ما نواة Linux؟

النواة هي برامج كمبيوتر تشكل نواة نظام التشغيل (OS) وتمنح المستخدم تحكمًا كاملاً في عناصر الأجهزة والبرمجيات التي يتكون منها النظام. وتساعد النواة على منع التعارضات بين العمليات المهمة الضرورية لحسن سير عمل النظام. ويتم الاحتفاظ برمز Kernel في ذاكرة الكمبيوتر ويُمكّن جميع التفاعلات بين البرامج والأجهزة؛ على سبيل المثال، الإدخال/الإخراج (I/O)، واستخدام وحدة المعالجة المركزية وذاكرة التخزين المؤقت، وبرامج تشغيل الأجهزة، وأنظمة الملفات، ومآخذ الشبكة.

تم تطوير نواة Linux في عام 1991 من قِبل Linus Torvalds كبديل مجاني لنظام التشغيل Unix، وهو أحد أنظمة التشغيل الأولى التي سمحت للمستخدمين بالتفاعل المباشر مع أجهزة الكمبيوتر. في السنوات التي تلت ذلك، أصبحت نواة Linux وإصدارات النواة اللاحقة وإصدارات النواة حساسة لتوزيعات Linux. اليوم، يتم استخدامها من قِبل بعض أكبر شركات التكنولوجيا والبرمجيات والحوسبة في العالم.  

كل 9-10 أسابيع، يتم الإعلان عن إصدار جديد من نواة Linux . هذه الإصدارات، التي تسمى "النواة المستقرة"، يتم الاعتناء بها من قِبل مطوري نواة Linux والمشرفين على مستودعات Linux ويمكن العثور عليها في kernel.org وGitHub.

إلا أن بعض الموردين، مثل Debian وRed Hat، يفضلون الاحتفاظ بشجرة مصادر مخصصة—وهي مجموعة من جميع مصادر رموز نواة Linux لمشروعاتهم الخاصة. إن هذا النهج له تداعيات بالغة الأهمية على استخدام نواة Linux في العديد من تطبيقات المؤسسات الحديثة مثل الذكاء الاصطناعي (AI) وحوسبة الحافة وإنترنت الأشياء (IoT). 

على سبيل المثال، يُعد نظام Red Hat Enterprise Linux منصة Linux مستقرة وعالية الأداء، تتميز بقدرات أمنية وإدارية مخصصة، وهي مبنية باستخدام شجرة مصادر Linux المخصصة من Red Hat. تستخدم Debian شجرة المصادر الخاصة بها للحفاظ على Ubuntu، وهو رمز مصدر مفتوح أساسي للعديد من بنيات إنترنت الأشياء (IOT). 

النواة هي برنامج كمبيوتر يعمل كقلب نابض لنظام التشغيل، وهو النظام الذي يسمح للمستخدمين بالتفاعل مع أجهزة الكمبيوتر وبرامجه. في حالة نظام التشغيل Linux، فإن نواة Linux هو الرمز الذي شكل العنصر الأساسي لنظام التشغيل، ما يمكّنه من أداء وظائفه.

يتألف نظام التشغيل Linux من عناصر مختلفة إلى جانب نواة Linux، مثل مكتبات النظام ومرافق خدمات مساحة المستخدم والتطبيقات. ومع ذلك، تعتمد جميع هذه العناصر على نواة Linux للتواصل مع نظام التشغيل حتى تتمكن من تلقي الأوامر، مثل الإدخال/الإخراج (I/O)، وتلبية طلبات المستخدم. تُعرف نواة Linux بمرونتها وإمكانية تعديلها وفقًا لحاجة المستخدم أو لتناسب متطلبات برنامج معين.

يحتوي كل إصدار من نواة Linux على دورة حياة حيث يتم اختباره وإصداره للجمهور ثم التخلص التدريجي منه. وتنقسم دورة حياة نواة Linux إلى خمس مراحل: التصحيح المسبق، والخط الرئيسي، والتقييم المستقر، ودعم طويل الأمد (LTS)، ونهاية العمر (EOL). 

