آشنایی با رایانش توزیع شده و انواع و کاربردهای آن

رایانش توزیع شده چیست؟

اصطلاح «رایانش توزیع شده» به مدلی گفته می‌شود که در آن اجزای یک سیستم نرم‌افزاری بین چندین کامپیوتر، به منظور بهبود کارایی و عملکرد، به اشتراک گذاشته می‌شود. در این شرایط با وجود جدا بودن هر جزء از جزء دیگر، عملکردی واحد به عنوان یک سیستم را شاهد خواهیم بود.

درواقع رایانش توزیع‌شده به آن معناست که دسته‌ای از وظایف بین چندین سیستم که ممکن است از لحاظ جغرافیایی با یکدیگر در فاصله زیادی باشند، تقسیم‌بندی شده و در راستای تسریع فرآیند رسیدن به پاسخ چالشی پیچیده، به اشتراک گذاشته می‌شوند. برای درک هر‌چه بهتر مفهوم رایانش توزیع شده لازم است تا قدری با مفهوم «فرآیند‌های توزیع شده» آشنا شوید.

تاریخچه فرآیند‌های توزیع شده

ریشه و سر‌آغاز مطالعه فرآیند‌های توزیع شده به مباحث معماری سیستم‌عاملی در دهه ۶۰ میلادی باز می‌گردد. در این زمان بود که به مفهوم استفاده از فرآیندهای همزمان که از طریق ارسال پیام با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کردند، پرداخته شد. ما‌حصل این تحقیقات ساخت اولین سیستم‌های توزیع شده گسترده، شبکه‌های محلی مانند اترنت (Ethernet) در دهه ۷۰ میلادی بود. از اولین و پیشروان این مسیر می‌توان به ARPANET اشاره کرد. این شرکت با معرفی ایمیل ARPANET با ثبت عملکرد خود به عنوان اولین نمونه از یک برنامه کاربردی توزیع شده در مقیاس بزرگ، بر موفقیت خود صحه گذاشت.

از دیگر شبکه‌های کامپیوتری اولیه در سراسر جهان می‌توان به «Usenet» و «FidoNet» در دهه ۸۰ میلادی اشاره کرد که هر دو، خدمات خود را در حیطه پشتیبانی از سیستم‌های مباحث توزیع شده ارائه می‌کردند.

مطالعه رایانش توزیع شده در اواخر دهه ۷۰ و اوایل دهه ۸۰ میلادی به یک زیر‌شاخه از علوم کامپیوتر تبدیل شد و اولین کنفرانس در این زمینه با عنوان سمپوزیوم اصول رایانش توزیع شده (PODC) در سال ۱۹۸۲ برگزار شد.

عملکرد رایانش توزیع شده (Distributed Computing)

ابتدا با شرح یک مثال به بررسی یکی از دلایل استفاده از رایانش توزیع شده خواهیم پرداخت. فرض کنید وب‌سایت شما از لحاظ آماری با نرخ ورودی ۲ برابری نسبت به ماه گذشته مواجه شده است. در این شرایط طبیعتاً میزان درخواست‌های کاربران از وب‌سایت شما ۲ برابر شده و به همین سبب عملکرد سیستم شما تنزل یافته و این افت کیفیت از چشم کاربران نهایی وب‌سایت شما نیز به دور نخواهد ماند. یکی از راه‌حل‌های رفع این چالش و رسیدگی به این حجم از درخواست‌ها، ارتقا و افزایش منابع سخت‌افزاری، افزایش میزان پهنای باند و سایر اقداماتی از این قبیل خواهد بود.

حال با یک سوال مواجه می‌شویم. در صورت افزایش مداوم درخواست‌ها، لازم است تا به چه راهکاری روی آورده شود؟ ارتقا و افزایش منابع سخت‌افزاری و اقداماتی که پیش‌تر از آنها سخن گفته شد، نیازمند حجم عظیمی از سرمایه‌گذاری است به طوری که با رسیدن به یک نقطه مشخص ارتقای سیستم از نظر فنی و مالی غیرعملی و غیرعقلانی خواهد بود. در این جاست که بهره‌گیری از رایانش توزیع شده در راستای رفع نیاز‌های روز‌افزون کاربران، به کمک شما خواهد آمد.

کاربرد رایانش توزیع شده

به طور کلی کاربرد‌های رایانش توزیع شده به یک حیطه مشخص محدود نمی‌شود و از این شاخه می‌توان در راستای بهبود عملکرد و مدیریت هر چه بهتر تمامی مشاغل و تحقیقات پژوهشی بهره برد. در تنظیمات سازمانی، رایانش توزیع شده اغلب به معنای قرار دادن مراحل مختلف فرآیندهای تجاری در کارآمدترین مکان‌ها در یک شبکه کامپیوتری است.

