ما المقصود بالحوسبة الموزعة؟

تُحدث أنظمة الحوسبة الموزعة فرقًا كبيرًا. فكر في ذلك في المرة القادمة التي تلعب فيها لعبة أونلاين متعددة اللاعبين ضخمة (MMO). لإدارة مثل هذه الألعاب بفعالية، لا بد من أنظمة متكاملة تعمل بتناسق وثيق لتقديم تجربة سلسة عبر الإنترنت، يتشاركها آلاف اللاعبين في الوقت الفعلي.

تساعد الحوسبة الموزعة مزودي الخدمة على تنسيق هذا التزامن ومعالجة المهام الحوسبية بكفاءة نحو تحقيق هدف مشترك.

وهذا مجرد مثال واحد على التطبيقات المتنوعة وواسعة النطاق للحوسبة الموزعة، التي تشمل أيضًا إنشاء رسومات ثلاثية الأبعاد نابضة بالحياة للرسوم المتحركة، وتدريب الشبكات العصبية التي تُحاكي وظائف الدماغ البشري، وحل معادلات معقدة للغاية في مجالات مثل الكيمياء والفيزياء.

عادةً، يتعامل نموذج الحوسبة الموزعة مع أكثر المهام وأحمال التشغيل تطلبًا، ويتصدى لأكثر التحديات الحوسبية جدية، ولهذا يتطلب استخدام عناصر متعددة وذاكرة مشتركة.

تجمع الحوسبة الموزعة بين أجهزة كمبيوتر وخوادم وشبكات متعددة لتنفيذ مهام حوسبية تتفاوت من حيث الحجم والغرض. في أنظمة الحوسبة الصغيرة الموزعة التي تكون العناصر فيها قريبة من بعضها، يمكن ربط هذه العناصر من خلال شبكة المنطقة المحلية (LAN).

أما في الأنظمة الموزعة الأكبر، حيث تكون العناصر متباعدة جغرافيًا، فيتم ربطها عبر شبكات واسعة النطاق (WAN). تتشارك العناصر في النظام الموزع المعلومات من خلال أي نوع من الشبكات المستخدمة. ويُعد الإنترنت أبرز مثال معروف على نظام موزّع. ولعل المثال الأكثر إثارة للجدل للنظام الموزع في الآونة الأخيرة هو العملات المشفرة.

من منظور حوسبي، وبالنظر إلى عدد العناصر المشاركة عادةً، حتى أبسط أشكال الحوسبة الموزعة تحتوي عادةً على ثلاثة عناصر أساسية:

• وحدة التحكم الرئيسية في النظام

• مخزن بيانات النظام

• قاعدة البيانات

ومع ذلك، لا توجد قواعد صارمة ومحددة بشأن ما يشكّل حالة من الحوسبة الموزعة أو عدد العناصر البرمجية اللازمة لتفعيل وظيفتها. قد يكون هناك عدد قليل من العناصر التي تعمل ضمن تلك السلسلة (أو الشبكة)، أو قد يتضمن المثيل عددًا أكبر بكثير.

وهذه إحدى أبرز مزايا استخدام نظام حوسبة موزعة؛ إذ يمكن توسيع النظام بإضافة المزيد من الأجهزة. أما الميزة الأخرى المهمة فهي زيادة التكرار، لذا إذا تعطل أحد أجهزة الكمبيوتر في الشبكة لأي سبب، فإن عمل النظام يستمر دون انقطاع، رغم نقطة الفشل تلك.

يرتبط هذا المفهوم من التكرار الزائد ارتباطًا وثيقًا بالتركيز على تحمل الأعطال. تحمل الأعطال هو عملية تصحيحية تتيح لنظام التشغيل الاستجابة لحدوث عطل في البرامج أو الأجهزة وتصحيحه، بينما يستمر النظام في العمل. وقد أصبح مصطلح تحمل الأعطال يُستخدم كمقياس عام لمدى استمرارية الأعمال في مواجهة الأعطال المعطِّلة.

لذلك، لا تُقيّد أنظمة الحوسبة الموزعة بعدد محدد من العناصر. ولا يوجد أي شرط بأن تكون تلك العناصر متقاربة ماديًا أو متصلة عبر شبكات محلية (LAN). وبفضل القدرات الموسّعة لشبكات النطاق الواسع (WAN)، يمكن أن تفصل بين أجهزة الحوسبة في النظام الموزع قارات كاملة، مع الاحتفاظ بقدرتها التشغيلية.

تهدف أنظمة الحوسبة الموزعة إلى جعل شبكة الحوسبة الموزعة—بغض النظر عن حجمها ومكان وجود عناصرها—تعمل كما لو كانت جهاز كمبيوتر واحد. ويتحقق هذا التنسيق من خلال نظام معقد من تبادل الرسائل بين مختلف العناصر.

