Apa itu sistem terdistribusi?

Sistem terdistribusi membagi beban kerja dan data ke banyak mesin yang berjalan secara bersamaan, sehingga pekerjaan yang mungkin memerlukan waktu satu minggu untuk diselesaikan oleh satu mesin besar dapat diselesaikan hanya dalam beberapa jam, bahkan menit. Setiap mesin—atau “node”—dalam sistem memiliki CPU, memori, dan sering kali penyimpanannya sendiri. Node-node tersebut dapat saling bertukar pesan untuk mengoordinasikan pembagian data, mendistribusikan pekerjaan, dan menggabungkan hasil pemrosesan mereka guna mencapai tujuan bersama.

Dalam sistem terdistribusi, mesin-mesin dapat berada di rak server yang sama (dalam satu pusat data), di pusat data yang berbeda, atau di lingkungan hybrid cloud yang tersebar di berbagai lokasi di seluruh dunia. Terlepas dari konfigurasi tersebut, sistem terdistribusi dirancang agar pengguna dan aplikasi klien dapat berinteraksi dengannya seolah-olah merupakan satu layanan tunggal (“basis data,” “situs web,” atau “layanan penyimpanan”), bukan sekumpulan server yang terpisah.

Sistem terdistribusi menawarkan solusi bagi organisasi untuk menghadapi tantangan komputasi modern yang semakin kompleks. Banyak aplikasi saat ini terlalu besar, terlalu sibuk, atau terlalu penting untuk dijalankan secara efektif pada satu mesin saja. Aplikasi-aplikasi tersebut sering menangani volume data dan jumlah permintaan yang sangat besar, yang dapat membebani satu server. Mereka menangani arus lalu lintas runcing yang membutuhkan kemampuan penyeimbangan beban yang tangkas. Banyak di antaranya juga mendukung proses bisnis yang sangat penting, di mana waktu henti yang berkepanjangan dapat menimbulkan konsekuensi serius (seperti pada sistem perbankan).

Sistem terdistribusi mendistribusikan beban kerja ke banyak node dan dapat secara otomatis menambahkan node baru ke jaringan sesuai kebutuhan. Skalabilitas ini memungkinkan sistem menangani lebih banyak pengguna dan volume data yang lebih besar, bahkan ketika lonjakan lalu lintas sulit diprediksi. Skalabilitas sistem terdistribusi inilah yang memungkinkan platform streaming, misalnya, melayani jutaan pengguna di seluruh dunia, sering kali secara bersamaan.

Sistem terdistribusi juga dapat membantu meningkatkan keandalan dan toleransi kesalahan dalam arsitektur TI. Ketika satu node mengalami kegagalan, node lain dapat mengambil alih tugasnya sehingga layanan secara keseluruhan tetap berjalan. Kemampuan ini mengurangi risiko titik kegagalan tunggal dan membantu organisasi mempertahankan sistem dengan ketersediaan tinggi, yang sangat penting bagi layanan yang menuntut tingkat waktu aktif mendekati 100%.

Selain itu, dalam sistem terdistribusi, node-node yang terpisah bekerja sama secara erat, tetapi masing-masing memiliki basis data dan sistem penyimpanannya sendiri. Pengaturan ini memudahkan tim TI untuk membangun arsitektur modular, sehingga berbagai bagian sistem dapat diskalakan dan dikembangkan secara independen sesuai kebutuhan.

Sistem terdistribusi terdiri dari berbagai jenis arsitektur yang berbeda, tetapi semuanya memiliki seperangkat karakteristik inti yang sama.

Untuk memahami cara kerja sistem terdistribusi, mari gunakan game online multipemain masif (MMOG) sebagai contoh.

MMOG menggunakan arsitektur terdistribusi, di mana banyak server dan node bekerja sama untuk mempertahankan satu dunia permainan yang persisten sehingga ribuan pemain dapat terbang, berdagang, bertarung, dan menjelajah secara bersamaan dalam lingkungan permainan yang sama.

