الحوسبة الموزَّعة في شبكات الحاسب:
الحوسبة الموزَّعة هي طريقة لجعل أجهزة كمبيوتر متعدِّدة تعمل معاً بهدف حل مشكلة شائعة. فهي تجعل شبكة الكمبيوتر تظهر كجهاز كمبيوتر فردي شديد الفعالية قادر على يوفر موارد واسعة النطاق للتعامل مع التحديات المعقَّدة.
على سبيل المثال، يمكن للحوسبة الموزَّعة تشفير كميات كبيرة من البيانات، وحل المعادلات الفيزيائية والكيميائية ذات المتغيرات المتعدِّدة، وتقديم رسوم متحركة عالية الجودة بمقاطع فيديو ثلاثية الأبعاد. الأنظمة الموزَّعة والبرمجة الموزَّعة والخوارزميات الموزَّعة هي جميعها مصطلحات مختلفة تشير إلى الحوسبة الموزَّعة.
معلومات عامة عن المعالجة الموزَّعة:
المعالجة الموزَّعة في شبكات الحاسوب هي تقنية لربط خوادم الكمبيوتر المتعددة معاً عبر شبكة في مجموعة، وذلك لمشاركة البيانات وتنسيق طاقة المعالجة، حيث يُشار إلى مثل هذا التجمُّع باسم “النظام الموزَّع”، والتي تقدِّم الحوسبة الموزَّعة مزايا في قابلية التوسع، وذلك من خلال هيكل التدرج والأداء عبر التوازي والمرونة عن طريق التكرار وفعالية التكلفة من خلال استخدام أجهزة سلعة منخفضة التكلفة.
كما يمكن أيضاً استخدام المعالجة الموزَّعة كمرادف تقريبي للمعالجة المتوازية، حيث يتم عمل البرامج بشكل أسرع مع معالجات متعدِّدة، وذلك من خلال استراتيجية تضمين أكثر من معالج واحد على شريحة معالج دقيق، كما يمكن لمستخدمي الأجهزة أيضاً تجميع أجهزة كمبيوتر متعدِّدة معاً، وذلك لتنفيذ معالجة متوازية مع التطبيقات المعروفة باسم برامج المعالجة الموزَّعة.
المعالجة الموزَّعة في شبكات الحاسوب هي تستخدم للإشارة إلى مجموعة متنوعة من أنظمة الكمبيوتر التي تستخدم أكثر من جهاز كمبيوتر أو معالج، وذلك لتشغيل أحد التطبيقات، حيث يتضمَّن ذلك المعالجة المتوازية التي يستخدم فيها جهاز كمبيوتر واحد أكثر من وحدة معالجة مركزية واحدة لتنفيذ البرامج، ومع ذلك تُشير المعالجة الموزَّعة في شبكات الحاسوب في كثير من الأحيان إلى شبكات المنطقة المحلية (LAN) المصممة.
بحيث يمكن تشغيل برنامج واحد في وقت واحد في مواقع مختلفة، حيث تحتوي معظم المعالجة الموزَّعة في شبكات الحاسوب على برامج متطورة تكتشف وحدات المعالجة المركزية الخاملة على الشبكة وتقوم بتجميع البرامج للاستفادة منها، حيث أصبحت الحوسبة الموزَّعة شائعة جداً في تصميم قواعد البيانات والتطبيقات، وهذا هو السبب في أنَّها ذات قيمة خاصة للتوسيع بحيث يمكن معالجة هذا الحمل الإضافي مع زيادة أحجام البيانات ببساطة، وذلك عن طريق إضافة المزيد من الأجهزة إلى النظام كما هو مُوضح في الشكل.
