محاكاة الأجهزة

تُعرف المحاكاة الافتراضية للأجهزة بأنها محاكاة افتراضية لأجهزة الكمبيوتر كمنصات أجهزة كاملة، أو كنسخ منطقية مُجردة من مكوناتها، أو فقط الوظائف اللازمة لتشغيل أنظمة تشغيل مختلفة . تحاكي المحاكاة الافتراضية بيئة الأجهزة الخاصة ببنية النظام المضيف، مما يسمح بتشغيل أنظمة تشغيل متعددة دون تعديل وبشكل منفصل. في بداياتها، كان يُطلق على البرنامج الذي يتحكم في المحاكاة الافتراضية اسم "برنامج التحكم"، ولكن مع مرور الوقت، أصبح مصطلحا " المشرف " أو "مراقب الآلة الافتراضية" هما الأكثر شيوعًا. ^{[ 1 ]}

مفهوم

صِيغَ مصطلح "الافتراضية" في ستينيات القرن العشرين للإشارة إلى الآلة الافتراضية (التي تُسمى أحيانًا "الآلة الزائفة")، وهو مصطلح يعود أصله إلى نظام IBM M44/44X التجريبي . ^{[ 1 ]} وقد أُطلق على إنشاء وإدارة الآلات الافتراضية مؤخرًا اسم "افتراضية المنصة" أو "افتراضية الخادم". ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

تُنفَّذ محاكاة النظام الأساسي على منصة أجهزة معينة بواسطة برنامج مضيف ( برنامج تحكم )، يقوم بإنشاء بيئة حاسوبية مُحاكاة، تُسمى آلة افتراضية (VM)، لبرامجه الضيفة . لا تقتصر البرامج الضيفة على تطبيقات المستخدم؛ إذ تسمح العديد من الأنظمة المضيفة بتشغيل أنظمة تشغيل كاملة. تُنفَّذ البرامج الضيفة كما لو كانت تعمل مباشرةً على الأجهزة المادية، مع بعض القيود الهامة. عادةً ما تُدار إمكانية الوصول إلى موارد النظام المادية (مثل الوصول إلى الشبكة ، والشاشة، ولوحة المفاتيح، ووحدة التخزين ) بمستوى أكثر تقييدًا من معالج النظام المضيف وذاكرة النظام. غالبًا ما تُقيَّد البرامج الضيفة من الوصول إلى أجهزة طرفية مُحددة ، أو قد تقتصر على مجموعة فرعية من إمكانيات الجهاز الأصلية، وذلك اعتمادًا على سياسة الوصول إلى الأجهزة التي يُطبقها النظام المضيف للمحاكاة. ^{[ 4 ]}^{: 5، 13}

غالباً ما تُؤدي المحاكاة الافتراضية إلى انخفاض الأداء، سواءً من حيث الموارد المطلوبة لتشغيل برنامج إدارة الأجهزة الافتراضية أو من حيث انخفاض الأداء على الجهاز الافتراضي مقارنةً بتشغيله على الجهاز الفعلي. ^{[ 4 ]}^{: 35، 67-68}