به عنوان مثال، در یک توزیع معمولی بر پایه مدل ۳ لایه، لایه پردازش رابط کاربری در رایانه شخصی و در محل کاربر، پردازش تجاری در یک رایانه از راه دور و دسترسی به فرآیند و پایگاه داده در رایانه دیگری انجام خواهد گرفت که این خود منجر به فراهم شدن یک دسترسی متمرکز در فرآیند‌های تجاری خواهد شد.

معمولاً اغلب فرآیندهای تجاری از این نوع رایانش توزیع شده در مدل ارتباط مشتری با سرور و بالعکس بهره می‌برند. چند نمونه از سیستم‌های توزیع شده عبارت‌اند از:

• شبکه‌های مخابراتی
• اینترنت
• شبکه‌های همتا به همتا (peer-to-peer)
• سیستم‌های رزرواسیون هواپیمایی
• پایگاه‌های داده توزیع شده
• محاسبات توزیع شده علمی

انواع رایانش توزیع شده

در رایانش ابری بنا به منطق مورد نیاز می‌توان از معماری‌های «مدل مشتری-سرور، مدل همتا به همتا، مدل چند لایه (معماری‌های چند لایه) و معماری سرویس گرا (SOA)» بهره برد. عموما محاسبات توزیع شده به عنوان یک زمینه چند وجهی با زیرساخت‌هایی است که از تنوع بالایی برخوردار است. بنابراین تعریف همه انواع محاسبات توزیع شده تقریباً غیرممکن است. با این حال، این رشته از علوم کامپیوتر معمولاً به سه زیر شاخه تقسیم می‌شود:

۱. رایانش ابری

رایانش ابری از پردازش توزیع شده به عنوان یک قالب برای ارائه زیرساخت‌ها و پلتفرم‌های مقرون به صرفه بسیار مقیاس‌پذیر به مشتریان بهره می‌گیرد. در این شاخه، ارائه‌دهندگان ابر عموماً منابع خود را از طریق سرویس‌های میزبانی شده از طریق اینترنت به اشتراک می‌گذارند. رایانش ابری از لحاظ ارائه خدمات به سه دسته زیر تقسیم‌بندی می‌شود:

• نرم‌افزار به‌عنوان سرویس (SaaS)
• پلتفرم به‌عنوان سرویس (PaaS)
• زیرساخت به عنوان سرویس (IaaS)

۲. محاسبات شبکه‌ای

محاسبات شبکه‌ای بر پایه یک ابر رایانه با قدرت محاسباتی عظیم ارائه می‌شود. بنا به تعریفات در پردازش شبکه‌ای، سرورها و رایانه‌ها می‌توانند با دسترسی به منابع به شیوه‌ای بسیار انعطاف‌پذیر، وظایف مختلفی را به‌صورت مستقل از یکدیگر انجام دهند.

۳. محاسبات خوشه‌ای

محاسبات خوشه‌ای به عنوان ترکیبی از پردازش ابری و شبکه‌ای در نظر گرفته می‌شود که در آن رایانه‌های فردی و قدرت محاسباتی آنها را می‌توان با هم در خوشه‌ها ترکیب کرد. نمونه‌هایی از محاسبات خوشه‌ای شامل «خوشه‌های سرور، خوشه‌ها در داده‌های بزرگ و در محیط‌های ابری و خوشه‌های پایگاه داده» است.

امنیت در رایانش توزیع شده

مدیریت دسترسی به داده‌ها در سیستم‌های رایانش متمرکز با موفقیت بالایی مواجه است؛ درحالی که در سیستم‌های رایانش توزیع شده به دلیل توزیع‌شدگی سیستم‌ها، امکان مدیریت یکپارچه، ایمن‌سازی شبکه در برابر خطر‌های احتمالی و حذف داده‌های تکراری به آسانی صورت نخواهد گرفت.

مزایا و معایب رایانش توزیع شده

در این بخش به بررسی برخی مزایا و معایب رایانش توزیع یا همان Distributed Computing خواهیم پرداخت.

