ما المقصود بالمحاكاة الافتراضية للخوادم؟

تعد المحاكاة الافتراضية للخوادم إحدى الركائز الأساسية في بيئات تكنولوجيا المعلومات الحديثة بالمؤسسات. فعلى سبيل المثال، عندما تحجز رحلة طيران، أو تبث حدثًا موسيقيًا مباشرًا، أو تصل إلى أحد تطبيقات الشركة عن بُعد، فإن التطبيقات التي تقف وراء هذه التجارب تكون في الغالب مستضافة على خوادم افتراضية. وتتيح هذه البنية التحتية للمؤسسات تشغيل آلاف أحمال التشغيل مع تقليل الاعتماد على الأجهزة المادية.

في البيئات التقليدية للخوادم، تخصص المؤسسات خادمًا فعليًا واحدًا لكل تطبيق، ما يترك جزءًا كبيرًا من قدرات الخوادم غير مستغل.وتغيّر المحاكاة الافتراضية للخوادم هذا الواقع. إذ تتشارك عدة أجهزة افتراضية (VMs) خادمًا فعليًا واحدًا، مع موارد مخصصة لكل منها وعزل كامل عن غيرها. والنتيجة هي بنية تحتية أقل تكلفة في التشغيل، وأسرع في التوسع، وأكثر كفاءة في الإدارة.

واليوم، تشكل افتراضية الخوادم أساسًا للحوسبة السحابية وعمليات مراكز البيانات الحديثة.وتقدّر دراسة أجرتها SkyQuest قيمة السوق العالمية للمحاكاة الافتراضية للخوادم بنحو 9.0 مليارات دولار أمريكي في عام 2024. ويتوقع التقرير أن تصل هذه القيمة إلى 13.96 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2033، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 5.0%.¹

ومع اتجاه المؤسسات إلى دمج مراكز البيانات وإدارة بيئات السحابة المتعددة الهجينة، ازدادت المتطلبات المفروضة على البنية التحتية الافتراضية. كما تمنح افتراضية الخوادم المؤسسات المرونة اللازمة لدعم أحمال تشغيل الذكاء الاصطناعي (AI) وتلبية متطلبات سيادة البيانات عند إدارة البنية التحتية عبر مناطق جغرافية متعددة.

لفهم المحاكاة الافتراضية للخوادم، من المفيد استعراض بعض التقنيات ذات الصلة التي تشكّل الأساس للبنية التحتية الحديثة لتكنولوجيا المعلومات:

• المحاكاة الافتراضية
• الحاويات
• Kubernetes
• الخدمات المرتكزة على السحابة

تستخدم المحاكاة الافتراضية البرمجيات لإنشاء طبقة تجريد فوق الأجهزة الفعلية، بحيث تُقسَّم موارد خادم واحد، مثل وحدة المعالجة المركزية والذاكرة والتخزين والشبكات، إلى عدة أجهزة افتراضية (VMs).

ويعمل كل جهاز افتراضي بنظام تشغيل مستقل خاص به، ويتصرف كما لو كان خادمًا منفصلًا، رغم اشتراكه في العتاد الأساسي نفسه.

ومع تحديث المؤسسات لبنيتها التحتية، ظهرت الحاويات إلى جانب الأجهزة الافتراضية بوصفها عنصرًا أساسيًا في كيفية بناء الفرق للتطبيقات ونشرها.

ففي حين تُحاكي الأجهزة الافتراضية العتاد، تُحاكي الحاويات نظام التشغيل، إذ تقتصر على تضمين التطبيق وتبعياته فقط، مما يجعلها أخف وزنًا وأسرع نشرًا.

وقد أصبحت Kubernetes المنصة القياسية لتنسيق الحاويات على نطاق واسع، مع أتمتة النشر والتوسع والإدارة عبر بيئات السحابة الهجينة والسحابة المتعددة.

ويُستخدم Kubernetes على نحو شائع مع الخدمات المُصغَّرة، التي تتيح للمؤسسات تقسيم التطبيقات إلى خدمات أصغر مستقلة يسهل نشرها وإدارتها.

