تُعد المحاكاة الافتراضية تقنية تتيح إنشاء بيئات افتراضية انطلاقًا من جهاز فعلي واحد، مما يوفّر استخدامًا أكثر كفاءة للموارد من خلال توزيعها على بيئات حوسبة متعددة.
وباستخدام البرمجيات، تُنشئ المحاكاة الافتراضية طبقة تجريدية فوق جهاز الكمبيوتر، فتقسّم مكوّنات النظام الواحد — مثل المعالجات والذاكرة والشبكات ووحدات التخزين — إلى عدة أجهزة افتراضية (VMs). ويشغِّل كل جهاز افتراضي نظام التشغيل (OS) الخاص به ويتصرّف كما لو كان كمبيوترًا مستقلًا تمامًا، رغم اعتماده على العتاد نفسه الذي تشاركه معه الأجهزة الافتراضية الأخرى.
في وقتنا الحالي تُعد المحاكاة الافتراضية ممارسة أساسية في هندسة تكنولوجيا المعلومات على مستوى المؤسسات، وعاملاً رئيسيًا مكِّنًا للحوسبة السحابية. فهي تتيح لمزوّدي الخدمات السحابية (CSPs) مثل IBM Cloud وMicrosoft Azure وGoogle Cloud وAmazon Web Services (AWS) الاستفادة المثلى من البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات لديهم لتقديم موارد قابلة للتوسّع. وبالنسبة إلى الشركات، يعني ذلك أنها لا تشتري سوى موارد الحوسبة التي تحتاج إليها فعلًا، ثم توسِّع هذه الموارد بطريقة فعّالة من حيث التكلفة مع تزايد أحمال التشغيل، مما يساعدها على تعظيم عائد الاستثمار.
الرسالة الإخبارية البحثية
اكتشف الأبحاث الناشئة في مجالات الذكاء الاصطناعي، والحوسبة الكمية، والسحابة الهجينة، وغيرها من خبراء IBM من خلال الرسالة الإخبارية الشهرية Future Forward. راجع بيان الخصوصية لشركة IBM.
سيتم تسليم اشتراكك باللغة الإنجليزية. ستجد رابط إلغاء الاشتراك في كل رسالة إخبارية. يمكنك إدارة اشتراكاتك أو إلغاء اشتراكك هنا. راجع بيان خصوصية IBM لمزيد من المعلومات.
يعود ظهور تقنية المحاكاة الافتراضية إلى عام 1964 عندما أطلقت IBM مشروع CP-40، وهو مشروع بحثي لنظام تقاسم الوقت على IBM® System/360. وتطوّر CP-40 لاحقًا إلى CP-67، الذي أثّر في نهاية المطاف في نظام Unix، وهو من أوائل أنظمة التشغيل متعدّدة المستخدمين وتقاسم الوقت، وقد مهّد الطريق لتقنيات المحاكاة الافتراضية الحديثة مثل الأجهزة الافتراضية. وفي عام 1972، أعلنت IBM عن أول منتج رسمي للأجهزة الافتراضية، وهو VM/370 لنظام System/370.
وفي عام 1998، طوّرت VMware نظامًا يعمل على بنية x86 يتيح تقسيم جهاز واحد إلى عدة أجهزة افتراضية، لكل منها نظام التشغيل الخاص به. وفي عام 1999، أطلقت VMware المنتج Workstation 1.0، أول منتج تجاري يتيح للمستخدمين تشغيل أنظمة تشغيل متعددة كأجهزة افتراضية على كمبيوتر شخصي واحد. وقد حاز هذا المنتج شعبية واسعة بين مطوّري البرمجيات نظرًا قدرته على اختبار التطبيقات وتطويرها بسهولة في بيئات أنظمة تشغيل مختلفة.
وبحسب توقعات شركة The Business Research Company، سينمو سوق برمجيات المحاكاة الافتراضية من 85.83 مليار دولار أمريكي في عام 2024 إلى 100.19 مليار دولار أمريكي في عام 2025، بمعدل نمو سنوي مركّب (CAGR) قدره 16.7٪.1
تسهم التطورات في حوسبة الحافة، وتقنية النقل بالحاويات، واعتماد السحابة الهجينة وبيئات السحابة المتعددة، إلى جانب التركيز المتزايد على الأمن والامتثال، في دفع هذا النمو. ومن الاتجاهات الناشئة الأخرى التي تدعم نمو سوق المحاكاة الافتراضية دمج إنترنت الأشياء (IOT) والذكاء الاصطناعي (AI) والتعلم الآلي (ML).
