نظرة عامة على الأنظمة الإفتراضية وانواعها واستخدامها

نظرة عامة على الأنظمة الإفتراضية وانواعها واستخدامها

النظام الإفتراضي هو ملف حاسوب يطلق عليه “صورة” يعمل على الحواسيب الأخرى كما لو كان هو حاسوب مستقل حقيقي. وبعبارة أخرى الآلة الإفتراضية هي إنشاء لحاسوب إفتراضي يعمل داخل نافذة حاسوب آخر تماماً كما تعمل البرامج مما يعطي للمستخدم النهائي تجربة إستخدام على الآلة الإفتراضية مثيلة لتجربة إستخدامه لحاسوب حقيقي.

تكون الآله الإفتراضية معزولة عن نظام التشغيل مما يعني أن أي برمجية تعمل داخل تلك الآلة الإفتراضية لا يمكنها الوصول لأي نوع من أنواع البيانات أو تنفيذ أي أمر على النظام الحقيقي مما يخلق بيئة مثالية لإجراء الإختبارات المختلفة مثل إختبار أنظمة تشغيل جديدة أو الوصول لملفات مصابة بفيروسات أو برمجيات خبيثة بشكل عام دون الإضرار بالنظام الأساسي، أو تشغيل برمجيات تم تصميمها للعمل على أنظمة تشغيل مختلفة عن النظام الأساسي مثل إستخدام برنامج فوتوشوب على نظام تشغيل لينكس بعد تثبيته داخل آلة إفتراضية تستخدم نظام تشغيل ويندوز الذي تم تصميم برنامج فوتوشوب للعمل عليه في الأساس! .. والعديد من الإستخدامات الأخرى.

يمكن لأكثر من آلة إفتراضية أن تعمل على نفس الحاسوب الفزيائي في ذات الوقت ويتم تزويد كل آلة إفتراضية بجزء من العتاد الفيزيائي للحاسوب حيث يتم ربط نصيب كل آلة إفتراضية من المكونات الفيزيائية فتستحوذ كل منها على جزء من المعالج والذاكرة العشوائية والقرص الصلب وواجهات الشبكة والأجهزة الأخرى، مما يوفر الكثير من النفقات بالإستغناء عن شراء العتاد الفيزيائي والذي يأتي مصاحباً لنفقات تشغيلية أخرى، وكذلك خفض تكلفة أنظمة الطاقة والتبريد.

تستخدم الحواسيب برمجية تدعى Hypervisor لتتمكن من إدارة الآلات الإفتراضية وعزلها عن بعضها البعض، غالباً ما تستخدم الخوادم Type 1 hypervisor والذي يعمل على مستوى الهاردوير أسفل طبقة نظام التشغيل أما حواسيب سطح المكتب فغالباً ما تستخدم Type 2 Hypervisor والذي يعمل فوق نظام التشغيل الأساسي ويسمى أيضاً Hosted Hypervisor وفيما يلي سنستعرض تطبيق لكل منهما.

المتطلبات:

– يجب أن تستخدم معالج يدعم virtualization hardware-assisted، يمكنك التحقق من خلال المواقع الرسمية للمنتج أو من خلال هذه القائمة.

– يجب تفعيل خاصية الإفتراضية من إعدادات BIOS، إذا كان المعالج يدعم التقنية ولكن الخاصية معطلة من الإعدادات ستظهر لك نفس الأخطاء عند إستخدام التطبيقات. للدخول لإعدادات BIOS يجب الضغط على زر f12 بعد تشغيل الحاسوب وقبل إقلاع النظام ثم إختيار إعدادات bios من القائمة ثم تفعيل Virtualization من إعدادات المعالج. (في بعض الحواسيب ليس بالضرورة مفتاح f12 ستجد المفتاح الصحيح أسفل أو أعلى الشاشة عند الإقلاع أو جرب مفاتيح f10,f2 .. في حالة عدم وجود أي معلومات في شاشة الإقلاع).

تطبيق Type 1 Hypervisor:

هذا النوع يعمل أسفل طبقة نظام التشغيل كما ذكرنا لذلك فلا يمكن للتطبيقات التي تعمل على نظام التشغيل أن توفر هذا النوع من الإفتراضية ولكن مع ذلك يمكن لمطوري أنظمة التشغيل تضمين Type 1 Hypervisor أسفل طبقة النظام ووضع واجهة برمجية للتعامل معه من خلال نظام التشغيل لناخذ Hyper-V مثالاً على ذلك والذي تم تطويرة في شركة ميكروسوفت ويأتي مدمجاً مع نظام ويندوز 10 (64 بت فقط!).

يمكن تفعيل Hyper-V من لوحة التحكم ثم البرامج والمميزات ثم إيقاف أو تشغيل المميزات..