أسباب استخدام تقنية المحاكاة الافتراضية للأجهزة

في حالة دمج الخوادم ، يمكن استبدال العديد من الخوادم المادية الصغيرة بخادم مادي واحد أكبر حجمًا لتقليل الحاجة إلى موارد الأجهزة (المكلفة) مثل وحدات المعالجة المركزية ومحركات الأقراص الصلبة. على الرغم من دمج الأجهزة في بيئات افتراضية، إلا أن أنظمة التشغيل لا تُدمج عادةً. بدلاً من ذلك، يُحوّل كل نظام تشغيل يعمل على خادم مادي إلى نظام تشغيل منفصل يعمل داخل جهاز افتراضي. وبالتالي، يمكن للخادم الكبير "استضافة" العديد من هذه الأجهزة الافتراضية "الضيفة". يُعرف هذا بالتحويل من مادي إلى افتراضي (P2V). كان متوسط استخدام الخادم في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين يتراوح بين 5 و15%، ولكن مع اعتماد تقنية المحاكاة الافتراضية، بدأ هذا الرقم في الارتفاع لتقليل عدد الخوادم المطلوبة. ^{[ 5 ]}
إضافةً إلى خفض تكاليف المعدات والعمالة المرتبطة بصيانتها، يُمكن أن يُحقق دمج الخوادم فائدةً إضافيةً تتمثل في تقليل استهلاك الطاقة والأثر البيئي العالمي في القطاعات التكنولوجية ذات الصلة بالبيئة. فعلى سبيل المثال، يستهلك الخادم النموذجي 425 واط ^{[ 6 ]} ، وتُقدّر شركة VMware نسبة خفض الأجهزة بما يصل إلى 15:1 ^{[ 7 ] .}
يمكن التحكم في الآلة الافتراضية وفحصها بسهولة أكبر من موقع بعيد مقارنةً بالآلة الفعلية، كما أن تكوينها أكثر مرونة. وهذا مفيد للغاية في تطوير نواة النظام وفي تدريس دورات أنظمة التشغيل، بما في ذلك تشغيل أنظمة التشغيل القديمة التي لا تدعم الأجهزة الحديثة. ^{[ 8 ]}
يمكن توفير جهاز افتراضي جديد حسب الحاجة دون الحاجة إلى شراء أجهزة مسبقة.
يمكن نقل الآلة الافتراضية بسهولة من جهاز فعلي إلى آخر حسب الحاجة. على سبيل المثال، يستطيع مندوب المبيعات المتوجه إلى أحد العملاء نسخ آلة افتراضية تحتوي على برنامج العرض التوضيحي إلى حاسوبه المحمول، دون الحاجة إلى نقل الحاسوب الفعلي. وبالمثل، لا يؤثر أي خطأ داخل الآلة الافتراضية على النظام المضيف، وبالتالي لا يوجد خطر من تعطل نظام التشغيل على الحاسوب المحمول.
وبسبب سهولة النقل هذه، يمكن استخدام الآلات الافتراضية بسهولة في سيناريوهات التعافي من الكوارث دون مخاوف بشأن تأثير مصادر الطاقة المجددة والمعيبة.

مع ذلك، عند تشغيل عدة أجهزة افتراضية في وقت واحد على نفس المضيف الفعلي، قد يُظهر كل جهاز افتراضي أداءً متفاوتًا وغير مستقر، ويعتمد هذا الأداء بشكل كبير على حجم العمل الذي تُفرضه الأجهزة الافتراضية الأخرى على النظام. ويمكن معالجة هذه المشكلة من خلال تقنيات تثبيت مناسبة لعزل الأجهزة الافتراضية زمنيًا .

توجد عدة طرق لتقنية المحاكاة الافتراضية للمنصات.

أمثلة على حالات استخدام المحاكاة الافتراضية:

تشغيل تطبيق واحد أو أكثر غير مدعوم من قبل نظام التشغيل المضيف: يمكن للجهاز الظاهري الذي يشغل نظام التشغيل الضيف المطلوب أن يسمح بتشغيل التطبيقات المطلوبة، دون تغيير نظام التشغيل المضيف.
تقييم نظام تشغيل بديل: يمكن تشغيل نظام التشغيل الجديد داخل جهاز افتراضي، دون تغيير نظام التشغيل المضيف.
محاكاة الخوادم: يمكن تشغيل عدة خوادم افتراضية على خادم فعلي واحد، وذلك للاستفادة الكاملة من موارد الأجهزة الخاصة بالخادم الفعلي.
تكرار بيئات محددة: يمكن تكرار جهاز افتراضي، اعتمادًا على برنامج المحاكاة الافتراضية المستخدم، وتثبيته على مضيفين متعددين، أو استعادته إلى حالة نظام تم نسخها احتياطيًا مسبقًا.
إنشاء بيئة محمية: إذا تعرض نظام التشغيل الضيف الذي يعمل على جهاز افتراضي للتلف بطريقة لا يكون إصلاحها فعالاً من حيث التكلفة، كما قد يحدث عند دراسة البرامج الضارة أو تثبيت البرامج سيئة السلوك، فيمكن ببساطة التخلص من الجهاز الافتراضي دون إلحاق الضرر بالنظام المضيف، واستخدام نسخة نظيفة عند إعادة تشغيل الضيف.

محاكاة افتراضية كاملة

في المحاكاة الافتراضية الكاملة، تحاكي الآلة الافتراضية مكونات ما يكفي من الأجهزة للسماح بتشغيل نظام تشغيل "ضيف" غير معدل، مصمم لنفس مجموعة التعليمات ، بشكل منفصل. وقد طُبّق هذا النهج لأول مرة عام 1966 مع جهازي IBM CP-40 و CP-67 ، وهما من أسلاف عائلة الآلات الافتراضية .