Karena dunia permainan sangat luas dan jumlah pemain sangat besar, backend permainan didistribusikan ke dalam klaster mesin alih-alih ditangani oleh satu sistem tunggal. Satu kelompok server bertugas melacak berbagai elemen dunia permainan (posisi pemain, kerusakan, inventaris), sementara bagian lain dari infrastruktur menangani login pengguna, fitur obrolan, dan persistensi dunia permainan. Pembagian tugas ini membantu menjaga permainan tetap responsif, bahkan ketika banyak pemain aktif di wilayah yang sama secara bersamaan.

Sepanjang setiap sesi permainan, sistem harus menjaga agar status permainan tetap tersinkronisasi di antara semua pemain. Ketika seorang pemain melakukan tindakan (misalnya memindahkan kapal dalam pertempuran armada), klien mengirimkan tindakan tersebut ke server yang bertanggung jawab atas bagian dunia permainan tersebut. Server kemudian memperbarui status permainan bersama secara real-time dan membagikan hasilnya kepada pemain lain yang perlu melihatnya.

Selain itu, sistem permainan terdistribusi menggunakan protokol khusus untuk membantu memastikan bahwa setiap pemain melihat peristiwa dalam permainan yang sama terjadi pada waktu yang hampir bersamaan.

Jika sebuah server mengalami kegagalan saat permainan sedang berlangsung, server lain dirancang untuk mengambil alih beban kerja tersebut dan melanjutkan operasinya secara normal, sehingga pemain tidak mengalami gangguan layanan.

Sistem terdistribusi merupakan kebalikan fungsional dari sistem terpusat. Jika sistem terdistribusi mengandalkan sekumpulan perangkat yang bekerja bersama untuk menjalankan operasi, sistem terpusat bergantung pada satu server utama sebagai pusat pemrosesan dan pengelolaan sistem.

Dalam sistem terpusat, satu node pusat mengoordinasikan sebagian besar atau seluruh operasi sistem. Klien biasanya mengirimkan permintaan ke node tersebut, dan node pusat menentukan bagaimana permintaan itu akan diproses. Model ini membuat sistem lebih mudah dipahami dan dikelola karena otoritas serta pengambilan keputusan terpusat pada satu lokasi.

Namun, keberadaan satu node pusat juga berarti adanya titik kegagalan tunggal. Dalam sistem terpusat, jika server pusat mengalami gangguan atau tidak tersedia, seluruh sistem dapat menjadi tidak dapat diakses. Karena itu, sentralisasi dapat menimbulkan masalah yang signifikan dalam lingkungan yang menuntut ketersediaan tinggi.

Sistem terpusat sering kali mengandalkan penskalaan vertikal. Jika tim TI ingin meningkatkan kapasitas server utama, mereka biasanya melakukannya dengan menambahkan prosesor, memori, atau ruang penyimpanan. Namun, penskalaan vertikal bukanlah pendekatan yang berkelanjutan dalam jangka panjang. Seiring waktu, kebutuhan perangkat keras menjadi semakin besar dan biaya yang diperlukan pun meningkat secara signifikan.

Dengan demikian, sistem terpusat paling cocok untuk situasi di mana kesederhanaan arsitektur dan pengelolaan terpusat lebih penting daripada ketahanan yang sangat tinggi. Sentralisasi umumnya digunakan pada jaringan komputer yang lebih kecil, sistem bisnis internal, server file, serta aplikasi client-server yang memerlukan satu otoritas pusat dengan tingkat kontrol yang ketat.

Dalam sistem terdistribusi, tidak ada satu mesin pun yang memiliki kendali penuh atas keseluruhan sistem. Sebaliknya, beberapa node bekerja sama, dan setiap node dapat menangani sebagian beban kerja atau menyimpan sebagian data. Struktur ini secara inheren lebih fleksibel, tetapi juga memerlukan koordinasi yang efektif antar node.

Sistem terdistribusi memiliki toleransi kesalahan yang lebih baik karena node lain dapat terus beroperasi meskipun satu node mengalami kegagalan. Sistem terdistribusi tetap dapat mengalami gangguan, tetapi umumnya mengalami degradasi layanan secara lebih bertahap dan terkendali dibandingkan sistem terpusat.

