10 صناعات تستخدم الحوسبة الموزعة

الحوسبة الموزعة هي عملية تستخدم العديد من موارد الحوسبة في مواقع تشغيل مختلفة لمحاكاة عمليات جهاز كمبيوتر واحد. تجمع الحوسبة الموزعة أجهزة كمبيوتر وخوادم وشبكات حاسوبية مختلفة لإنجاز مهام حوسبة بأحجام وأغراض متنوعة.

تعمل الحوسبة الموزعة أيضًا في السحابة. وفي حين أنه من الصحيح أن الحوسبة السحابية الموزعة والحوسبة السحابية متماثلتان بشكل أساسي من الناحية النظرية، إلا أنهما تختلفان من الناحية العملية في مدى انتشارهما العالمي، حيث يمكن للحوسبة السحابية الموزعة توسيع نطاق الحوسبة السحابية عبر مناطق جغرافية مختلفة.

في أنظمة الحوسبة الصغيرة الموزعة التي تكون فيها العناصر قريبة من بعضها، يمكن ربط العناصر عبر شبكة محلية (LAN). في الأنظمة الموزعة الأكبر حجمًا التي تكون عناصرها مفصولة جغرافيًا، تُربط العناصر عبر شبكات واسعة النطاق (WAN). تتشارك العناصر في النظام الموزع المعلومات من خلال نظام معقد لتمرير الرسائل، عبر أي نوع من الشبكات المستخدمة.

غالبًا ما تعالج الحوسبة الموزعة أصعب التحديات الحسابية في الحوسبة وأكثرها تعقيدًا، ولهذا السبب يتطلب هذا النشاط عادةً تطبيق ذاكرة مشتركة ومكونات متعددة. بالإضافة إلى ذلك، تعتمد الحوسبة الموزعة على تزامن عالي التنسيق وكميات كبيرة من قوة الحوسبة لكي يتمكن النظام بأكمله من معالجة البيانات بفعالية والانخراط في مشاركة الملفات حسب الحاجة والعمل نحو هدف مشترك.

تظهر الأمثلة التالية الطرق العديدة التي تستخدم بها الحوسبة الموزعة عبر العديد من الصناعات والمنصات:

تستخدم صناعة الاتصالات الحوسبة الموزعة بشكل روتيني. تعد شبكات الاتصالات أمثلة على شبكات النظير إلى النظير، سواء كانت تأخذ شكل شبكات الهاتف أو الشبكات الخلوية. ويعد الإنترنت والبريد الإلكتروني من بين الأمثلة الرئيسية المبنية على الاتصالات في مجال الحوسبة الموزعة، وكلاهما أحدث تحولاً في الحياة الحديثة.

تهيمن ثورات كبيرة في مجال الذكاء الاصطناعي (AI) والتعلم الآلي (ML) على الحوسبة. تتقدم كلتا التقنيتين بسرعة، وتستخدم كل منهما الحوسبة الموزعة على نطاق واسع. تتطلب الخوارزميات التي تمكّن الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي كميات كبيرة من بيانات التدريب، بالإضافة إلى مستويات قوية وثابتة من قوة المعالجة. توفر الحوسبة الموزعة كلا المتطلبين.

تحول الحوسبة الموزعة الوظائف المعقدة لإدارة البيانات وتخزينها إلى مهام فرعية موزعة عبر العقد، وهي كيانات تعمل إما بصفتها عميلاً أو خادمًا—حيث تحدد الاحتياجات وتصدر الطلبات أو تعمل على تلبية تلك الاحتياجات. تُعد إدارة قواعد البيانات مجالاً يتم تمكينه بواسطة الحوسبة الموزعة، وكذلك قواعد البيانات الموزعة، والتي تعمل بشكل أسرع من خلال تقسيم المهام إلى إجراءات أصغر. تتضمن الحوسبة الموزعة أيضًا استخدام مراكز البيانات كجزء من سلسلة الحوسبة الموزعة.

يتأثر كل من قطاعي الطاقة والبيئة بالحوسبة الموزعة، التي تساعد تقنية الشبكة الذكية في تنظيم استخدام الطاقة وتحسينه. كما تستخدم الشبكات الذكية لتجميع البيانات البيئية من أجهزة الإدخال المختلفة.

