سیستم های توزیع شده (distributed systems) چیست و چگونه کار می کنند؟

سیستم‌های توزیع شده (distributed systems) مجموعه‌ای از رایانه‌های مستقل است که به عنوان یک سیستم منسجم در نظر کاربر ظاهر می‌شود. برای دستیابی به یک هدف مشترک، رایانه‌های موجود در یک سیستم توزیع شده با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند.

رایانه‌های یک سیستم توزیع شده ممکن است در یک مکان فیزیکی قرار گیرند یا در چندین منطقه پراکنده شوند. مزیت اصلی یک سیستم توزیع شده این است که می‌تواند از یک سیستم کامپیوتری واحد از نظر عملکرد، قابلیت اطمینان و در دسترس بودن بهتر عمل کند. این شامل به اشتراک گذاری منابع و توان پردازشی بین چندین ایستگاه کاری از طریق محاسبات توزیع شده و پایگاه داده است.

اجزای کلیدی سیستم‌های توزیع شده، گره‌های متعدد، شبکه‌های ارتباطی و میان افزار توزیع شده هستند که ارتباط بین گره‌ها را کنترل می‌کنند. گره‌ها موجودیت‌های محاسباتی مستقلی هستند که با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. یک شبکه ارتباطی به عنوان رسانه‌ای برای تبادل اطلاعات بین گره‌ها عمل می‌کند.

میان‌افزار توزیع‌شده در سیستم‌های توزیع‌شده به لایه نرم‌افزاری بین برنامه‌های کاربردی توزیع‌شده و زیرساخت شبکه زیربنایی اشاره دارد که خدماتی مانند ارتباطات، هماهنگی و مدیریت منابع را برای فعال کردن محاسبات توزیع‌شده کارآمد و قابل اعتماد ارائه می‌دهد. با توزیع حجم کار و داده ها در چندین گره، معماری سیستم های توزیع شده برای دستیابی به تحمل خطا (قابلیت ادامه کار در صورت وجود خرابی گره یا مشکلات شبکه)، مقیاس پذیری و در دسترس بودن بالا ایجاد می‌شود.

سیستم‌های توزیع شده چگونه کار می‌کنند؟

برای عملکرد سیستم‌های توزیع شده، یک کار باید به وظایف فرعی کوچکتر تقسیم شود و در چندین گره یا رایانه در یک شبکه پخش شود. سپس این گره‌ها یا رایانه‌ها با هم ارتباط برقرار می‌کنند و برای تکمیل کار با هم همکاری می‌کنند.

چهار مرحله زیر یک نمای کلی از نحوه عملکرد سیستم های توزیع شده ارائه می‌دهد: اجزای غیر متمرکز یک سیستم توزیع‌شده شامل بخش‌ها یا گره‌های متعددی است که در مکان‌های مختلف واقعی یا مجازی پخش شده‌اند. این بخش ها می توانند از طریق شبکه با یکدیگر ارتباط برقرار کنند تا به یک هدف واحد دست یابند. ارتباط اجزای یک سیستم توزیع شده می توانند با استفاده از انواع پروتکل ها و ابزارها، از جمله TCP/IP، HTTP یا صف های پیام، با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. این پروتکل ها به گره ها اجازه می دهند از طریق ارسال و دریافت پیام یا داده با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

هماهنگی

برای اینکه بخش‌های یک سیستم توزیع‌شده به خوبی با هم کار کنند، باید اقدامات خود را هماهنگ کنند. برای دستیابی به این هماهنگی می توان از چندین مکانیسم مانند الگوریتم های توزیع شده، پروتکل های اجماع یا تراکنش های توزیع شده استفاده کرد.

تحمل خطا

یک سیستم توزیع شده باید با در نظر گرفتن تحمل خطا ایجاد شود. این بدان معناست که باید قادر به رسیدگی به خرابی قطعات یا گره های خاص بدون آسیب رساندن به عملکرد یا در دسترس بودن کل سیستم باشد. سیستم های توزیع شده از استراتژی های افزونگی، تکرار یا پارتیشن بندی برای دستیابی به تحمل خطا استفاده می کنند.

