تقنية المحاكاة الافتراضية: من الابتكار إلى التطبيق الواقعي

قبل ظهور المحاكاة الافتراضية، كان الخادم المادي قادرًا على تشغيل نظام تشغيل واحد فقط، وغالبًا ما كان يُشغّل مهمة واحدة، كان هذا يُهدر كميات هائلة من الموارد، تُعالج المحاكاة الافتراضية هذه المشكلة من خلال السماح لخادم مادي واحد باستضافة عشرات الخوادم الافتراضية، حيث يُشغّل كل خادم نظام تشغيل وتطبيقات خاصة به، بمعزل عن الخوادم الأخرى.

ما هي المحاكاة الافتراضية؟

المحاكاة الافتراضية هي إنشاء نسخة افتراضية من تقنية حقيقية، مثل نظام التشغيل، أو الخادم، أو وحدة التخزين، أو مورد الشبكة.

تستخدم المحاكاة الافتراضية برمجيات تحاكي وظائف الأجهزة لإنشاء نظام افتراضي، تُمكّن هذه الممارسة مؤسسات تقنية المعلومات من تشغيل أنظمة تشغيل متعددة، وأكثر من نظام افتراضي واحد، وتطبيقات متنوعة على خادم واحد، تشمل فوائد المحاكاة الافتراضية زيادة الكفاءة وتحقيق وفورات الحجم.

تستخدم محاكاة أنظمة التشغيل برمجيات تُمكّن جهازًا من تشغيل صور متعددة لأنظمة التشغيل في الوقت نفسه، بدأت هذه التقنية في الحواسيب المركزية منذ عقود لتوفير تكاليف طاقة المعالجة الباهظة.

كيف تعمل المحاكاة الافتراضية؟

تعمل تقنية المحاكاة الافتراضية على فصل التطبيق، أو نظام التشغيل الضيف، أو وحدة تخزين البيانات عن مكوناتها المادية أو البرمجية الأساسية.

تُعتبر المؤسسات التي تُقسّم محركات الأقراص الصلبة إلى أقسام مختلفة مُستخدمة للمحاكاة الافتراضية، القسم هو التقسيم المنطقي لمحرك الأقراص الصلبة، والذي يُنشئ في الواقع محركي أقراص صلبة منفصلين.

تُعد محاكاة الخوادم أحد الاستخدامات الرئيسية لتقنية المحاكاة الافتراضية، يستخدم هذا النظام طبقة برمجية تُسمى "المُشرف" لمحاكاة المكونات المادية الأساسية، ويشمل ذلك ذاكرة وحدة المعالجة المركزية (CPU) وعمليات الإدخال/الإخراج وحركة مرور الشبكة.

يأخذ المُشرف الموارد المادية ويفصلها للبيئة الافتراضية، ويمكن تثبيته فوق نظام التشغيل أو مباشرةً على المكونات المادية.

يُعدّ مُشرف (Xen) برنامجًا مفتوح المصدر يُدير التفاعلات منخفضة المستوى بين الأجهزة الافتراضية والمكونات المادية، وهو يُتيح إنشاء وتشغيل وإدارة العديد من الأجهزة الافتراضية في بيئة مادية واحدة، وبمساعدة المُشرف، يتفاعل نظام التشغيل الضيف، الذي يتفاعل عادةً مع المكونات المادية الحقيقية، من خلال محاكاة برمجية لتلك المكونات.

على الرغم من أن أنظمة التشغيل التي تعمل على مكونات مادية حقيقية غالبًا ما تتفوق على تلك التي تعمل على أنظمة افتراضية، إلا أن معظم أنظمة التشغيل الضيف والتطبيقات لا تستغل المكونات المادية الأساسية بشكل كامل، تُزيل المحاكاة الافتراضية الاعتماد على منصة مكونات مادية مُحددة، مما يُوفر مرونة وتحكمًا وعزلًا أكبر للبيئات، بالإضافة إلى ذلك، امتدت المحاكاة الافتراضية لتشمل التطبيقات والشبكات وإدارة البيانات وأجهزة سطح المكتب، إلى جانب الخوادم.

تتم عملية المحاكاة الافتراضية وفق الخطوات التالية:

• يفصل برنامج إدارة الأجهزة الافتراضية (Hypervisor) الموارد المادية عن بيئاتها المادية.
• تُؤخذ الموارد من البيئة المادية وتُوزع على بيئات افتراضية متعددة.
• يعمل مستخدمو النظام داخل البيئة الافتراضية ويجرون العمليات الحسابية فيها.

