ما هي الحوسبة الموزعة ؟ مزايا وعيوب وحالات الاستخدام وكيف تعمل؟

ما هي الحوسبة الموزعة؟

ما هي الحوسبة الموزعة؟

هي نموذج يتم فيه مشاركة مكونات نظام برمجي بين أجهزة كمبيوتر أو عقد متعددة. وعلى الرغم من أن مكونات البرنامج موزعة عبر أجهزة كمبيوتر متعددة في مواقع متعددة، إلا أنها تعمل كنظام واحد لتحسين الكفاءة والأداء. تتواصل الأنظمة الموجودة على أجهزة كمبيوتر مختلفة متصلة بالشبكة وتنسق عن طريق إرسال الرسائل ذهابًا وإيابًا لإنجاز مهمة محددة.

نظرًا لقدرتها على توفير المعالجة المتوازية بين أنظمة متعددة، يمكن للحوسبة الموزعة زيادة الأداء والمرونة وقابلية التوسع، مما يجعلها نموذج حوسبة شائعًا في أنظمة قواعد البيانات وتصميم التطبيقات.

الحوسبة الموزعة تُعرف أحيانًا أيضًا بالأنظمة الموزعة أو البرمجة الموزعة أو الخوارزميات الموزعة.

كيف تعمل الحوسبة الموزعة

يمكن توصيل شبكات الحوسبة الموزعة كشبكات محلية أو من خلال شبكة واسعة النطاق إذا كانت الأجهزة في مواقع جغرافية مختلفة. تعمل المعالجات في أنظمة الحوسبة الموزعة عادةً بالتوازي.

تتضمن الوظائف الشائعة المشاركة في الحوسبة الموزعة ما يلي:

توزيع المهام: توزع الخوارزمية المركزية مهمة كبيرة إلى مهام فرعية أصغر. ثم يتم تعيين هذه المهام الفرعية إلى عقد مختلفة داخل النظام لتوزيع عبء العمل.

التنفيذ المتوازي: بمجرد تعيين العقد، تقوم بشكل مستقل بتنفيذ المهمة الفرعية المخصصة لها بالتزامن مع العقد الأخرى. تمكن هذه المعالجة المتوازية من حساب أسرع للمهام المعقدة مقارنة بالمعالجة المتسلسلة.

التواصل: تتواصل العقد في النظام الموزع مع بعضها البعض لمشاركة الموارد وتنسيق المهام والحفاظ على المزامنة. يمكن أن يحدث هذا الاتصال من خلال مجموعة متنوعة من بروتوكولات الشبكة.

تجميع النتائج: بعد إكمال المهام الفرعية الخاصة بها، ترسل العقد غالبًا نتائجها إلى عقدة مركزية أو مجمع. يجمع المجمع هذه النتائج لإنتاج الناتج النهائي أو نتيجة الحساب الإجمالي.
التسامح مع الأخطاء. تم تصميم الأنظمة الموزعة للتعامل مع الأعطال بسلاسة. غالبًا ما تتضمن التكرار وتكرار البيانات وآليات الكشف عن أعطال العقد الفردية أو قنوات الاتصال والتعافي منها.

أنواع هياكل الحوسبة الموزعة

في إعدادات المؤسسة، تضع الحوسبة الموزعة عمومًا خطوات مختلفة في العمليات التجارية في الأماكن الأكثر كفاءة في شبكة الكمبيوتر. على سبيل المثال، يحتوي التوزيع النموذجي على نموذج ثلاثي الطبقات ينظم التطبيقات في طبقة العرض – أو واجهة المستخدم – وطبقة التطبيق وطبقة البيانات. تعمل هذه الطبقات على النحو التالي:

تحدث معالجة واجهة المستخدم على الكمبيوتر الشخصي في موقع المستخدم.
تتم معالجة التطبيق على كمبيوتر بعيد.
تحدث معالجة الوصول إلى قاعدة البيانات والخوارزمية على كمبيوتر آخر يوفر وصولاً مركزيًا للعديد من العمليات التجارية.

بالإضافة إلى النموذج ثلاثي الطبقات، تتضمن الأنواع الأخرى من هياكل الحوسبة الموزعة ما يلي:

هياكل العميل والخادم: تستخدم هياكل العميل والخادم عملاء أذكياء يتصلون بالخادم للحصول على البيانات، ثم يقومون بتنسيق هذه البيانات وعرضها للمستخدم.

هياكل النظام متعددة الطبقات: تستخدم هذه الهياكل عادةً في خوادم التطبيقات، وتستخدم تطبيقات الويب لإعادة توجيه الطلبات إلى خدمات المؤسسة الأخرى.

