disponibilité et virtualisation - grenoble inp

Disponibilité et virtualisation

Christian [email protected]

www.gipsa-lab.fr/~christian.bulfone/MIASHS-DCISS

Master MIASHS/DCISSAnnée 2019/2020

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Plan du cours

• Notion de disponibilité• Technologies RAID• Clustering• Virtualisation

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Disponibilité

• Mesure de performance obtenue en divisant la durée durant laquelle un équipement ou système est opérationnel par la durée totale durant laquelle on aurait souhaité qu'il le soit • Ratio classiquement exprimé sous forme de

pourcentage• Ne pas confondre la disponibilité avec la

rapidité de réponse (performance)

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Disponibilité

• Indice de fiabilité : MTBF• Temps moyen entre défaillances consécutives

(Mean Time Between Failure)• Peut être exprimé en unités plus parlantes comme le

nombre de pannes pour 100 h de production• Indice de maintenabilité : MTTR

• Temps moyen pour réparer (Mean Time To Repair)• Exprime la moyenne des temps de tâches de

réparation

Taux disponibilité = MTBF(MTTR + MTBF)

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Disponibilité

Taux Temps d'arrêt par an

90 % 876 heures soit plus de 36 jours

95 % 438 heures soit plus de 18 jours

99 % 87 heures, 36 minutes soit plus de 3 jours et demi

99,9 % 8 heures, 45 minutes, 36 secondes

99,99 % 52 minutes, 33,6 secondes

99,999 % 5 minutes, 15,36 secondes

99,9999 % 31,68 secondes

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Améliorer la disponibilité

• De nombreuses techniques sont utilisées pour améliorer la disponibilité• la redondance des matériels et la mise en cluster• la sécurisation des données : RAID, snapshots• la possibilité de reconfigurer le serveur « à chaud »

(c’est-à-dire lorsque celui-ci fonctionne)• mode dégradé ou mode panique• plan de secours (PRA : Plan de Reprise d’Activité)• sécurisation des sauvegardes : externalisation,

centralisation sur site tiers

Technologies RAID

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Pourquoi le RAID ?

• Proposé en 1987 par l’université de Berkeley• 3 axes d’amélioration de l’existant...

• Coût• Performances• Disponibilité des données… difficiles à concilier en même temps

• RAID = Redundant Array of Inexpensive Disks• Utilisation de plusieurs disques physiques

• ARRAY : ensemble des disques qui composent le RAID (grappe ou matrice)

• Le système d’exploitation ne voit qu’un seul disque logique

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Les types de RAID

• RAID matériel• Avec une carte dédiée• Solution orientée professionnelle pour ses

performances et son coût• RAID logiciel

• Pris en charge par l’OS• Consomme des ressources mais permet une

récupération plus simplement• RAID semi-matériel

• Intégré aux cartes-mères

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Conditions de performances d’un RAID

• La performance d’ensemble d’un RAID dépend• Des performances intrinsèques des disques

(SATA, FC, SSD …) et de leur nombre• De la puissance du CPU• De la présence ou non d’une carte contrôleur

externe dédiée• Du type de RAID mis en œuvre

Quelque soit le mode de RAID, il n’est pas infaillible. Il faut penser à sauvegarder !

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Le data stripping

E1D1C1B1A1

E1D1C1B1A1

E2D2C2B2A2

E2D2C2B2A2

E3D3C3B3A3

E3D3C3B3A3

E4D4C4B4A4

E4D4C4B4A4

Disque 1 Disque 2 Disque 3 Disque 4

RAID 0

…A4A3A2A1

…A4A3A2A1

Disquesphysiques

Disquelogique

stripe : ensemble de bloc de même niveau

bloc: bloc de données destiné à être stocké sur un disque physique

• Répartition des blocs sur plusieurs disques

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RAID 0• Avantages

• Accent mis sur la performance• Parallélisation des accès en lecture et écriture