Sistem terdistribusi mengandalkan penskalaan horizontal, yaitu pendekatan yang menambahkan lebih banyak mesin ke dalam sistem untuk mengakomodasi peningkatan kebutuhan sumber daya dan beban kerja.

Akibatnya, lingkungan terdistribusi sering kali lebih disukai dalam situasi ketika banyak pengguna, kumpulan data yang besar, atau penyebaran geografis membuat penggunaan satu mesin pusat menjadi tidak praktis. Sistem terdistribusi umum digunakan pada layanan web, layanan cloud, jaringan blockchain, dan layanan berskala besar yang membutuhkan ketersediaan tinggi serta kemampuan skalabilitas yang baik.

Sistem terdistribusi dapat dikelompokkan ke dalam beberapa jenis umum berdasarkan cara mesin-mesin di dalamnya diorganisasikan dan bagaimana mereka saling berkomunikasi.

Dalam sistem client-server, satu server pusat (atau sekelompok kecil server) menyediakan layanan, sementara mesin lain—yang disebut “klien”—bergantung pada layanan dan pemrosesan yang dilakukan oleh server pusat tersebut.

Server pusat, yang sering kali merupakan mesin dengan kemampuan perangkat keras yang lebih tinggi, bertanggung jawab untuk mengelola sumber daya bersama seperti (file, basis data, printer, dan akun pengguna). Klien biasanya berupa perangkat pengguna akhir (laptop, perangkat mobile, atau browser) yang berfokus pada interaksi dengan pengguna serta menangani pengiriman permintaan dan penerimaan respons.

Karena klien dan server pusat berjalan pada mesin yang terpisah dan berkomunikasi melalui jaringan, sistem client-server dikategorikan sebagai sistem terdistribusi. Namun, komunikasi antar node dalam arsitektur client-server tetap bersifat terpusat.

Setiap klien bergantung pada server pusat untuk mengakses sumber daya bersama, dan klien tidak berkomunikasi langsung satu sama lain terkait sumber daya tersebut. Sebaliknya, komunikasi antara klien dan server umumnya mengikuti pola request-response (permintaan-respons).

Ketika pengguna melakukan suatu tindakan (misalnya mengklik tombol), klien mengubah tindakan tersebut menjadi pesan permintaan dan mengirimkannya melalui jaringan ke server. Server menerima permintaan tersebut, memprosesnya, lalu mengirimkan kembali respons. Klien kemudian menafsirkan respons tersebut dan menampilkan hasilnya kepada pengguna dalam bentuk yang mudah dipahami.

Misalnya, sebuah aplikasi web dapat menggunakan browser (klien) yang mengirimkan permintaan HTTP ke server web. Server kemudian membaca atau menulis data ke basis data dan mengirimkan kembali respons dalam format HTML atau JSON kepada klien.

Komunikasi yang terpusat memudahkan pembaruan sistem client-server, penerapan kebijakan keamanan, serta pengelolaan data. Namun, sebagai konsekuensinya, sentralisasi dapat menciptakan hambatan dan titik kegagalan tunggal (single point of failure).

Dalam sistem peer-to-peer, semua node—yang disebut “peer”—memiliki peran yang relatif setara. Setiap peer menyumbangkan sebagian sumber dayanya sendiri sekaligus menggunakan sumber daya yang disediakan oleh peer lain. Dengan demikian, setiap peer dapat meminta sumber daya maupun menyediakannya kepada node lain.

Oleh karena itu, “klien” dan “server” dalam sistem P2P hanyalah peran sementara yang dijalankan oleh suatu node, bukan identitas yang bersifat tetap.

Dalam sistem P2P murni, peer saling menemukan dan berkomunikasi melalui jaringan overlay, yaitu jaringan logis yang dibangun di atas koneksi internet fisik. Jaringan overlay menentukan peer mana yang berkomunikasi satu sama lain serta bagaimana data dirutekan di antara para peer.