توفّر المحاكاة الافتراضية العديد من الفوائد لمراكز البيانات المحلية والسحابية التي تدعم عمليات تكنولوجيا المعلومات، ومن بينها ما يلي:
قبل ظهور المحاكاة الافتراضية، كان موظفو تكنولوجيا المعلومات يخصّصون وحدة معالجة مركزية (CPU) فعلية مكرّسة لكل خادم تطبيق، ويقومون بإعداد خادم مستقل لكل تطبيق. وقد جرى تبنّي هذا النهج، القائم على تشغيل تطبيق واحد ونظام تشغيل واحد على كل كمبيوتر، لما يوفّره من الموثوقية. لكن غالبًا ما كانت الخوادم الفعلية لا تُستغل بكامل طاقتها.
وعلى النقيض من ذلك، تتيح محاكاة الخوادم افتراضيًا تشغيل عدة تطبيقات على خادم فعلي واحد (غالبًا خادم x86)، مع تخصيص جهاز افتراضي (VM) ونظام تشغيل مستقل لكل تطبيق، من دون التضحية بعامل الموثوقية. تعزز هذه القدرة الاستفادة من قدرة الحوسبة في الأجهزة الفعلية وتحسن استخدام الموارد.
ويُسهم استبدال أجهزة الكمبيوتر الفعلية بأجهزة افتراضية معرَّفة برمجيًا في تسهيل إدارة السياسات وتطبيقها عبر البرمجيات. ويسمح ذلك بإنشاء مهام سير عمل مؤتمتة لإدارة خدمات تكنولوجيا المعلومات. فعلى سبيل المثال، تتيح أدوات النشر والتكوين المؤتمتة لمسؤولي النظام تعريف الأجهزة الافتراضية والتطبيقات كخدمات ضمن قوالب برمجية، يمكنهم نشرها بالطريقة نفسها من دون إعداد يدوي في كل مرة.
وبالإضافة إلى ذلك، يمكن لسياسات الأمان في بيئات المحاكاة الافتراضية فرض إعدادات أمان مختلفة بحسب دور كل جهاز افتراضي ووظيفته. يمكن لهذه السياسات أيضًا تعزيز كفاءة استخدام الموارد من خلال إخراج الأجهزة الافتراضية غير المستخدمة من الخدمة، مما يوفّر المساحة وطاقة الحوسبة.
قد تؤدي أعطال أنظمة التشغيل أو التطبيقات إلى فترات توقّف عن العمل، وهو ما يعيق إنتاجية المستخدمين. تتيح المحاكاة الافتراضية لمسؤولي الأنظمة تشغيل عدة أجهزة افتراضية احتياطية بالتوازي، ثم التحويل تلقائيًا بينها عند حدوث أي خلل. أما تشغيل عدة خوادم فعلية احتياطية فيكون أكثر تكلفة بكثير.
قد يستغرق إعداد جهاز مخصص لكل تطبيق وقتًا طويلًا. ولكن إذا كانت البنية المادية جاهزة، فإن تهيئة أجهزة افتراضية لتشغيل التطبيقات تكون أسرع بكثير. وبات من الممكن لأدوات إدارة الأجهزة الافتراضية أتمتة هذه العملية، مما يُبسِّط سير العمل ويجعله أكثر سلاسة.
تُحسِّن المحاكاة الافتراضية قدرات التعافي من الكوارث من خلال تمكين استعادة الخدمات بسرعة مع تقليص فترات التعطُّل إلى الحد الأدنى. وبما أن الأجهزة الافتراضية يمكن نقلها أو استنساخها أو نسخها احتياطيًا بسهولة، تصبح إعادة الأنظمة إلى وضع التشغيل أسرع وأكثر كفاءة مقارنة بالخوادم الفعلية التقليدية.
تساعد المحاكاة الافتراضية في خفض تكاليف شراء الأجهزة وصيانتها، بالإضافة إلى تقليل استهلاك الطاقة. إذ يَحدّ دمج الخوادم الفعلية في صورة أجهزة افتراضية من الحاجة إلى عتاد إضافي، مما يوفّر في النفقات الرأسمالية والتشغيلية معًا.
للاطلاع بشكل أعمق على مزايا المحاكاة الافتراضية، يُرجى مراجعة مقال "5 فوائد للمحاكاة الافتراضية".
تعتمد المحاكاة الافتراضية على عدة عناصر رئيسية لإنشاء البيئات الافتراضية وإدارتها. ويؤدي كل عنصر منها دورًا محوريًا في ضمان توزيع الموارد بكفاءة، بحيث يمكن تشغيل عدة أجهزة افتراضية في الوقت نفسه من دون تداخل فيما بينها.