برخی از مزایا رایانش توزیع شده عبارت‌اند از:

• مقیاس‌پذیری و رشد ماژولار: سیستم‌های توزیع شده به صورت ذاتی از جمله سیستم‌های مقیاس‌پذیر به شمار می‌روند. این مزیت در روش مدیریت و گسترش سیستم به سبب استفاده از مقیاس‌پذیری افقی (Horizontal) اثر‌گذاری مثبتی از خود بجا می‌گذارد. به این صورت مدیران می‌توانند در عوض به‌روز‌رسانی مداوم یک سیستم، با اضافه کردن سیستمی دیگر به مجموعه، حجم کاری فزاینده را در حالتی ایده‌آل مدیریت کنند. در واقع در این شرایط، هیچ‌گونه محدودیتی در میزان مقیاس‌پذیری کاربر وجود ندارد. سیستم‌ها قادرند در شرایطی که تحت تقاضای بالا هستند، از تمامی دستگاه‌های عضو مجموعه بیشترین بهره‌وری را با ظرفیت کامل راه‌اندازی کنند. همچین قادر بر آنند که در شرایطی که حجم کار پایین می‌آید؛ با خاموش کردن دستگاه‌ها به آنها فرصتی برای استراحت کردن دهند.
• افزایش تحمل خطا و افزونگی (میزان قابلیت اطمینان): به طور کلی، سیستم‌های توزیع‌شده ذاتا نسبت به دستگاه‌های تکی در برابر خطا مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهند. با استفاده از این مزیت می‌توان از آنلاین بودن سیستم در تمامی ساعات شبانه روز در ۷ روز هفته مطمئن بود. به طور مثال با بهره‌گیری از ۸ دستگاه در ۲ مرکز داده به صورت کاملا جدا از هم، در صورت بروز خطا در یک مرکز می‌توان اطمینان داشت که مرکز دیگر به عملکرد خود ادامه می‌دهد. در این شرایط، تقسیم وظایف محول شده بین دستگاه‌‌های کمتر، بر میزان تقاضا‌ی ارائه عملکرد در گره‌های باقی مانده اضافه می‌کند.
• کاهش زمان تاخیر: به سبب پخش سیستم در موقعیت‌های جغرافیایی متنوع، سیستم‌های توزیع‌شده قادرند با ارجاع هر کاربر به نزدیک‌ترین گره (از لحاظ جغرافیایی) ترافیک را به بهترین شیوه مدیریت کرده و در نتیجه کمترین میزان تأخیر و بهترین عملکرد را از خود ارائه دهند. طراحی این سبک از نرم‌افزار‌ها و فراهم‌سازی قابلیت اجرای همزمان روی چندین گره، می‌تواند میزان هزینه و پیچیدگی سیستم را افزایش دهد.
• کاهش هزینه‌های اقتصادی: اگر چه در ابتدای احداث سیستم‌های توزیع شده هزینه اولیه نسبت به سیستم‌های متمرکز و مستقل بیشتر است اما در دراز مدت می‌توان بر مقرون به صرفه بودن سیستم‌های توزیع شده (با توجه به میزان مقیاس‌پذیری آنها) اتکا کرد. باید باور داشت یک سیستم توزیع شده متشکل از تعدادی کامپیوتر کوچک بسیار مقرون به صرفه‌تر از یک دستگاه‌ عظیم است.
• افزایش بهره‌وری: مزیت بخش‌بندی مسائل و مشکلات پیچیده و سنگین به قطعه‌های کوچکتر و تقسیم آن میان تعداد بیشتری دستگاه، بر میزان بهره‌وری سیستم شما می‌افزاید. در این شرایط است که می‌توانید در راستای کاهش زمان مورد نیاز برای حل یا محاسبه مسائل از سیستم‌های توزیع شده بهره‌مند شوید.

معایب رایانش توزیع شده

در این قسمت به برخی معایب در تهیه و اجرای رایانش توزیع شده خواهیم پرداخت. برخی از این معایب در ادامه مطرح خواهند شد.

• افزایش پیچیدگی: استقرار، نگهداری، عیب‌یابی و اشکال‌زدایی سیستم‌های محاسباتی توزیع‌شده نسبت به همتایان متمرکز خود بسیار دشوار است. افزایش پیچیدگی تنها به سخت‌افزار محدود نمی‌شود چرا که سیستم‌های توزیع شده نیازمند طراحی نرم‌افزاری در راستای تامین و مدیریت امنیت و ارتباطات خود هستند.
• هزینه اولیه بیشتر: همان‌طور که پیش‌تر مطرح شد، سیستم‌های توزیع شده نیازمند به سرمایه‌گذاری عظیمی در ابتدای احداث خواهند بود. علاوه بر این، افزایش سربار پردازش (به دلیل محاسبات اضافی و تبادل اطلاعات) بر میزان هزینه کلی اضافه خواهد کرد.
• افزایش نگرانی‌های امنیتی: مدیریت دسترسی به داده‌ها در سیستم‌های رایانش متمرکز با موفقیت بالایی مواجه است؛ این در صورتی است که در سیستم‌های رایانش توزیع شده به دلیل توزیع‌شدگی سیستم‌ها این مهم به آسانی قابل به دستیابی نخواهد بود.