الأجهزة الافتراضية وبرامج Hypervisor

تتيح المحاكاة الافتراضية لخادم فعلي واحد أن يتصرف كأنه عدة حواسيب منفصلة. وكل حاسوب افتراضي هو آلة افتراضية (VM) لها نظام تشغيل وتطبيقات ووحدة معالجة مركزية وذاكرة وقرص افتراضي خاص بها. وتتشارك الآلات الافتراضية العتاد الحقيقي الموجود أسفلها، لكنها تبقى معزولة عن بعضها.

وهذا هو أساس مراكز البيانات الحديثة والسحابة. فبدلًا من تشغيل تطبيق واحد على كل جهاز فعلي، يمكن لخادم قوي واحد استضافة عشرات الآلات الافتراضية، مما يقلل التكاليف واستهلاك الطاقة والمساحة الأرضية بدرجة كبيرة.

إن برنامج مراقبة الأجهزة الافتراضية (ويُسمى أيضًا Virtual Machine Monitor) هو طبقة برمجية تنشئ الآلات الافتراضية وتشغّلها. وهو يقسم المعالج الفعلي وذاكرة RAM ووحدة التخزين، ثم يخصص أجزاءً منها لكل آلة افتراضية، مع إبقائها معزولة حتى لا يؤدي تعطل إحداها إلى إسقاط الآلات المجاورة.

ويجدول برنامج مراقبة الأجهزة الافتراضية الوصول إلى العتاد الحقيقي، تمامًا كما يجدول نظام التشغيل وصول التطبيقات. وبالنسبة إلى كل نظام تشغيل ضيف، يبدو أن الآلة الافتراضية تملك جهازًا فعليًا كاملًا.

يعمل برنامج مراقبة الأجهزة الافتراضية من النوع 1 مباشرةً على العتاد من دون وجود نظام تشغيل مضيف تحته. وبما أنه يعمل على العتاد مباشرةً، فهو سريع وفعّال وآمن، ولذلك يُختار لخوادم الإنتاج والسحابات.

• VMware ESXi
• Microsoft Hyper-V
• KVM (Kernel-based Virtual Machine)
• Xen

تشغّل مراكز البيانات برامج مراقبة الأجهزة الافتراضية من النوع 1 حتى يتمكن مضيف واحد من خدمة عدة مستأجرين في الوقت نفسه.

يعمل برنامج مراقبة الأجهزة الافتراضية من النوع 2 كتطبيق فوق نظام تشغيل عادي مثل Windows أو macOS. ويسهل تثبيته، كما أنه مناسب للاختبار والتعلّم وأجهزة سطح المكتب، لكنه أبطأ لأن الطلبات تمر أولًا عبر نظام التشغيل المضيف.

• VMware Workstation وFusion
• Oracle VirtualBox
• Parallels Desktop

استخدموا النوع 2 لتشغيل Linux على حاسوبكم المحمول، والنوع 1 لتشغيل مزرعة خوادم.

إن المضيف هو الجهاز الفعلي وبرنامج مراقبة الأجهزة الافتراضية الذي يشغّل كل شيء. أما نظام التشغيل الضيف فهو نظام التشغيل المثبّت داخل آلة افتراضية. ويمكنكم الجمع بين الأنظمة الضيفة بحرية؛ فقد يشغّل مضيف واحد Windows Server وUbuntu Linux وإصدارًا أقدم من Windows جنبًا إلى جنب.

يعتقد كل نظام ضيف أن لديه عتادًا مخصصًا، لكن جميع الأنظمة تتشارك مجموعة المعالج والذاكرة الخاصة بالمضيف وفق جدول برنامج مراقبة الأجهزة الافتراضية.

يخصص المسؤولون لكل آلة افتراضية حصة من vCPU (أنوية المعالج الافتراضية) وذاكرة RAM والقرص. ويعني التخصيص الزائد إسناد موارد افتراضية إجمالية أكبر مما يملكه المضيف فعليًا، على افتراض أن الآلات الافتراضية لن تبلغ ذروة استخدامها في الوقت نفسه.

إذا نُفّذ ذلك بعناية، فإنه يعزز الكفاءة؛ أما إذا نُفّذ بإهمال، فيؤدي إلى تنازع الموارد، حيث تتنافس الآلات الافتراضية على المعالج أو الذاكرة فتتباطأ. ويساعد ضبط حجم كل آلة افتراضية بما يلائم احتياجاتها على إبقاء الأداء متوقعًا.