الجهاز الفعلي، يُشار إليه أيضًا باسم "الجهاز المضيف"، هو مكوّن العتاد (مثل الخادم أو الكمبيوتر) الذي يوفّر وحدات المعالجة المركزية والذاكرة والتخزين وموارد الشبكة للأجهزة الافتراضية.
أمّا الجهاز الافتراضي (VM) فهو بيئة برمجية افتراضية تحاكي جهاز كمبيوتر فعليًا. وغالبًا ما يُشار إلى الأجهزة الافتراضية بوصفها "أجهزة مُستضافة"، تعمل على جهاز مُضيف.
وعادةً ما تتكوّن الآلة الافتراضية من عدة ملفات، تشمل ملفات الإعداد، ومساحة تخزين القرص الصلب الافتراضي، وغيرها من الاعتماديات.ومن خلال مشاركة موارد النظام بين هذه الأجهزة الافتراضية، توفّر المحاكاة الافتراضية قابلية توسّع عند الطلب، وكفاءة أعلى في الاستخدام، وتوفيرًا في التكاليف.
مراقب الأجهزة الافتراضية (hypervisor) هو طبقة برمجية تنسّق عمل الأجهزة الافتراضية. وهو يعمل كواجهة بين الجهاز الافتراضي والأجهزة الفعلية الأساسية، مما يضمن أن يحصل كل جهاز افتراضي على الموارد الفعلية التي يحتاجها للتنفيذ. كما يضمن ألّا تتداخل الأجهزة الافتراضية مع بعضها بعضًا من خلال التأثير في مساحة الذاكرة أو دورات الحوسبة الخاصة بالأجهزة الأخرى
هناك نوعان من مراقب الأجهزة الافتراضية:
يعمل مراقب الأجهزة الافتراضية من النوع 2 كتطبيق على نظام تشغيل موجود. ويُستخدم عادةً على أجهزة نقطة النهاية لتشغيل أنظمة تشغيل مستضافة، ويتحمّل عبئًا إضافيًا على الأداء لأنه يجب أن يستخدم نظام التشغيل المضيف للوصول إلى موارد العتاد الأساسية وتنسيقها.
إلى جانب المُحاكاة الافتراضية للخوادم، يمكن إخضاع العديد من أنواع البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات للمُحاكاة الافتراضية، بما يوفّر مزايا كبيرة لمديري تكنولوجيا المعلومات على وجه الخصوص وللمؤسسة ككل. تتضمن هذه الأنواع من المُحاكاة الافتراضية ما يلي:
تتيح لك المُحاكاة الافتراضية لسطح المكتب تشغيل عدة أنظمة تشغيل لسطح المكتب، كلٌ منها في جهاز افتراضي خاص به على الكمبيوتر نفسه.
هناك نوعان من المُحاكاة الافتراضية لسطح المكتب:
لمزيد من المعلومات حول أجهزة سطح المكتب الافتراضية، انظر "ما المقصود بسطح المكتب كخدمة (DaaS)؟"
تستخدم المحاكاة الافتراضية للشبكات البرامج لإنشاء "صورة منطقية" للشبكة يمكن لمسؤول الشبكة من خلالها إدارتها من خلال وحدة تحكم مركزية واحدة. وتعمل هذه التقنية على تجريد عناصر ووظائف الأجهزة (مثل الاتصالات والمحوّلات وأجهزة التوجيه) وتحويلها إلى طبقة برمجية تعمل فوق مراقب الأجهزة الافتراضية (Hypervisor). وبهذا يمكن لمسؤول الشبكة الافتراضية تعديل هذه العناصر والتحكم فيها من دون الحاجة للتعامل مباشرة مع المكوّنات المادية الأساسية، مما يبسّط إدارة الشبكة إلى حدٍّ كبير.
تتضمن أنواع المحاكاة الافتراضية للشبكات ما يلي:
تُتيح المُحاكاة الافتراضية للتخزين التعامل مع جميع أجهزة التخزين على الشبكة، سواء كانت مُثبّتة على خوادم منفردة أو على وحدات تخزين مستقلة، بوصفها جهاز تخزين واحدًا يمكن الوصول إليه وإدارته. وبالتحديد، تقوم المُحاكاة الافتراضية للتخزين بدمج جميع كُتل التخزين في مخزون مشترك واحد يمكن منه تخصيص السعة لأي جهاز افتراضي على الشبكة حسب الحاجة. وتُبسِّط المُحاكاة الافتراضية للتخزين عملية توفير السعة التخزينية للأجهزة الافتراضية، وتُسهِم في الاستفادة القصوى من إمكانات التخزين المتاحة على الشبكة.