بمجرد تشغيل البيئة الافتراضية، يمكن للمستخدم أو البرنامج إرسال تعليمات تتطلب موارد إضافية من البيئة المادية، يستجيب برنامج إدارة الأجهزة الافتراضية (Hypervisor) بنقل الرسالة إلى الجهاز المادي وتخزين التغييرات.

غالبًا ما تُسمى البيئة الافتراضية بالجهاز الضيف أو الآلة الافتراضية، تعمل الآلة الافتراضية كملف بيانات واحد يمكن نقله من جهاز كمبيوتر إلى آخر وفتحه في كلا الجهازين، يجب أن تعمل بنفس الطريقة على جميع أجهزة الكمبيوتر.

أنواع المحاكاة الافتراضية

المشرفون الافتراضيون (Hypervisors) هي التقنية التي تُمكّن من التجريد الافتراضي، النوع الأول، وهو الأكثر شيوعًا، يعمل مباشرةً على النظام الأساسي ويُحاكي منصة الأجهزة، تُعدّ محاكاة KVM الافتراضية مُشرفًا افتراضيًا مفتوح المصدر قائمًا على نواة لينكس، ويُوفر مزايا النوع الأول، يتطلب النوع الثاني نظام تشغيل مُضيف، ويُستخدم غالبًا في الاختبارات والمختبرات.

تُستخدم المحاكاة الافتراضية بكثرة في ستة مجالات من مجالات تقنية المعلومات:

• تجمع محاكاة الشبكات الافتراضية الموارد المتاحة في الشبكة عن طريق تقسيم عرض النطاق الترددي المتاح إلى قنوات اتصال، تعمل كل منها بشكل مستقل عن الأخرى، مع الشبكة الافتراضية، يُمكن تخصيص كل قناة أو إعادة تخصيصها لخادم أو جهاز مُحدد في الوقت الفعلي، وكما هو الحال في القرص الصلب المُقسّم، تفصل المحاكاة الافتراضية الشبكة إلى أجزاء يُمكن إدارتها، مما يُخفي التعقيد الحقيقي للشبكة.
• تجمع محاكاة التخزين الافتراضية وحدات التخزين الفعلية من أجهزة تخزين شبكية متعددة في وحدة تحكم مركزية مُدارة، تُستخدم محاكاة التخزين الافتراضية بشكل شائع في شبكات منطقة التخزين.
• تُخفي تقنية المحاكاة الافتراضية للخوادم موارد الخادم، بما في ذلك عدد وهوية الخوادم الفعلية الفردية، ووحدات المعالجة المركزية، وأنظمة التشغيل، عن المستخدمين، تُجنّب الخوادم الافتراضية المستخدمين عناء إدارة التفاصيل المعقدة لموارد الخادم، كما أنها تُحسّن مشاركة الخادم والمعالج ونظام التشغيل، بالإضافة إلى استخدام الموارد وسعة التوسع.
• تُجرّد تقنية المحاكاة الافتراضية للبيانات التفاصيل التقنية للبيانات وإدارتها، مثل الموقع والأداء والتنسيق، وبدلاً من ذلك، تُركّز على توسيع نطاق الوصول وزيادة المرونة.
• تُحاكي تقنية المحاكاة الافتراضية لسطح المكتب حمل محطة العمل بدلاً من الخادم، وهذا يُتيح للمستخدم الوصول إلى سطح المكتب عن بُعد، عادةً باستخدام عميل خفيف على المكتب، مع بنية سطح المكتب الافتراضية، تعمل محطة العمل أساسًا على خادم مركز البيانات، ويكون الوصول أكثر أمانًا وقابلية للنقل، ومع ذلك، لا يزال يتعين مراعاة ترخيص نظام التشغيل والبنية التحتية.
• تُجرّد تقنية المحاكاة الافتراضية للتطبيقات طبقة التطبيق عن نظام التشغيل، وهذا يُتيح تشغيل التطبيق بشكل مُغلّف دون الاعتماد على نظام التشغيل الأساسي، تُمكّن تقنية المحاكاة الافتراضية للتطبيقات تطبيق Windows من العمل على Linux والعكس صحيح، وتُضيف مستوىً من العزل.