المعالجة الموزَّعة في شبكات الحاسوب تجعل جميع أجهزة الكمبيوتر في المجموعة تعمل معاً، كما لو كانت كمبيوتراً واحداً وعلى الرغم من وجود بعض التعقيد إلا أنَّ هناك فوائد ومنها قابلية التوسع، حيث من السهل قياس مجموعات الحوسبة الموزعة، وذلك من خلال “بنية قابلة للتوسيع” حيث يمكن التعامل مع الأحمال الأعلى ببساطة عن طريق إضافة أجهزة جديدة وذلك مقابل استبدال الأجهزة الموجودة.
والأداء وذلك من خلال التوازي حيث يتعامل كل كمبيوتر في الكتلة في نفس الوقت مع مجموعة فرعية من مهمة شاملة، حيث يمكن للكتلة تحقيق مستويات عالية من الأداء وذلك من خلال نهج، والمرونة عادةً ما تقوم مجموعات الحوسبة الموزَّعة بنسخ أو البيانات عبر جميع خوادم الكمبيوتر، وذلك لضمان عدم وجود نقطة واحدة للفشل، وفي حالة فشل جهاز الكمبيوتر يتم تخزين نسخ من البيانات الموجودة على هذا الكمبيوتر في مكان آخر حتى لا يتم فقد أي بيانات، والفعالية من حيث التكلفة، حيث عادةً ما تستفيد الحوسبة الموزَّعة من أجهزة سلعية منخفضة التكلفة، ممَّا يجعل عمليات النشر الأولية تعمل الى توسعات المجموعات اقتصادية للغاية.
بعض حالات استخدام الحوسبة الموزَّعة:
الحوسبة الموزَّعة موجودة في كل مكان في الوقت الحالي. تُعد تطبيقات الهاتف الجوال وتطبيقات الويب أمثلةً على الحوسبة الموزَّعة لأنَّ العديد من الأجهزة تعمل معاً في الواجهة الخلفية للتطبيق لإمدادك بالمعلومات الصحيحة. ولكن عندما تتوسع الأنظمة الموزَّعة، يمكنها التغلب على تحديات أكثر تعقيداً. هيَّا نستكشف بعض الطرق التي تستخدم مختلف الصناعات بها التطبيقات الموزَّعة عالية الأداء.
- الرعاية الصحيَّة وعلوم الحياة:
تستخدم الحوسبة الموزَّعة لنمذجة بيانات علوم الحياة المعقدة ومحاكاتها. وقد صار تحليل الصور وبحوث الأدوية الطبية وتحليل البنية الجينية أسرع مع الأنظمة الموزَّعة. فيما يلي بعض الأمثلة:
- تسريع عملية تصميم الدواء القائم على الهيكل من خلال التمثيل المرئي للنماذج الجزيئية في ثلاثة أبعاد.
- تقليل أوقات معالجة البيانات الجينومية للحصول على رؤى مبكرة عن السرطان والتليف الكيسي والزهايمر.
- تطوير أنظمة ذكية تساعد الأطباء في تشخيص المرضى عن طريق معالجة كم كبير من الصور المعقدة، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي، والأشعة السينية، وفحوصات التصوير المقطعي المحوسب.
- البحث الهندسي:
يمكن للمهندسين محاكاة مفاهيم الفيزياء والميكانيكا المعقَّدة على الأنظمة الموزَّعة. يستخدمون هذا البحث لتحسين تصميم المنتج وبناء الهياكل المعقَّدة وتصميم المركبات بشكل أسرع. إليك بعض الأمثلة:
- يدرس بحث ديناميكيات الموائع الحسابية سلوك الموائع ويطبق هذه المفاهيم في تصميم الطائرات وسباق السيارات.
- تتطلَّب الهندسة بمساعدة الكمبيوتر أدوات محاكاة حسابية مكثَّفة لاختبار هندسة المصانع الجديدة والإلكترونيات والسلع الاستهلاكية.
