فهم المحاكاة الظاهرية
- 11 دقائق
تستخدم مراكز بيانات تكنولوجيا المعلومات المحاكاة الظاهرية لدمج الخوادم المخصصة في أجهزة أكثر فعالية من حيث التكلفة من خلال استخدامها كمضيفين للأجهزة الظاهرية. يستخدمه موفرو خدمات السحابة أيضًا لعزل المستخدمين الذين يتشاركون طبقة أجهزة واحدة عن طريق تقسيم الخوادم الفعلية إلى أجهزة ظاهرية. على سبيل المثال، عند توفير مثيل EC2 في AWS، توفر Amazon جهازًا ظاهريًا على خادم في أحد مراكز البيانات التابعة لها وتبدأ في توقيت استخدامك حتى يتمكنوا من إصدار فاتورة لك في نهاية الشهر.
دعنا نفحص مزايا المحاكاة الظاهرية ونفهم سبب أهميتها لحوسبة السحابة.
تمكين نموذج نظام حوسبة السحابة: إحدى حالات الاستخدام الرئيسية للظاهرية هي حوسبة السحابة. كما تعلم، تتبنى حوسبة السحابة نموذجًا يتم بموجبه تقديم البرامج وموارد الحوسبة والتخزين كخدمات. تتضمن هذه الخدمات تطبيقات كاملة مثل محرر مستندات Google (البرامج كخدمة أو SaaS) والأنظمة الأساسية مثل Azure App Service لتشغيل التطبيقات (النظام الأساسي كخدمة أو PaaS) والأجهزة الظاهرية مثل كمثيلات Amazon EC2 (البنية الأساسية كخدمة أو IaaS). يتضمن توفير جهاز ظاهري إنشاء إصدارات افتراضية لكل مكون من مكونات الجهاز الفعلي: وحدة المعالجة المركزية، والذاكرة، والإدخال/الإخراج، والتخزين، وقد أصبح ممكنًا بواسطة برامج Hypervisor، التي تعتمد على كل من البرامج والبرامج الثابتة. تتضمن أمثلة برامج Hypervisor الرائدة Xen وVMware وHyper-V. يستخدم Amazon EC2 Xen لتكوين إعدادات تشغيل الخدمة أجهزة ظاهرية للمستخدمين. يستخدم Azure إصدارا مخصصا من Hyper-V يعرف باسم Azure Hypervisor1.
المرونة: الفائدة الرئيسية للسحابة هي المرونة، أو القدرة على الاستجابة بسرعة لمتطلبات المستخدم من خلال توسيع الموارد والتعاقد معها ديناميكيا. تنطبق هذه الميزة على جميع نماذج الخدمة السحابية - أي SaaS وPaaS وIaaS. كما هو مبين في الشكل 4، تعزز المحاكاة الظاهرية المرونة من خلال السماح للموفرين والمستخدمين بزيادة أو إنقاص موارد السحابة المستخدمة لمهمة ما بشكل ديناميكي. على سبيل المثال، يعمل Google App Engine تلقائيًا على توسيع الخوادم في أثناء ارتفاع الطلب وعقدها عند انخفاض الطلب. يسمح Amazon EC2 للمستخدمين بتوسيع وتعاقد المجموعات الظاهرية يدويًا أو تلقائيًا، وهذا الأخير باستخدام Amazon Auto Scaling. تقوم Azure بالشيء نفسه مع مجموعات مقياس الجهاز الظاهري. باختصار، ظاهرية واجهة المستخدم هي تقنية أساسية للمرونة في السحابة، وحقيقة أنه يمكننا إنشاء وحذف الأجهزة الظاهرية بسرعة هي مفتاح المرونة.
الشكل 4: توفير جهاز ظاهري على نظام فعلي.
وضع الحماية: يوفر الجهاز الظاهري بيئة الاختبار المعزولة التي تعزل بيئة واحدة عن البيئة الأخرى، ما يضمن مستوى من الأمان قد لا يكون ممكنا مع أنظمة التشغيل العادية. أولاً، قد يحجم المستخدم الذي يدير تطبيقًا على جهاز خاص عن نقل تطبيقاته إلى السحابة ما لم تتمكن من ضمان عدم إمكانية الوصول إلى التطبيقات والأنشطة الخاصة به أو مراقبتها من قبل مستخدمي السحابة الآخرين. تلعب المحاكاة الظاهرية دورًا رئيسيًا في ضمان السلامة لكل مستخدم من خلال جعل من المستحيل على مستخدم واحد مراقبة أو تغيير بيانات أو نشاط مستخدم آخر. ثانيًا، إذا فشل أحد التطبيقات التي تعمل في جهاز ظاهري واحد، فلن يؤثر ذلك على التطبيقات التي تعمل في أجهزة ظاهرية أخرى، حتى إذا كانت الأجهزة الظاهرية تعمل على نفس المضيف. تعرف هذه الخاصية باسم احتواء الخطأ، وتزيد من قوة النظام. في بيئة غير ظاهرية، على النقيض من ذلك، يمكن أن يؤدي السلوك غير المنتظم لتطبيق واحد إلى انهيار النظام بأكمله.