• التصحيح المسبق: مطورو Linux يجربون ميزات جديدة في شجرة مصدر النواة.
• الخط الرئيسي: يتم تثبيت التغييرات من خلال إجراء اختبارات وتعديلات صارمة.
• التقييمات المستقرة: تخضع النواة لاختبارات إضافية لإصلاح المزيد من المشكلات الحساسة التي تم تحديدها في مرحلة الخط الرئيسي قبل إصدارها. 
• دعم طويل الأمد (LTS): يتم تحديد بعض النوى فقط على أنها نوى دعم طويل الأمد (LTS) ويتم الاحتفاظ بها لفترة أطول من النوى الأخرى، عادةً لمدة عامين. 
• نهاية العمر : يتم إيقاف دعم النواة التي لم يتم اختيارها للدعم طويل الأمد عند إصدار نواة أحدث.  

اليوم، يُعد Linux أحد أكثر أنظمة التشغيل مفتوحة المصدر استخدامًا في العالم. وهذا يرجع إلى حد كبير إلى مرونة وفعالية نواة Linux. فهو يوفر العديد من القدرات الإدارية والتحكم التي تجعل نظام التشغيل Linux منصة قوية للغاية، بما في ذلك تلك التي تعمل على تشغيل وحدة المعالجة المركزية (العقل النشط لنظام الكمبيوتر) وقدرتها على التواصل مع الشبكات (قدرتها على الاتصال بأجهزة أخرى ومشاركة الموارد والمعلومات). في ما يأتي بعض الفوائد الأكثر شيوعًا التي تحققها المؤسسات من نواة Linux: 

• التجريد: في مصطلحات علوم الكمبيوتر، يعني مصطلح "التجريد" ببساطة حذف المعلومات غير الحرجة للسماح بتفاعل أكثر سلاسة بين الأجهزة والبرامج. تستطيع نواة Linux تجريد الأجهزة الأساسية وإخفاء التفاصيل غير المهمة عن نظام التشغيل وتمكين الأنظمة والبرمجيات من العمل بكفاءة أكبر. 
• التخصيص: يمكن تخصيص نواة Linux لتلبية الاحتياجات المحددة لمستخدمين مختلفين أو أنواع مختلفة من أنظمة التشغيل. وتتطلب عملية التخصيص عادةً تغيير مصدر الرمز للنواة وتجميع صورة نواة مخصصة، وهي ببساطة نواة تم تعديلها لخدمة غرض معين. بعد ذلك، يمكن اختيار ميزات نواة محددة ووحدات نواة محددة—وهي أجزاء من التعليمات البرمجية التي يتم تحميلها أو إلغاء تحميلها في النواة لإضافة وظائف معينة أو إزالتها—لتناسب احتياجات حوسبة معينة. وتوجد وحدات نواة شائعة للمهام والأجهزة مثل الحوسبة عالية الأداء (HPC)، وتطبيقات المؤسسات ووحدات معالجة الرسومات (GPUs).  
• النقل بالحاويات: النقل بالحاويات، عبارة عن تعبئة رمز البرنامج مع مكتبات نظام التشغيل والتبعيات المطلوبة لتشغيله في أي بيئة حوسبة، وهي أمر حساس للعديد من تطبيقات السحابة الأصلية الحديثة. تُعد نواة Linux ضرورية لعملية النقل الحاويات والتقنيات المجاورة مثل Docker وأيضًا Kubernetes التي تجعل الحاويات ممكنة. Docker وKubernetes هما أكثر أداتين للنقل بالحاويات شيوعًا في السوق، حيث تستخدم 94% من الشركات المشمولة بالاستطلاع إما واحدة أو كلتيهما¹. يتم استخدام Docker لإنشاء وتشغيل الحاويات، وKubernetes عبارة عن منصة مفتوحة المصدر لتنسيق الحاويات تعمل على تمكين إدارة نطاق التطبيقات المحفوظة في حاويات وتوسيعه. 
• المحاكاة الافتراضية: يمكن لنواة Linux تشغيل الأجهزة الافتراضية (VMs) على جهاز فعلي واحد باستخدام ميزة "الأجهزة الافتراضية القائمة على النواة (KVM)". وتُعد الأجهزة الافتراضية مهمة لأنها تسمح باستخدام موارد جهاز فعلي واحد، مثل الذاكرة ووحدة المعالجة المركزية وواجهة الشبكة والتخزين، من قِبل أنظمة تشغيل مختلفة على جهاز واحد. وتقوم هذه العملية بشكل أساسي بتحويل نظام Linux إلى مراقب الأجهزة الافتراضية، وهي أداة تستخدم لإدارة الأجهزة الافتراضية ومراقبتها، ما يمنحها القدرات المهمة عندما يتعلق الأمر بإدارة الأجهزة الافتراضية. 

