machines virtuelles une option adaptée aux charges de travail à haute sécurité dans les secteurs fortement réglementés.

4. Optimisation des machines virtuelles pour l’IA et le machine learning

Les charges de travail d’IA et de machine learning nécessitent des environnements hautes performances, et les machines virtuelles sont optimisées pour l’accélération GPU et les technologies de transfert matériel comme la virtualisation d’I/O à racine unique (SR-IOV). Ces fonctionnalités permettent aux machines virtuelles de gérer efficacement les tâches à forte intensité de calcul, telles que l’entraînement de modèles et l’inférence IA, tout en maintenant l’évolutivité et l’isolation.

5. Automatisation et gestion pilotée par l’IA

L’IA et l’automatisation transforment la gestion des machines virtuelles. L’analyse prédictive et le machine learning permettent aux hyperviseurs d’optimiser l’allocation des ressources, d’anticiper les demandes des charges de travail et d’automatiser les migrations en direct pour assurer des temps d’arrêt minimaux. Les outils de surveillance guidés par l’IA fournissent des informations en temps réel, ce qui permet de gagner en évolutivité tout en réduisant les coûts d’administration.

6. Durabilité et informatique écologique

Les machines virtuelles contribuent à la durabilité en adoptant des techniques de virtualisation économes en énergie. La planification de l’alimentation et l’optimisation des ressources réduisent la consommation d’énergie, tandis que des outils de surveillance améliorés suivent et minimisent l’empreinte carbone des machines virtuelles. Ces efforts alignent la technologie de virtualisation sur les objectifs de l’informatique écologique.

7. Intégration et convergence des machines virtuelles avec les technologies cloud-native

Les machines virtuelles (VM) évoluent pour s’intégrer de manière transparente aux technologies cloud-native telles que les conteneurs et les plateformes d’orchestration. Dans les environnements hybrides et multiclouds, elles permettent le déploiement de systèmes d’exploitation sécurisés, isolés et diversifiés pour les charges de travail conteneurisées. Les API améliorées et les outils d’automatisation ont optimisé le provisionnement, l’adaptation et la migration des machines virtuelles, qui conservent ainsi leur pertinence dans les architectures cloud-native.

Simultanément, la convergence des machines virtuelles et des conteneurs favorise la création de plateformes unifiées exploitant les atouts des deux technologies. Les machines virtuelles garantissent une isolation robuste et la diversité des systèmes d’exploitation, tandis que les conteneurs conjuguent portabilité légère et déploiement rapide.