ويعتمد مزوّدو الخدمات السحابية على المُحاكاة الافتراضية للتخزين لتقديم خدمات التخزين السحابي، بما في ذلك تخزين الكتل وتخزين الكائنات وتخزين الملفات.
تُخزّن المؤسسات الحديثة البيانات الصادرة عن تطبيقات متعددة باستخدام صيغ ملفات مختلفة وفي مواقع متعدّدة، بدءًا من السحابة ووصولًا إلى أنظمة الأجهزة والبرمجيات المحلية. تسمح المُحاكاة الافتراضية للبيانات لأي تطبيق بالوصول إلى كل تلك البيانات، بغضّ النظر عن مصدرها أو تنسيقها أو موقعها.
وتُنشئ أدوات المُحاكاة الافتراضية للبيانات طبقة برمجية بين التطبيقات التي تصل إلى البيانات والأنظمة التي تقوم بتخزينها. وتعمل هذه الطبقة على ترجمة طلبات البيانات أو الاستعلامات الصادرة عن التطبيق حسب الحاجة، ثم تُرجِع نتائج يمكن أن تمتد عبر عدة أنظمة مختلفة. ويمكن أن تُسهم المُحاكاة الافتراضية للبيانات في إزالة عزلة البيانات عندما لا تكون أنواع التكامل الأخرى ممكنة أو مرغوبة أو مُجدية من حيث التكلفة.
تُشغِّل المُحاكاة الافتراضية للتطبيقات برمجيات التطبيق من دون تثبيتها مباشرةً على نظام تشغيل المستخدم. تختلف هذه التقنية عن المُحاكاة الافتراضية الكاملة لسطح المكتب؛ إذ يعمل التطبيق وحده في بيئة افتراضية، بينما يواصل نظام التشغيل على جهاز المستخدم النهائي العمل كالمعتاد.
هناك ثلاثة أنواع من المُحاكاة الافتراضية للتطبيقات:
تُجَرِّد المُحاكاة الافتراضية لمركز البيانات معظم مكوّنات مركز البيانات المادية في صورة برمجيات، مما يتيح للمسؤول عمليًا تقسيم مركز بيانات فعلي واحد إلى عدة مراكز بيانات افتراضية لعملاء مختلفين.
ويمكن لكل عميل الوصول إلى البنية التحتية الخاصة به كخدمة (IaaS)، مع أنها جميعًا تعمل على مجموعة الأجهزة الفعلية الأساسية نفسها. وتُوفِّر مراكز البيانات الافتراضية مدخلًا بسيطًا إلى الحوسبة المعتمدة على السحابة، إذ تُمكِّن الشركة من إعداد بيئة مركز بيانات متكاملة بسرعة من دون الحاجة إلى شراء أجهزة البنية التحتية.
تُعَدّ المُحاكاة الافتراضية لوحدة المعالجة المركزية (CPU) التقنيةَ الأساسية التي تُمكِّن عمل مراقب الأجهزة الافتراضية (Hypervisor)، والأجهزة الافتراضية، وتشغيل أنظمة تشغيل مختلفة. وتُتيح تقسيم وحدة معالجة مركزية واحدة إلى عدة وحدات معالجة مركزية افتراضية تستخدمها أجهزة افتراضية متعدّدة.
في البداية كانت المُحاكاة الافتراضية لوحدة المعالجة المركزية مُعرَّفةً بالكامل برمجيًا، لكن العديد من المعالجات الحديثة يتضمّن مجموعات تعليمات موسَّعة تدعم هذه المُحاكاة الافتراضية، مما يُحسِّن أداء الأجهزة الافتراضية.
وحدة معالجة الرسوميات (GPU) هي معالج خاص متعدِّد الأنوية يساهم في تحسين الأداء العام للحوسبة من خلال تولّي عمليات المعالجة الرسومية أو الحسابية كثيفة الحمل. تتيح المُحاكاة الافتراضية لوحدة معالجة الرسوميات (GPU) لعدة أجهزة افتراضية الاستفادة من كل طاقة المعالجة المتاحة في وحدة معالجة رسوميات واحدة أو جزء منها، لتسريع تشغيل تطبيقات الفيديو وتطبيقات الذكاء الاصطناعي وغيرها من التطبيقات التي تتطلب رسوميات أو معالجة حسابية كثيفة.