كما هو موضح في الشكل 5، تقدم بيئة الاختبار المعزولة إمكانيات أخرى مثيرة للاهتمام أيضًا. يمكن استخدام جهاز ظاهري محدد كبيئة الاختبار المعزولة حيث يمكن السماح بهجمات الأمان ومراقبتها بأمان - على سبيل المثال، هجوم لقطع الخدمة أو الحزم الضارة المُدرجة في دفق البيانات باتصالات IP المشروعة. تسمح هذه التقنية للباحثين بفحص تأثيرات مثل هذه الهجمات، وكشف سلوكياتهم المحددة، وإعادة عرضها حتى يتمكنوا من تصميم دفاعات ضد الهجمات المستقبلية دون القلق بشأن المساومة على خادم فعلي. علاوةً على ذلك، يمكن لفرق الأمن إرسال حزم بيانات شبكة مشبوهة أو مدخلات إلى جهاز ظاهري اختبار معين قبل إعادة توجيهه إلى الجهاز الظاهري المقصود لمنع أي تأثير ضار محتمل. يمكن التخلص من الجهاز الظاهري بعد أن يؤدي الغرض منه، في حين أن إعادة توفير خادم فعلي مكلف ويستغرق وقتًا طويلاً.
الشكل 5: استخدام الأجهزة الظاهرية لعزل الهجمات وتحليلها.
تحسين استخدام النظام وخفض التكاليف واستهلاك الطاقة: من المعروف أن موارد أجهزة الكمبيوتر غالبا ما تكون غير مستغلة بشكل جيد. تم تطبيق مفهوم مشاركة الموارد بنجاح في أنظمة التشغيل ذات المعالجة المتعددة لتحسين استخدام النظام. تعتمد مشاركة الموارد هذه على تجريد العملية - أي تقسيم التطبيقات قيد التشغيل إلى عمليات منفصلة، كل منها معزول عن العمليات الأخرى.
تأخذ ظاهرية واجهة المستخدم هذه خطوة إلى الأمام من خلال إنشاء وهم لنظام كامل، حيث يمكن استضافة أجهزة ظاهرية متعددة في نفس الوقت، كل منها يقوم بتشغيل صورة نظام التشغيل وتطبيقاته. على سبيل المثال، في خدمات السحابة مثل Amazon EC2، يمكن توفير سبعة أجهزة ظاهرية أو أكثر على خادم واحد، ما يوفر استخدامًا للموارد بنسبة 60% إلى 80% تقريبًا. في المقابل، يعد متوسط استخدام الموارد من 5٪ إلى 10٪ تقريبا نموذجيا في مراكزالبيانات غير الظاهرية 2. تسمح ظاهرية واجهة المستخدم بدمج الخوادم الفعلية في الخوادم الظاهرية التي تعمل على عدد أقل من الخوادم الفعلية عن طريق تمكين استضافة أجهزة ظاهرية على خادم فعلي واحد. يسمى هذا المفهوم دمج الخادم. يؤدي الدمج إلى تحسين استخدام النظام وتقليل التكاليف. يمكن أيضًا ترحيل الأجهزة الظاهرية من خادم إلى آخر لموازنة الأحمال على الخوادم داخل مركز البيانات.
تتمثل الميزة الأخرى لدمج الخادم في تقليل استهلاك الطاقة في مراكز البيانات السحابية. تستهلك مراكز البيانات التي تستضيف التطبيقات السحابية كميات هائلة من الطاقة، ما يؤدي إلى ارتفاع التكاليف التشغيلية وانبعاثاتثاني أكسيد الكربون 3. يعد دمج الخادم طريقة فعالة لتحسين كفاءة الطاقة لمراكز البيانات، من خلال تقليل عدد الخوادم الفعلية المطلوبة. يستخدم خادم فعلي واحد 80% من الوقت ويستهلك طاقة أقل من ثمانية خوادم تستخدم 10% من الوقت. تظهر الدراسات أن دمج الخادم يمكن أن يوفر ما يصل إلى 20٪ على استهلاكالطاقة في مركز البيانات 4، 5.
يعد تقليل استهلاك الطاقة في مراكز البيانات السحابية تحديًا رئيسيًا في حوسبة السحابة. وقد أدى ذلك إلى ابتكارات مثل تحديد مواقع مراكز البيانات تحت الماء للاستفادة من مصادر الطاقة الخضراء وتقليل تكاليفالتبريد 6,7. يذهب ما يصل إلى 40% من كهرباء مركز البيانات النموذجي إلى نظام التبريد. (الآلاف من الخوادم قيد التشغيل تولد الكثير من الحرارة.) في عام 2012، أفادت Google بأنها وفرت مليار دولار على تكاليف التبريد من خلال زيادة درجة الحرارة المحيطة في مراكز البيانات الخاصة بها من 68 إلى 80 درجة فهرنهايت8.