تتكون نواة Linux من ست طبقات متميزة، أو أنظمة فرعية تمكن وظائفها الأساسية: 

• تنفيذ استدعاء النظام (SCI)
• إدارة العمليات
• إدارة الذاكرة
• الذاكرة الافتراضية
• مجموعة الشبكة
• برامج تشغيل الأجهزة

في ما يأتي نظرة فاحصة على كل واحد وكيف يعمل.

تحمل طبقة SCI الوظيفة التي تسمح للنواة بتنفيذ استدعاءات النظام من مساحة المستخدم إلى النواة. هذه قدرة حساسة للغاية من قدرات Linux لأن مساحة المستخدم هي المكان الذي تنفذ فيه التطبيقات وبرامج التشغيل أحمال التشغيل، بينما تكون مساحة النواة مخصصة حصريًا لتشغيل وظائف نظام التشغيل الحساسة. وتشكل طبقة SCI جسرًا بين المساحتين. عندما يتم بدء استدعاء النظام من مساحة المستخدم، على سبيل المثال، طلب تحديث صندوق البريد الإلكتروني أو فتح تطبيق الهاتف المحمول، يؤدي استدعاء النظام إلى تشغيل التبديل إلى طبقة النواة، ما يسمح بإرسال الطلب إلى نظام التشغيل.

تمكّن طبقة إدارة العمليات نواة Linux من تنفيذ العمليات التي تسمح للمستخدمين بالتفاعل مع الكمبيوتر. على سبيل المثال، عندما يتم تشغيل Linux لأول مرة، فإن Init (اختصار لـ "التهيئة")، يجعل النظام في حالة قابلة للاستخدام عن طريق تشغيل البرامج النصية لبدء التشغيل وإدارة مستويات التشغيل. وتمثل كل عملية محاكاة افتراضية فردية للمعالج—على سبيل المثال، رمز مؤشر الترابط والبيانات والمجموعة وسجلات وحدة المعالجة المركزية.  

تدير أجهزة الكمبيوتر الذاكرة الافتراضية باستخدام ما يعرف باسم "الصفحات". الصفحات هي أصغر وحدة بيانات يمكن تقسيمها إلى نظام تشغيل يعتمد على الذاكرة الافتراضية. وتُمكّن طبقة إدارة الذاكرة في نواة Linux نظام التشغيل—ومن ثمّ المستخدم—من إدارة الذاكرة المتاحة لجهاز الكمبيوتر. وتُعدّ الذاكرة الافتراضية حساسة لوظائف جميع البرامج والتطبيقات.

يوفر نظام الملفات الافتراضي (VFS) الخاص بنواة Linux، واجهة مشتركة لأنظمة الملفات. ويعمل VFS كطبقة تبديل بين SCI وأنظمة الملفات التي تدعمها النواة، ما يتيح العديد من الوظائف الحساسة (على سبيل المثال، الفتح والإغلاق والقراءة والكتابة). 

