أحد المواضيع المهمة في عالم أنظمة مفتوحة المصدر والتي لا يتحدث عنها الناس كثيراً هو خوادم العرض. في الأنظمة الشبيهة بـ Unix، توجد خادمان أساسيان هما نظام X11 و بروتوكول Wayland. هذه البرمجيات مسؤولة بشكل كامل عن عرض النظام على الشاشة. بدونها، لن تظهر أي واجهات رسومية أو بيئات سطح المكتب المألوفة مثل KDE أو GNOME أو XFCE، أو حتى مدير النوافذ المتقدم مثل Hyprland وتخصيصات شريط Waybar. لذلك، قررنا كتابة هذا المقال لشرح تاريخ النظامين، حيث تختلف طريقة عملهما كثيراً وتؤثر بشكل مباشر على أداء لينكس.
نبدأ بـ X11، المعروف أيضاً بأسماء مثل خادم Xorg أو X Window System، وهو أقدم من لينكس نفسه (ظهر عام 1984). تكوينه معقد، وليس آمناً مثل Wayland الحديث الذي سنعرضه لاحقاً. منذ ظهوره، أصبح أساسياً لأي نظام Unix-like سواء Linux أو BSD، حتى في بعض إصدارات Mac القديمة.
الجزء الأول: نظام X11 (X Window System)
الخلفية التاريخية
بدأ تطوير X عام 1984 في معهد MIT ضمن مشروع Project Athena. في سنة 1987، ظهر اسم X11، وهي النسخة المعتمدة حتى اليوم كأساس للنظام، مع إضافات وامتدادات متعددة. تعكس هذه الاستمرارية الطويلة نقطة مهمة، حيث استمر النظام لمدة 4 عقود كحجر أساس في تخصيص لينكس.
الفلسفة التصميمية
اعتمد خادم Xorg على مجموعة مبادئ تصميم واضحة، من أهمها:
- لا تضف ميزة دون حاجة حقيقية، مما يعني عدم جعل نظام التشغيل ثقيلاً بلا هدف.
- وفّر آلية، لا تفرض سياسة، حيث يترك Xorg أمر شكل النوافذ والأزرار وسلوك الواجهة لمدير النوافذ أو بيئة سطح المكتب.
- اعزل التعقيد، حيث تبقى الطبقة الأساسية بسيطة، بينما يتم التعامل مع التفاصيل المعقدة في طبقات أعلى.
- قابلية الامتداد دون كسر التوافق، مما يعني أن أي إضافة جديدة يجب أن تبقى متوافقة مع بروتوكول العرض الأساسي.
كانت هذه السياسة سبباً لتوافق نظام X11 لعقود، حتى ظهرت بعض المشاكل في وقت لاحق.
آلية العمل
يتكون النظام من خادم وعميل:
- خادم إكس (X Server): هو في الجهاز نفسه، وليس سيرفر حقيقياً، بل يستقبل إدخالات الشاشات ولوحة المفاتيح والفأرة. وظيفته استقبال أوامر الرسم من التطبيقات، وتنفيذها على الشاشة.
- عميل إكس (X Client): هو التطبيق نفسه (مثل المتصفح). لا يرسم المتصفح مباشرة على الشاشة، بل يرسل طلباً إلى X Server يقول فيه: "أنشئ نافذة في هذا المكان، ارسم مستطيلاً هنا، اطبع نصاً هنا في البرنامج، غيّر لون الخلفية"، والسيرفر ينفذ ذلك على الشاشة لبناء واجهات رسومية متكاملة.
مدير النوافذ وبيئات سطح المكتب
نظام X لا يدير النوافذ بنفسه، بل يسمح لبرنامج آخر يسمى "مدير النوافذ" بالتحكم في:
- شكل الإطارات.
- أزرار الإغلاق والتصغير.
- ترتيب النوافذ.
هذا ما سمح بظهور أنماط مختلفة مثل مديري النوافذ التبليطية ومديري النوافذ التقليدية المتراكبة. وفوق ذلك، ظهرت بيئات سطح المكتب كاملة مثل GNOME و KDE، التي تعتمد على X كأساس متين.
الامتدادات والتطور
رغم ثبات بروتوكول X11 منذ 1987، أضيفت العديد من الامتدادات لدعم:
- التسريع العتادي.
- تعدد الشاشات.
- الشفافية في النوافذ.
- إدارة الطاقة للحفاظ على البطارية أو تشغيل الجهاز بكامل قوته.
التنفيذ القياسي الحديث للنظام هو X.Org Server، الذي يُستخدم في معظم توزيعات الأنظمة مفتوحة المصدر.
نقاط القوة والضعف لـ X11
نقاط القوة:
- المرونة العالية في الاستخدام و تخصيص لينكس.
- سهولة العمل عبر الشبكة.
- توافق طويل الأمد.
- القدرة على التخصيص بشكل شبه غير محدود.
نقاط الضعف:
- تعقيد داخلي كبير.
- نموذج أمني قديم، حيث يمكن لأي تطبيق رؤية مدخلات تطبيق آخر.