قم بالتبديل من إصدار home إلى pro إن لم تجد Hyper-V في تلك القائمة.

يمكنك أيضاً تفعيل Hyper-V من خلال الأمر التالي بإستخدام PowerShell (بعد تشغيله كمدير النظام)

Enable-WindowsOptionalFeature -Online -FeatureName Microsoft-Hyper-V -All

أو من خلال cmd (بعد تشغيله كمدير النظام) بإستخدام الأمر التالي

DISM /Online /Enable-Feature /All /FeatureName:Microsoft-Hyper-V

وبعد التفعيل يجب إعادة تشغيل الحاسوب لتجد مدير hyper-v أصبح متوفراً في النظام ..

والذي يمكنك من خلاله تثبيت أنظمة التشغيل المختلفة بإستخدام أمر الإنشاء السريع ..

ستلاحظ وجود أنظمة تشغيل مقترحة هي أوبنتو ونسخة أخرى من نظام ويندوز 10 تناسب بيئة التطوير، ولكن يمكنك إختيار التثبيت من مصدر محلي من الأسفل ثم إختيار ملف صورة ملف ISO لآي نظام آخر ترغب بتثبيته ويجب ترك خيار Secure Boot مفعل في حالة كان النظام ويندوز، بالنسبة لي قمت بإختيار صورة ISO لنظام أوبنتو وبعد ثوان قليلة أصبح النظام الإفتراضي جاهز للإستخدام

لن نخوض هنا في خطوات التثبيت وتفاصيل النظام لكيلا نحيد عن السياق.

ملاحظات:

تختلف إمكانيات Hyper-V المضمن بأنظمة ويندوز عن Hyper-V المضمن بأنظمة ويندوز سيرفر، الخصائص التالية نجدها فقط في ويندوز سيرفر:

•                 Live migration of virtual machines from one host to another
•                  Hyper-V Replica
•                  Virtual Fiber Channel
•                  SR-IOV networking
•                  Shared .VHDX

الخصائص التالية نجدها فقط في ويندوز:

•                 Quick Create and the VM Gallery
•                  Default network (NAT switch)

لا يمكن إستخدام تطبيقات أنظمة إفتراضية أخرى أثناء تفعيل Hyper-V بالرغم من ذلك يمكن إستخدام Hyper-V داخل نظام ويندوز 10 إفتراضي فيما يعرف بـ Nested virtualization

أمثلة أخرى لـ Type 1 Hypervisors:

KVM, RHEV, Xen, VMware ESXI

تطبيقات Type 2 Hypervisors:

هذا النوع الثاني هو الأكثر إنتشاراً والذي ربما قد صادفت بعض المعلومات عنه لشيوع إستخدامه في الحواسيب الشخصية.

أشهر تطبيقات هذا النوع:

–                  VirtualBox

–                 VMware Workstation Pro

–                 Windows Virtual PC

–                 Parallels Desktop/ VMware Fusion for mac OS

تذكر إلغاء تفعيل Hyper-V وتنفيذ الأمر التالي bcdedit /set hypervisorlaunchtype off

ثم إعادة التشغيل لتتمكن من إستخدام أياً من Type 2 Hypervisors  و إن لم يكن أحدها مألوفاً لك فأنصح بـ Virtualbox لأنه مجاني ويمكن تخصيصه لتلبية معظم الخصائص.

واجهة VirtualBox سهلة للغاية يمكنك من خلالها إستيراد نظام إفتراضي بصيغة VDI الخاصة بالبرنامج أو تنسيق VMDK المفتوح الخاص بـ VMware أو VHD الخاص بميكروسوفت و OVF/OVA القياسي، وبالتأكيد يمكن إنشاء نظام إفتراضي جديد والإقلاع من ملف ISO ولاحقاً يمكن تصديره بجميع التنسيقات السابقة للعمل على برامج أخرى أو حفظه للإستخدام لاحقاً.

عند إنشاء نظام جديد ستجد أن البرنامج يدعم أغلب أنظمة التشغيل بإصداراتها

ثم يطلب منك تخصيص حجم الذاكرة العشوائية والسعة التخزينية (تأكد من موافقتهم لأدنى متطلبات النظام الذي ستستخدمه)

وبعد الإنتهاء يمكنك إضافة صورة ISO إلى الآلة الإفتراضية من الإعدادات ..

ثم بدأ التشغيل في إحدى هذه الأوضاع

الوضع الأول بدأ تشغيل في الحالة الطبيعية، والثاني سيتم تشغيل الآلة دون واجهة رسومية(سيعمل النظام الوهمي دون واجهة في الخلفية كما لو أنك شغلت حاسوباً دون توصيل شاشة) وهذا يناسب تشغيل خوادم في الخلفية. أما الخيار الثالث فسيبدأ العمل بشكل طبيعي ولكن مع وجود خيار لفصل الواجهة الرسومية أو إعادة إظهارها في أي وقت (إختصاراً إضغط shift مع زر الإدخال لبدء تشغيل الآلة الإفتراضية في هذا الوضع).