• Très simple à implémenter• Inconvénients

• Pas de tolérance de faute• La perte d'un disque entrainera la perte de la totalité

des données du RAID 0• L’utilisation de multiples disques augmente le risque

d’indisponibilité• Le MTTF (Mean Time To Failure) décroît en fonction du

nombre de composants• Un ensemble de 10 disques d’un MTTF de 200 000 h (~23

ans) aura un MTTF global de 200 000 / 10 = 20 000 h (soit un peu plus de 2 ans)

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Redondance par duplication

• Principe du miroir• Les données sont

dupliquées intégralement sur le 2e disque

• Avec un décalage pour éviter une panne simultanée

A5A4A3A2A1

A5A4A3A2A1

A5A4A3A2A1

A5A4A3A2A1

Disque 1 Disque 2

RAID 1

A5A4A3A2A1

A5A4A3A2A1

Disquesphysiques

Disquelogique

Disque mirroir

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Redondance par duplication

A9A7A5A3A1

A9A7A5A3A1

A9A7A5A3A1

A9A7A5A3A1

A10A8A6A4A2

A10A8A6A4A2

A10A8A6A4A2

A10A8A6A4A2


A5A4A3A2A1

A5A4A3A2A1

Disquelogique

RAID 10

• Performances du RAID 0 alliées à la sécurité du RAID 1

Disquesphysiques

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RAID 1

• Avantages• Accent mis sur la disponibilité• Aucune reconstruction en cas de crash• Très simple à implémenter

• Inconvénients• Perte importante de volumétrie (divisée

par 2)• Disques de même volumétrie

nécessaires

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Redondance par contrôle de parité

E1D1C1B1A1

E1D1C1B1A1

E2D2C2B2A2

E2D2C2B2A2

E3D3C3B3A3

E3D3C3B3A3

EpDpCpBpAp

EpDpCpBpAp


RAID 3

…B1A3A2A1

…B1A3A2A1

Disquesphysiques

Disquelogique

• Un disque est dédié à la parité• Ap = A1 XOR A2 XOR A3• A1 = Ap XOR A2 XOR A3• A2 = A1 XOR Ap XOR A3• A3 = A1 XOR A2 XOR Ap

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Contrôle de parité : reconstitution

Si le disque 2 tombe, on reconstruit l’information perdue à l’aide des 2 autres disques et du disque de parité

A1 = 01011101A2 = 11101011A3 = 01010101

Ap = 11100011

XOR

A1 = 01011101A3 = 01010101Ap = 11100011

A2 = 11101011

XOR

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E1D1C1B1A1

E1D1C1B1A1

E2D2C2B2A2

E2D2C2B2A2

EpDpCpBpAp

EpDpCpBpAp

SpareSpare


RAID 3+Spare

…B1A3A2A1

…B1A3A2A1

Disquesphysiques

Disquelogique

• Un des disques est laissé libre• Si un des disques tombe en

panne, son contenu est reconstruit automatiquement sur le disque libre ou disque « de rechange » (spare)

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RAID 3

• Avantages• Le taux de transfert en lecture et en écriture est

élevé• La perte du disque de gestion de parité est

récupérable• Un seul disque de gestion peu de perte de

volumétrie• Inconvénients

• Performances équivalentes à un seul disque• La perte simultanée d’un disque de données et du

disque de parité corrompt tout• Le disque de parité est sollicité en continu et doit

donc être d’excellente qualité

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DpC1B1A1

DpC1B1A1

D1CpB2A2

D1CpB2A2

D2C2BpA3

D2C2BpA3

D3C3B3Ap

D3C3B3Ap


RAID 5

…B1A3A2A1

…B1A3A2A1

Disquesphysiques

Disquelogique

• La parité est répartie circulairement sur l’ensemble des disques

• Nécessite 3 disques au minimum

• Si un des disques tombe en panne, son contenu est reconstruit sur le disque de remplacement

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D1CpB1A1

D1CpB1A1

D2C1BpA2

D2C1BpA2

DpC2B2Ap

DpC2B2Ap

SpareSpare

RAID 5+Spare

…B1A3A2A1

…B1A3A2A1

Disquelogique


Disquesphysiques

• Un des disques est laissé libre• Si un des disques tombe en

panne, son contenu est reconstruit automatiquement sur le disque libre ou disque « de rechange » (spare)