المحاكاة الافتراضية

في المحاكاة الافتراضية الجزئية، لا تحاكي الآلة الافتراضية بالضرورة مكونات الجهاز، بل توفر (أو بالإضافة إلى ذلك) واجهة برمجة تطبيقات خاصة لا يمكن استخدامها إلا بتعديل نظام التشغيل "الضيف". ولتحقيق ذلك، يجب أن يكون رمز المصدر لنظام التشغيل "الضيف" متاحًا. إذا كان رمز المصدر متاحًا، يكفي استبدال التعليمات الحساسة باستدعاءات لواجهات برمجة تطبيقات إدارة الآلة الافتراضية (مثل: استبدال "cli" بـ "vm_handle_cli()")، ثم إعادة تجميع نظام التشغيل واستخدام الملفات الثنائية الجديدة. يُطلق على استدعاء النظام هذا للمشرف اسم "استدعاء فائق" في TRANGO و Xen ؛ ويتم تنفيذه عبر تعليمة DIAG ("تشخيص") في نظام إدارة المحتوى من IBM ضمن الآلة الافتراضية (وهو أصل مصطلح المشرف الفائق ).

المحاكاة الافتراضية المدعومة بالأجهزة

في تقنية المحاكاة الافتراضية المدعومة بالأجهزة، توفر الأجهزة دعمًا معماريًا يُسهّل بناء نظام مراقبة للآلة الافتراضية، ويسمح بتشغيل أنظمة التشغيل الضيفة بشكل منفصل. ^{[ 9 ]} ويمكن استخدام ذلك لدعم المحاكاة الافتراضية الكاملة أو المحاكاة الافتراضية الجزئية. وقد طُرحت تقنية المحاكاة الافتراضية المدعومة بالأجهزة لأول مرة على معالجات IBM 308X في عام 1980، مع تعليمة بدء التنفيذ التفسيري (SIE). ^{[ 10 ]}

في عامي 2005 و2006، طورت شركتا إنتل وإيه إم دي أجهزة إضافية لدعم تقنية المحاكاة الافتراضية التي تعمل على منصاتهما. كما أضافت شركة صن مايكروسيستمز (التي تُعرف الآن باسم أوراكل ) ميزات مماثلة في معالجات سلسلة UltraSPARC T الخاصة بها في عام 2005.

في عام 2006، تبين أن دعم الجيل الأول من معالجات x86 ذات 32 و 64 بت نادراً ما يوفر مزايا في الأداء مقارنةً بتقنية المحاكاة الافتراضية للبرمجيات. ^{[ 11 ]}

المحاكاة الافتراضية على مستوى نظام التشغيل

في تقنية المحاكاة الافتراضية على مستوى نظام التشغيل، يتم محاكاة خادم فعلي على مستوى نظام التشغيل، مما يتيح تشغيل عدة خوادم افتراضية معزولة وآمنة على خادم فعلي واحد. تشترك بيئات نظام التشغيل "الضيف" في نفس نسخة نظام التشغيل التي يستخدمها النظام المضيف. وبالتالي، تُستخدم نواة نظام التشغيل نفسها لتنفيذ بيئات "الضيف"، وتتعامل التطبيقات التي تعمل في بيئة "ضيف" معينة معها كنظام مستقل.

استعادة البيانات في حالات الكوارث باستخدام تقنية المحاكاة الافتراضية للأجهزة

تُعتبر خطة استعادة البيانات بعد الكوارث (DR) ممارسةً جيدةً لمنصات المحاكاة الافتراضية للأجهزة. تضمن هذه الخطة استمرارية عالية في بيئة المحاكاة الافتراضية خلال مجموعة واسعة من الظروف التي تُعطّل العمليات التجارية الاعتيادية. في الحالات التي يكون فيها استمرار تشغيل منصات المحاكاة الافتراضية للأجهزة أمرًا بالغ الأهمية، تضمن خطة استعادة البيانات بعد الكوارث تلبية متطلبات أداء الأجهزة وصيانتها. تشمل هذه الخطة حماية كلٍ من الأجهزة والبرامج باستخدام أساليب متنوعة، بما في ذلك تلك الموضحة أدناه . ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