- الخدمات المالية:
تستخدم شركات الخدمات المالية أنظمة موزَّعة لإجراء عمليات محاكاة اقتصادية عالية السرعة لتقييم مخاطر المحفظة الاستثمارية والتنبؤ بحركات السوق ودعم اتخاذ القرارات المالية. يمكنها إنشاء تطبيقات الويب التي تستخدم قوة الأنظمة الموزّعة للقيام بما يلي:
- تقديم أقساط منخفضة التكلفة ومخصصة.
- استخدم قواعد البيانات الموزَّعة لدعم حجم كبير جداً من المعاملات المالية بشكل آمن.
- توثيق المستخدمين وحماية العملاء من الاحتيال.
- الطاقة والبيئة:
تحتاج شركات الطاقة إلى تحليل أحجام كبيرة من البيانات لتحسين العمليات والانتقال إلى حلول مستدامة وصديقة للمناخ. تستخدم أنظمة موزَّعة لتحليل تدفقات البيانات كبيرة الحجم من شبكة واسعة من أجهزة الاستشعار والأجهزة الذكية الأخرى. هذه بعض المهام التي قد يقومون بها:
- تدفُّق وتوحيد البيانات الزلزالية للتصميم الهيكلي لمحطات الطاقة.
- مراقبة آبار النفط الآنية لإدارة المخاطر الاستباقية.
أمثلة على المعالجة الموزَّعة في شبكات الحاسب:
- استضافة موقع على السيرفر الالكتروني.
- أدوات تحرير الصور عبر الإنترنت.
- نظام حجز تذاكر الطيران.
- معالجة بيانات المستخدم من قبل شركات المحمول
“Dropbox” و “Google drive” و “MSN drive” وصور “Google”. - تقرير توليد من القمر الصناعي.
- نظام التنبؤ بالطقس.
مزايا الحوسبة الموزَّعة:
تُوفر الأنظمة الموزَّعة العديد من المزايا مقارنة بحوسبة النظام الواحد. وفيما يلي بعض منها:
- قابلية التوسُّع: يمكن أن تزيد الأنظمة الموزَّعة مع عبء العمل والمتطلبات لديك. يمكنك إضافة عقد جديدة، أي المزيد من أجهزة الحوسبة، إلى شبكة الحوسبة الموزّعة عند الحاجة إليها.
- سهولة استبدال أجهزة الكمبيوتر البعيدة: يحتوي خادمMicrosoft Windows” “على ميزة تُسمى تجميع تجاوز الفشل، حيث تساعد على إزالة أجهزة الكمبيوتر المعيبة، وفي حالة فشل أي جهاز كمبيوتر على الشبكة أو تلفه ببعض الوسائل يتم استبدال هذا الكمبيوتر تلقائياً بأجهزة كمبيوتر أخرى.
- التوافر: لن يتعطل نظام الحوسبة الموزَّعة لديك إذا تعطل أحد أجهزة الكمبيوتر. يبين التصميم القدرة على التعامل مع الأعطال لأنَّه يمكن أن يستمر في العمل حتى إذا فشلت أجهزة الكمبيوتر الفردية.
- الاتساق: تشارك أجهزة الكمبيوتر في نظام موزِّع المعلومات وتكرر البيانات فيما بينها، لكن النظام يدير تلقائياً اتِّساق البيانات في جميع أجهزة الكمبيوتر المختلفة. وبالتالي، يمكنك الاستفادة من القدرة على التعامل مع الأعطال بدون المساس باتساق البيانات.
- الشفافية: توفر أنظمة الحوسبة الموزَّعة فصلاً منطقيًا بين المستخدم والأجهزة المادية. يمكنك التفاعل مع النظام كما لو كان جهاز كمبيوتر واحد بدون القلق بشأن إعداد الأجهزة الفردية وتكوينها. يمكن أن تكون لديك أجهزة وبرنامج وسيط وبرمجيات وأنظمة تشغيل مختلفة تعمل معاً لجعل نظامك يعمل بسلاسة.