Ketika sebuah peer membutuhkan sesuatu (misalnya, potongan file), peer tersebut mengirimkan permintaan langsung kepada peer lain yang kemungkinan memilikinya. Ketika peer lain menerima permintaan tersebut, ia dapat merespons dengan mengirimkan kembali data yang diminta, sehingga pada saat itu secara efektif bertindak sebagai server. Setelahnya, peran dapat bertukar; dua node yang sama dapat bergantian menjadi penyedia data dan pihak yang memintanya.

Karena setiap peer dapat bertindak sebagai penyedia sekaligus penerima layanan, beban kerja pemrosesan data cenderung terdistribusi lebih merata di seluruh jaringan. Selain itu, ketika lebih banyak peer bergabung, mereka juga membawa kapasitas tambahan, sehingga sistem dapat diskalakan dengan lebih mudah seiring pertumbuhan jaringan.

Jaringan berbagi file klasik merupakan contoh yang baik dari sistem P2P. Setiap komputer pengguna menyimpan sebagian potongan file dan mengunggahnya ke node lain, sekaligus mengunduh bagian-bagian file yang masih belum dimilikinya.

Sistem P2P lebih tahan terhadap titik kegagalan tunggal dibandingkan sistem client-server. Jika satu peer mengalami gangguan atau offline, keseluruhan sistem biasanya tetap dapat beroperasi karena peer lain menyimpan salinan data atau mampu merutekan lalu lintas data melalui jalur alternatif yang menghindari node yang gagal.

Sistem multitier memperluas model client-server dasar dengan mengorganisasikannya ke dalam beberapa lapisan yang terpisah secara jelas, masing-masing memiliki tanggung jawabnya sendiri. Bentuk yang paling umum adalah arsitektur dua tingkat, tiga tingkat, dan n-tier.

Sistem dua tingkat pada dasarnya adalah arsitektur client-server dengan nama lain. Klien memuat sebagian besar logika aplikasi dan berkomunikasi langsung dengan server basis data untuk menjalankan kueri dan pembaruan data. Pendekatan ini sederhana, tetapi mengikat antarmuka pengguna secara erat dengan data. Akibatnya, setiap perubahan pada struktur data dapat memaksa perubahan pada banyak klien yang terhubung.

Arsitektur tiga tingkat menggunakan tiga lapisan. Lapisan presentasi menangani antarmuka pengguna (halaman web, UI mobile, UI desktop). Lapisan aplikasi—atau “logika bisnis”—menerapkan aturan dan alur kerja (validasi, perhitungan, keputusan). Lapisan data menyimpan dan mengambil data dari basis data terdistribusi atau sistem penyimpanan lainnya.

Sistem N-tier memperluas konsep tiga‑tingkat dengan menambahkan lapisan-lapisan yang lebih khusus. Misalnya, tim TI dapat memilih untuk membuat tingkat antarmuka pemrograman aplikasi (API) atau tingkat layanan terpisah yang mengekspos REST atau GraphQL titik akhir. Mereka juga dapat memisahkan lapisan autentikasi dan enkripsi untuk menangani proses login serta token pengguna.

Tingkat tambahan mengikuti prinsip yang sama seperti tiga tingkat pertama. Setiap tingkat memiliki satu tanggung jawab utama, dan setiap tingkat berkomunikasi melalui antarmuka yang terdefinisi dengan jelas. Modularitas ini memungkinkan tim untuk mengembangkan, meningkatkan, atau mengganti tingkat yang berbeda secara independen, bahkan dengan menggunakan teknologi yang berbeda untuk masing-masing tingkat.

Sistem multitier umumnya digunakan untuk menjalankan situs web e-commerce dan aplikasi perbankan.

Klaster adalah sekelompok komputer yang berlokasi berdekatan yang bekerja seolah-olah merupakan satu mesin yang lebih kuat. Node-node dalam klaster terhubung erat, sehingga biasanya:

• Di tempat fisik yang sama (ruangan atau pusat data yang sama).
  
  
• Terhubung dengan tautan berkecepatan tinggi, seperti jaringan area lokal bandwidth tinggi (LAN) atau Interconnect .
  
  
• Menggunakan perangkat keras dan sistem operasi yang serupa atau identik.