تُعدّ المحاكاة الافتراضية جزءًا من اتجاه عام في مجال تقنية المعلومات المؤسسية، يشمل الحوسبة الذاتية، حيث تُؤتمت بيئة تقنية المعلومات عملياتها أو تُدير نفسها بناءً على النشاط المُتوقع، كما أنها مرتبطة باتجاه الحوسبة الخدمية عند الطلب، حيث يدفع العملاء مقابل قوة معالجة الكمبيوتر فقط عند الحاجة، تُركّز المحاكاة الافتراضية المهام الإدارية مع تحسين قابلية التوسع.

مزايا المحاكاة الافتراضية

تتمثل الفائدة الرئيسية للمحاكاة الافتراضية في مساعدة المؤسسات على تحقيق أقصى قدر من الإنتاجية، وتشمل المزايا الأكثر تحديدًا ما يلي:

• انخفاض التكاليف: تقلل المحاكاة الافتراضية من عدد خوادم الأجهزة التي تحتاجها الشركات ومراكز البيانات، مما يخفض التكلفة الإجمالية لشراء وصيانة كميات كبيرة من الأجهزة.
• سهولة استعادة البيانات في حالات الكوارث: تُصبح استعادة البيانات في حالات الكوارث بسيطة في بيئة افتراضية، توفر اللقطات المنتظمة بيانات محدثة، مما يسمح للمؤسسات بنسخ الأجهزة الافتراضية احتياطيًا واستعادتها بسهولة، وتجنب فترات التوقف غير الضرورية، في حالات الطوارئ، يمكن نقل الجهاز الافتراضي إلى موقع جديد في غضون دقائق.
• سهولة الاختبار: يُعد الاختبار أقل تعقيدًا في بيئة افتراضية، حتى في حالة حدوث خطأ كبير، يمكن للاختبار أن يستمر دون توقف أو إعادة تشغيل، ببساطة، يعود الاختبار إلى اللقطة السابقة ويتابع.
• سرعة النسخ الاحتياطي: تلتقط البيئات الافتراضية لقطات تلقائية على مدار اليوم لضمان تحديث جميع البيانات، يمكن نقل الأجهزة الافتراضية بسهولة بين الأجهزة المضيفة وإعادة نشرها بكفاءة.
• تحسين الإنتاجية: تتطلب البيئات الافتراضية موارد مادية أقل، مما يقلل الوقت المُستغرق في إدارة وصيانة الخوادم، تُنجز المهام التي تستغرق أيامًا أو أسابيع في البيئات المادية في دقائق معدودة، وهذا يُتيح للموظفين التركيز على مهام أكثر إنتاجية، مثل زيادة الإيرادات ودعم مبادرات الأعمال.
• خوادم مُخصصة: تُوفر المحاكاة الافتراضية طريقة فعّالة من حيث التكلفة لفصل خوادم البريد الإلكتروني وقواعد البيانات والويب، مما يُنشئ نظامًا أكثر شمولية وموثوقية.
• تحسين النشر وإعادة النشر: عند تعطل خادم مادي، قد لا يكون خادم النسخ الاحتياطي جاهزًا أو مُحدّثًا دائمًا، في هذه الحالة، قد تكون عملية إعادة النشر مُرهقة وتستغرق وقتًا طويلاً، ولكن في مركز بيانات افتراضي، تُسرّع أدوات النسخ الاحتياطي الافتراضية العملية إلى دقائق.
• تقليل الحرارة وتحسين توفير الطاقة: تُخاطر الشركات التي تستخدم عددًا كبيرًا من خوادم الأجهزة بارتفاع درجة حرارة موارد الحوسبة المادية، تُقلل المحاكاة الافتراضية عدد الخوادم المُستخدمة لإدارة البيانات.
• الوعي البيئي: تُخلّف الشركات ومراكز البيانات التي تستهلك كميات كبيرة من الكهرباء للأجهزة بصمة كربونية كبيرة، يمكن للتقنية الافتراضية أن تقلل بشكل كبير من كمية التبريد والطاقة المطلوبة، بالإضافة إلى البصمة الكربونية الإجمالية.
• الانتقال إلى السحابة: يمكن نشر الأجهزة الافتراضية من مركز البيانات لإنشاء بنية تحتية لتكنولوجيا المعلومات قائمة على السحابة، إن القدرة على تبني نهج قائم على السحابة مع التقنية الافتراضية تُسهّل عملية الانتقال إلى السحابة.
• عدم الاعتماد على مورد واحد: تتميز الأجهزة الافتراضية باستقلاليتها من حيث تكوين الأجهزة، ونتيجة لذلك، فإن تحويل الأجهزة والبرامج إلى تقنية افتراضية يعني أن الشركة لم تعد بحاجة إلى مورد واحد لهذه الموارد المادية.