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RAID 5

• Avantages• Taux de transfert en lecture le plus élevé des RAID• Taux de transfert en écriture moyen• Tous les disques servent, partiellement, au stockage peu de perte de volumétrie

• Inconvénients• Perte d’un seul disque possible• Mais reconstruction non immédiate et couteuse en

temps et ressources• Fonctionnement du système en mode dégradé• Plus le nombre disques est élevé plus le temps de

recouvrement des informations perdues est long• Le remplacement du disque défectueux doit se faire sans

attendre

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Redondance par double contrôle de parité

DpC1B1A1

DpC1B1A1

DqCpB2A2

DqCpB2A2

D1CqBpA3

D1CqBpA3

D2C2BqAp

D2C2BqAp

RAID 6

…B1A3A2A1

…B1A3A2A1

Disquelogique


Disquesphysiques

• Double parité• Un minimum de 4 disques

requis

D3C3B3Aq

D3C3B3Aq

Disque 5

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RAID 6

• Avantages• Très bonne tolérance de faute

• En cas de perte d’un disque, la grappe reste disponible

• Inconvénients• Taux de transfert en écriture très bas• Perte d’espace de stockage car équivalent d’un

disque de parité répartie et un disque dédié à la parité • Pour 6 disques de 1 To : (6 - 2) x 1 To = 4 To d‘espace

disponible

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Comparaison des modes RAID

• Le marché s’est orienté vers le RAID 0, 1 et 5 (et combinaisons 1+0)

Mode RAID Nb disques minimum Capacité* Protection Vitesse

RAID 0 2 100%

RAID 10 4 50%

RAID 3 3 75%

RAID 3+Spare 4 50%

RAID 5 3 75%

RAID 5+Spare 4 50%

RAID 6 4 50%

* Par rapport au nombre de disques minimum requis

La mise en cluster

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Technologie de clustering

• Cluster = agrégat de machines dans un but de travail coopératif

• Deux fonctionnalités• Augmentation de la puissance de traitement

(scalability) • Augmentation de la disponibilité (availability)

• Le client connaît uniquement l’adresse IP virtuelle du cluster

• C’est toujours l’adresse virtuelle qui répond quelque soit la machine physique qui détient l’application• Nécessite des applications compatibles c’est-à-dire

programmées dans ce contexte

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Cluster de basculement (failover cluster)

ApplicationInterface d’appel commune pour tous les

serveurs


serveurs

Serveur 1 Serveur n

…N’importe quel

nombre de serveurs de 2 à n


serveurs


serveurs

Serveur 1 Serveur n

…N’importe quel


Condition normale Mode défaillance

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Données partagées

Hôte virtuel : dbservAdresse IP virtuelle : x.x.1.10Hôte : dbserv-01

Adresse IP : x.x.1.1Hôte : dbserv-02

Adresse IP : x.x.1.2

Serveur(s) d’applicationsServeur(s) d’applications

Niveau données

Niveau applications

Niveau clients

Pulsations

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• Niveau « applications » = service rendu aux utilisateurs • L’utilisateur ne voit que l’hôte virtuel• Le service de cluster dirige les requêtes vers le serveur (nœud) actif• Le service de cluster est une application distribuée sur les deux

nœuds du cluster• « Pulsations » = mécanisme par lequel les nœuds restent en

contact permanent afin de déceler une défaillance éventuelle du nœud actif

• Niveau « données » = niveau ou sont abritées les applications et les données associées (BD, messagerie, etc) • Redondances des matériels, des applications et des données

assurées • « Données partagées » = support physique (indépendant

des nœuds) utilisé par le service de cluster pour gérer le basculement (volume SAN)

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Cluster à répartition de charges (load-balancing cluster)

• Mise en œuvre d’un groupe (grappe) de serveurs utilisés aléatoirement par les clients

• Le service de cluster bascule les requêtes vers le/les nœud(s) le/les moins chargé(s)