Karena node-node dalam klaster umumnya memiliki karakteristik yang serupa dan terhubung dengan baik, klaster dapat membagi tugas besar menjadi bagian-bagian yang lebih kecil untuk diproses secara paralel oleh node yang berbeda, lalu menggabungkan hasilnya menjadi satu keluaran akhir.

Klaster dikelola oleh perangkat lunak khusus, seperti middleware klaster, penjadwal tugas, atau resource manager. Perangkat lunak ini menentukan node mana yang akan menjalankan tugas tertentu, memantau kesehatan node, mengelola perutean data, dan menyeimbangkan beban kerja di seluruh klaster. Lapisan manajemen inilah yang mengubah “sekumpulan komputer yang terhubung dalam jaringan” menjadi sebuah klaster yang terkoordinasi. Dengan demikian, pengguna dapat mengirimkan pekerjaan ke klaster sebagai satu kesatuan, tanpa harus masuk dan mengelola setiap mesin secara manual.

Sistem klaster sangat cocok untuk kebutuhan yang memerlukan komputasi berkinerja tinggi, seperti analisis big data, pelatihan model AI, serta berbagai simulasi ilmiah yang kompleks.

Komputasi grid adalah pendekatan yang menggabungkan banyak komputer independen—yang sering kali tersebar di berbagai kota atau bahkan negara—agar dapat bekerja sama dalam menyelesaikan satu tugas komputasi berskala besar.

Setiap mesin yang berpartisipasi dalam grid dapat dimiliki oleh organisasi atau individu yang berbeda. Mesin-mesin tersebut mungkin memiliki CPU, kapasitas memori, sistem operasi, dan kebijakan lokal yang berbeda-beda. Meskipun demikian, mereka sepakat untuk berbagi sebagian sumber daya cadangan yang dimiliki guna mendukung penyelesaian tugas atau masalah bersama.

Karena grid mencakup beberapa domain administratif, tidak ada satu organisasi pun yang memiliki atau mengendalikan seluruh mesin yang tergabung di dalamnya. Inilah perbedaan mendasar antara grid dan klaster. Dalam klaster, satu institusi biasanya memiliki dan mengelola seluruh server yang berada dalam satu pusat data atau lingkungan yang terpusat.

Dalam sistem grid, setiap node tetap otonom. Setiap organisasi dapat bergabung atau keluar dari grid, memiliki resource manager lokalnya sendiri, serta menerapkan kebijakan keamanan dan prioritas operasional yang berbeda. Untuk mengatasi keragaman ini, middleware grid menyediakan lapisan umum yang menangani pengiriman pekerjaan, penemuan sumber daya yang tersedia, penjadwalan tugas, pemindahan data, dan pengumpulan hasil. Dengan demikian, seluruh grid dapat berfungsi sebagai satu superkomputer virtual dari sudut pandang pengguna akhir.

Ketika pengguna mengirimkan pekerjaan komputasi berskala besar (seperti simulasi pelipatan protein atau perhitungan risiko keuangan), middleware secara otomatis membagi pekerjaan tersebut menjadi banyak tugas yang lebih kecil. Middleware kemudian mencari mesin yang sedang tidak digunakan atau kurang dimanfaatkan di seluruh grid untuk menjalankan tugas-tugas tersebut. Setiap mesin memproses bagian pekerjaannya masing-masing, lalu mengirimkan hasilnya kembali untuk digabungkan menjadi satu hasil akhir.

Yang penting, node dalam grid tidak harus berupa mesin yang khusus untuk grid tersebut. Node dapat berupa desktop atau server biasa yang menyumbangkan kapasitas CPU yang tidak terpakai ketika tidak sedang digunakan untuk menjalankan beban kerja lokal utamanya.

Sistem terdistribusi berbasis cloud dibangun di atas infrastruktur pusat data yang dioperasikan dan dikelola oleh penyedia layanan cloud.

Alih-alih memiliki dan mengelola server fisik sendiri, organisasi menyewa sumber daya komputasi terdistribusi melalui internet. Sumber daya tersebut disediakan dalam bentuk mesin virtual (VM), kontainer, basis data, antrean pesan, serta berbagai layanan terkelola lainnya.

