محاسبات توزیع‌شده چیست؟
محاسبات توزیع‌شده روشی است که در آن چندین رایانه برای حل یک مسئله مشترک با یکدیگر همکاری می‌کنند. این روش، یک شبکه رایانه‌ای را به صورت یک رایانه قدرتمند واحد نشان می‌دهد که منابع مقیاس‌پذیر بزرگی را برای مقابله با چالش‌های پیچیده فراهم می‌کند.
به عنوان مثال، محاسبات توزیع‌شده می‌تواند حجم زیادی از داده‌ها را رمزگذاری کند؛ معادلات فیزیک و شیمی با متغیرهای متعدد را حل کند؛ و انیمیشن‌های ویدئویی سه‌بعدی با کیفیت بالا را رندر کند. سیستم‌های توزیع‌شده، برنامه‌نویسی توزیع‌شده و الگوریتم‌های توزیع‌شده اصطلاحات دیگری هستند که همگی به محاسبات توزیع‌شده اشاره دارند.
مزایای محاسبات توزیع‌شده چیست؟
سیستم‌های توزیع‌شده مزایای بسیاری نسبت به محاسبات سیستم واحد دارند. در زیر به برخی از آنها اشاره می‌شود:
- مقیاس‌پذیری: سیستم‌های توزیع‌شده می‌توانند با حجم کاری و نیازهای شما رشد کنند. می‌توانید در صورت نیاز، گره‌های جدید، یعنی دستگاه‌های محاسباتی بیشتر، را به شبکه محاسبات توزیع‌شده اضافه کنید.
- در دسترس بودن: اگر یکی از رایانه‌ها از کار بیفتد، سیستم محاسبات توزیع‌شده شما از کار نمی‌افتد. این طراحی تحمل خطا را نشان می‌دهد زیرا می‌تواند حتی اگر رایانه‌های منفرد از کار بیفتند، به کار خود ادامه دهد.
- سازگاری: رایانه‌ها در یک سیستم توزیع‌شده اطلاعات را به اشتراک می‌گذارند و داده‌ها را بین خود تکرار می‌کنند، اما سیستم به‌طور خودکار سازگاری داده‌ها را در تمام رایانه‌های مختلف مدیریت می‌کند. بنابراین، شما از مزیت تحمل خطا بدون به خطر انداختن سازگاری داده‌ها بهره‌مند می‌شوید.
- شفافیت: سیستم‌های محاسبات توزیع‌شده جداسازی منطقی بین کاربر و دستگاه‌های فیزیکی را فراهم می‌کنند. می‌توانید با سیستم طوری تعامل کنید که گویی یک رایانه واحد است، بدون اینکه نگران تنظیم و پیکربندی ماشین‌های منفرد باشید. می‌توانید سخت‌افزار، میان‌افزار، نرم‌افزار و سیستم‌عامل‌های مختلفی داشته باشید که با هم کار می‌کنند تا سیستم شما به‌طور روان کار کند.
- کارایی: سیستم‌های توزیع‌شده عملکرد سریع‌تری را با استفاده بهینه از منابع سخت‌افزار زیربنایی ارائه می‌دهند. در نتیجه، می‌توانید هر حجم کاری را بدون نگرانی از خرابی سیستم به دلیل افزایش حجم یا کم‌استفاده از سخت‌افزار گران‌قیمت مدیریت کنید.
موارد استفاده از محاسبات توزیع‌شده چیست؟
محاسبات توزیع‌شده امروزه در همه جا وجود دارد. برنامه‌های کاربردی موبایل و وب نمونه‌هایی از محاسبات توزیع‌شده هستند زیرا چندین ماشین در بک‌اند با هم کار می‌کنند تا برنامه اطلاعات صحیح را به شما ارائه دهد. با این حال، هنگامی که سیستم‌های توزیع‌شده مقیاس‌بندی می‌شوند، می‌توانند چالش‌های پیچیده‌تری را حل کنند. بیایید برخی از روش‌هایی را که صنایع مختلف از برنامه‌های کاربردی توزیع‌شده با عملکرد بالا استفاده می‌کنند، بررسی کنیم.