• Les nœuds sont clonés : ils offrent le même service


serveurs


serveurs

Serveur 1 Serveur n

…N’importe quel


La virtualisation

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La virtualisation

• En informatique, on appelle virtualisationl'ensemble des techniques matérielles et/ou logicielles qui permettent de faire fonctionner sur une seule machine plusieurs systèmes d'exploitation indépendamment les uns des autres, comme s'ils fonctionnaient sur des machines physiques distinctes• Chaque système d’exploitation virtualisé aura ses

propres ressources (RAM, CPU, Disque …) que lui a réservées le système d’exploitation hôte

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La virtualisation

• Concept connu essentiellement grâce à la virtualisationsystème (Microsoft, VMware) …

• … mais qui existe depuis plus de 40 ans (avec les mainframe et systèmes IBM)

• En plein essor avec le développement du cloudcomputing

1968

Mainframe

1998 2003

Virtualisation x86

2009

Cloud computing

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Intérêts de la virtualisation

• Consolidation des serveurs et optimisation de l'infrastructure• Optimiser des serveurs habituellement sous utilisés

en restant dans le schéma « une application = un serveur (virtuel) »

Serveur utilisé en mode classique Serveur utilisé comme support virtualisation

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• Réduction des coûts de l'infrastructure physique• Réduction du nombre de serveurs et de

matériel informatique nécessaires dans le centre de données

• Diminution des frais immobiliers et des besoins en alimentation électrique et en refroidissement

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• Augmentation de la flexibilité • Souplesse pour le développement (création de

plates-formes identiques à celle de l'utilisateur)• Segmentation des environnements essai et

production• Souplesse pour les installations dont les

conséquences sont méconnues (utilisation en particulier des snapshots)

• Prise en charge d’applications installées sur un matériel vieillissant• Applications prises en charge uniquement par un

système plus ancien (32 bits par exemple)

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• Disponibilité accrue des applications et amélioration de la continuité d'activité • Suppression des interruptions de service

programmées• Rétablissement rapide du service en cas

d'interruptions non programmées• Sauvegarde et déplacement des environnements

virtuels entiers sans interruption de service• Amélioration de la gestion et de la sécurité des

postes de travail• Déploiement, gestion et surveillance des

environnements de postes de travail sécurisés

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Architecture x86

CPU Mémoire DisqueCarte réseau

ApplicationsApplications

Système d’exploitationSystème d’exploitation

Modèle classique

• Un seul système par machine

• Logiciels et matériels étroitement couplés

• De multiples applications souvent en conflit

• Ressources sous-utilisées

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Notions et termes utilisés

Matériel

CPU Mémoire DisqueCarte réseau

Système d’exploitationSystème d’exploitation

Moniteur de machines virtuellesMoniteur de machines virtuelles


Système d’exploitation





Système invité

Système hôte

Machine virtuelle

(VM)

Machine physique

Système / configuration gérant les interactions des machines virtuelles avec

le matériel physique

Système virtualiséexécuté par le moniteur

Système accueillant le moniteur sur la machine

physique qui va « virtualiser » un ou

plusieurs autres systèmes

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Machine virtuelle

• Les VMs sont des machines « standardisées »• Toujours la même interface « physique » ,

• pilotes ultra connus : Chipset Intel 440BX, BIOS Phoenix ou AMI, IDE, réseau AMD ou Intel, Video S3 TRIO 32 , SCSI LSI ou BusLogic

• Matériel un peu « vieux »• pas toujours USB• pas de Vidéo 3D

• Les systèmes et les logiciels installés dans les VMs ne « voient » pas leur hôte

• Les VMs sont isolées les unes des autres• Quasiment tous les systèmes peuvent s’installer

dans une VM

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Notions et termes utilisés

• Manipulation des images (des VMs)• Démarrage, arrêt, gel • Clonage, sauvegarde et restauration, sauvegarde de

contexte• Migration d’une machine physique à une autre

• Console• Ecran déporté de la VM

• Touche d'hôte• Touche de bascule permettant de sortir de la VM (arrêt de

la capture de la souris et du clavier) ou la capture de certaines combinaison de touche (Ctrl+Alt+Suppr)