تُعد تجريدات نظام الملفات—بعبارة أخرى، الطريقة التي تظهر بها الملفات والدلائل وأنظمة الملفات للمستخدمين—عنصرًا رئيسيًا آخر من مكونات طبقة VFS، ما يساعد على تقديم تعقيدات نظام الحوسبة بطريقة تمثيلية يسهل على المستخدم فهمها.

يجب أن يتبع كل كمبيوتر على الشبكة، والمعروف أيضًا باسم "العقدة"، بروتوكولات الشبكة—وهي مجموعة صارمة من القواعد لمشاركة البيانات واستقبالها. هذه البروتوكولات ضرورية لتمكين الأجهزة غير المتوافقة من استخدام الشبكة نفسها—على سبيل المثال، هاتف Android وكمبيوتر Mac. 

لتسهيل هذا النوع من الاتصال، تعتمد بروتوكولات الشبكات على البوابات، وهي أجهزة (مثل أجهزة التوجيه) التي تسهل الاتصال بين شبكتين مختلفتين. وتستخدم مجموعة الشبكة في نواة Linux kernel العديد من أجهزة البوابات الشائعة—مثل محولات المعدل ومترجمي البروتوكول وغيرها—لجعل الاتصال عبر الإنترنت بين الأجهزة غير المتوافقة ممكنًا.

توفر برامج تشغيل الأجهزة نظام تشغيل بواجهة برمجية تسمح لجهاز معين بالعمل، مثل لوحة مفاتيح خارجية أو محرك أقراص أو ماوس أو طابعة. ويتكون مصدر الرمز من نواة Linux في الغالب من التعليمات البرمجية الموجودة في برامج تشغيل الأجهزة الخاصة بجهاز معين. 

تنقسم شجرة مصدر Linux، وهو دليل يحتوي على جميع مصادر الرمز لنواة Linux وبرامج تشغيل الأجهزة، إلى مختلف الأجهزة المدعومة واتصالاتها، مثل البلوتوث أو المنفذ التسلسلي. ويتعرف برنامج تشغيل الجهاز على الأوامر المعطاة لجهاز فردي، أو فئة من الأجهزة، ويقوم ببناء طلبات الإدخال/الإخراج التي تحتوي على هذه الأوامر بحيث يعمل الجهاز بالطريقة التي يريدها المستخدم. 

تعتمد الشركات في مختلف الصناعات على نواة Linux والقدرات التي توفرها للحفاظ على ابتكار القوى العاملة وتوفير البرامج والتطبيقات والخدمات التي يعتمد عليها عملاؤها. في ما يأتي بعض حالات استخدام المؤسسات الأكثر شيوعًا لنواة Linux.

تمكّن نواة Linux أجهزة الكمبيوتر وأجهزة الحوسبة من الاتصال بأمان عبر شبكة Wi-Fi أو إيثرنت أو أي نوع آخر من الاتصالات، بغض النظر عن توافق الجهاز. وتتيح هذه الوظيفة مشاركة المعرفة الحساسة والموارد المهمة، مثل استخدام شبكات الإنترنت والتسليم السريع والفعال لمنتجات البرمجيات كخدمة (SaaS) .

تم تجهيز نواة Linux بقدرات أمان قوية تساعد على حماية المستخدمين وأنظمة التشغيل من التهديدات الإلكترونية التي يمكن أن تضر بأجهزة الكمبيوتر والبرامج والتطبيقات والشبكات التي تعمل عليها. وتتضمن هذه التهديدات العديد من أنواع البرامج الضارة المختلفة، مثل برامج الفدية، وأدوات التأصيل، والديدان، والمزيد. وتتم معالجة التهديدات التي تستهدف الثغرات الأمنية في نواة Linux من خلال التصحيحات المتكررة، مثل إصلاحات الأخطاء، التي تؤمن الأنظمة والبرامج التي تعمل عليها. 