النسخ الاحتياطي على أشرطة لتلبية احتياجات الأرشفة طويلة الأجل لبيانات البرامج: يمكن استخدام هذه الطريقة الشائعة لتخزين البيانات خارج الموقع، ولكن استعادة البيانات قد تكون عملية صعبة وطويلة. وتعتمد جودة بيانات النسخ الاحتياطي على الشريط على أحدث نسخة مخزنة. وتتطلب طرق النسخ الاحتياطي على الشريط جهاز نسخ احتياطي ومواد تخزين مستمرة.
نسخ الملفات والتطبيقات بالكامل: يتطلب تطبيق هذه الطريقة برامج تحكم وسعة تخزين كافية لنسخ ملفات التطبيقات والبيانات، عادةً في نفس الموقع. تُنسخ البيانات على قسم قرص مختلف أو جهاز قرص منفصل، ويمكن جدولة هذه العملية لمعظم الخوادم، وهي أكثر شيوعًا في تطبيقات قواعد البيانات.
تكرار الأجهزة والبرامج: تضمن هذه الطريقة أعلى مستوى من الحماية لاستعادة البيانات في حالات الكوارث لحلول المحاكاة الافتراضية للأجهزة، وذلك من خلال توفير نسخ مكررة من الأجهزة والبرامج في منطقتين جغرافيتين مختلفتين. ^{[ 14 ]}

انظر أيضاً

مراجع

1 2 كريسي، آر جيه (1981). "أصل نظام المشاركة الزمنية VM/370" (ملف PDF) . آي بي إم . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 فبراير 2013 .
↑ تومسون، جوليان (23 مايو 2018). "الآلات الافتراضية: مقدمة في محاكاة المنصات" . برمجيات الأداء . تم الاطلاع عليه في 8 يوليو 2023 .
↑ "ما هي تقنية المحاكاة الافتراضية للخوادم؟ "
1 2 بوغنيون، إدوارد؛ نيه، جيسون؛ تسافرير، دان (2017). دعم الأجهزة والبرامج للمحاكاة الافتراضية . سان رافائيل، كاليفورنيا: دار مورغان وكلايبول للنشر. ISBN 9781627056939.
↑ "تسارع تقادم الرقائق" . 14 فبراير 2018.
↑ راجيش شيدا؛ دان شوكوفسكي؛ ستيف ستيفانوفيتش؛ جو توسكانو (14 يناير 2009). "تحليل استخدام الطاقة من أجل الاستهلاك الفعال" .
↑ "نظرة عامة على توحيد خوادم VMware" . مؤرشف من الأصل في 8 يناير 2022.
↑ جيسون نيه ؛ أوزغور جان ليونارد (أغسطس 2000). "دراسة VMware" . مجلة دكتور دوبز . مؤرشف من الأصل في 22 نوفمبر 2019.
↑ سميث، ل.؛ كاجي، أ.؛ مارتينز، ف.م.؛ نايجر، ج.؛ ليونج، ف.هـ.؛ رودجرز، د.؛ سانتوني، أ.ل.؛ بينيت، س.م.؛ أوليغ، ر.؛ أندرسون، أ.ف. (مايو 2005). "تقنية المحاكاة الافتراضية من إنتل" . مجلة الكمبيوتر . 38 (5): 48-56 . رمز Bibcode : 2005Compr..38e..48U . doi : 10.1109/MC.2005.163 .
↑ التنفيذ التفسيري لبنية IBM System/370 الموسعة (ملف PDF) (الطبعة الأولى ). IBM. يناير 1984. SA22-7095-0 . تاريخ الاسترجاع: 27 أكتوبر 2022 .
↑ كيث آدامز؛ أولي أغيسن (21-25 أكتوبر 2006). مقارنة بين تقنيات البرمجيات والأجهزة لتقنية المحاكاة الافتراضية x86 (ملف PDF) . مؤتمر ASPLOS'06. سان خوسيه، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 8 يناير 2022. من المثير للدهشة أننا وجدنا أن دعم الأجهزة من الجيل الأول نادرًا ما يوفر مزايا في الأداء مقارنةً بتقنيات البرمجيات الحالية. نعزو هذا الوضع إلى ارتفاع تكاليف الانتقال بين بيئة إدارة الأجهزة الافتراضية والضيف، ونموذج برمجة جامد لا يترك مجالًا كبيرًا لمرونة البرمجيات في إدارة كلٍ من وتيرة هذه الانتقالات وتكلفتها.
↑ "الدليل الأساسي للتعافي من الكوارث: كيفية ضمان استمرارية تكنولوجيا المعلومات والأعمال" (ملف PDF) . شركة فيجن سوليوشنز، 2010. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 16 مايو 2011.
↑ وولد، ج (2008). "عملية التخطيط للتعافي من الكوارث" . مؤرشف من الأصل في 15 أغسطس 2012.
↑ "الاستعادة الافتراضية للكوارث: حماية أنظمة الإنتاج باستخدام البنية التحتية الافتراضية من VMware و Double-Take" (ملف PDF) . VMware. 2010. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 23 سبتمبر 2010.