• Réseau virtuel• Réseau purement logiciel, interne à la machine hôte,

entre hôte et/ou invités

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INCEPTION, une illustration de la virtualisation

Réalité

Rêve 3La forteresse

Rêve 2L’hôtel

Rêve 1Le van

Matériel

Système hôteSystème hôte

Moniteur de VMMoniteur de VM

Système invité 1Système invité 1


Système invité 2Système invité 2


Système invité 3Système invité 3Absence de conscience d’être virtualisé

Chaque niveau peut évoluer en parallèle et peut impacter les niveaux virtualisés

Intrusions possibles à partir d’un niveau inférieur

Performances affaiblies au fil des niveaux

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Technologies de virtualisation

• Il existe plusieurs catégories de virtualisation, utilisant chacune des technologies différentes

• Technologies les plus répandues• le cloisonnement• la virtualisation complète• la paravirtualisation• la virtualisation assistée par le matériel

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Isolateur de contexes

• Logiciel permettant d'isoler l'exécution des applications dans des « contextes » ou zones d'exécution• Permet d’avoir plusieurs

instances d’exécution d’une application même non conçue à l’origine pour cela

• Solution très performante• Mais les environnements

virtualisés ne sont pas complètement isolés

• On ne peut pas vraiment parler de virtualisation de systèmes d’exploitation• Nécessite un noyau adapté sur l’hôte• Uniquement liés aux systèmes Linux : LXC, Linux-Vserver,

OpenVZ …

source : wikipédia

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Isolateur de contextes en mode utilisateur

• Noyau dans l’espace utilisateur (user-space)• Un noyau user-space tourne sur le système hôte comme

n’importe quelle application• Dispose de son propre espace utilisateur dans lequel il contrôle

ses applications• Un utilisateur peut être

root sur le système virtuel, mais pas sur le système hôte

• Un plantage du système virtuel n’affecte pas le système hôte

• Solution très performante, servant surtout au développement du noyau

• Exemples : User Mode Linux, Cooperative Linux ou coLinux

source : wikipédia

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La virtualisation complète

• Pris en charge par un hyperviseur• Deux catégories d’hyperviseur

• Hyperviseur de type 1 ou encore dit de type « bare metal »• S'intègrent sur le matériel physique et servent de base à différents

systèmes• S'appuient directement sur le matériel de la machine hôte• Agissent comme un système d'exploitation spécialisé

• Hyperviseur de type 2, ou de type service ou application• S'appuient sur le système d'exploitation hôte

Hyperviseur de type 1Hyperviseur de type 1

Système invitéSystème invité

Matériel

Système hôteSystème hôte

Hyperviseur de type 2Hyperviseur de type 2

Système invitéSystème invité

Matériel

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Hyperviseur de type 1

• Permet de lancer un ou plusieurs systèmes invités sur un seul système hôte

• Logiciel très léger et optimisé pour gérer les accès des systèmes invités au matériel

• Si les systèmes invités sont conscients d'être virtualisés et donc optimisés pour, on parle de paravirtualisation

• Bonne isolation et système le plus performant

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Hyperviseur de type 2

• Logiciel (généralement assez lourd) tournant sur le système hôte• Permet de lancer un ou plusieurs systèmes invités• Virtualise ou/et émule le matériel pour les systèmes invités

• Solution très comparable à un émulateur, et parfois même confondue• Mais contrairement à un vrai

émulateur, processeur, RAM, disque (via un fichier) sont directement accessibles aux VM

• Bonne isolation mais coûteux en performance• Permet de faire cohabiter des systèmes invités hétérogènes• Les systèmes invités n’ont pas conscience d’être virtualisés

source : wikipédia

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Familles d’hyperviseur

• Hyperviseurde type Application• Microsoft

Virtual PC• Oracle

VirtualBox

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Familles d’hyperviseur

• Hyperviseur de type Application• Microsoft Virtual PC• Oracle VirtualBox

• Hyperviseur de type Service• Microsoft Virtual Server• VMware Server

• Hyperviseur de type « Bare Metal »• VMware ESXi• Citrix XenServer (en 64 bits uniquement avec Intel