قيود المحاكاة الافتراضية

قبل التحول إلى بيئة افتراضية، ينبغي على المؤسسات مراعاة القيود المختلفة:

• التكاليف: قد يكون الاستثمار المطلوب لبرامج وأجهزة التقنية الافتراضية مكلفًا، إذا كانت البنية التحتية الحالية يزيد عمرها عن خمس سنوات، فينبغي على المؤسسات مراعاة ميزانية التجديد الأولية، تتعاون العديد من الشركات مع مزود خدمة مُدارة لتعويض التكاليف من خلال التأجير الشهري وخيارات الشراء الأخرى.
• اعتبارات ترخيص البرامج: ينظر الموردون إلى استخدام البرامج داخل بيئة افتراضية بطرق مختلفة، من المهم فهم كيفية تعامل مورد معين مع ذلك.
• الوقت والجهد: يستغرق التحول إلى المحاكاة الافتراضية وقتًا ويتطلب تدريبًا مكثفًا، ما يستلزم تدريبًا متخصصًا لفريق تقنية المعلومات، علاوة على ذلك، لا تتكيف بعض التطبيقات جيدًا مع البيئة الافتراضية، لذا، يجب أن يكون فريق تقنية المعلومات مستعدًا لمواجهة هذه التحديات ومعالجتها قبل بدء عملية التحول.
• الأمان: تنطوي المحاكاة الافتراضية على مخاطر أمنية فريدة، تُعد البيانات هدفًا شائعًا للهجمات، وتزداد احتمالية اختراق البيانات مع استخدام المحاكاة الافتراضية.
• التعقيد: في البيئة الافتراضية، قد يفقد المستخدمون السيطرة على مهامهم نظرًا لضرورة تعاون أجزاء متعددة من البيئة لإنجاز المهمة نفسها، في حال تعطل أي جزء، قد تفشل العملية برمتها.

المحاكاة الافتراضية مقابل الحاويات

تعتمد كل من المحاكاة الافتراضية وحاويات التطبيقات على تشغيل نسخ متعددة من تطبيقات البرامج أو أنظمة التشغيل على نفس الجهاز المادي، ومع ذلك، لكلتا الطريقتين منهجيات مختلفة، تعتمد المحاكاة الافتراضية على برامج إدارة الأجهزة الافتراضية (Hypervisors) كوسيط بين الجهاز المادي المركزي الأساسي ونسخ البرامج وأنظمة التشغيل، ويُعد تشغيل أنواع مختلفة من التطبيقات ذات متطلبات أنظمة تشغيل مختلفة على نفس برنامج إدارة الأجهزة الافتراضية استخدامًا مثاليًا للمحاكاة الافتراضية.

أما الحاويات، فلا تتطلب برامج إدارة الأجهزة الافتراضية، بل تعتمد على نواة مضيف واحدة كوسيط بين الجهاز المادي ونسخ البرامج، والتي تُعرف بالحاويات، تشترك الحاويات في نفس نظام التشغيل، مما يجعلها بديلاً فعالاً للمحاكاة الافتراضية.

تُعد الحاويات مثالية لمطوري البرامج الذين يبنون تطبيقات معيارية، إذ يمكنهم تطوير كل مكون كحاوية أو خدمة مصغرة، ثم دمجها لاحقًا في تطبيق كامل.

المحاكاة الافتراضية مقابل الحوسبة السحابية

غالبًا ما تكون المحاكاة الافتراضية جزءًا لا يتجزأ من بنية الحوسبة السحابية، ومع ذلك، يمكن للحوسبة السحابية أن تعمل بدون محاكاة افتراضية، فكلتا الطريقتين، المحاكاة الافتراضية والحوسبة السحابية، تشغلان البرامج على العديد من الخوادم، مع ذلك، توجد فروق جوهرية:

• النطاق: تستخدم الحوسبة السحابية استراتيجيات المحاكاة الافتراضية لتزويد العملاء بتطبيقات مختلفة - لكل منها متطلبات نظام تشغيل متباينة - باستخدام نفس الأجهزة المادية، إلا أن الحوسبة السحابية أوسع نطاقًا وتشمل بنية تحتية أكثر شمولًا، مثل أمن البيانات، والتي لا تتطلب المحاكاة الافتراضية.
• التحكم: يحتفظ مزودو الخدمات السحابية بالتحكم في الأجهزة المادية الأساسية، بينما تتطلب المحاكاة الافتراضية، دون الحوسبة السحابية، من المؤسسة إدارة أجهزتها الخاصة والتعامل معها.
• إمكانية الوصول: يمكن الوصول إلى خدمات الحوسبة السحابية من بيئات بعيدة، بينما تقتصر المحاكاة الافتراضية بشكل أساسي على البنية التحتية المحلية، يتطلب التشغيل في السحابة وجود بيئة افتراضية، مما يستلزم استخدام الحوسبة السحابية.
• قابلية التوسع والمرونة: تُعد كل من الحوسبة السحابية والمحاكاة الافتراضية من الأساليب القابلة للتوسع التي تسمح بتشغيل عدد غير محدود من نسخ البرامج على الأجهزة المادية حسب الحاجة، مع ذلك، تتطلب المحاكاة الافتراضية ترقيات أكثر استهلاكًا للموارد للتوسع مقارنةً بالحوسبة السحابية.

تاريخ المحاكاة الافتراضية

تعود جذور المحاكاة الافتراضية إلى ستينيات القرن الماضي، عندما طُوّرت برامج إدارة الأجهزة الافتراضية (Hypervisors) واستُخدمت لتشغيل أجهزة كمبيوتر متعددة في البنية التحتية المحلية ومعالجة العمليات التجارية، مثل المعالجة الدفعية.

في تسعينيات القرن الماضي، كانت المؤسسات الكبيرة القادرة على بناء وتشغيل بنى برمجية مركزية لتكنولوجيا المعلومات تُشغّل تطبيقاتها محليًا، وأصبحت المحاكاة الافتراضية طريقة شائعة لتشغيل التطبيقات القديمة دون التقيد بنظام تشغيل واحد، وبفضل هذا النهج، تمكنت المؤسسات من تطبيق تقنيات خوادم أقل تكلفة.

ظلت المحاكاة الافتراضية غير معروفة على نطاق واسع حتى مطلع الألفية الثانية، حين بدأت تكتسب زخمًا، وعلى مرّ العقود، طرحت شركات مثل IBM ومايكروسوفت وريد هات وفي إم وير منتجاتٍ تُقدّم خيارات جديدة للمحاكاة الافتراضية، فعلى سبيل المثال، أطلقت في إم وير تقنية Storage vMotion عام 2007، والتي استُخدمت لمحاكاة التخزين، كما أطلقت مايكروسوفت تقنية Hyper-V للآلات الافتراضية عام 2008، قبل أن تُطلق Windows Azure عام 2010، مُقدّمةً إمكانيات محاكاة افتراضية مُحسّنة.

تشير المحاكاة الافتراضية إلى المحاكاة الافتراضية الكاملة، أما المحاكاة الافتراضية الجزئية فهي نهج مختلف يتضمن محاكاة افتراضية جزئية، تعرّف على الفروقات بين المحاكاة الافتراضية والمحاكاة الافتراضية الجزئية، واستكشف مزايا وعيوب كلٍّ منهما.

الخلاصة

تعتبر تقنية المحاكاة الافتراضية إحدى أبرز الابتكارات التقنية التي أحدثت تحولاً جذرياً في العديد من المجالات، تقوم هذه التقنية على إنشاء بيئات افتراضية تحاكي الواقع بدقة، مما يتيح للمستخدمين تجربة سيناريوهات أو محاكاة عمليات دون الحاجة إلى التفاعل مع العالم المادي.

تتنوع استخدامات المحاكاة الافتراضية بدءاً من التعليم، حيث تُستخدم لإنشاء تجارب تفاعلية تُسهل فهم المواد المعقدة مثل التشريح أو الهندسة، وصولاً إلى مجالات صناعية مثل التدريب على تشغيل المعدات الثقيلة أو اختبار تصميمات هندسية قبل تنفيذها فعلياً، وفي عالم الطب، توفر وسيلة آمنة وفعالة للجراحين للتدريب على العمليات الصعبة، بينما تساعد في مجال الترفيه على خلق عوالم غنية ومبهرة تنقل المستخدم إلى تجربة بعيدة عن الواقع.

ومن أهم مزايا تقنية المحاكاة الافتراضية قدرتها على تقليل التكاليف والوقت، فضلاً عن توفير بيئة خالية من المخاطر عند تنفيذ تدريبات أو تجارب حساسة، ومع تطور هذه التقنية يومًا بعد يوم، تصبح أكثر واقعية وفعالية، ما يجعلها أداة لا غنى عنها في المستقبل لتعزيز الإنتاجية والابتكار في شتى القطاعات.