النوعان الرئيسيان من وحدات معالجة الرسوميات في البيئات الافتراضية هما:
يتضمّن نظام Linux مراقب الأجهزة الافتراضية الخاص به، وهو الجهاز الافتراضي المعتمد على النواة (KVM)، الذي يدعم امتدادات المعالجات من Intel وAMD المخصَّصة للمُحاكاة الافتراضية، لإنشاء أجهزة افتراضية قائمة على معمارية x86 من داخل نظام تشغيل Linux المضيف.
وبوصفه نظام تشغيل مفتوح المصدر، يتميّز Linux بقابلية عالية للتخصيص. ويمكنك إنشاء أجهزة افتراضية تعمل بإصدارات من Linux مُصمَّمة لأحمال تشغيل محددة، أو بإصدارات مُعزَّزة من ناحية الأمان للتطبيقات الأكثر حساسية.
من خلال إخضاع الخوادم ووحدات التخزين وغيرها من موارد مراكز البيانات الفعلية للمُحاكاة الافتراضية، يمكن لمزوّدي الحوسبة السحابية تقديم مجموعة من الخدمات للعملاء، من بينها ما يلي:
لمعرفة المزيد عن هذه النماذج من الخدمات السحابية، تفضل بزيارة صفحة المواضيع لدينا: "مقارنة بين IaaS وPaaS وSaaS."
تُعيد المُحاكاة الافتراضية للخادم إنشاء كمبيوتر كامل على مستوى العتاد، ليقوم بعد ذلك بتشغيل نظام تشغيل كامل. حيث يقوم نظام التشغيل بتشغيل تطبيق واحد فقط. وهذا أكثر كفاءة من عدم استخدام المُحاكاة الافتراضية مطلقًا، لكنه ما يزال يكرّر التعليمات البرمجية والخدمات غير الضرورية لكل تطبيق تريد تشغيله.
أمّا الحاويات فتتّبع نهجًا مختلفًا. فهي تشترك في نواة نظام التشغيل الأساسية، ولا تشغِّل إلا التطبيق والاعتماديات الخاصة به، مثل المكتبات البرمجية ومتغيّرات البيئة. وتجعل هذه الميزة الحاويات أصغر حجمًا وأسرع في النشر.
اطّلع على منشور المدوّنة "الفرق بين الحاويات والأجهزة الافتراضية» . لمقارنة أوضح بينهما.
ويشرح الفيديو "Containerization Explained" أساسيات النقل بالحاويات وكيف تُقارَن بالمُحاكاة الافتراضية باستخدام الأجهزة الافتراضية (VMs).
توفر المُحاكاة الافتراضية العديد من المزايا الأمنية. فعلى سبيل المثال، يمكن استعادة الجهاز الافتراضي المصاب ببرمجيات ضارة إلى نقطة زمنية (لقطة snapshot) كان فيها غير مُصاب ومستقر، كما يمكن حذفه وإعادة إنشائه بسهولة أكبر. ولا يمكن دائمًا إزالة البرمجيات الضارة من نظام تشغيل غير افتراضي، لأن البرمجيات الضارة تكون غالبًا مدمجة بعمق في المكوّنات الأساسية لنظام التشغيل، وتستمر حتى بعد استعادة النظام إلى نقاط سابقة.
وتشمل ميزات الأمان التي تحمي الأجهزة الافتراضية والأجهزة الفعلية الأساسية ضوابط الوصول، والتحديثات المنتظمة، وتقسيم الشبكة، والتشفير. بالإضافة إلى ذلك، توفّر حلول الأمان القائمة على البرمجيات أدوات مراقبة للأجهزة الافتراضية تُساعِد في تلبية متطلبات الامتثال، وتوفّر كشفًا فوريًا للتهديدات وغير ذلك من الإمكانات.
وتقدّم شركات عديدة حلول مُحاكاة افتراضية متخصّصة، مُصمَّمة لحالات استخدام مختلفة، بما في ذلك المُحاكاة الافتراضية للخوادم وسطح المكتب والتطبيقات. فيما يلي بعض أبرز هذه الحلول المتاحة في السوق:
Red Hat OpenShift on IBM Cloud هي منصة حاويات OpenShift (OCP) المُدارة بالكامل.
محاكاة افتراضية آمنة وفعالة وجديرة بالثقة للتخزين لبيئات VMware مع IBM Spectrum Virtualize.
العثور على حل البنية التحتية السحابية الذي يلبي احتياجات أعمالك وتوسيع نطاق الموارد عند الطلب.