- الكفاءة: تُوفر الأنظمة الموزَّعة أداءً أسرع مع الاستخدام الأمثل للموارد للأجهزة الأساسية. نتيجةً لذلك، يمكنك إدارة أي عبء عمل بدون القلق بشأن فشل النظام بسبب ارتفاع الحجم أو قلة استخدام الأجهزة باهظة الثمن. وبالتالي يتحسن الأداء العام للشركة ويتم تصفية البيانات ومعالجتها بسرعة أكبر في البيئة الموزعة.
- المعالجة الأمثل: تُؤدي إدارة البيانات على الخادم عبر الإنترنت إلى حل المعالجة البطيئة على الكمبيوتر الشخصي، حيث يمكننا القيام بمهام إضافية أيضاً، حيث يستهلك طاقة المعالج ولكن الكمبيوتر عبر الإنترنت مُخصص لنوع واحد من المعالجة ومن المرجح أن يزيد من قوى المعالجة، حيث يمكن لخادم قاعدة البيانات فقط معالجة استعلامات قاعدة البيانات ويخزن خادم الملفات الملفات لذلك تم تحسين معالجة البيانات.
- المعالجة المتوازية: لا يمكن أن تؤدِّي إضافة أجهزة الكمبيوتر وإزالتها من الشبكة إلى تعكير صفو تدفق البيانات، حيث تتم معالجة جميع البيانات من أجهزة كمبيوتر مختلفة بشكل متوازي، حيث تعني المعالجة المتوازية أن البيانات يتم تحديثها في نفس الوقت من جميع العقد.
- مزامنة البيانات المحلية: يمكن أن تحتوي جميع أجهزة الكمبيوتر على الشبكة على تخزين محلي للبيانات المهمة، حيث افترض أن هناك فروع مكاتب مختلفة مترابطة مع بعضها البعض، وأنَّ جميع أجهزة الكمبيوتر الفرعية مترابطة مع المكتب الفرعي الرئيسي. وتحتوي جميع أجهزة كمبيوتر الفروع المكتبية على نسخة محلية من البيانات، وهنا يقوم مستخدمو “Office” بتحرير البيانات وتحديثها ثم تحميلها على الخادم الرئيسي، ولذلك تتم مزامنة البيانات وإتاحتها لجميع أجهزة الكمبيوتر، حيث يُعد العمل محلياً مع البيانات أمراً سهلاً وسريعاً، وعندما يعتقد المستخدم أن عمله قد اكتمل، فإنه في نهاية اليوم يمكنه مزامنة تلك البيانات مع الخادم الرئيسي.
10.النسخ الاحتياطي للبيانات: يمكن نسخ البيانات احتياطياً من أي جهاز كمبيوتر متصل بالشبكة، بحيث يمكن للمستخدم نسخ البيانات احتياطياً في وقت مختلف والعمل مع تلك البيانات محلياً، ثم تحميل البيانات على الخادم.
11.استعادة البيانات: إذا كانت بعض البيانات مثل قاعدة البيانات ضائعة في أي جهاز كمبيوتر، فيمكن استعادتها بواسطة كمبيوتر آخر متصل مثل خادم قاعدة البيانات الرئيسي.
عيوب المعالجة الموزَّعة في شبكات الحاسوب:
- التعقيد: يصعب استكشاف أخطاء أجهزة الكمبيوتر المرفقة في المعالجة الموزعة في شبكات الحاسوب وتصميمها وإدارتها.
- يُعد تخطيط مزامنة البيانات أمراً صعباً: من الصعب تطوير إجراء المزامنة الصحيحة للبيانات، وفي بعض الأحيان يتم تحديث البيانات بترتيب خاطئ، ولذلك يتعين على المسؤولين الحفاظ على التركيز عليها قبل إنشاء شبكة موزَّعة.
- أمن البيانات: إذا كان الكمبيوتر غير المصرَّح به متصلاً بشبكة موزَّعة، فيمكن أن يؤثِّر ذلك على أداء الكمبيوتر الآخر ويمكن أن تكون البيانات خسارة أيضاً.