بيئة نظام التشغيل المختلط: كما هو موضح في الشكل 6، يمكن لنظام أساسي واحد للأجهزة يستضيف الأجهزة الظاهرية دعم أنظمة تشغيل متعددة في وقت واحد. توفر هذه القدرة مرونة هائلة للمستخدمين من خلال السماح لهم بتثبيت أنظمة التشغيل والمكتبات والتطبيقات الخاصة بهم. على سبيل المثال، يمكن للمستخدم تثبيت نظام تشغيل واحد لبرامج Office وآخر لتطوير التطبيقات والاختبار، وكلها على حاسوب سطح مكتب واحد أو في السحابة.
الشكل 6: بيئة نظام التشغيل المختلط التي توفرها ظاهرية النظام.
تسهيل البحث: يسمح تشغيل نظام تشغيل في جهاز ظاهري لبرنامج مراقبة الأجهزة الافتراضية بالوصول إلى موارد الأجهزة وعدد أنواع الأحداث المحددة مثل أخطاء الصفحة. يمكن أن يؤخذ تتبع التنفيذ والنسخ الاحتياطية لحالة الجهاز في نقاط الاهتمام المختلفة على مستوى الجهاز الظاهري. هذا ببساطة لا يمكن القيام به على الأنظمة الأصلية. وأخيرًا، يمكن إعادة تشغيل تنفيذ النظام على الأجهزة الظاهرية من الحالة المحفوظة لتحليل سلوك النظام في السيناريوهات المختلفة. يمكن حفظ الحالة الكاملة للجهاز الظاهري واستنساخها وتشفيرها ونقلها واستعادتها - وهي إجراءات ليس من السهل القيام بها مع الأجهزةالفعلية 9. ليس من المستغرب، أنه من الشائع الآن للباحثين في نظام التشغيل إجراء معظم تجاربهم باستخدام الأجهزة الظاهرية بدلا من الأنظمة الأساسية للأجهزة الأصلية10.
اختبار البرامج: تلعب الظاهرية دورا في تطوير البرامج من خلال منح المهندسين طريقة لاختبار البرامج في بيئة يمكن التنبؤ بها وقابلة للنسخ المتماثل ومعزولة وغير محددة للنظام الأساسي.
- النظام الأساسي المحايد: باستخدام الأجهزة الظاهرية، يمكنك اختبار البرامج المكتوبة لنظام التشغيل Linux على جهاز كمبيوتر يعمل بنظام Windows عن طريق استضافة Linux في جهاز ظاهري.
- معزول: إذا تعطل البرنامج، فلن يضر النظام الأساسي
- قابل للنسخ المتماثل: يمكن حذف الجهاز الظاهري بسرعة وتشغيله مرة أخرى
- يمكن التنبؤ به: عند إعادة التشغيل، يكون الجهاز الظاهري في نفس الحالة التي كان عليها عند آخر تشغيل، ويعمل بشكل متماثل على كل جهاز
المراجع
مايكروسوفت (2019). مبادئ التصميم خلف Windows Azure Hypervisor.
ميشيل بيلي (2009). "The Economics of Virtualization: Moving Toward an Application-Based Cost Model" مستند تقني برعاية VMware.
أ. بيلوجازوف ور. بويا (2010). "التخصيص الموفر للطاقة للأجهزة الافتراضية في مراكز البيانات السحابية." CCGrid.
مجموعة قيادة وادي السيليكون (2008). "Accenture, Data Centre Energy Forecast Report." تقرير تقني.
ي. جين ، واي وين ، وك. تشن (2012). "Energy Efficiency and Server Virtualization in Data Centers: An Empirical Investigation." ورش عمل اتصالات الكمبيوتر (INFOCOM WKSHPS).
مايكروسوفت (2018). تحت البحر، تختبر Microsoft مركز بيانات سريع الانتشار، يمكن أن يوفر اتصالاً بالإنترنت لسنوات. https://news.microsoft.com/features/under-the-sea-microsoft-tests-a-datacenter-thats-quick-to-deploy-could-provide-internet-connectivity-for-years/.
مايكروسوفت (2016). مشروع بحثي لشركة Microsoft يضع السحابة في المحيط لأول مرة. https://news.microsoft.com/features/microsoft-research-project-puts-cloud-in-ocean-for-the-first-time/.
AirPac (2012). كيف وفرت Google مليار دولار من تكاليف تبريد مركز البيانات. https://www.airpacinc.com/blog/bid/83313/How-Google-Saved-1-Billion-Dollars-in-Data-Center-Cooling-Costs.
تشين ونوبل (2001). "When Virtual Is Better Than Real." IEEE Computer Society, ،واشنطن العاصمة، الولايات المتحدة الأمريكية
جي سميث ونير (2005). "Virtual Machines: Versatile Platforms for Systems and Processes." مورغان كوفمان.
اختبر معلوماتك
الملاحظات
هل كانت هذه الصفحة مفيدة؟
لا
هل تحتاج إلى مساعدة مع هذا الموضوع؟
هل تريد محاولة استخدام Ask Learn لتوضيح هذا الموضوع أو إرشادك خلاله؟