Sistem cloud pada dasarnya bersifat elastis. Organisasi dapat menambah kapasitas komputasi, penyimpanan, atau jaringan ketika beban kerja meningkat, lalu mengurangi penggunaan sumber daya tersebut saat kebutuhan menurun. Selain itu, model cloud memungkinkan perusahaan membayar hanya untuk sumber daya yang benar-benar digunakan, alih-alih harus membeli dan mengelola perangkat keras sendiri di awal.

Dengan sistem cloud, tim TI dapat menerapkan penskalaan horizontal yang dinamis. Grup auto-scaling—kelompok logis yang terdiri dari instans server identik—memantau metrik beban kerja untuk mendeteksi perubahan permintaan. Ketika beban melampaui ambang batas yang telah ditentukan, alat otomatisasi secara otomatis menjalankan instans layanan tambahan. Sebaliknya, ketika beban menurun, instans tambahan tersebut akan dimatikan secara otomatis untuk mengoptimalkan penggunaan sumber daya dan mengurangi biaya.

Arsitektur layanan mikro adalah pendekatan sistem terdistribusi pada tingkat aplikasi yang menggunakan banyak komponen independen yang berjalan di mesin yang berbeda untuk membangun dan menjalankan sebuah aplikasi perangkat lunak.

Tidak seperti aplikasi monolitik, tidak ada satu layanan mikro pun dalam arsitektur layanan mikro yang mencakup seluruh fungsi aplikasi. Sebaliknya, setiap layanan mikro adalah layanan kecilnya sendiri (dengan kode sendiri dan biasanya penyimpanan datanya sendiri) yang bertanggung jawab atas kemampuan tertentu dan berjalan secara independen dari kontainer lain.

Karena bersifat independen, layanan mikro dapat dikembangkan, diterapkan, dan diskalakan secara terpisah. Namun, keunggulan utama sistem ini berasal dari kemampuan berbagai layanan mikro untuk bekerja sama dan berkolaborasi dalam menyediakan fungsionalitas aplikasi secara keseluruhan.

Ketika pengguna mengirimkan permintaan, klien membuat pesan dan mengirimkannya ke perangkat edge (misalnya penyeimbang beban atau API gateway). Perangkat edge kemudian meneruskan permintaan tersebut ke layanan mikro yang sesuai. Layanan mikro yang menerima permintaan akan membaca pesan, menjalankan logika bisnisnya sendiri, lalu mengirimkan respons kembali ke perangkat edge, yang selanjutnya meneruskan respons tersebut kepada pengguna.

Sistem terdistribusi banyak digunakan dalam dunia nyata. Berbagai alat dan layanan yang digunakan untuk hiburan, bisnis, serta pengelolaan keuangan dibangun di atas arsitektur sistem terdistribusi.

• Skalabilitas: Sistem komputasi terdistribusi sangat cocok untuk penskalaan horizontal, yang memungkinkan organisasi menambahkan lebih banyak node ke dalam jaringan seiring meningkatnya beban kerja, alih-alih harus berinvestasi pada peningkatan kapasitas satu server yang mahal.

• Keandalan dan toleransi kesalahan: Dengan menghilangkan titik kegagalan tunggal (single point of failure), sistem terdistribusi menyediakan redundansi bawaan yang membantu menjaga aplikasi tetap tersedia bagi pengguna, bahkan ketika satu atau beberapa node mengalami kegagalan.

• Efisiensi sumber daya dan penghematan biaya: Arsitektur terdistribusi memungkinkan organisasi membangun lingkungan komputasi yang andal dan berkinerja tinggi dengan memanfaatkan klaster perangkat keras standar yang relatif murah, alih-alih bergantung pada superkomputer khusus yang berbiaya sangat tinggi.

• Distribusi dan aksesibilitas global: Sistem terdistribusi dapat menerapkan aplikasi lebih dekat ke pengguna di berbagai wilayah dunia, sehingga mengurangi latensi dengan melayani permintaan dari node yang secara geografis lebih dekat dengan pengguna.