تضمن الحوسبة الموزعة مشاركة الأحمال الحسابية الضخمة بالتساوي عبر أنظمة متعددة. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم العاملون في مجالات مالية محددة بالفعل الحوسبة الموزعة لمهام مثل التقييم. تساعد الحوسبة الموزعة المؤسسات المالية على إجراء حسابات ضخمة لتحسين صناعة القرار وصياغة الإستراتيجية المالية.

تستخدم الحوسبة الموزعة مواردها المتعددة للحفاظ على تشغيل الأتمتة بكفاءة في مرفقات التصنيع واسعة النطاق، وغالبًا ما تعمل بقدرة موازنة الأحمال. كما يوجد مجال التصنيع الموزع، والذي يستخدم نموذج السحابة الموزعة ويطبقه على أدوات الإنتاج المنتشرة جغرافيًا. يتعامل التصنيع أيضًا مع تصميم أجهزة إنترنت الأشياء (IOT) وأدواته وإنشائها، والتي تجمع البيانات وتنقلها.

تساعد الحوسبة الموزعة على تمكين العديد من تقنيات الطب الحديث المتقدمة، بما في ذلك العمليات الجراحية الروبوتية التي تعتمد على كميات هائلة من البيانات. من خلال الاستفادة من موهبتها في الرسومات ثلاثية الأبعاد والرسوم المتحركة بالفيديو المفصلة بشكل مذهل، يمكن للحوسبة الموزعة أن توضح إجراءات براءات الاختراع والتصميم الصيدلاني للأدوية المخطط لها.

قد تحدث أحيانًا فروقات في المخزون لدى تجار التجزئة الذين يديرون فروعًا فعلية بالإضافة إلى توفير خيارات التسوق عبر الإنترنت. تساعد أنظمة إدارة الطلبات الموزعة (DOMS) المدعومة بواسطة الحوسبة الموزعة على الحفاظ على تشغيل تطبيقات التجارة الإلكترونية بسلاسة، حتى يتمكن تجار التجزئة الحديثون من مواكبة توقعات العملاء المتغيرة.

تستخدم الحوسبة الموزعة في عدد متزايد من المساعي العلمية، مثل تدريب الشبكات العصبية. تستخدم الحوسبة العلمية أيضًا القدرة الهائلة للحوسبة الموزعة لحل الحسابات العلمية الضخمة، مثل تلك التي تحكم رحلات الفضاء. يمكن لمحاكاة الفيديو بواسطة الحوسبة الموزعة أن تساعد على فهم التوقعات العلمية بشكل أفضل.

يستفيد مقدمو الألعاب متعددة اللاعبين عبر الإنترنت (MMOGs) من الحوسبة الموزعة لصياغة بيئات الألعاب المعقدة الخاصة بهم في الوقت الفعلي وتشغيلها. تتيح الشبكة المعقدة من أنظمة التشغيل والشبكات والمعالجات لآلاف اللاعبين من المستخدمين النهائيين إمكانية مشاركة تجربة لعب رائعة والانخراط فيها.

على الرغم من عدم وجود قواعد ثابتة فيما يتعلق بما يشكل نظام الحوسبة الموزعة، فإن أبسط أشكال الحوسبة الموزعة عادةً ما تمتلك ثلاث عناصر أساسية على الأقل:

• وحدة التحكم الأساسية في النظام: تتحكم وحدة التحكم الأساسية في النظام في كل شيء داخل النظام الموزع وتراقب كل ما يحدث داخل هذا النظام وتتبعه. وتعد وظيفته الأكبر إدارة كل طلب خادم يدخل النظام وتنظيمه.
• مخزن بيانات النظام: مخزن بيانات النظام -الموجود عادةً على مخزن القرص- هو مستودع النظام لجميع البيانات المشتركة. في الأنظمة "غير المزدحمة"، قد تكون البيانات المشتركة موجودة على جهاز واحد أو أكثر، ولكن جميع أجهزة الكمبيوتر المستخدمة في النظام تحتاج إلى الوصول إلى مخزن البيانات.
• قاعدة البيانات: تخزن أنظمة الحوسبة الموزعة جميع بياناتها في قواعد البيانات العلائقية. وبمجرد إنجاز هذه المهمة، تتم مشاركة البيانات بين مجموعات المستخدمين. تضع قواعد البيانات العلائقية جميع العاملين على نفس الصفحة على الفور.

