نظرة عامة على الظاهرية
إن الظاهرية هي أساس نموذج حوسبة السحابة. تقع الظاهرية فوق البنية التحتية للسحابة (أو مركز البيانات) حيث يتم إنشاء الموارد الظاهرية (مثل CPUs الظاهرية والذواكر والأقراص والشبكات) من الموارد الفعلية الأساسية وتعمل كوكلاء لها. وكما هو الحال مع فكرة الحوسبة السحابية، التي تم تقديمها لأول مرة في الستينات، يمكن تتبع الظاهرية إلى عدة عقود، إلى السبعينيات. قبل 40 عامًا، كانت أنظمة الحاسوب المركزي كبيرة ومكلفة. لتلبية احتياجات المستخدمين المتزايدة والملكية المكلفة للجهاز، قدمت هندسة IBM 370، التي تم الإعلان عنها في عام 1970، أجهزة ظاهرية كاملة (VMs) (صور أجهزة ظاهرية) لبرامج مختلفة تعمل على نفس أجهزة الكمبيوتر. مع مرور الوقت، أصبحت أجهزة الحاسوب أقل تكلفة، وبدأ المستخدمون في الهجرة إلى أجهزة سطح المكتب منخفضة السعر. أدى هذا الانتقال إلى تلاشي اعتماد تقنية الظاهرية لفترة من الوقت. تتمتع الظاهرية اليوم بشعبية متجددة، مع عدد من المشاريع البحثية والأنظمة التجارية التي توفر حلولًا ظاهرية لأجهزة الكمبيوتر الشخصية والخوادم والسحابة. الفيديو التالي هو مقدمة مختصرة عن الظاهرية.
في هذه الوحدة، ندرس المكونات المختلفة لتقنية الظاهرية والدور الحاسم الذي تلعبه التكنولوجيا في تمكين الحوسبة السحابية. أولًا، نحدد العوامل الرئيسية التي تجعل من الظاهرية مكونًا أساسيًا لأنظمة الكمبيوتر الحديثة، خاصة بالنسبة للسحابة. ثانيًا، نتعلم كيف يمكن تشغيل العديد من صور الأجهزة والبرامج جنبًا إلى جنب على مورد واحد بينما يتم تزويد كل منها بعزل الأمان وعزل الموارد وعزل الفشل، وكلها متطلبات ضرورية للحوسبة السحابية. قبل الخوض في مزيد من التفاصيل حول الظاهرية، نقدم خلفية موجزة وهي الضرورية لفهم كيفية جعل الموارد الفعلية ظاهرية. على وجه الخصوص، فإننا نشير إلى كيفية إدارة تعقيد النظام من حيث مستويات التجريدات والواجهات المحددة جيدًا. وبعد ذلك، فإننا نعرف مشاركة الموارد، في المساحة والوقت، بأنه أسلوب عام لتحسين استخدام النظام. وتحقيقا لهذه الغاية، نحدد الظاهرية رسميًا ونفحص نوعين رئيسيين من الأجهزة الظاهرية: الأجهزة الظاهرية للنظام والعملية.
بعد إدخال الظاهرية للسحابة وعواملها المحفزة، فإننا نقدم وصفًا تفصيليًا للظاهرية لـ CPU والذاكرة والإدخال/الإخراج (I/O). على وجه التحديد، نحدد أولًا شروط تحويل CPUs إلى ظاهرية، ونتعرف على الفرق بين الظاهرية وشبه الظاهرية، وشرح المحاكاة كأسلوب رئيسي لمحاكاة CPU الظاهرية، وفحص جدولة CPU الظاهرية الخاصة بـ Xen Project. Xen Project هو نظام أساسي ظاهري شائع يستخدمه بعض موفري خدمة السحابة بما في ذلك Alibaba وTenecent. بعد ذلك، نحدد الفرق بين الذاكرة الظاهرية لنظام التشغيل التقليدي والظاهرية لذاكرة النظام، ونشرح المستويات المتعددة من تعيين الصفحة كما فرضتها الظاهرية للذاكرة، ونحدد الالتزام الزائد للذاكرة، ونوضح تضخيم الذاكرة، وتقنية استصلاح الالتزام الزائد للذاكرة في VMware، نظام أساسي ظاهري مشترك آخر. وأخيرًا، نشرح كيف يمكن لأجهزة CPU وI/O الاتصال مع وبدون الظاهرية، ونحدد الواجهات الرئيسية الثلاثة (استدعاء النظام، برنامج تشغيل الجهاز، وواجهات مستوى التشغيل) حيث يمكن تطبيق الظاهرية لـ I/O، وندرس الظاهرية لـ I/O المتعلقة بـ Xen Project.