- مراقبت‌های بهداشتی و علوم زیستی: مراقبت‌های بهداشتی و علوم زیستی از محاسبات توزیع‌شده برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی داده‌های پیچیده علوم زیستی استفاده می‌کنند. تجزیه و تحلیل تصویر، تحقیقات دارویی پزشکی و تجزیه و تحلیل ساختار ژن همگی با سیستم‌های توزیع‌شده سریع‌تر می‌شوند. اینها برخی از نمونه‌ها هستند:
- تسریع طراحی دارو مبتنی بر ساختار با تجسم مدل‌های مولکولی در سه بعد.
- کاهش زمان پردازش داده‌های ژنومی برای کسب اطلاعات اولیه در مورد سرطان، فیبروز سیستیک و آلزایمر.
- توسعه سیستم‌های هوشمندی که به پزشکان در تشخیص بیماران با پردازش حجم زیادی از تصاویر پیچیده مانند MRI، اشعه ایکس و سی‌تی اسکن کمک می‌کنند.
- تحقیقات مهندسی: مهندسان می‌توانند مفاهیم پیچیده فیزیک و مکانیک را در سیستم‌های توزیع‌شده شبیه‌سازی کنند. آنها از این تحقیقات برای بهبود طراحی محصول، ساخت سازه‌های پیچیده و طراحی وسایل نقلیه سریع‌تر استفاده می‌کنند. در اینجا چند نمونه آورده شده است:
- تحقیقات دینامیک سیالات محاسباتی رفتار مایعات را مطالعه می‌کند و این مفاهیم را در طراحی هواپیما و مسابقات اتومبیل‌رانی پیاده‌سازی می‌کند.
- مهندسی به کمک رایانه به ابزارهای شبیه‌سازی محاسباتی فشرده برای آزمایش مهندسی کارخانه جدید، الکترونیک و کالاهای مصرفی نیاز دارد.
- خدمات مالی: شرکت‌های خدمات مالی از سیستم‌های توزیع‌شده برای انجام شبیه‌سازی‌های اقتصادی با سرعت بالا استفاده می‌کنند که خطرات پرتفوی را ارزیابی می‌کنند، حرکات بازار را پیش‌بینی می‌کنند و از تصمیم‌گیری‌های مالی پشتیبانی می‌کنند. آنها می‌توانند برنامه‌های کاربردی وب را ایجاد کنند که از قدرت سیستم‌های توزیع‌شده برای انجام موارد زیر استفاده می‌کنند:
- ارائه حق بیمه‌های شخصی‌سازی‌شده و کم‌هزینه.
- استفاده از پایگاه‌های داده توزیع‌شده برای پشتیبانی ایمن از حجم بسیار بالای تراکنش‌های مالی.
- احراز هویت کاربران و محافظت از مشتریان در برابر کلاهبرداری.
- انرژی و محیط زیست: شرکت‌های انرژی نیاز به تجزیه و تحلیل حجم زیادی از داده‌ها برای بهبود عملیات و انتقال به راه حل‌های پایدار و سازگار با آب و هوا دارند. آنها از سیستم‌های توزیع‌شده برای تجزیه و تحلیل جریان داده‌های با حجم بالا از یک شبکه گسترده از حسگرها و سایر دستگاه‌های هوشمند استفاده می‌کنند. اینها برخی از وظایفی هستند که ممکن است انجام دهند:
- جریان و تجمیع داده‌های لرزه‌ای برای طراحی ساختاری نیروگاه‌ها.
- نظارت بر زمان واقعی چاه‌های نفت برای مدیریت ریسک پیشگیرانه.