مع قيام 89% من الشركات بمبادرات التحول الرقمي²، أصبح تحسين موارد الحوسبة المخصصة للتحول الرقمي جزءًا أساسيًا من معظم إستراتيجيات الأعمال. 

تساعد نواة Linux الشركات على تحقيق التوازن بين احتياجات الموارد الأكثر قيمة—مثل الخوادم وقواعد البيانات والتطبيقات المتطورة—حتى تكون واثقة من أن أنظمتها وشبكاتها تعمل بأعلى مستويات الأداء من خلال عملية تسمى ضبط النواة. 

ضبط النواة هو تعديل إعدادات نواة Linux بمهارة لتحسين الأداء عبر أنظمة فرعية محددة في نواة Linux مثل الشبكات والذاكرة وجدولة العمليات وأنظمة الملفات. في حالة أنظمة الملفات، على سبيل المثال، تتطلب العديد من التطبيقات كثيفة البيانات بما في ذلك ألعاب الفيديو والتطبيقات المالية ومواقع التواصل الاجتماعي ضبط معلمات نظام الملفات لتشغيلها بأعلى المستويات. ويقوم نظام الملفات proc ،وهو نظام ملفات VFS في نظام التشغيل Linux، بالربط بين هياكل البيانات الداخلية في النواة للحصول على بيانات حول النظام بحيث يمكن ضبط معلمات النواة لتحسين أداء التطبيق.

يجب أن تزود الشركات الأكثر نجاحًا اليوم الموظفين بأحدث التقنيات، مثل الكمبيوتر المحمول والأجهزة المحمولة، لكي تزدهر. وتمكّن نواة Linux البرامج والشبكات التي تدعم آلاف الموظفين في مواقع مختلفة—وباستخدام أنواع مختلفة من الأجهزة—من التعاون بسلاسة. وتسمح النواة للأجهزة بالتفاعل باستخدام وحدات أجهزة معينة يمكن تحميلها على النواة بحيث يمكن إدارتها بواسطة نظام التشغيل.

تُعرف إحدى عمليات إدارة أجهزة Linux الشائعة باسم المقاطعة. تساعد المقاطعة على الحفاظ على موارد الحوسبة من خلال السماح لنواة Linux بإيقاف الاتصال بين الجهاز والتطبيق عندما لا يكون ذلك ضروريًا لعملية معينة. وهناك أداة أخرى هي udev، وهي أداة إدارة أجهزة Linux التي تدير إضافة الأجهزة وإزالتها من نظام التشغيل وتتحكم في كيفية ظهور كل جهاز في الدليل.

أصبحت الحوسبة السحابية، وهي توفير الموارد حسب الطلب عبر الإنترنت، أداة أساسية للعديد من المؤسسات الحديثة، حيث تعمل على تحفيز الابتكار وتساعد على تقديم الحلول للعملاء بطريقة سريعة وقابلة للتوسع. 

تعمل نواة Linux على تمكين الحوسبة السحابية بطرق حساسة، وقد أصبحت عنصرًا أساسيًا لجميع أكبر مزودي السحابة في العالم، بما في ذلك Amazon (AWS) وMicrosoft Azure وOracle وGoogle Cloud.

تتيح قابلية التوسع للنواة دعم أنظمة الكمبيوتر الضخمة، مثل أجهزة الكمبيوتر العملاقة وأيضًا مراكز البيانات، دون زيادة الموارد بشكل كبير—وهي القدرة التي تُعد ضرورية للهندسة السحابية. وتُعد نواة Linux مثالية أيضًا لأحمال التشغيل السحابية لأنها مستقرة للغاية، مع فترة تعطل منخفضة نسبيًا. وأخيرًا، فإن نواة Linux متعددة الاستخدامات ويمكنها العمل على أنواع عديدة من الأجهزة، وهي قدرة أساسية في البيئات الافتراضية التي تُعد أساسية في السحابة الحديثة.