ويقدّم مزودو الخدمات السحابية، مثل Amazon Web Services (AWS) وGoogle Cloud وMicrosoft Azure وIBM® Cloud، خدمات البنية التحتية والبرمجيات من خلال ثلاثة نماذج رئيسية تعتمد على الخوادم الافتراضية:

• يوفّر نموذج البنية التحتية كخدمة (IaaS) موارد حوسبة وتخزين وشبكات افتراضية يمكن للمؤسسات تهيئتها وتوفيرها وفق نموذج الخدمة الذاتية. وتُعد الخوادم الخاصة الافتراضية (VPS)، على سبيل المثال، من العروض الشائعة ضمن نموذج IaaS، إذ تمنح الشركات موارد مخصصة من دون تكلفة امتلاك الأجهزة الفعلية.

• توفر المنصة كخدمة (PaaS) منصة سحابية متكاملة عند الطلب، تشمل على سبيل المثال الأجهزة والبرمجيات والبنية التحتية، لتطوير التطبيقات وتشغيلها وإدارتها.

• أما البرمجيات كخدمة (SaaS)، وهي النموذج الأكثر شيوعًا، فتقدم تطبيقات تعمل بالكامل في السحابة، مثل Zoom وGoogle Workspace.

تعتمد المحاكاة الافتراضية للخوادم على مجموعة من العناصر التي تعمل معًا لإنشاء البيئات الافتراضية وإدارتها:

• خادم Bare metal server: يوفر العتاد الفعلي الأساسي للخادم، ويشار إليه أيضًا باسم Bare Metal Server، الموارد التي تتشاركها جميع الخوادم الافتراضية.

• مراقب الأجهزة الافتراضية (hypervisor):مراقب الأجهزة الافتراضية هو طبقة برمجية تعمل مباشرة فوق خادم Bare Metal Server، وتتولى إدارة تخصيص الموارد والحفاظ على عزل كل جهاز افتراضي عن الأجهزة الأخرى. وتشمل أبرز منصات المحاكاة الافتراضية VMware vSphere (Broadcom) وMicrosoft Hyper-V وIBM® PowerVM وRed Hat KVM وCitrix.

• الأجهزة الافتراضية (VMs): الأجهزة الافتراضية هي بيئات افتراضية مستقلة يمكن لكل منها تشغيل نظام التشغيل والتطبيقات الخاصة بها كما لو كانت تعمل على عتاد مخصص.

• نظام التشغيل الضيف: يمكن لكل جهاز افتراضي على المضيف الفعلي نفسه تشغيل نظام تشغيل مختلف. فعلى سبيل المثال، قد يعمل أحد الأجهزة الافتراضية بنظام Windows Server، بينما يعمل جهاز آخر بنظام Linux على جهاز bare metal نفسه.

• واجهات الشبكة الافتراضية: تتيح الشبكات المعرّفة بالبرمجيات (SDN) للأجهزة الافتراضية التواصل فيما بينها ومع الشبكات الخارجية. فعلى سبيل المثال، يمكن لشركة تجزئة تشغيل خادم الويب وقاعدة البيانات ومعالجة المدفوعات على أجهزة افتراضية منفصلة فوق الجهاز الفعلي نفسه، على أن يكون لكل منها اتصال الشبكة الخاص بها وسياسات الأمان الخاصة بها.

وفي المحاكاة الافتراضية للخوادم، لا يوجد نهج واحد يصلح لجميع الحالات. تعتمد الطريقة الأنسب على متطلبات أحمال التشغيل، واحتياجات الأداء، ومستوى العزل وإدارة الموارد المطلوبين. وفيما يلي بعض الأنواع الرئيسية للمحاكاة الافتراضية للخوادم: 

• المحاكاة الافتراضية الكاملة
• المحاكاة الافتراضية الجزئية
• المحاكاة الافتراضية على مستوى نظام التشغيل
• المحاكاة الافتراضية المدعومة بالأجهزة

تحاكي المحاكاة الافتراضية الكاملة العتاد الأساسي محاكاةً كاملة، مما يتيح لأنظمة التشغيل الضيفة أن تعمل كما لو كانت تعمل على جهاز فعلي مخصص. ويتولى مراقب الأجهزة الافتراضية جميع التفاعلات بين نظام التشغيل الضيف والعتاد.

وفي هذه الحالة، يمكن تشغيل أي نظام تشغيل تقريبًا بوصفه نظام تشغيل ضيفًا. وهذه الإمكانية تجعل المحاكاة الافتراضية الكاملة النهج الأكثر استخدامًا في بيئات المؤسسات.

