تم تقديم مفهوم الآلة الافتراضية حوالي عام 1960. إنه تطور لتقنية مشاركة الوقت. في طريقة مشاركة الوقت ، يتمتع كل برنامج بحق الوصول الكامل إلى جميع موارد الكمبيوتر ولكن في كل مرة ، سيتم تنفيذ برنامج واحد فقط. يقوم النظام بالتبديل بين البرامج في شرائح الوقت مع حفظ واستعادة حالات البرنامج في كل مرة. باستخدام طريقة مشاركة الوقت ، يمكن لعدة مستخدمين استخدام نظام الكمبيوتر في نفس الوقت. طورت مراكز أبحاث IBM طريقة مشاركة الوقت كأجهزة افتراضية. كان CP-67 أول ما تم توفيره هندسة الآلة الافتراضية . تم تطوير أنظمة ذات أجهزة افتراضية متعددة على مضيف واحد وجهاز افتراضي واحد على مضيفين متعددين.
قبل تشغيل أي جهاز جديد تقنية ، يتم اختباره أولاً على المحاكي لاكتشاف العيوب وإعادة إنشائها وإصلاحها في التصميم واتخاذ الخطوات اللازمة. وبالمثل ، قبل تقديم أي برنامج جديد ، يتم محاكاته للتحقق من وجود أي أخطاء وتصحيحها. للقيام بهذه المهمة ، نظام يمكن أن يعمل كبديل للبيئة الرئيسية لبناء تقنية جديدة. هذا هو المكان الذي تظهر فيه الأجهزة الافتراضية في الصورة. إنه بمثابة محاكاة لنظام الكمبيوتر الذي يوفر الوظائف الكاملة للنظام المادي.
ما هي الآلة الافتراضية؟
مع إدخال تقنيات جديدة ونماذج بحثية جديدة ، يتم إطلاق عدد كبير من منتجات الأجهزة والبرامج. تعتمد العديد من البرامج على النظام الأساسي ومن ثم يصعب أحيانًا تصحيحها أو التحقق منها بسبب موارد الأجهزة المحدودة.
الجهاز الظاهري (VM) هو محاكاة لنظام الكمبيوتر ، حيث تستخدم هذه الأجهزة معماريات الكمبيوتر لتوفير وظائف الكمبيوتر الفعلي. يُعرف الجهاز المادي الذي تعمل عليه الأجهزة الافتراضية باسم المضيف ، بينما تُعرف الأجهزة الافتراضية باسم الضيف. يمكن أن يكون للمضيف الواحد عدة أعداد من الضيوف.
أنواع الآلة الافتراضية
يعمل الجهاز الظاهري مثل الكمبيوتر ، ويتم وضع الحماية له من بقية النظام المضيف. لا يمكن للبرنامج الموجود داخل الضيف إجراء تغييرات على برنامج النظام المضيف. وبالتالي ، يمكن اختبار ملفات الفيروسات باستخدام جهاز افتراضي دون التأثير على نظام الكمبيوتر الرئيسي. يُعرف برنامج الكمبيوتر الذي ينشئ الجهاز الظاهري ويديره باسم Hypervisor. بناءً على وظائفهم ، يوجد نوعان مختلفان من الأجهزة الافتراضية - أجهزة افتراضية للنظام ومعالجة الأجهزة الافتراضية.
1). الأجهزة الافتراضية للنظام
توفر هذه الأنواع من VMs افتراضية كاملة. تعمل كبديل للآلة الحقيقية ، وستوفر وظائف لتنفيذ كامل نظام التشغيل . تتم مشاركة موارد الأجهزة وإدارتها ، مما يشكل بيئات متعددة على النظام المضيف. هذه البيئات معزولة عن بعضها البعض ولكنها موجودة على نفس المضيف المادي. وبالتالي ، توفر هذه الأنظمة مشاركة الوقت بين عدة أنظمة تشغيل ذات مهمة واحدة.
للسماح بمشاركة الذاكرة بين الأجهزة الافتراضية المختلفة على جهاز كمبيوتر واحد نظام التشغيل ، يمكن تطبيق أنظمة الذاكرة الزائدة. يمكن مشاركة صفحات الذاكرة التي تحتوي على محتوى متطابق بين العديد من الأجهزة الظاهرية الموجودة على نفس المضيف الفعلي. هذا مفيد للغاية لصفحات القراءة فقط.