- صعوبة في تحديث البنية الأساسية لدعم أداء لينكس الحديث.
- الاعتماد الكبير على امتدادات إضافية.
مصادر لـ X11:
الجزء الثاني: بروتوكول Wayland (بنية حديثة لأنظمة العرض)
المقدمة والدوافع
ظهرت نقاط الضعف في X11 بمرور الوقت، مما أدى إلى انطلاق مشروع Wayland. يعد بروتوكول Wayland معياراً حديثاً لإدارة خوادم العرض في أنظمة Linux والأنظمة الشبيهة بـ Unix. تم تطويره ليكون بديلاً أبسط وأكثر فاعلية لنظام X Window System. يهدف Wayland إلى معالجة التعقيد المتراكم في X، وتقديم نموذج أمني وأدائي أفضل للعتاد الرسومي الحديث وتحسين أداء لينكس بشكل عام.
ظهر Wayland استجابةً لعدة تحديات، منها:
- التعقيد الناتج عن تراكم الامتدادات في خادم Xorg.
- ضعف النموذج الأمني الذي يسمح للتطبيقات بمراقبة إدخالات بعضها.
- الاعتماد على آليات قديمة لم تعد مناسبة للتسريع الرسومي الحديث.
- صعوبة صيانة قاعدة الشيفرة الخاصة بخادم X.
صُمم Wayland ليكون بروتوكولاً مبسطاً يزيل الطبقات غير الضرورية ويعيد توزيع المسؤوليات بطريقة أوضح.
البنية المعمارية وآلية العمل
يعتمد Wayland على نموذج تواصل بين عميل وخادم، ولكن الخادم هنا يسمى عادةً Compositor، نظراً لدوره المزدوج:
- العميل: هو التطبيق الرسومي الذي:
- يرسم محتوى نافذته بنفسه باستخدام مكتبات مثل OpenGL أو Vulkan لإنشاء واجهات رسومية سلسة.
- يخزن المخرجات الرسومية في ذاكرة مؤقتة.
- يرسل إشارة إلى الخادم بأن المحتوى جاهز للعرض.
- الخادم (Compositor): يقوم بالمهام التالية:
- استقبال Buffers من التطبيقات.
- تركيبها في صورة نهائية.
- عرض النتيجة على الشاشة.
- إدارة إدخال المستخدم.
بهذا الشكل، يتم فصل مسؤولية الرسم عن العرض النهائي، مما يقلل من التداخل غير الضروري.
آلية العمل الداخلية: يعتمد بروتوكول Wayland على بروتوكول اتصال يعتمد على الرسائل غير المتزامنة، مما يقلل من زمن الانتظار. تسلسل العمل النموذجي:
- يقوم التطبيق بإنشاء سطح عرض.
- يرسم المحتوى في Buffer خاص به.
- يرسل Buffer إلى Compositor.
- يقوم Compositor بدمج جميع الأسطح.
- تُعرض الصورة النهائية عبر بطاقة الرسوميات مباشرة.
(لا يقوم الخادم في Wayland بعملية الرسم بنفسه، بل يقتصر دوره على التجميع والتنظيم).
النموذج الأمني والأداء
النموذج الأمني: من أبرز الفروقات بين Wayland و X:
- في نظام X11: يمكن للتطبيقات الوصول إلى إدخالات التطبيقات الأخرى.
- في Wayland: يتم عزل كل تطبيق عن الآخر، ولا يمكنه مراقبة إدخالات غيره دون آليات معتمدة. هذا العزل يحسن الأمان ويجعل النظام أكثر مقاومة للهجمات مثل Keylogging.
الأداء واستغلال العتاد: صُمم Wayland للاستفادة من إمكانيات وحدات معالجة الرسوميات الحديثة لرفع أداء لينكس، حيث:
- التطبيقات ترسم مباشرة باستخدام التسريع العتادي.
- لا توجد طبقة ترجمة إضافية كما في X.
- يتم تقليل عمليات النسخ غير الضرورية للبيانات.
النتيجة هي تقليل الكمون، استهلاك أقل للموارد، وتجربة رسومية أكثر سلاسة.
التنفيذات والقيود
Wayland هو بروتوكول، وليس برنامجاً واحداً. من أشهر تطبيقاته في بيئات سطح المكتب و مدير النوافذ:
- Weston (التنفيذ المرجعي).
- Mutter (المستخدم في GNOME).
- KWin (المستخدم في KDE Plasma).
- Sway و Hyprland (مع دعم أدوات رائعة مثل Waybar).
كل منها يطبق البروتوكول مع اختلافات في فلسفة إدارة النوافذ والميزات.
القيود والتحديات: رغم مزاياه، واجه Wayland بعض التحديات:
- غياب الدعم الشبكي المدمج كما في X.
- بعض الميزات تتطلب بروتوكولات إضافية خارج النواة الأساسية.
ومع ذلك، أصبح Wayland هو الافتراضي في العديد من الواجهات الحديثة ضمن الأنظمة مفتوحة المصدر.