أما في المحاكاة الافتراضية شبه الافتراضية، فيُعدَّل نظام التشغيل الضيف ليتواصل مباشرةً مع مراقب الأجهزة الافتراضية بدلًا من الاعتماد على محاكاة كاملة للعتاد. ويؤدي هذا النهج إلى تقليل استهلاك الموارد وتحسين الأداء، ولا سيما في أحمال التشغيل المكثفة من حيث الإدخال/الإخراج.

وبدلًا من إنشاء أجهزة افتراضية منفصلة، تعمل المحاكاة الافتراضية على مستوى نظام التشغيل على تقسيم نظام تشغيل واحد إلى حاويات. وتعمل هذه الحاويات بوصفها مثيلات مستخدم معزولة تشترك في نواة المضيف، مما يجعلها خفيفة الوزن وسريعة الإعداد.

وتعد Docker الأداة الأكثر شيوعًا لهذا النوع من المحاكاة الافتراضية للخوادم، وتُستخدم عادةً في بيئات الخدمات المُصغَّرة وعمليات DevOps، حيث تتواصل التطبيقات عبر واجهات برمجة التطبيقات (APIs).

أما المحاكاة الافتراضية المدعومة بالأجهزة، فتستخدم امتدادات المعالج، مثل Intel VT-x وAMD-V، لتنفيذ مهام المحاكاة الافتراضية على مستوى العتاد، مما يقلل العبء على مراقب الأجهزة الافتراضية ويعزز الأداء العام.

يتيح هذا التكامل على مستوى العتاد للمعالجات الحديثة دعم أحمال التشغيل الافتراضية بكفاءة أعلى، لا سيما للتطبيقات كثيفة الحوسبة مثل الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي (ML). وتستخدم منصات المؤسسات، مثل IBM PowerVM وVMware ESXi، هذا التكامل على مستوى العتاد لتوفير محاكاة افتراضية أسرع لأحمال التشغيل التي تتطلب توافرًا عاليًا وأداءً مرتفعًا.

ويجري أحيانًا الخلط بين المحاكاة الافتراضية للخوادم وتقنية النقل بالحاويات. ومع أن التقنيتين مرتبطتان، فإن كلًا منهما يتبع نهجًا مختلفًا لتشغيل أحمال التشغيل بكفاءة.

• فالمحاكاة الافتراضية للخوادم تعيد إنشاء جهاز كمبيوتر كامل برمجيًا، بحيث يعمل كل جهاز افتراضي بنظام تشغيل مستقل فوق عتاد فعلي مشترك.

• أما الحاويات، فتشترك في نواة نظام التشغيل الأساسية ولا تضم إلا التطبيق واعتمادياته، مما يجعلها أصغر حجمًا وأسرع في النشر.

وتستخدم معظم المؤسسات كلتا التقنيتين، فيما تتولى Kubernetes تنسيق الحاويات عبر هذه البيئات.

توفر المحاكاة الافتراضية للخوادم مزايا تشغيلية ومالية، ومن أبرزها ما يلي:

• تحسين استخدام الموارد: تتيح المحاكاة الافتراضية للخوادم تشغيل عدة أحمال تشغيل على جهاز واحد، مما يساعد المؤسسات على تحقيق استفادة أكبر من عتادها الحالي.

• الفعالية من حيث التكلفة: يؤدي دمج أحمال التشغيل على عدد أقل من الخوادم الفعلية إلى خفض التكاليف المرتبطة بالأجهزة والطاقة والتبريد ومساحات مراكز البيانات، بما يقلل النفقات الرأسمالية وتكاليف التشغيل معًا.

• قابلية التوسع: تمكّن المحاكاة الافتراضية للخوادم المؤسسات من زيادة استخدام الموارد أو تقليله وفقًا للطلب الفعلي، مع تجنب تكلفة التوفير المفرط للأجهزة لأحمال التشغيل التي لا ترتفع إلا على نحو متقطع.

• زيادة الإنتاجية: قد يستغرق توفير خادم فعلي جديد أيامًا أو أسابيع، في حين لا يستغرق توفير جهاز افتراضي سوى دقائق. كما تساعد الإدارة المركزية للبيئات الافتراضية فرق تكنولوجيا المعلومات على الاستجابة للتغييرات بسرعة أكبر، وتشغيل البيئات عند الطلب، وأتمتة المهام، بما يسرّع تحقيق النتائج.