روابط خارجية

مقدمة في المحاكاة الافتراضية، مؤرشفة بتاريخ 22 أكتوبر 2020 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) ، بقلم أميت سينغ
زين وفن المحاكاة الافتراضية ، ACM، 2003، من تأليف مجموعة من المؤلفين
برامج المحاكاة الافتراضية لنظام لينكس
زوبيس، برونو (27 أغسطس 2007) [النشر الأول: LinuxDevices:2007]. "استخدام برنامج إدارة الأجهزة الافتراضية للتوفيق بين رخصة جنو العمومية العامة (GPL) والبرامج المضمنة الاحتكارية" . أدوات لينكس . مؤرشف من الأصل في 24 ديسمبر 2013.

[:0-1] 1 2 كريسي، آر جيه (1981). "أصل نظام المشاركة الزمنية VM/370" (ملف PDF) . آي بي إم . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 فبراير 2013 .

[2] تومسون، جوليان (23 مايو 2018). "الآلات الافتراضية: مقدمة في محاكاة المنصات" . برمجيات الأداء . تم الاطلاع عليه في 8 يوليو 2023 .

[3] "ما هي تقنية المحاكاة الافتراضية للخوادم؟ "

[virtbook-4] 1 2 بوغنيون، إدوارد؛ نيه، جيسون؛ تسافرير، دان (2017). دعم الأجهزة والبرامج للمحاكاة الافتراضية . سان رافائيل، كاليفورنيا: دار مورغان وكلايبول للنشر. ISBN 9781627056939.

[5] "تسارع تقادم الرقائق" . 14 فبراير 2018.

[6] راجيش شيدا؛ دان شوكوفسكي؛ ستيف ستيفانوفيتش؛ جو توسكانو (14 يناير 2009). "تحليل استخدام الطاقة من أجل الاستهلاك الفعال" .

[7] "نظرة عامة على توحيد خوادم VMware" . مؤرشف من الأصل في 8 يناير 2022.

[8] جيسون نيه ؛ أوزغور جان ليونارد (أغسطس 2000). "دراسة VMware" . مجلة دكتور دوبز . مؤرشف من الأصل في 22 نوفمبر 2019.

[9] سميث، ل.؛ كاجي، أ.؛ مارتينز، ف.م.؛ نايجر، ج.؛ ليونج، ف.هـ.؛ رودجرز، د.؛ سانتوني، أ.ل.؛ بينيت، س.م.؛ أوليغ، ر.؛ أندرسون، أ.ف. (مايو 2005). "تقنية المحاكاة الافتراضية من إنتل" . مجلة الكمبيوتر . 38 (5): 48-56 . رمز Bibcode : 2005Compr..38e..48U . doi : 10.1109/MC.2005.163 .

[10] التنفيذ التفسيري لبنية IBM System/370 الموسعة (ملف PDF) (الطبعة الأولى ). IBM. يناير 1984. SA22-7095-0 . تاريخ الاسترجاع: 27 أكتوبر 2022 .

[11] كيث آدامز؛ أولي أغيسن (21-25 أكتوبر 2006). مقارنة بين تقنيات البرمجيات والأجهزة لتقنية المحاكاة الافتراضية x86 (ملف PDF) . مؤتمر ASPLOS'06. سان خوسيه، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 8 يناير 2022. من المثير للدهشة أننا وجدنا أن دعم الأجهزة من الجيل الأول نادرًا ما يوفر مزايا في الأداء مقارنةً بتقنيات البرمجيات الحالية. نعزو هذا الوضع إلى ارتفاع تكاليف الانتقال بين بيئة إدارة الأجهزة الافتراضية والضيف، ونموذج برمجة جامد لا يترك مجالًا كبيرًا لمرونة البرمجيات في إدارة كلٍ من وتيرة هذه الانتقالات وتكلفتها.

[12] "الدليل الأساسي للتعافي من الكوارث: كيفية ضمان استمرارية تكنولوجيا المعلومات والأعمال" (ملف PDF) . شركة فيجن سوليوشنز، 2010. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 16 مايو 2011.

[13] وولد، ج (2008). "عملية التخطيط للتعافي من الكوارث" . مؤرشف من الأصل في 15 أغسطس 2012.

[14] "الاستعادة الافتراضية للكوارث: حماية أنظمة الإنتاج باستخدام البنية التحتية الافتراضية من VMware و Double-Take" (ملف PDF) . VMware. 2010. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 23 سبتمبر 2010.

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ] .

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]