انواع معماری محاسبات توزیع‌شده چیست؟
در محاسبات توزیع‌شده، برنامه‌های کاربردی را طراحی می‌کنید که می‌توانند به جای یک رایانه، روی چندین رایانه اجرا شوند. شما این کار را با طراحی نرم‌افزار به گونه‌ای انجام می‌دهید که رایانه‌های مختلف عملکردهای مختلفی را انجام دهند و برای توسعه راه‌حل نهایی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. چهار نوع اصلی معماری توزیع‌شده وجود دارد.
- معماری کلاینت-سرور: کلاینت-سرور رایج‌ترین روش سازماندهی نرم‌افزار در یک سیستم توزیع‌شده است. توابع به دو دسته تقسیم می‌شوند: کلاینت‌ها و سرورها.
- کلاینت‌ها: کلاینت‌ها اطلاعات و توانایی پردازش محدودی دارند. در عوض، آنها درخواست‌هایی را به سرورها ارسال می‌کنند که بیشتر داده‌ها و سایر منابع را مدیریت می‌کنند. می‌توانید درخواست‌هایی را به کلاینت ارسال کنید و آن از طرف شما با سرور ارتباط برقرار می‌کند.
- سرورها: رایانه‌های سرور دسترسی به منابع را همگام‌سازی و مدیریت می‌کنند. آنها به درخواست‌های کلاینت با داده‌ها یا اطلاعات وضعیت پاسخ می‌دهند. معمولاً یک سرور می‌تواند درخواست‌های چندین ماشین را مدیریت کند.
- مزایا و محدودیت‌ها: معماری کلاینت-سرور مزایای امنیت و سهولت مدیریت مداوم را ارائه می‌دهد. شما فقط باید روی ایمن‌سازی رایانه‌های سرور تمرکز کنید. به‌طور مشابه، هرگونه تغییر در سیستم‌های پایگاه داده فقط نیاز به تغییر در سرور دارد. محدودیت معماری کلاینت-سرور این است که سرورها می‌توانند باعث ایجاد گلوگاه‌های ارتباطی شوند، به‌ویژه زمانی که چندین ماشین به‌طور همزمان درخواست ارسال می‌کنند.
- معماری سه‌لایه: در سیستم‌های توزیع‌شده سه‌لایه، ماشین‌های کلاینت به عنوان لایه اول که شما به آن دسترسی دارید، باقی می‌مانند. از طرف دیگر، ماشین‌های سرور به دو دسته تقسیم می‌شوند:
- سرورهای برنامه: سرورهای برنامه به عنوان لایه میانی برای ارتباط عمل می‌کنند. آنها منطق برنامه یا عملکردهای اصلی را که برای آن سیستم توزیع‌شده را طراحی می‌کنید، در خود جای می‌دهند.
- سرورهای پایگاه داده: سرورهای پایگاه داده به عنوان لایه سوم برای ذخیره و مدیریت داده‌ها عمل می‌کنند. آنها مسئول بازیابی داده‌ها و سازگاری داده‌ها هستند. با تقسیم مسئولیت سرور، سیستم‌های توزیع‌شده سه‌لایه گلوگاه‌های ارتباطی را کاهش می‌دهند و عملکرد محاسبات توزیع‌شده را بهبود می‌بخشند.
- معماری N-لایه (ادامه): مدل‌های N-لایه شامل چندین سیستم کلاینت-سرور مختلف هستند که برای حل یک مسئله مشترک با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. اکثر سیستم‌های توزیع‌شده مدرن از معماری N-لایه با برنامه‌های کاربردی سازمانی مختلف که در پشت صحنه به عنوان یک سیستم واحد با هم کار می‌کنند، استفاده می‌کنند.
- معماری همتا به همتا: سیستم‌های توزیع‌شده همتا به همتا مسئولیت‌های مساوی را به تمام رایانه‌های شبکه‌شده اختصاص می‌دهند. هیچ جداسازی بین رایانه‌های کلاینت و سرور وجود ندارد و هر رایانه می‌تواند تمام مسئولیت‌ها را انجام دهد. معماری همتا به همتا برای اشتراک‌گذاری محتوا، پخش فایل و شبکه‌های بلاک چین محبوب شده است.