هياكل نظير إلى نظير: تقسم هذه الهياكل جميع المسؤوليات بين جميع أجهزة الكمبيوتر النظيرة، والتي يمكن أن تعمل كعملاء أو خوادم. هذا النموذج شائع في العديد من حالات الاستخدام، بما في ذلك شبكات blockchain وتبادل المحتوى وبث الوسائط.

الهندسة المعمارية القابلة للتوسع: تُستخدم الهندسة المعمارية القابلة للتوسع عادةً بواسطة مجموعات الحوسبة الموزعة، مما يجعل من الأسهل إضافة أجهزة جديدة مع زيادة الحمل على الشبكة.

هندسة الذاكرة المشتركة الموزعة: يتم تطبيق هذا النوع من هندسة الذاكرة على أنظمة الذاكرة الموزعة المقترنة بشكل فضفاض. إنها تمكن عمليات المستخدم النهائي من الوصول إلى البيانات المشتركة دون الحاجة إلى الاتصال بين العمليات.

مزايا الحوسبة الموزعة

تقدم الحوسبة الموزعة الفوائد التالية:

تحسين الأداء: يمكن للحوسبة الموزعة أن تساعد في تحسين الأداء من خلال جعل كل جهاز كمبيوتر في مجموعة يتعامل مع أجزاء مختلفة من المهمة في وقت واحد.

قابلية التوسع: مجموعات الحوسبة الموزعة قابلة للتوسع من خلال إضافة أجهزة جديدة عند الحاجة. بالإضافة إلى ذلك، يمكنها الاستمرار في العمل حتى إذا تعطل أحد الأنظمة أو أكثر، وبالتالي توفر قابلية التوسع والتسامح مع الأخطاء.

المرونة والتكرار: يمكن لأجهزة كمبيوتر متعددة تقديم نفس الخدمات. بهذه الطريقة، إذا لم يكن أحد الأجهزة متاحًا، يمكن لأجهزة أخرى أن تحل محل الخدمة. وبالمثل، إذا كان جهازان يؤديان نفس الخدمة موجودين في مراكز بيانات مختلفة وتعطل أحد مراكز البيانات، فلا يزال بإمكان المؤسسة العمل.

الفعالية من حيث التكلفة: يمكن للحوسبة الموزعة استخدام أجهزة منخفضة التكلفة وجاهزة للاستخدام. تهدف هذه الأنظمة إلى تحقيق أداء عالٍ من خلال تقليل زمن الوصول وتحسين وقت الاستجابة وتعظيم الإنتاجية لتلبية الأهداف المشتركة.

الكفاءة: يمكن تقسيم الطلبات المعقدة إلى أجزاء أصغر وتوزيعها بين أنظمة مختلفة. بهذه الطريقة، يتم تبسيط الطلب والعمل عليه كشكل من أشكال الحوسبة المتوازية، مما يقلل من الوقت اللازم لحساب الطلبات.

المرونة: على عكس التطبيقات التقليدية التي تعمل على نظام واحد، تعمل التطبيقات الموزعة على أنظمة متعددة في وقت واحد.

الشفافية: يمكن للأنظمة الموزعة تقديم الموارد مثل الملفات وقواعد البيانات والخدمات كما لو كانت موجودة على جهاز كمبيوتر واحد أو موقع واحد، على الرغم من أنه يمكن توزيعها عبر عقد متعددة. تمكن هذه الشفافية المستخدمين أو التطبيقات من الوصول إلى الموارد دون الحاجة إلى معرفة مكان وجودها فعليًا.

عيوب الحوسبة الموزعة

إلى جانب مزاياها المختلفة، تقدم الحوسبة الموزعة أيضًا بعض العيوب، بما في ذلك ما يلي:

مشكلات التكوين: لكي يعمل النظام الموزع بشكل صحيح، يجب أن يكون لجميع العقد في الشبكة نفس التكوين وأن تكون قادرة على التفاعل مع بعضها البعض. يمكن أن يجلب هذا تحديات للمؤسسات التي لديها بنية تحتية معقدة لتكنولوجيا المعلومات أو لديها موظفو تكنولوجيا معلومات يفتقرون إلى المهارات اللازمة.

تكاليف الاتصالات: يمكن أن يؤدي التنسيق والتواصل بين العقد المتعددة في نظام موزع إلى إنشاء تكاليف اتصالات إضافية، مما قد يقلل من أداء النظام الإجمالي.

