الانظمة الموزعة، ماهي وكيف تعمل؟
لتحقيق هدف مشترك تتواصل أجهزة الكمبيوتر في نظام يكون موزع في انحاء معينة ومشترك مع بعضها البعض، قد يتم وضع أجهزة كمبيوتر النظام الموزع في مكان مادي واحد أو موزعة عبر عدة مناطق. تتمثل الفائدة الرئيسية للنظام الموزع في أنه يمكن أن يتفوق على نظام كمبيوتر واحد من حيث الأداء والموثوقية والتوافر، لكن ماهي الانظمة الموزعة بشكل تفصيلي وكيف يعمل؟
ماهي الأنظمة الموزعة
النظام الموزع هو مجموعة من أجهزة الكمبيوتر المستقلة التي تظهر للمستخدم كنظام واحد متماسك. يتضمن مشاركة الموارد وقوة المعالجة بين العديد من محطات العمل من خلال الحوسبة وقواعد البيانات الموزعة. المكونات الرئيسية للأنظمة الموزعة هي:
- العقد المتعددة
- شبكات الاتصال
- البرمجيات الوسيطة الموزعة والتي التي تتحكم في الاتصال بين العقد.
العقد هي كيانات حوسبة مستقلة تتواصل مع بعضها البعض. تعمل شبكة الاتصالات كوسيط لتبادل المعلومات بين العقد. اما البرامج الوسيطة الموزعة في الأنظمة الموزعة فهي تشير إلى طبقة البرامج بين التطبيقات الموزعة والبنية التحتية للشبكة الأساسية ، مما يوفر خدمات مثل الاتصال والتنسيق وإدارة الموارد لتمكين الحوسبة الموزعة الفعالة والموثوقة.
من خلال توزيع عبء العمل والبيانات عبر عدة عقد ، يتم إنشاء بنية الأنظمة الموزعة لتحقيق التسامح مع الخطأ (القدرة على الاستمرار في العمل في حالة وجود فشل العقدة أو مشاكل الشبكة) ، وقابلية التوسع والتوافر العالي.
كيف تعمل الأنظمة الموزعة؟
لكي تعمل الأنظمة الموزعة ، يجب تقسيم المهمة إلى مهام فرعية أصغر وتوزع على عدة عقد أو أجهزة كمبيوتر في الشبكة، ثم تتواصل هذه العقد أو أجهزة الكمبيوتر وتتعاون لإنهاء المهمة.
توفر الخطوات الأربع التالية لمحة موجزة عن كيفية عمل الأنظمة الموزعة:
- المكونات اللامركزية: يتكون النظام الموزع من أجزاء أو عقد عديدة موزعة على أماكن حقيقية أو افتراضية مختلفة. يمكن أن تتواصل هذه الأجزاء مع بعضها البعض عبر الشبكة لتحقيق هدف واحد.
- التواصل: يمكن لمكونات النظام الموزع الاتصال ببعضها البعض باستخدام مجموعة متنوعة من البروتوكولات والأدوات ، بما في ذلك TCP / IP أو HTTP أو قوائم انتظار الرسائل. تسمح هذه البروتوكولات للعقد بالاتصال عن طريق إرسال واستقبال الرسائل أو البيانات.
- التنسيق: لكي تعمل أجزاء النظام الموزع بشكل جيد معًا ، يجب عليهم تنسيق أعمالهم. يمكن استخدام العديد من الآليات ، مثل الخوارزميات الموزعة أو بروتوكولات الإجماع أو المعاملات الموزعة ، لتحقيق هذا التنسيق.
- التسامح مع الخطأ: يجب إنشاء نظام موزع مع مراعاة التسامح مع الخطأ. هذا يعني أنه يجب أن يكون قادرًا على التعامل مع فشل أجزاء أو عقد معينة دون الإضرار بأداء أو توفر النظام بأكمله. تستخدم هذه النظم استراتيجيات التكرار أو النسخ المتماثل أو التقسيم لتحقيق التسامح مع الخطأ.
يعد محرك البحث عبر الإنترنت جوجل مثالاً على النظام الموزع لأنه يتألف من العديد من العقد التي تؤدي وظائف مختلفة ، بما في ذلك الزحف إلى مواقع الويب وفهرسة المحتوى والتعامل مع طلبات المستخدم. تتعاون هذه العقد لمنح المستخدمين نتائج بحث سريعة وفعالة.
اما البلوكتشين الذي يسجل المعاملات بشكل آمن وشفاف فهو يعد مثالاً على نظام موزع ممتاز، يتم توزيعه لأن البلوكتشين يتم تخزينه على عقد متعددة في الشبكة ، حيث تحتفظ كل عقدة بنسخة من البلوكتشين بالكامل ، مما يسمح بمزيد من الشفافية والأمان والمرونة في مواجهة حالات الفشل أو الهجمات.
ما هي السمات الرئيسية
تُستخدم الأنظمة الموزعة في العديد من التطبيقات ، بما في ذلك منصات الشبكات الاجتماعية والحوسبة السحابية والبيع بالتجزئة عبر الإنترنت. اما الخصائص المميزة للأنظمة الموزعة تجعلها تبرز عن أنظمة الكمبيوتر الأخرى فهي كالتالي:
- التزامن: على الرغم من أن هذه الميزة تجعل النظام أكثر فاعلية ، إلا أنها قد تؤدي أيضًا إلى مشاكل مثل الجمود.
- التوقف او الجمود: هو الموقف الذي يمكن أن يحدث في الأنظمة الموزعة حيث يتم حظر عمليتين أو أكثر وعدم القدرة على المتابعة لأن كل واحدة تنتظر الأخرى لتحرير مورد. يمكن أن تحدث حالات الجمود في النظم بسبب التعقيد المتأصل في تنسيق العمليات المتعددة التي تعمل بشكل متزامن عبر عقد متعددة.
- قابلية التوسع: للتعامل مع أعباء العمل المتزايدة واستيعاب المزيد من المستخدمين ، يجب أن يكونوا قادرين على التوسع عن طريق إضافة المزيد من العقد.
- التسامح مع الخطأ ومعالجته: وهو أمر بالغ الأهمية للأنظمة الموزعة، حيث يجب أن يتحملوا فشل العقدة أو المكونات الفردية دون التأثير على الأداء العام للنظام.
- عدم التجانس: حيث قد تحتوي العقد على تكوينات مختلفة للأجهزة والبرامج والشبكات. قد يجعل التنوع التعاون والتواصل صعبًا.
الشفافية هي ميزة رئيسية أخرى للأنظمة الموزعة، حيث يجب أن توفر للمستهلكين وصولاً شفافًا إلى الموارد والخدمات على مستوى الشبكة مع إبقائهم غير مدركين للأعمال المعقدة للنظام الأساسي. يجب أن تعطي الأنظمة الموزعة الأولوية للأمن أيضًا. للحماية من الوصول غير المصرح به وانتهاكات البيانات والمخاطر الإلكترونية الأخرى ، يجب أن يتم بناؤها مع وضع الأمان في الاعتبار.
الجودة الأخرى التي يجب أن تدعمها الأنظمة الموزعة هي الاتساق. في مواجهة التحديثات والفشل المتزامن ، يجب أن يحافظوا على اتساق البيانات عبر العديد من العقد. الأداء أمر بالغ الأهمية للأنظمة الموزعة. يجب أن تكون قادرة على الأداء بمستويات مقبولة على الرغم من زيادة تكاليف النقل والمضاعفات الأخرى الناجمة عن التوزيع.
ما هي مزايا وعيوب هذه النظم
توفر الأنظمة الموزعة العديد من المزايا ، بما في ذلك قابلية التوسع والتسامح مع الأخطاء وتحسين الأداء. لكن لديها عيوب مثل:
- تحديات التنسيق
- التعقيد
- متطلبات المهارات المتخصصة
تقدم الأنظمة الموزعة العديد من المزايا مقارنة بالنظم المركزية التقليدية. إحدى الميزات المهمة هي قابلية التوسع. لإدارة أعباء العمل المتزايدة وخدمة المزيد من المستخدمين ، يمكن للأنظمة الموزعة ببساطة إضافة المزيد من العقد. نظرًا لقابليتها للتوسع ، يمكن للأنظمة الموزعة دعم حركة المرور الكثيفة والتوافر العالي دون المساس بالأداء.
التسامح مع الخطأ هو فائدة أخرى للأنظمة الموزعة. يمكن أن يستمر النظام في العمل حتى إذا فشلت إحدى العقدة لأن العقد الأخرى يمكن أن تتولى مهامها. نتيجة لذلك ، تكون هظه النظم أقل عرضة لفشل الأجهزة أو البرامج من النظم المركزية. من خلال تمكين تقسيم الحساب بين عدة عقد ، يمكن للأنظمة الموزعة أيضًا تسريع الإنتاجية وتقليل أوقات المعالجة.
إن الأنظمة الموزعة لها بعض العيوب. على سبيل المثال ، قد يكون من الصعب تنسيق الاتصال والتأكد من أن جميع العقد تفهم النظام باستمرار نظرًا لأن الأنظمة الموزعة تشتمل على عدة عقد قد تكون مبعثرة جغرافيًا. قد ينتج عن هذا مشاكل في التزامن والاتساق.
التعقيد هو عيب آخر للأنظمة الموزعة، حيث تكون النظم في بعض الأحيان أكثر صعوبة في الصيانة ولديها عيوب أمنية أكثر من الأنظمة المدارة مركزيًا. قد يتطلب تصميم وصيانة الأنظمة الموزعة أيضًا معرفة وقدرات محددة ، مما قد يؤدي إلى زيادة التكلفة والتعقيد.
ما هو مستقبل الأنظمة الموزعة؟
يبدو مستقبل الأنظمة الموزعة واعدًا مع استمرار تقدم التكنولوجيا، حيث تعد الحوسبة السحابية والحوسبة الشبكية من التقنيات الناشئة التي من المحتمل أن تلعب دورًا مهمًا في مستقبل الأنظمة الموزعة.
تتضمن الحوسبة السحابية استخدام العديد من أجهزة الكمبيوتر المترابطة للعمل معًا كنظام واحد. بالإضافة إلى قوة المعالجة المحسنة والتسامح مع الأخطاء ، تتمتع التكنولوجيا أيضًا بقابلية تطوير أفضل. أصبحت الحوسبة العنقودية أكثر تكلفة ، ومن المتوقع استخدامها بشكل متكرر في تطبيقات الحوسبة عالية الأداء مع استمرار انخفاض تكلفة الأجهزة.
يمكن استخدام الحوسبة السحابية في معالجة البيانات الضخمة، مع زيادة كمية البيانات التي يتم إنشاؤها بشكل كبير ، يمكن استخدام الحوسبة العنقودية لمعالجة هذه البيانات وتحليلها بشكل أكثر كفاءة. وبالمثل ، نظرًا لأن مجالات مثل الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي تتطلب قدرًا كبيرًا من قوة الحوسبة لتدريب النماذج ومعالجة البيانات ، يمكن استخدام الحوسبة العنقودية لتسريع هذه العمليات وتحسين الدقة.
تستخدم حوسبة الشبكة الموارد الموزعة جغرافيًا للعمل معًا كنظام واحد. باستخدام هذه التكنولوجيا ، قد تجمع الشركات الموارد وتعمل معًا في مشاريع معقدة سيكون من الصعب أو من المستحيل إكمالها باستخدام تقنيات الكمبيوتر التقليدية. على سبيل المثال في حالة وقوع كارثة طبيعية ، يمكن للحوسبة الشبكية تعبئة الموارد بسرعة من جميع أنحاء العالم للمساعدة في جهود الاستجابة. لزيادة فرصهم في كسب المكافآت ، يمكن لمعدني البيتكوين استخدام الحوسبة الشبكية لربط موارد الحوسبة الخاصة بهم مع تلك الخاصة بعمال المناجم الآخرين في جميع أنحاء العالم.
على عكس المعدنين الفرديين الذين يعملون بمفردهم ، فإن هذا يوفر شبكة موزعة من قوة المعالجة التي قد تتعاون لحل المشكلات الرياضية بسرعة وفعالية أكبر. من المتوقع أن تصبح الحوسبة الشبكية أكثر أهمية للبحث العلمي ومعالجة البيانات وتطبيقات الكمبيوتر الأخرى واسعة النطاق مع تطور الحوسبة السحابية.