تحكم بروتوكولات الاتصال عملية تبادل الرسائل هذه، وتُنشئ نوعًا من العلاقة بين هذه العناصر. تُعرف هذه العلاقة باسم "الاقتران"، والذي يُعبَّر عنه عادةً 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.

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 الحوسبة المتوازية لسلاسل العمليات المتعددة. (يجب عدم الخلط بين الحوسبة المتوازية والمعالجة المتوازية، وهي عملية يقسم بموجبها مهام وقت التشغيل إلى مهام متعددة أصغر).

أما الآثار السلبية المرتبطة بالتزامن، فتشمل زيادة زمن الانتقال وظهور اختناقات قد تُبطئ النظام بشكل حاد عند تحميله بعدد مفرط من الطلبات من العناصر المختلفة.

يختلف التزامن عن مفهوم تعدد مؤشرات الترابط الذي يسمح لبرنامج واحد بالبقاء قيد التشغيل في أثناء تنفيذ مهام أخرى في الخلفية. أما التزامن، فيستهلك موارد أكثر لأنه يتضمن تشغيل خيوط متعددة في الوقت نفسه والوصول إلى موارد مشتركة بشكل متزامن.

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

يعتمد هذا النوع من الأنظمة على بنية الخادم والعميل، ما يسمح بتشغيله على أكثر من نظام في الوقت نفسه. في هذا النوع من الأنظمة، يرسل العميل إدخالاً إلى الخادم على هيئة طلب. قد يكون هذا الطلب أمرًا بتنفيذ مهمة معينة أو للحصول على موارد حوسبية إضافية. يتولى الخادم تنفيذ المهمة أو تخصيص الموارد المطلوبة، ثم يُرسل ردًا إلى العميل يُفصّل فيه الإجراء المُتّخذ.

على عكس الأنظمة المركزية التي تعتمد على بنية الخادم والعميل، يستند النظام النظير إلى بنية النظير إلى النظير (peer-to-peer). تعمل هذه الأنظمة من خلال عُقد يمكن لكل منها أن تؤدي دور العميل أو الخادم؛ فتارة تطلب الموارد أو تنفيذ مهام، وتارة أخرى تستجيب لهذه الطلبات وتُنفّذ العمليات وتبلّغ بالنتائج. وبما أن هذه البنية لا تعتمد على تراتبية، فإن البرامج المتصلة بها تستطيع التفاعل بحرية تامة وتبادل البيانات مباشرة عبر الشبكات النظيرة.

يمكن اعتبار البرمجيات الوسيطة نوعًا من الوسيط البرمجي يعمل بين تطبيقين منفصلين؛ فهي تطبيق مستقل بحد ذاته، يتموضع بين تطبيقين آخرين ويُقدّم خدمات لكليهما. تؤدي البرمجيات الوسيطة كذلك دورًا تفسيريًا، إذ تعمل كمترجم بين تطبيقات التوافقية المختلفة التي تعمل على أنظمة متباينة، ما يتيح لهذه التطبيقات تبادل البيانات بحرية تامة.

سُميت هذه الأنظمة بهذا الاسم نظرًا لعدد 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، بدلًا من تخزينها في الطرف العميل. تُحاط طبقة البيانات من جهة بطبقة التطبيق، ومن الجهة الأخرى بطبقة العرض. تُستخدم الأنظمة ثلاثية الطبقات بانتظام في مختلف تطبيقات الويب.

يُشار أحيانًا إلى النظام متعدد الطبقات 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 المستويات تلك الموجودة في الأنظمة ثلاثية المستويات. وغالبًا ما يُستخدم النظم المتعددة المستويات كأساس لبنية العديد من خدمات الويب وأنظمة البيانات.

تمكّن الحوسبة الموزعة من استخدام أنماط برمجة متعددة (ويمكن اعتبارها أساليب برمجة مختلفة).

• سلسلة الكتل: سلسلة الكتل هي نوع من قواعد البيانات أو الدفاتر الموزعة التي تُنسخ وتُزامن على أجهزة الكمبيوتر المختلفة التي تشكل الشبكة. وتضمن سلسلة الكتل أحد الأهداف الرئيسية للحوسبة الموزعة—التكرار—لأن كل جهاز كمبيوتر في السلسلة يحتفظ بنسخة من الدفتر الأصلي، لذلك لا يمكن فقدان البيانات بسبب نقطة فشل واحدة.

• الحوسبة الشبكية: هي نوع من الحوسبة الموزعة يركّز على أحمال التشغيل غير التفاعلية، وغالبًا ما تتضمن مزيجًا من أطر الحوسبة الشبكية وبرمجيات البرمجيات الوسيطة. تعمل الشبكة القابلة للتوسع التي يتم الوصول إليها من خلال واجهة المستخدم كأنها نظام ملفات ضخم.

• الخدمات المصغرة: الخدمات المصغرة هي شكل آخر من أشكال الحوسبة الموزعة 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.