VT ou AMD-V)• Microsofy Hyper-V Server

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Virtualisation matérielle

• Support de la virtualisation intégré au processeur ou assisté par celui-ci• Nouvelles instructions dédiées à l’exécution

des machines virtuelles• Intel VT-x• AMD-V

• Tous les hyperviseurs savent tirer partis de ces technologies

• Permet de simplifier la virtualisationlogicielle et de réduire la dégradation de performances

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Virtualisation locale / distante

Virtualisation distanteDes images virtuelles s’exécutent sur un

serveur, un accès à distance est disponible

Virtualisation localeUne image virtuelle s’execute localement

permettant une utilisation en mode déconnecté

Client Client

Serveur

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Connectivité réseau des VMs

• Plusieurs possibilités offertes selon les hyperviseurs• Type « Host-only »

• La machine virtuelle a accès uniquement à la machine hôte sur un réseau privé virtuel

• Vu du réseau local, il n’y a aucune autre machine• La machine hôte peut faire office de serveur DHCP pour le

réseau virtuel

machine virtuelle

serveur DHCP

switch virtuel

carte réseau hôte

carte réseau virtuelle

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• NAT• La machine virtuelle en adresse privée a accès au réseau

local à travers l’hôte• L’hôte joue le rôle de proxy NAT et de serveur DHCP pour le

réseau virtuel

machine virtuelle

serveur DHCP

switch virtuel

carte réseau hôte


LANmachine hôte

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• Type « Bridge »• La machine virtuelle a accès direct au réseau local• Vu du réseau local, il y a une nouvelle machine avec sa

propre adresse IP• La machine virtuelle peut utiliser le DHCP du réseau local

machine virtuelle

serveur DHCP

switch virtuel

carte réseau hôte


LAN

bridge virtuel

machine hôte

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Sécurité et réseaux virtuels

• Un réseau virtuel est constitué d’une ou plusieurs machines virtuelles

• Nombre illimité de réseaux virtuels• Accès aux ressources du réseau local ou

externe• Connexion aux interfaces physiques• Isolation des VMs (essai et sécurité)

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Inconvénients de la virtualisation

• Tous les serveurs sont installés sur un nombre restreint de machines physiques• Attention à l’arrêt/redémarrage des

hôtes• Précautions à prendre

• « blinder » la sécurité des serveurs hôtes• sécuriser les VMs comme s’il s’agissait de

machines physiques • sauvegarder les VMs

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Augmentation des besoins en stockage

Avant virtualisationdes serveurs

Après virtualisationdes serveurs

Nombre d'applications par serveur 1 10+

Nombre de serveurs physiques 10+ 1

Nombre d'applications en panne sidéfaillance du stockage

1 10+

Pertes de données si défaillance du disque double

1x 10x

Volume de sauvegarde des données 1x 10x

Fenêtre de sauvegarde Réalisable Pas toujours réalisable

Reprise sur incident Coûteux/complexe Plus complexe

Provisionnement Long/complexe Stockage = serveurs

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Inconvénients de la virtualisation

• Chaque machine physique doit avoir des caractéristiques performantes (processeurs, disques, mémoire,…).

• Gestion des machines virtuelles infrastructure virtuelle• Cluster, système manager, SAN …

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Fonctionnalités avancées

• Sécurisation en cas de panne d’un serveur physique et/ou optimisation des ressources• Déplacement des VMs à froid • Déplacement des VMs à chaud : +équilibrage de charge

• Vmotion (Vmware)• LiveMigration (Microsoft Hyper-V)• XenMotion (XenServer)

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Fonctionnalités avancées

• Haute disponibilité (HA)• En cas de panne d’un serveur physique, les

machines virtuelles touchées sont automatiquement redémarrées sur d’autres serveurs disposant de la capacité nécessaire

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La virtualisation, c’est aussi …

• La virtualisation des équipements de sécurité (firewall, sondes, IDS/IPS)

• La virtualisation des postes de travail (permet de remplacer le dual boot)

• La virtualisation du stockage• La virtualisation du réseau (switchs,

routeurs virtuels)

disponibilité et virtualisation - grenoble inp

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