آلة النظام الافتراضية

يُوصف هذا النهج بأنه محاكاة افتراضية كاملة للأجهزة، ويمكن تنفيذه باستخدام مُشرف أجهزة افتراضية من النوع الأول أو الثاني : يعمل مُشرف الأجهزة الافتراضي من النوع الأول مباشرةً على الأجهزة، بينما يعمل مُشرف الأجهزة الافتراضي من النوع الثاني على نظام تشغيل آخر، مثل لينكس أو ويندوز . يمكن لكل جهاز افتراضي تشغيل أي نظام تشغيل يدعمه الجهاز الأساسي. وبالتالي، يمكن للمستخدمين تشغيل نظامي تشغيل "ضيف" مختلفين أو أكثر في وقت واحد، على أجهزة افتراضية "خاصة" منفصلة.

كان نظام CP-40 من IBM النظام الرائد الذي استخدم هذا المفهوم ، وهو الإصدار الأول (1967) من نظام CP/CMS من IBM (1967-1972) والسلف لعائلة أنظمة VM من IBM (1972-حتى الآن). في بنية VM، يُشغّل معظم المستخدمين نظام تشغيل بسيطًا نسبيًا للحوسبة التفاعلية أحادية المستخدم، وهو CMS ، كنظام "ضيف" فوق برنامج التحكم في VM ( VM-CP ). حافظ هذا النهج على بساطة تصميم CMS، كما لو كان يعمل بمفرده؛ إذ يُوفّر برنامج التحكم خدمات تعدد المهام وإدارة الموارد "خلف الكواليس". بالإضافة إلى CMS، تُنفّذ مهام الاتصال ومهام النظام الأخرى بواسطة أنظمة VM متعددة المهام (RSCS، GCS، TCP/IP، UNIX)، ويمكن للمستخدمين تشغيل أي من أنظمة تشغيل IBM الأخرى، مثل MVS ، أو حتى نظام CP الجديد نفسه أو z/OS . حتى نظام CMS البسيط كان يُمكن تشغيله في بيئة متعددة الخيوط (LISTSERV، TRICKLE). يُعدّ z/VM الإصدار الحالي من VM، ويُستخدم لدعم مئات أو آلاف الأجهزة الافتراضية على حاسوب مركزي مُحدد. تستخدم بعض الأنظمة نظام Linux على IBM Z لتشغيل خوادم الويب ، حيث يعمل Linux كنظام تشغيل داخل العديد من الأجهزة الافتراضية.

تُعدّ المحاكاة الافتراضية الكاملة مفيدةً للغاية في تطوير أنظمة التشغيل، حيث يُمكن تشغيل التعليمات البرمجية التجريبية الجديدة بالتزامن مع الإصدارات الأقدم والأكثر استقرارًا، كلٌّ منها في جهاز افتراضي منفصل. بل يُمكن أن تكون هذه العملية تكرارية : فقد قامت شركة IBM بتصحيح أخطاء الإصدارات الجديدة من نظام تشغيلها للأجهزة الافتراضية، VM ، في جهاز افتراضي يعمل بإصدار أقدم من VM، بل واستخدمت هذه التقنية لمحاكاة أجهزة جديدة. ^{[ ملاحظة 1 ]}

لا يفي تصميم مجموعة تعليمات x86 القياسي المستخدم في أجهزة الكمبيوتر الحديثة بمتطلبات المحاكاة الافتراضية لبوبك وغولدبيرغ . ومن الجدير بالذكر أنه لا يوجد وضع تنفيذ يتم فيه اعتراض جميع تعليمات الآلة الحساسة، وهو ما كان سيسمح بالمحاكاة الافتراضية لكل تعليمة على حدة.

على الرغم من هذه القيود، تمكنت العديد من حزم البرامج من توفير المحاكاة الافتراضية على معمارية x86 ، مع أن إعادة تجميع التعليمات البرمجية ذات الامتيازات ديناميكيًا، كما طبقتها VMware لأول مرة ، تتسبب في بعض التكاليف الإضافية على الأداء مقارنةً بجهاز افتراضي يعمل على معمارية قابلة للمحاكاة الافتراضية أصلاً مثل IBM System/370 أو Motorola MC68020 . والآن، تمكنت العديد من حزم البرامج الأخرى، مثل Virtual PC و VirtualBox و Parallels Workstation و Virtual Iron، من تطبيق المحاكاة الافتراضية على أجهزة x86.

أضافت شركتا إنتل وإيه إم دي ميزات إلى معالجات x86 الخاصة بهما لتمكين المحاكاة الافتراضية في الأجهزة .