تلتقط اللقطة الحالة الدقيقة لآلة افتراضية في لحظة معينة. فإذا أدى تصحيح أو تغيير إلى تعطيل شيء ما، يمكنكم الرجوع إلى اللقطة خلال ثوانٍ. أما الاستنساخ فينسخ آلة افتراضية كاملة لإنشاء آلة جديدة مطابقة بسرعة.

تجعل هذه الميزات الآلات الافتراضية أكثر مرونة بكثير من الخوادم الفعلية، التي قد تستغرق إعادة بنائها بعد تعطلها ساعات. لكن اللقطات ليست نسخًا احتياطية، لأنها موجودة على وحدة تخزين المضيف نفسها.

تُعدّ الحاويات، مثل Docker، شكلًا أخف من المحاكاة الافتراضية. فبدلًا من أن تتضمن كل حاوية نظام تشغيل ضيف كاملًا، تتشارك الحاويات نواة المضيف وتحتوي فقط على التطبيق وتبعياته. وتبدأ خلال أجزاء من الثانية وتستخدم ذاكرة أقل بكثير.

تعزل الآلات الافتراضية على مستوى العتاد، مع نظام تشغيل كامل لكل منها؛ بينما تعزل الحاويات على مستوى نظام التشغيل. وكلاهما شائع، وتشغّل العديد من عمليات النشر الفعلية الحاويات داخل آلات افتراضية لتحقيق عزل متعدد الطبقات.

ينقل الترحيل المباشر آلة افتراضية قيد التشغيل من مضيف فعلي إلى آخر مع توقف قليل أو من دون توقف. وينسخ برنامج مراقبة الأجهزة الافتراضية ذاكرة الآلة الافتراضية عبر الشبكة إلى المضيف الجديد، ثم ينقل التشغيل إليه بسلاسة كبيرة بحيث نادرًا ما يلاحظ المستخدمون ذلك.

يتيح هذا إجراء صيانة العتاد وموازنة الحمل والتبديل عند التعطل من دون إيقاف الخدمات. وتسمّي VMware هذه العملية vMotion؛ وهي أحد الأسباب الرئيسية لبقاء البيئات الافتراضية عالية التوافر.

يشغّل موفرو السحابة مزارع ضخمة من برامج مراقبة الأجهزة الافتراضية. وعندما تستأجرون خادمًا سحابيًا، فإنكم تحصلون في الواقع على آلة افتراضية تعمل على عتاد مشترك. وتتيح المحاكاة الافتراضية للمزوّد إنشاء آلتكم الافتراضية خلال دقائق، وتوسيعها، واحتساب التكلفة وفق ما تستخدمونه فقط.

ويهم هذا فني الشبكات لأن الشبكة تمتد الآن داخل المضيف، فتربط الآلات الافتراضية عبر محوّلات افتراضية ستتعرّفون إليها في الدرس التالي.

الفوائد: دمج العتاد، والتجهيز السريع، وسهولة النسخ الاحتياطي باستخدام اللقطات، والعزل، والترحيل المباشر للحفاظ على التوافر.

المقايضات: يضيف برنامج مراقبة الأجهزة الافتراضية قدرًا صغيرًا من الحمل الزائد، وينطوي التخصيص الزائد على خطر تنازع الموارد، كما أن وجود آلات افتراضية كثيرة على مضيف واحد ينشئ نقطة فشل واحدة إذا تعطل ذلك المضيف. ويؤدي التصميم الجيد إلى توزيع الآلات الافتراضية المهمة على عدة مضيفين لإدارة هذا الخطر.

اختبروا مدى استيعابكم لأنواع برامج مراقبة الأجهزة الافتراضية.

تقسم المحاكاة الافتراضية خادمًا فعليًا واحدًا إلى عدة آلات افتراضية معزولة، ويديرها برنامج مراقبة الأجهزة الافتراضية. تعمل برامج مراقبة الأجهزة الافتراضية من النوع 1 مباشرةً على العتاد لاستخدامها في الإنتاج، بينما تعمل برامج النوع 2 فوق نظام تشغيل مضيف لأجهزة سطح المكتب والاختبار. وتحصل كل آلة افتراضية على vCPU وذاكرة RAM وقرص، وتدعم اللقطات والاستنساخ والترحيل المباشر، كما تُعدّ لبنة أساسية للحوسبة السحابية.