یک موتور جستجوی آنلاین نمونه ای از یک سیستم توزیع شده است زیرا شامل گره های متعددی است که عملکردهای مختلفی از جمله خزیدن وب سایت ها، فهرست بندی محتوا و رسیدگی به درخواست های کاربر را انجام می دهند. این گره ها برای ارائه نتایج جستجوی سریع و موثر به کاربران همکاری می کنند.

بلاک چین

یک دفتر کل غیرمتمرکز که تراکنش ها را به صورت ایمن و شفاف ثبت می کند – نیز نمونه ای از یک سیستم توزیع شده است. توزیع آن به این دلیل است که دفتر کل در چندین گره در شبکه ذخیره می‌شود و هر گره یک کپی از کل دفتر را در خود نگه می‌دارد و به شفافیت، امنیت و انعطاف‌پذیری بیشتر در برابر شکست‌ها یا حملات اجازه می‌دهد.

ویژگی‌های کلیدی سیستم‌های توزیع شده چیست؟

سیستم‌های توزیع شده در بسیاری از برنامه‌ها از جمله پلتفرم‌های شبکه‌های اجتماعی، محاسبات ابری و خرده فروشی آنلاین استفاده می شوند. ویژگی های متمایز سیستم های توزیع شده آن ها را از سایر سیستم های کامپیوتری متمایز می کند. یکی از ویژگی‌های سیستم‌های توزیع‌شده که چندین فرآیند یا رشته را قادر می‌سازد تا به طور همزمان اجرا شوند، همزمانی است. اگرچه این ویژگی سیستم را موثرتر می کند، اما می تواند منجر به مشکلاتی مانند بن بست نیز شود.

بن بست وضعیتی است که می تواند در سیستم های توزیع شده رخ دهد که در آن دو یا چند فرآیند مسدود شده و قادر به ادامه آن نیستند زیرا هر یک منتظر دیگری هستند تا یک منبع را آزاد کنند. بن‌بست‌ها می‌توانند در سیستم‌های توزیع‌شده به دلیل پیچیدگی ذاتی هماهنگی چندین فرآیند که به طور همزمان در چندین گره اجرا می‌شوند، رخ دهد.

یکی دیگر از ویژگی های کلیدی سیستم های توزیع شده، مقیاس پذیری است. برای رسیدگی به حجم کاری رو به رشد و پذیرش کاربران بیشتر، آنها باید بتوانند با افزودن گره های بیشتر به صورت افقی مقیاس شوند. تحمل خطا نیز برای سیستم های توزیع شده حیاتی است. آنها باید بدون تأثیر بر عملکرد کلی سیستم، در برابر خرابی گره ها یا اجزای جداگانه مقاومت کنند. یکی دیگر از ویژگی های سیستم های توزیع شده ناهمگنی است، که در آن گره ها ممکن است تنظیمات سخت افزاری، نرم افزاری و شبکه مختلفی داشته باشند. تنوع ممکن است همکاری و ارتباط را دشوار کند.

شفافیت یکی دیگر از ویژگی های کلیدی سیستم های توزیع شده است. آنها باید دسترسی شفاف به منابع و خدمات شبکه را به مصرف کنندگان ارائه دهند و در عین حال آنها را از عملکرد پیچیده سیستم زیربنایی ناآگاه نگه دارند. سیستم های توزیع شده نیز باید امنیت را در اولویت قرار دهند. برای محافظت در برابر دسترسی های غیرمجاز، نقض داده ها و سایر خطرات سایبری، باید با در نظر گرفتن امنیت ساخته شوند.

کیفیت دیگری که سیستم های توزیع شده باید رعایت کنند سازگاری است. در مواجهه با به‌روزرسانی‌ها و خرابی‌های همزمان، آنها باید ثبات داده را در بسیاری از گره‌ها حفظ کنند. عملکرد برای سیستم های توزیع شده بسیار مهم است. آنها باید بتوانند علیرغم افزایش هزینه های انتقال و سایر عوارض ناشی از توزیع، در سطوح قابل قبولی عمل کنند.