محاسبات توزیع‌شده چگونه کار می‌کند؟
محاسبات توزیع‌شده با ارسال پیام توسط رایانه‌ها به یکدیگر در معماری سیستم‌های توزیع‌شده کار می‌کند. پروتکل‌ها یا قوانین ارتباطی وابستگی بین اجزای سیستم توزیع‌شده ایجاد می‌کنند. این وابستگی را جفت‌شدگی می‌نامند و دو نوع اصلی جفت‌شدگی وجود دارد.
- جفت‌شدگی سست: در جفت‌شدگی سست، اجزا به طور ضعیف به هم متصل می‌شوند به طوری که تغییرات در یک جزء بر جزء دیگر تأثیر نمی‌گذارد. به عنوان مثال، رایانه‌های کلاینت و سرور می‌توانند از نظر زمانی به طور سست جفت شوند. پیام‌های کلاینت به یک صف سرور اضافه می‌شوند و کلاینت می‌تواند به انجام سایر عملکردها ادامه دهد تا زمانی که سرور به پیام آن پاسخ دهد.
- جفت‌شدگی محکم: سیستم‌های توزیع‌شده با عملکرد بالا اغلب از جفت‌شدگی محکم استفاده می‌کنند. شبکه‌های محلی سریع معمولاً چندین رایانه را به هم متصل می‌کنند که یک خوشه را ایجاد می‌کند. در محاسبات خوشه‌ای، هر رایانه برای انجام همان وظیفه تنظیم می‌شود. سیستم‌های کنترل مرکزی، به نام میان‌افزار خوشه‌بندی، وظایف را کنترل و زمان‌بندی می‌کنند و ارتباط بین رایانه‌های مختلف را هماهنگ می‌کنند.
محاسبات موازی چیست؟
محاسبات موازی نوعی محاسبات است که در آن یک رایانه یا چندین رایانه در یک شبکه محاسبات یا فرآیندهای زیادی را به طور همزمان انجام می‌دهند. اگرچه اصطلاحات محاسبات موازی و محاسبات توزیع‌شده اغلب به جای یکدیگر استفاده می‌شوند، اما تفاوت‌هایی با هم دارند.
- محاسبات موازی در مقابل محاسبات توزیع‌شده: محاسبات موازی نوعی جفت‌شدگی محکم از محاسبات توزیع‌شده است. در پردازش موازی، همه پردازنده‌ها برای تبادل اطلاعات بین خود به حافظه مشترک دسترسی دارند. از طرف دیگر، در پردازش توزیع‌شده، هر پردازنده حافظه خصوصی (حافظه توزیع‌شده) دارد. پردازنده‌ها از ارسال پیام برای تبادل اطلاعات استفاده می‌کنند.
محاسبات شبکه‌ای چیست؟
در محاسبات شبکه‌ای، شبکه‌های رایانه‌ای توزیع‌شده جغرافیایی برای انجام وظایف مشترک با هم کار می‌کنند. یکی از ویژگی‌های شبکه‌های توزیع‌شده این است که می‌توانید آنها را از منابع محاسباتی متعلق به چندین فرد یا سازمان تشکیل دهید.
- محاسبات شبکه‌ای در مقابل محاسبات توزیع‌شده: محاسبات شبکه‌ای محاسبات توزیع‌شده بسیار مقیاس‌بندی‌شده‌ای است که بر عملکرد و هماهنگی بین چندین شبکه تأکید دارد. در داخل، هر شبکه مانند یک سیستم محاسباتی جفت‌شده محکم عمل می‌کند. با این حال، در خارج، شبکه‌ها به طور سست‌تری جفت می‌شوند. هر شبکه شبکه وظایف فردی را انجام می‌دهد و نتایج را به سایر شبکه‌ها منتقل می‌کند.