إدارة الأمان: قد تكون إدارة الأمان في الأنظمة الموزعة معقدة، حيث يجب على المستخدمين التحكم في البيانات المكررة عبر مواقع مختلفة وضمان أمان الشبكة. بالإضافة إلى ذلك، قد يكون ضمان الأداء الثابت ووقت التشغيل عبر الموارد الموزعة أمرًا صعبًا.

التكلفة: في حين أن الأنظمة الموزعة قد تكون فعالة من حيث التكلفة على المدى الطويل، إلا أنها غالبًا ما تتكبد تكاليف نشر عالية في البداية. يمكن أن يكون هذا مشكلة لبعض المؤسسات، وخاصة عند مقارنتها بالتكاليف الأولية المنخفضة نسبيًا للأنظمة المركزية.

التعقيد: يمكن أن تكون الأنظمة الموزعة أكثر تعقيدًا في التصميم والتنفيذ والصيانة مقارنة بالأنظمة المركزية. يمكن أن يؤدي هذا إلى تحديات في تصحيح الأخطاء والمراقبة وضمان موثوقية النظام بشكل عام.

حالات استخدام الحوسبة الموزعة

تستخدم الحوسبة الموزعة في العديد من الصناعات، بما في ذلك ما يلي:

الرعاية الصحية وعلوم الحياة: تُستخدم الحوسبة الموزعة لنمذجة ومحاكاة بيانات علوم الحياة المعقدة. وهذا يتيح المعالجة الفعّالة وتخزين وتحليل كميات كبيرة من البيانات الطبية جنبًا إلى جنب مع تبادل السجلات الصحية الإلكترونية وغيرها من المعلومات بين مقدمي الرعاية الصحية والمستشفيات والعيادات والمختبرات.

شبكات الاتصالات: تعد شبكات الهاتف والخلوية أمثلة على الشبكات الموزعة. كانت شبكات الهاتف تعمل في البداية كشبكات نظير إلى نظير. من ناحية أخرى، تتكون الشبكات الخلوية من محطات أساسية موزعة عبر خلايا معينة. ومع انتقال شبكات الهاتف إلى الصوت عبر بروتوكول الإنترنت، تطورت إلى شبكات موزعة أكثر تعقيدًا.

الفضاء والطيران: تستخدم صناعة الفضاء الحوسبة الموزعة، بما في ذلك نظام التشخيص الموزع لمحركات الطائرات. تتعامل DAME مع بيانات الطيران المكثفة من الطائرات العاملة باستخدام الحوسبة الشبكية. وهذا يتيح تطوير أنظمة دعم القرار لتشخيص الطائرات وصيانتها.

التصنيع والخدمات اللوجستية: تُستخدم الحوسبة الموزعة في صناعات مثل التصنيع والخدمات اللوجستية لتوفير أنظمة التتبع في الوقت الفعلي والتحكم الآلي والإرسال. تستخدم هذه الصناعات عادةً تطبيقات تراقب وتتحقق من المعدات، فضلاً عن توفير تتبع في الوقت الفعلي لأنشطة الخدمات اللوجستية والتجارة الإلكترونية.

الحوسبة السحابية وخدمات تكنولوجيا المعلومات: تستفيد صناعة تكنولوجيا المعلومات من الحوسبة الموزعة لضمان تحمل الأخطاء وتسهيل إدارة الموارد وإمكانية الوصول إليها وتعظيم الأداء. كما أنها جزء لا يتجزأ من منصات الحوسبة السحابية، حيث توفر بنى تحتية ديناميكية ومرنة وضمانات جودة الخدمة.

الخدمات المالية: تستخدم مؤسسات الخدمات المالية أنظمة موزعة لحالات استخدام مختلفة، مثل المحاكاة الاقتصادية السريعة وتقييم مخاطر المحفظة والتنبؤ بالسوق واتخاذ القرارات المالية. كما أنها تنشر تطبيقات الويب التي تعمل بنظام موزع لتقديم أقساط مخصصة ومعالجة المعاملات المالية واسعة النطاق بأمان عبر قواعد البيانات الموزعة وتعزيز مصادقة المستخدم لمنع الاحتيال.

الترفيه والألعاب: تعد الحوسبة الموزعة ضرورية في قطاعي الألعاب والترفيه عبر الإنترنت لأنها توفر الموارد اللازمة للتشغيل الفعال ودعم الألعاب متعددة اللاعبين عبر الإنترنت والرسوم المتحركة عالية الجودة وتطبيقات الترفيه المختلفة.

الذكاء الاصطناعي الموزع: يستخدم الذكاء الاصطناعي الموزع خوارزميات معقدة وأنظمة واسعة النطاق للتعلم واتخاذ القرار، ويعتمد على نقاط بيانات حسابية موزعة عبر مواقع متعددة.