آلية عمل الحوسبة الموزعة:
تتمثل آلية عمل الحوسبة الموزَّعة في قيام أجهزة الكمبيوتر بتمرير الرسائل لبعضها البعض داخل هيكلة الأنظمة الموزَّعة. وتُؤدي بروتوكولات أو قواعد الاتصال إلى صنع حالة من التبعية بين مكونات النظام الموزع. هذه التبعية المتبادلة تُسمى بالاقتران، وهناك نوعان رئيسان من الاقتران:
- الاقتران الحر: في الاقتران الحُر، تكون المكونات متصلة ببعضها بشكل ضعيف، بحيث أنَّ التغييرات الحادثة في أحد المكونات لا تُؤثِّر في المكونات الأخرى. على سبيل المثال، يمكن أن تقترن أجهزة الكمبيوتر الخادم وأجهزة الكمبيوتر العميلة اقترانًا حراً بمرور الوقت. والرسائل القادمة من الكمبيوتر العميل تُضاف إلى قائمة انتظار الكمبيوتر الخادم، ويمكن للكمبيوتر العميل الاستمرار في أداء وظائف أخرى إلى أن يستجيب الكمبيوتر الخادم لرسالته.
- الربط المحكم: إنَّ الأنظمة الموزَّعة عالية الأداء غالباً ما تستخدم الربط المحكم. وشبكات الاتصال المحلية السريعة عادةً ما توصِّل العديد من أجهزة الكمبيوتر، ما يُؤدِّي إلى إنشاء كتلة. وفي الحوسبة العنقودية، يُعيَّن كل كمبيوتر لأداء المهمة نفسها. وتتولى أنظمة التحكم المركزية، التي تُسمى بالبرامج الوسيطة التجميعية، التحكم في المهام وجدولتها، وتنسيق الاتصال بين أجهزة الكمبيوتر المختلفة.
تعريف الحوسبة المتوازية:
الحوسبة المتوازية هي نوع من أنواع الحوسبة يجري فيها كمبيوتر واحد أو عدة أجهزة كمبيوتر في شبكة ما العديد من العمليات الحسابية أو العمليات في وقت واحد. وبالرغم من أنَّ مصطلحي الحوسبة المتوازية والحوسبة الموزّعة غالباً ما يُستخدَمان بشكل متبادل، فهناك بعض الاختلافات.
مقارنة الحوسبة المتوازية مع الحوسبة الموزَّعة:
الحوسبة المتوازية هي شكل محكم الاقتران من أشكال الحوسبة الموزَّعة. في المعالجة المتوازية، تتمتع جميع المعالجات بإمكانية الوصول إلى الذاكرة المشتركة لتبادل المعلومات فيما بينها. أمَّا في المعالجة الموزّعة، يكون لكل معالج ذاكرة خاصة (ذاكرة موزَّعة). تستخدم المعالجات تمرير الرسائل من أجل تبادل المعلومات.
الحوسبة الشبكية:
في الحوسبة الشبكية، تعمل شبكات أجهزة الكمبيوتر الموزَّعة جغرافياً مع بعضها البعض لتنفيذ مهام مشتركة. من بين ميزات الشبكات الموزَّعة أنَّه يمكنك تكوينها من موارد الحوسبة التي تنتمي إلى أفراد متعددين أو مؤسسات متعددة.
مقارنة بين الحوسبة الشبكية والحوسبة الموزَّعة:
الحوسبة الشبكية عبارة عن حوسبة موزعة عالية النطاق تشدد على الأداء والتنسيق بين عدة شبكات. داخلياً، تعمل كل شبكة كنظام حوسبة محكم الاقتران. لكن الشبكات الخارجية تكون مقترنة اقتراناً حراً بشكل أكبر. تؤدِّي كل شبكة وظائف فردية وتوصّل النتائج إلى الشبكات الأخرى.
المراجع:
