Virtualisation mémoire et E/S

La virtualisation mémoire

Lorsqu’il est seul installé sur une machine, un OS s’occupe de l’adressage de la totalité de la mémoire vive. En d’autres termes, il décide d’en allouer une certaine quantité à chaque application, quantité qui sera comprise entre le bit d’adresse x et celui d’adresse y. Cet adressage est réalisé sur une mémoire virtuelle, dite linéaire, qui représente la totalité de la mémoire vive disponible, qu’elle soit répartie sur une ou deux barrettes, ou sur le disque dur. La correspondance entre cette mémoire linéaire et la mémoire physique est réalisée par une unité du CPU, la MMU (Memory Management Unit). La MMU maintient à jour le tableau de correspondance entre les adresses physiques et les adresses linéaires demandées par l’OS, ce qui est appelé la page de table (page table ou PT en anglais).

Sur un ordinateur où tournent plusieurs systèmes d’exploitation, chacun ne peut utiliser qu’une portion de la mémoire vive totale. Le partage est décidé par le VMM lors de la création de chaque VM. Par exemple, l’OS 1 doit utiliser les bits zéro à x, et l’OS 2 les bits x+1 à y. Malheureusement, un OS débute toujours son adressage à zéro. Pour éviter les conflits entre différents OS fonctionnant simultanément, il faut donc que l’hyperviseur bloque tous les accès des OS vers la MMU et les réinterprète. Le VMM construit alors, pour chaque OS, une fausse page de table faisant correspondre les adresses linéaires réclamées par l’OS à celles qui lui sont réservées. Ce tableau de correspondance intermédiaire est appelé Shadow Page Table (SPT). Au final, un simple accès mémoire devient une opération complexe, la machine virtuelle devant s'occuper de la gestion de la mémoire du système client, ce qui — en cas d'accès fréquents à la mémoire — ralentit fortement le système hôte dans ses propres accès.

Pour réduire le travail du VMM, Intel et AMD ont inventé les Extended Page Tables (EPT) et Rapid Virtualization Indexing (RVI) respectivement. Il s’agit dans les deux cas d’implanter les SPT en hardware. En plus de la PT de la MMU, il y a donc une EPT ou RVI par OS invité. Ces tableaux permettent en fait de dédier une partie des adresses physiques de la mémoire à chaque OS. Ceux-ci peuvent alors accéder librement à leur propre domaine d’adresses réservé, sans provoquer l’intervention du VMM. L’ensemble des adresses mémoires physiques des OS invités est ensuite recompilé dans l’EPT et la gestion de la mémoire du système client est entièrement prise en charge par le matériel, ce qui est évidemment plus rapide qu'une implémentation logicielle.

Les deux technologies sont intégrées dans les processeurs haut de gamme chez les deux constructeurs : les Opteron Barcelona (et plus) chez AMD et les processeurs basés sur Nehalem (Core i7, par exemple) chez Intel. 

La virtualisation des périphériques

Dernier point à prendre en charge, la virtualisation des E/S (entrées/sorties). En effet, même si l'accès au processeur est transparent avec VT-x et AMD-V, l'accès aux périphériques reste du ressort du programme de virtualisation : chaque logiciel doit créer ses propres périphériques virtuels, des pilotes adaptées à ces derniers doivent être dévellopés et les performances sont évidemment loin d'être mirobolantes (le problème se pose essentiellement pour les cartes graphiques). De plus, les logiciels de virtualisation doivent reproduire la gestion de la mémoire des périphériques et ce n'est pas toujours suffisant : si un programme de la machine virtuelle essaye d'accéder directement au matériel, il risque tout simplement de ne pas fonctionner. Pour régler le problème, les constructeurs ont donc proposé une nouvelle technologie, connue sous le nom d'IOMMU.

VT-d et AMD-Vi, les deux technologies d'Intel et AMD, permettent donc de créer un accès virtuel aux périphériques d'E/S. Le fonctionnement est un peu différent des instructions de virtualisations : au lieu de partager un périphérique entre deux systèmes (hôte et client), la technologie permet en fait de donner un accès direct à un périphérique depuis une machine virtuelle. Il n'y a pas ici de notion de partage en tant que tel, mais bien un accès direct et exclusif : si la machine virtuelle accède à un périphérique comme une carte graphique, la machine hôte perd son accès, ce qui suppose (dans le meilleur des mondes) qu'une carte graphique dédiée à la machine virtuelle soit installée. Il est possible de partager la majorité des périphériques, des ports USB aux connecteurs PCI-Express (et donc les cartes installées), tout en gardant bien à l'esprit que l'accès est exclusif.

Contrairement à VT-x et AMD-V, qui dépendent du processeur, ces deux technologies dépendent du chipset (ou du processeur, dans le cas des modèles Intel intégrant le contrôleur PCI-Express). Actuellement, VT-d et AMD-Vi sont peu utilisés et les logiciels capables de tirer parti des technologies sont rares. De plus, certains périphériques demandent des pilotes spécifiques pour être utilisés avec VT-d ou AMD-Vi.

Dans les faits, la virtualisation des périphériques est essentiellement utilisée pour deux usages : offrir des capacités vidéo correctes à une machine virtuelle (en dédiant une carte graphique) ou — plus courant — permettre à une machine virtuelle présente sur un serveur de disposer de sa propre carte réseau. Des cartes mères dédiées à ce type d'installation (et disposant donc de plusieurs cartes réseau) existent d'ailleurs.

Pour ce qui est de la compatibilité, les chipsets de la famille Q d'Intel ainsi que les puces dédiées aux Nehalem sont généralement compatibles alors qu'AMD ne propose AMD-Vi que sur les chipsets de la famille 8xx (pas encore disponibles).