أمر آخر جدير بالذكر هو إعدادات الشبكة التي يقدمها Virtualbox

أولا ستلاحظ وجود أربعة محولات للشبكة Adapter 1,2,3,4 بشكل إفتراضي يتم تنشيط أولها فقط ولكن يمكن تفعيل كل منها على واجهة شبكة مختلفة.

والخيارات التي يمكن تخصيصها للشبكة هي NAT, NAT Network, Bridged Adapter, Internal, Host Only

عند إختيار Internal Network تتمكن الأنظمة الإفتراضية (Guests) على Virtualbox من التواصل فيما بينها بينما لا يمكنها التواصل مع النظام الأساسي (Host) وبالتالي لن يمكنها الوصول للإنترنت أيضاً ولا وصول من الإنترنت لها.

عند إختيار Host-Only تتمكن الأنظمة الإفتراضية من التواصل فيما بينها وأيضاً مع المضيف (Host) بينما لا يسمح لها المضيف بالتواصل عبر الإنترنت إرسالاً ولا إستقبالاً.

عند إختيار Nat سيصل النظام الإفتراضي للإنترنت ولكن لن يستقبل إتصالا واردة إلا بعد إجراء تحويل المنافذ من المضيف، ولن يستطيع الوصول للأنظمة الإفتراضية الأخرى ولا المضيف!

عند إختيار Nat Network سيتصل النظام الإفتراضي بالإنترنت إرسالاً ويتطلب تحويل المنافذ للإستقبال مثل Nat ولكن سيصبح على إتصال بالأنظمة الإفتراضية الأخرى.

وبإختيار Bridged سيصل النظام الإفتراضي بالمُوجه (router) مباشرة فيصبح متصل بالإنترنت والحواسيب الأخرى على الشبكة الرئيسية بما فيها المضيف ويستقبل الإتصالات مباشرة من الإنترنت (على مستوى النظام فلا يتطلب تحويل من المضيف بينما يتطلب تحويل من الموجه نفسه مثلما يتطلب المضيف).

أما خيار generic adapter فهو نادر الإستخدام وله نوعان:

الأول UDP Tunnel ويستخدم في توصيل الأنظمة الإفتراضية التي لا تعمل على نفس النظام المضيف وهذا سيتطلب وجود بنية شبكية تربط الأنظمة المضيفية أولاً.

الثاني VDE ويستخدم للربط بمحول (Switch) وهمي للربط بعديد من الأنظمة الإفتراضية على أكثر من نظام مضيف في نفس الوقت وهذا الخيار لا تجده في برنامج virtualbox الذي قمت بتحميله من الموقع الرسمي بل يجب تحميل الكود المصدي وإعادة تجميع compiling البرنامج مضيفاً هذا الخيار.

جدول آخر يوضح تفاصيل الإتصال بالمضيف:

بشكل إفتراضي الخيار Nat هو المفعل لكل نظام إلى أن تقوم بتغييره، أيضاً يمكنك إلغاء إتصال الشبكة كلياً عن النظام الوهمي بإختيار not attached.

ملاحظة:

لا يمكنك تغيير إعدادات النظام مثل الذاكرة العشوائية وعدد أنوية المعالج للنظام الوهمي إلا بعد إيقافه، أما بالنسبة للشبكة يمكنك تغيير الإعدادت وسيقرأها النظام الوهمي مباشرة إلا إن إفتقر النظام لآلية قراءة تغييرات الشبكة بشكل تلقائي فحينها سيجب عليك إعادة تشغيله أو إستخدام سطر الأوامر لتعيين عناوين الشبكة يدوياً.

وبدراسة وإختبار الـ Hypervisors نجد جوانب قصور في التعامل مع العتاد الصلب على مستوى عال في الخوادم فمثلاً Hyper-V الخاص بميكروسوفت لا يمكنه التعامل مع أكثر من 320 معالج منطقي فإن كنت تملك معالج بأربع أنوية لن تحصل على أكثر من 80 معالج إفتراضي للإستخدام على ذلك الخادم، ويقتصر عمله أيضاً على معالجات 64 بت ويسمح بتيرا بايت من الذاكرة العشوائية لكل نظام إفتراضي كحد أقصى، ولا يمكن تعيين أكثر من 64 تيرا بايت كمساحة قرص للنظام الوهمي. ولا يمكنك مشاركة محول شبكة لاسلكي مع النظام الإفتراضي، يمكنك فقط مشاركة بيانات الإتصال بإعدادات مختلفة أو إستخدام محول لاسلكي إضافي لإتاحته للنظام الوهمي. مزيد عن جوانب القصور.