• مرونة الأعمال: تدعم المحاكاة الافتراضية للخوادم مرونة الأعمال من خلال تمكين الشركات من نسخ الأجهزة الافتراضية وترحيلها بين المضيفين الفعليين بأقل قدر من التعطل. وعند تعطل أحد المضيفين الفعليين، تنتقل الأجهزة الافتراضية تلقائيًا إلى مضيف آخر، بينما يحافظ الترحيل المباشر على استمرار تشغيل التطبيقات أثناء الصيانة المجدولة أو عند وقوع أعطال غير متوقعة.

• الاستدامة: يؤدي دمج الخوادم إلى تقليل متطلبات تصنيع الأجهزة وخفض احتياجات التبريد. وبالنسبة إلى المؤسسات التي لديها التزامات تتعلق بالاستدامة أو متطلبات لإعداد تقارير الممارسات البيئية والاجتماعية وحوكمة الشركات(ESG) ينعكس هذا التحول في صورة انخفاض استهلاك الطاقة في مراكز البيانات وتراجع الأثر البيئي.

• تعزيز الأمان: تنشئ المحاكاة الافتراضية للخوادم عزلًا بين أحمال التشغيل. فعلى سبيل المثال، لا يؤثر وقوع حادث أمني في أحد الأجهزة الافتراضية تلقائيًا في الأجهزة الأخرى الموجودة على المضيف نفسه. ويمكن للمؤسسات تطبيق سياسات أمن البيانات على مستوى الجهاز الافتراضي واستخدام أدوات المراقبة لرصد الأنشطة غير المعتادة عبر الشبكة.

توفر المحاكاة الافتراضية للخوادم مجموعة واسعة من حالات الاستخدام على مستوى المؤسسات، بدءًا من عمليات تكنولوجيا المعلومات اليومية وصولًا إلى استراتيجيات البنية التحتية الأكثر تعقيدًا:

• النسخ الاحتياطي والتعافي من الكوارث (BDR)
• بيئات DevOps وبيئات الاختبار
• المحاكاة الافتراضية لأجهزة سطح المكتب
• الترحيل السحابي
• الحوسبة عالية الأداء
• السيادة الرقمية

ويغيّر الذكاء الاصطناعي أيضًا الطريقة التي تعتمد بها المؤسسات على المحاكاة الافتراضية للخوادم. فمع انتقال المؤسسات من التجارب الأولية للذكاء الاصطناعي إلى مرحلة الإنتاج الكامل، تواجه الخوادم الافتراضية متطلبات أكبر تشمل المزيد من أحمال التشغيل، وارتفاع استخدام الموارد ومتطلبات القدرة المعالجة، وتراجع هامش التحمّل لفترات التعطل.

وتستخدم مراكز البيانات الافتراضية الحديثة الذكاء الاصطناعي على نحو متزايد لإدارة موارد الخوادم بكفاءة أعلى. وبدلًا من الاعتماد على التهيئة اليدوية، تستطيع المؤسسات مراقبة استخدام وحدة المعالجة المركزية، واستهلاك الذاكرة، واختناقات التخزين، والتوسع غير المنضبط في الأجهزة الافتراضية في الوقت الفعلي، مع إعادة موازنة أحمال التشغيل كلما تغيرت الظروف. ويمضي تخطيط السعة التنبئي بهذا النهج إلى مستوى أبعد، إذ يتوقع الطلب قبل بلوغه الذروة بدلًا من الاكتفاء بالاستجابة بعد وقوعه.

يؤثر الذكاء الاصطناعي أيضًا في أمن المحاكاة الافتراضية للخوادم. فمن خلال المراقبة المستمرة لحركة المرور بين الأجهزة الافتراضية وتحليل الأنماط السلوكية، تستطيع المؤسسات تحديد التهديدات في وقت أبكر والاستجابة لها بسرعة أكبر مما تتيحه الأدوات التقليدية القائمة على القواعد.

وبالنسبة إلى المؤسسات التي تدير أحمال تشغيل حساسة للذكاء الاصطناعي، تدعم المحاكاة الافتراضية للخوادم سيادة الذكاء الاصطناعي عبر إبقاء هذه الأحمال على بنية تحتية تخضع لسيطرة المؤسسة.