2). معالجة الأجهزة الافتراضية (VM)
تُعرف هذه الأجهزة الافتراضية أيضًا باسم الأجهزة الافتراضية للتطبيق ، وبيئات وقت التشغيل المُدارة. يعمل هذا النوع من الأجهزة الافتراضية كتطبيق عادي داخل نظام تشغيل المضيف ، ويدعم عملية واحدة. يتم إنشاؤه مع بدء العملية ويتم إتلافه عند انتهاء العملية. يتم استخدامه لتوفير منصة مستقلة برمجة البيئة للعملية ، مما يسمح لها بالتنفيذ بنفس الطريقة على أي من الأنظمة الأساسية الأخرى.
عملية آلة افتراضية
يتم تنفيذها باستخدام المترجمين الفوريين وتوفر تجريدات عالية المستوى. تستخدم هذه بشكل شائع لبرمجة Java التي تستخدم آلة Java الافتراضية لتنفيذ البرامج. هناك حالة خاصة لعملية VM تلخص آلية الاتصال لمجموعة الكمبيوتر. تحتوي هذه على عملية واحدة لكل آلة مادية في الكتلة. هذه تساعد المبرمج على التركيز على الخوارزمية بدلاً من عملية الاتصال التي يوفرها الربط البيني و آلة افتراضية في نظام التشغيل . يتمتع التطبيق الذي يعمل على أجهزة VM هذه بإمكانية الوصول إلى جميع خدمات نظام التشغيل. آلة افتراضية متوازية ، واجهة تمرير الرسائل هي أمثلة على هذه الأجهزة الافتراضية (VM).
بنيان
برنامج وقت التشغيل هو برنامج المحاكاة الافتراضية الذي ينفذ عملية VM. يتم تنفيذه على مستوى واجهة برمجة التطبيقات لهندسة الكمبيوتر فوق الطبقة المدمجة لنظام التشغيل والأجهزة. هذا يحاكي التعليمات على مستوى المستخدم بالإضافة إلى مكالمات نظام التشغيل أو المكتبة. بالنسبة للجهاز الظاهري للنظام ، يُطلق على برنامج المحاكاة الافتراضية اسم Virtual Machine Monitor (VMM). هذا البرنامج موجود بين جهاز الجهاز المضيف وبرنامج الضيف. يحاكي VMM الأجهزة ISA مما يسمح لبرنامج الضيف بتنفيذ ISA مختلف.
مزايا
فيما يلي بعض مزايا الأجهزة الافتراضية:
- توفر الأجهزة الافتراضية توافق البرامج مع البرامج التي تعمل عليها. وبالتالي فإن جميع البرامج المكتوبة للمضيف الافتراضي ستعمل أيضًا على الجهاز الظاهري.
- يوفر العزل بين أنواع مختلفة من أنظمة التشغيل والعمليات. وبالتالي ، لا يمكن لنظام تشغيل المعالج الذي يعمل على جهاز افتراضي واحد تعديل عمليات الأجهزة الظاهرية الأخرى والنظام المضيف.
- توفر هذه الكبسولات والبرمجيات الموجودة على جهاز افتراضي يمكن تعديلها والتحكم فيها.
- بالنسبة لمضيف أنظمة التشغيل المتعددة ، توفر هذه الميزات العديد من الميزات مثل عدم وجود تمهيد مزدوج ، ونقل الملفات بين الأجهزة الافتراضية ، ولا يؤثر الخطأ في أحد أنظمة التشغيل على نظام التشغيل الآخر الموجود على المضيف ، ويمكن إضافة نظام التشغيل الجديد بسهولة.
- توفر هذه إدارة برامج جيدة مثل هذه يمكنها تشغيل حزمة برامج كاملة للجهاز المضيف ، وتشغيل نظام التشغيل القديم ، وما إلى ذلك.
- هنا من الممكن مشاركة موارد الأجهزة مع مجموعات البرامج المستقلة ولموازنة الحمل ، يمكن نقل الأجهزة الظاهرية إلى أجهزة كمبيوتر مختلفة.
وبالتالي ، أصبحت أنظمة الحوسبة الحديثة أكثر تعقيدًا والتي تحتوي على العديد من مكونات البرامج والأجهزة المتفاعلة بشكل وثيق. هنا ، تعمل المحاكاة الافتراضية كتقنية ربط. تصنع الأجهزة الافتراضية أنظمة فرعية غير متوافقة للعمل معًا. كما يوفر استخدامًا أكثر مرونة وفعالية لموارد الأجهزة بين أنظمة تشغيل متعددة. توفر هذه إمكانية التشغيل البيني بين الأجهزة وبرامج النظام والتطبيقات. ما هي الاختلافات بين العملية آلة افتراضية والجهاز الظاهري للنظام؟