بالإضافة إلى محاكاة موارد جهاز واحد، يمكن دمج عدة عقد مستقلة في مجموعة والوصول إليها كجهاز NUMA افتراضي واحد . ^{[ 5 ]}

يمكن للآلات الافتراضية أيضًا أن تؤدي دور المحاكي ، مما يسمح بتشغيل تطبيقات البرامج وأنظمة التشغيل المكتوبة لبنية معالج كمبيوتر أخرى.

تُعدّ تقنية المحاكاة الافتراضية على مستوى نظام التشغيل إحدى تقنيات محاكاة الخوادم ، حيث تُحاكي الخوادم على مستوى نظام التشغيل (النواة). ويمكن تشبيهها بتقسيم النظام: إذ يُقسّم خادم فعلي واحد إلى عدة أقسام صغيرة (تُسمى أيضًا بيئات افتراضية، أو خوادم افتراضية خاصة ، أو ضيوف، أو مناطق، وما إلى ذلك)؛ ويبدو كل قسم من هذه الأقسام وكأنه خادم حقيقي من وجهة نظر مستخدميه.

على سبيل المثال، تدعم مناطق سولاريس تشغيل أنظمة تشغيل ضيف متعددة ضمن نظام تشغيل واحد، مثل سولاريس  10. ^{[ 6 ]} يمكن لأنظمة التشغيل الضيفة استخدام نفس مستوى النواة مع نفس إصدار نظام التشغيل، أو يمكن أن تكون نسخة منفصلة من نظام التشغيل بإصدار نواة مختلف باستخدام مناطق نواة سولاريس. ^{[ 7 ]} تتطلب مناطق سولاريس الأصلية أيضًا أن يكون نظام التشغيل المضيف إصدارًا من سولاريس؛ ولا تدعم أنظمة التشغيل الأخرى من شركات مصنعة أخرى. مع ذلك، يلزم استخدام مناطق تحمل علامة سولاريس التجارية لإضافة أنظمة تشغيل أخرى كمناطق.

ومن الأمثلة الأخرى أقسام أحمال العمل النظامية (WPARs)، التي تم تقديمها في الإصدار 6.1 من نظام التشغيل IBM AIX. أقسام أحمال العمل النظامية هي أقسام برمجية تعمل ضمن نسخة واحدة من بيئة نظام التشغيل AIX العالمية.

تتميز بنية نظام التشغيل بانخفاض الحمل الزائد، مما يُسهم في الاستخدام الأمثل لموارد الخادم. ولا تُضيف المحاكاة الافتراضية سوى حمل زائد ضئيل، وتتيح تشغيل مئات الخوادم الافتراضية الخاصة على خادم فعلي واحد. في المقابل، لا تستطيع أساليب مثل المحاكاة الافتراضية الكاملة (مثل VMware ) والمحاكاة الافتراضية الجزئية (مثل Xen أو UML ) تحقيق هذا المستوى من الكثافة، نظرًا للحمل الزائد لتشغيل أنوية متعددة. من جهة أخرى، لا تسمح المحاكاة الافتراضية على مستوى نظام التشغيل بتشغيل أنظمة تشغيل مختلفة (أي أنوية مختلفة)، على الرغم من إمكانية استخدام مكتبات وتوزيعات مختلفة، وما إلى ذلك. وتُستخدم تقنيات محاكاة افتراضية مختلفة، بناءً على الاستخدام المطلوب. يعتمد التنفيذ الأصلي على المحاكاة الافتراضية المباشرة للأجهزة الخام الأساسية، وبالتالي يوفر "نسخًا" متعددة من نفس البنية التي يعتمد عليها الجهاز الحقيقي، قادرة على تشغيل أنظمة تشغيل كاملة. كما يمكن لبعض الأجهزة الافتراضية محاكاة بنى مختلفة، والسماح بتشغيل تطبيقات برمجية وأنظمة تشغيل مصممة لوحدة معالجة مركزية أو بنية أخرى. تتيح تقنية المحاكاة الافتراضية على مستوى نظام التشغيل تقسيم موارد الحاسوب عبر دعم النواة لعدة نسخ معزولة من مساحة المستخدم، والتي تُسمى عادةً بالحاويات، وقد تبدو للمستخدمين النهائيين وكأنها أجهزة حقيقية. بعض بنى الحواسيب قادرة على المحاكاة الافتراضية المدعومة بالأجهزة، مما يُمكّن من تحقيق محاكاة افتراضية كاملة وفعّالة باستخدام إمكانيات الأجهزة الخاصة بالمحاكاة الافتراضية، وخاصةً من وحدات المعالجة المركزية للمضيف.