بالإضافة إلى تلك العناصر الأساسية، يمكن تخصيص كل نظام حوسبة موزعة وفقًا لاحتياجات المؤسسة. إحدى المزايا الكبرى لاستخدام نظام حوسبة موزعة هي أن النظام يمكن توسيعه بإضافة المزيد من الأجهزة، ما يزيد من قابلية توسعها. والميزة المهمة الأخرى هي زيادة التكرار، ما يعني أنه إذا تعطل جهاز واحد في الشبكة لأي سبب، فإن عمل النظام يستمر رغم نقطة الفشل هذه.

إن الهدف من أنظمة الحوسبة الموزعة هو جعل شبكة الحوسبة الموزعة تعمل كما لو كانت نظامًا واحدًا. ويتم تحقيق هذا التنسيق من خلال نظام معقد لتمرير الرسائل بين المكونات المختلفة.

تحكم بروتوكولات الاتصال عملية تبادل الرسائل هذه، وتخلق علاقة تسمى "الاقتران" بين هذه العناصر. ويتم التعبير عن هذه العلاقة بإحدى الصيغتين:

• الاقتران غير المحكم: تكون الصلة بين عنصريْن غير محكميْن ضعيفة بما يكفي لدرجة أن التعديلات على أحدهما لا تؤثر في الآخر.
• الاقتران المحكم: يكون مستوى التزامن والمعالجة المتوازية مرتفعًا لدرجة أن عملية تُعرف باسم "التجميع" تستخدم عناصر زائدة لضمان استمرارية النظام.

تحمل الأعطال هو مفهوم رئيسي آخر — فهو عملية تصحيحية تتيح لنظام التشغيل الاستجابة لحدوث عطل في البرامج أو الأجهزة وتصحيحه، بينما يستمر النظام في العمل.

تتعامل الحوسبة الموزعة أيضًا مع كل من التأثيرات الإيجابية والسلبية "للتزامن"—وهو التنفيذ المتزامن لتسلسلات تعليمات تشغيل متعددة في وقت واحد. ومن أبرز الجوانب الإيجابية للتزامن أنه يتيح مشاركة الموارد والحوسبة المتوازية لسلاسل العمليات المتعددة. (على الرغم من أنه يجب عدم الخلط بين الحوسبة المتوازية والمعالجة المتوازية، وهي عملية يتم من خلالها تقسيم مهام وقت التشغيل إلى عدة مهام أصغر.)

تشمل السلبيات المرتبطة بالتزامن زيادة زمن الانتقال وحتى معوقات حركة المرور، حيث تتجاوز كمية البيانات التي يتم نقلها عرض النطاق الترددي العادي الموصى به.

يتم تصنيف أنواع الحوسبة الموزعة عادة بناءً على بنية الحوسبة الموزعة المستخدمة في كل منها:

• نظام الخادم والعميل: يستخدم بنية الخادم والعميل التي تسمح باستخدامه مع أكثر من نظام واحد. يوجه العميل الإدخال إلى الخادم على هيئة طلب (عادة إما أمر لمهمة معينة أو طلب لمزيد من موارد الحوسبة). ثم يعمل الخادم على إنجاز المهمة وتقديم تقرير عن الإجراءات المتخذة.
• نظام النظير: يعتمد هذا النظام على بنية النظير ويعرف أيضًا بنظام "النظير إلى النظير". تعمل أنظمة النظير من خلال عُقد يمكنها أن تؤدي دور العميل أو الخادم—حيث تحدد الاحتياجات وتصدر الطلبات أو تعمل على تلبية تلك الاحتياجات. وكما يوحي اسمها، فهذه البنية لا تعتمد على تراتبية، ومن ثَمَّ يمكن للبرامج التي تعمل في أنظمة النظير التواصل بحرية مع بعضها بعضًا ونقل البيانات عبر الشبكات النظيرة.
• البرمجيات الوسيطة: هي "الوسيط" الذي يعمل بين تطبيقين مختلفين. البرمجيات الوسيطة هي في حد ذاتها تطبيق يتواجد بين تطبيقين ويوفر الخدمة لكليهما. كما أن البرمجيات الوسيطة لها جانب تفسيري. إذ تعمل بصفتها مترجمًا بين تطبيقات التوافقية المختلفة التي تعمل على أنظمة متباينة، ما يتيح لهذه التطبيقات تبادل البيانات بحرية تامة.
• النظام ثلاثي الطبقات: سُميت هذه الأنظمة بهذا الاسم نظرًا إلى عدد الطبقات التي تُستخدم لتمثيل وظائف البرنامج. وعلى عكس بنية الخادم والعميل التقليدية التي يتم فيها تخزين البيانات ضمن نظام العميل، يحتفظ النظام ثلاثي الطبقات بالبيانات داخل الطبقة الوسطى، أي طبقة البيانات. وغالبًا ما يتم استخدام الأنظمة ثلاثية الطبقات في تطبيقات الويب.
• النظام متعدد الطبقات: يُشار إليه أحيانًا بأنه نظام موزّع متعدد الطبقات، ويتميّز بقدرة غير محدودة على أداء الوظائف الشبكية، حيث يُوجّه هذه الوظائف إلى تطبيقات أخرى لمعالجتها. تشبه بنية الأنظمة متعددة الطبقات تلك الموجودة في الأنظمة ثلاثية الطبقات. وغالبًا ما تُستخدم النظم المتعددة الطبقات بصفتها أساسًا لبنية العديد من خدمات الويب وأنظمة البيانات.

في حين أن هذه هي الأنواع الرئيسية لبنية الحوسبة الموزعة، إلا أن هناك نماذج حوسبة موزعة أخرى تستحق الذكر:

• سلسلة الكتل: سلسلة الكتل هي قاعدة بيانات أو دفتر موزع يتم نسخه ومزامنته على أجهزة كمبيوتر مختلفة على الشبكة. تساعد سلسلة الكتل على ضمان التكرار عن طريق إصدار دفتر المصدر لجميع أجهزة الكمبيوتر في السلسلة.
• الحوسبة الشبكية: هي نوع من الحوسبة الموزعة يركّز على أحمال التشغيل غير التفاعلية، وغالبًا ما تتضمن مزيجًا من أطر الحوسبة الشبكية وبرامج البرمجيات الوسيطة. تعمل الشبكة القابلة للتوسع التي يتم الوصول إليها من خلال واجهة المستخدم كأنها نظام ملفات ضخم.
• الحوسبة غير المتجانسة: الحوسبة غير المتجانسة هي أحد أشكال الحوسبة الموزعة التي تسمح لنظام كمبيوتر واحد بالحفاظ على أنظمة الحوسبة الفرعية. قد تعمل المعالجات العاملة في الحوسبة غير المتجانسة على مهام مختلفة، ولكنها تعمل جميعها بالتوازي لتسريع أداء الكمبيوتر وتقليل أوقات معالجة المهام.
• الخدمات المصغرة: الخدمات المصغرة هي أحد أشكال الحوسبة التي تُقسم فيها التطبيقات إلى عناصر أصغر بكثير، وغالبًا ما تسمى "خدمات". وترتبط أطر عمل الخدمات بواجهة برنامج التطبيق (API) التي تتيح التفاعل بين العناصر.

في جولتنا السريعة حول الحوسبة الموزعة، حددنا ما الحوسبة الموزعة وما المكونات التي تدخل في بناء أنظمة الحوسبة الموزعة، وما أنواع البنى المرتبطة بها. بالإضافة إلى ذلك، تعلمنا عن 10 صناعات تعمل بذكاء على صياغة مستقبلها الآن من خلال الاستفادة بشكل خاص من أنظمة الحوسبة الموزعة.

وكما هو الحال مع الحوسبة الموزعة، توفر منتجات IBM Satellite الأدوات اللازمة لنشر التطبيقات وتشغيلها في أي مكان تريده—سواء كان ذلك محليًا أو من خلال حوسبة الحافة أو بيئات السحابة العامة.

استهلك مجموعة مشتركة من الخدمات السحابية بما في ذلك سلاسل الأدوات وقواعد البيانات والذكاء الاصطناعي. يقدم حل البيئة السحابية الموزع الذي تديره IBM Cloud Satellite خدمات سحابية وواجهات برمجة التطبيقات وسياسات الوصول وضوابط الأمان والامتثال.