انواع مختلف سیستم‌های توزیع شده چیست؟

انواع و طرح های بسیاری از سیستم های توزیع شده وجود دارد که هر کدام برای رفع نیازها و مشکلات خاص ایجاد شده اند. الزامات برنامه، مقیاس پذیری، تحمل خطا، امنیت و سایر عوامل همگی در انتخاب معماری نقش دارند.

یکی از انواع سیستم های توزیع شده، معماری سرویس گیرنده-سرور است. در این رویکرد، سرور درخواست‌هایی را از مشتری دریافت می‌کند، آنها را پردازش می‌کند و سپس پاسخ می‌دهد. برنامه های کاربردی وب اغلب از این طرح استفاده می کنند که در آن مرورگر وب به عنوان مشتری و سرور میزبان صفحه وب است.

معماری Peer-to-Peer (P2P) نوع دیگری از سیستم توزیع شده است. تمام گره ها یا همتاها در این معماری، برابر هستند و می توانند هم به عنوان مشتری و هم به عنوان سرور خدمت کنند. هر همتا می تواند منابعی را بخواهد و به سایر همتایان ارائه دهد. برنامه های به اشتراک گذاری فایل مانند BitTorrent از این معماری استفاده کرده اند.

سیستم پایگاه داده توزیع شده دسته سوم از سیستم های توزیع شده است. یک پایگاه داده بین چندین کامپیوتر یا گره تحت این معماری توزیع می شود و همه آنها با هم برای ذخیره و مدیریت داده ها کار می کنند. برنامه های کاربردی در مقیاس بزرگ که به در دسترس بودن و مقیاس پذیری بالا نیاز دارند، از جمله پلت فرم های رسانه های اجتماعی و وب سایت های تجارت الکترونیک، اغلب از این طرح استفاده می کنند.

سیستم محاسبات توزیع شده یکی دیگر از سیستم های توزیع شده است که در آن چندین کامپیوتر برای مقابله با مشکلات محاسباتی چالش برانگیز با یکدیگر همکاری می کنند. در تحقیقات علمی، زمانی که کامپیوترهای متعددی برای تجزیه و تحلیل مجموعه داده‌های بزرگ یا شبیه‌سازی فرآیندهای پیچیده استفاده می‌شوند، اغلب از این معماری استفاده می‌شود.

سیستم های توزیع شده ترکیبی که بسیاری از معماری ها یا مفاهیم را ادغام می کنند نیز سیستم های توزیع شده هستند. به عنوان مثال، یک سیستم توزیع شده ممکن است از طراحی P2P برای به اشتراک گذاری فایل و معماری سرویس گیرنده-سرور برای درخواست های وب استفاده کند.

مزایا و معایب سیستم‌های توزیع شده چیست؟

سیستم های توزیع شده مزایای زیادی از جمله مقیاس پذیری، تحمل خطا و بهبود عملکرد را ارائه می دهند. با این حال، آنها همچنین دارای معایبی هستند، از جمله چالش های هماهنگی، پیچیدگی و الزامات مهارت های تخصصی.

سیستم های توزیع شده مزایای متعددی نسبت به سیستم های متمرکز سنتی دارند. یکی از مزیت های مهم مقیاس پذیری است. برای مدیریت حجم کاری در حال رشد و ارائه خدمات به کاربران بیشتر، سیستم های توزیع شده به سادگی می توانند گره های بیشتری را اضافه کنند. به دلیل مقیاس پذیری، سیستم های توزیع شده می توانند از ترافیک سنگین و در دسترس بودن بالا بدون به خطر انداختن عملکرد پشتیبانی کنند.

تحمل خطا یکی دیگر از مزایای سیستم های توزیع شده است. سیستم می تواند به کار خود ادامه دهد حتی اگر یک گره از کار بیفتد زیرا گره های دیگر می توانند وظایف آن را بر عهده بگیرند. در نتیجه، سیستم های توزیع شده نسبت به سیستم های متمرکز کمتر در برابر خرابی های سخت افزاری یا نرم افزاری آسیب پذیر هستند. با ایجاد امکان تقسیم محاسبات بین چندین گره، سیستم های توزیع شده همچنین می توانند سرعت عملیات را افزایش داده و زمان پردازش را کاهش دهند.

با این حال، سیستم های توزیع شده دارای چند اشکال هستند. برای مثال، هماهنگ کردن ارتباطات و اطمینان از اینکه همه گره‌ها به طور مداوم سیستم را درک می‌کنند، دشوار است، زیرا سیستم‌های توزیع‌شده شامل چندین گره هستند که ممکن است از نظر جغرافیایی پراکنده باشند. این ممکن است منجر به مشکلات همزمانی و سازگاری شود.

پیچیدگی یکی دیگر از اشکالات سیستم های توزیع شده است. به دلیل پیچیدگی ذاتی، سیستم های توزیع شده گاهی اوقات نگهداری آنها دشوارتر است و نقص های امنیتی بیشتری نسبت به سیستم های مدیریت مرکزی دارند. طراحی و نگهداری سیستم های توزیع شده نیز ممکن است به دانش و توانایی های خاصی نیاز داشته باشد که می تواند هزینه و پیچیدگی را افزایش دهد.

آینده سیستم‌های توزیع شده چیست؟

با ادامه پیشرفت فناوری، آینده سیستم های توزیع شده امیدوارکننده به نظر می رسد. محاسبات خوشه ای و محاسبات شبکه ای دو فناوری نوظهور هستند که احتمالاً نقش مهمی در آینده سیستم های توزیع شده ایفا می کنند. محاسبات خوشه ای شامل استفاده از چندین کامپیوتر به هم پیوسته برای کار با هم به عنوان یک سیستم واحد است. این فناوری علاوه بر افزایش قدرت پردازش و تحمل خطا، مقیاس پذیری بهتری نیز دارد. محاسبات خوشه‌ای مقرون به صرفه‌تر می‌شود و پیش‌بینی می‌شود که با کاهش هزینه‌های سخت‌افزار، بیشتر در برنامه‌های محاسباتی با کارایی بالا مورد استفاده قرار گیرد. رایانش خوشه ای را می توان در پردازش کلان داده استفاده کرد. همانطور که مقدار داده های تولید شده به طور تصاعدی رشد می کند، محاسبات خوشه ای می تواند برای پردازش و تجزیه و تحلیل موثرتر این داده ها استفاده شود.

به طور مشابه، از آنجایی که زمینه‌هایی مانند هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی به مقادیر زیادی از قدرت محاسباتی برای آموزش مدل‌ها و پردازش داده‌ها نیاز دارند، از محاسبات خوشه‌ای می‌توان برای سرعت بخشیدن به این فرآیندها و بهبود دقت استفاده کرد.

محاسبات شبکه ای از منابع توزیع شده جغرافیایی برای کار با هم به عنوان یک سیستم واحد استفاده می کند. با استفاده از این فناوری، کسب‌وکارها ممکن است منابع را جمع کنند و روی پروژه‌های پیچیده‌ای کار کنند که تکمیل آنها با استفاده از تکنیک‌های رایانه‌ای مرسوم، چالش‌برانگیز یا غیرممکن است.

به عنوان مثال، در صورت وقوع یک بلایای طبیعی، محاسبات شبکه می‌تواند به سرعت منابع را از سراسر جهان برای کمک به تلاش‌های واکنش بسیج کند. استخراج‌کنندگان بیت‌کوین برای افزایش شانس خود برای کسب پاداش، می‌توانند از محاسبات شبکه برای اتصال منابع محاسباتی خود با سایر ماینرها در سراسر جهان استفاده کنند.

برخلاف ماینرهایی که به تنهایی کار می کنند، این یک شبکه توزیع شده از قدرت پردازشی را فراهم می کند که ممکن است برای حل سریعتر و موثرتر مسائل ریاضی همکاری کند. پیش بینی می شود که محاسبات شبکه ای برای تحقیقات علمی، پردازش داده ها و سایر برنامه های کاربردی کامپیوتری در مقیاس بزرگ با توسعه رایانش ابری حیاتی تر شود.