ما هي الحوسبة العنقودية؟

تتكون مجموعات الحوسبة عادة من خوادم ومحطات عمل وأجهزة كمبيوتر شخصية (PC) تتصل عبر شبكة محلية (LAN) أو شبكة واسعة النطاق (WAN).

الحوسبة العنقودية هي نوع من الحوسبة الموزعة، وهي نوع من الحوسبة التي تربط أجهزة الكمبيوتر معًا على شبكة لأداء مهمة حسابية وزيادة الطاقة الحسابية وتعمل كجهاز كمبيوتر واحد. يحتوي كل جهاز كمبيوتر، أو "عقدة"، في شبكة الكمبيوتر على نظام تشغيل (OS) ووحدة معالجة مركزية (CPU) تتولى المهام المطلوبة لتشغيل البرنامج بشكل صحيح.

نظرًا لارتفاع مستوى الأداء والتوافر العالي، فإن الحوسبة العنقودية لها العديد من التطبيقات، بما في ذلك الحوسبة السحابية، والذكاء الاصطناعي، والبحث العلمي وتحليلات البيانات الكبيرة.

في مستوياتها الأساسية، تستخدم الحوسبة العنقودية شبكة LAN لتوصيل أجهزة كمبيوتر متعددة ومستقلة في الشبكة. في بنية المجموعة العنقودية، يُشار إلى كل جهاز كمبيوتر على الشبكة باسم "عقدة" ويتم التحكم فيه بواسطة برنامج وسيط، وهو برنامج يتيح الاتصال بين كل جهاز. يمكن لمستخدمي المجموعة العنقودية استخدام الموارد كما لو كانوا جهازاً واحداً، بدلاً من الأجهزة الفردية المتصلة عبر شبكة LAN.

يمكن لمجموعة الحوسبة العنقودية أن تربط ما لا يقل عن عقدتين أو ما يصل إلى الآلاف من العقد. على سبيل المثال، تستخدم مجموعة Beowulf العنقودية عادة أجهزة كمبيوتر تجارية متصلة عبر شبكة LAN ويمكن أن تكون بديلاً ميسور التكلفة نسبياً لجهاز كمبيوتر عملاق لمهام معينة.¹

من ناحية أخرى ، تدعم Kubernetes - وهي تقنية مجاورة للمجموعة العنقودية مرتبطة بالحاويات وضرورية للحوسبة السحابية - مجموعات عنقودية تصل إلى 5000 عقدة منفصلة ولكنها متصلة. يستخدم Kubernetes في العديد من أنواع عمليات النشر السحابية، بما في ذلك السحابة الهجينة وبنى السحابة المتعددة ، بالإضافة إلى عمليات التطوير و تحديث التطبيقات.

تتكون بنيات الحوسبة العنقودية من مجموعة من الحواسيب الفردية المترابطة التي تعمل معًا كآلة واحدة. وترتبط كل وحدة من وحدات الحوسبة عبر اتصال عالي السرعة، مثل شبكة LAN، ويشار إليها في بنية النظام على أنها عقدة واحدة. تحتوي كل عقدة على نظام تشغيل وذاكرة ووظائف إدخال وإخراج (I/O).

هناك نوعان من بنى المجموعات العنقودية، مفتوحة أو مغلقة. في المجموعة العنقودية المفتوحة، يكون لكل كمبيوتر عنوان IP خاص به. في المجموعة العنقودية المغلقة ، يتم إخفاء كل عقدة خلف عقدة بوابة. نظراً لأن عقدة البوابة تتحكم في الوصول إلى العقد الأخرى ويمكن العثور على عناوين IP على الإنترنت، فإن المجموعات العنقودية المغلقة أقل خطراً أمنيًا من المجموعات العنقودية المفتوحة.

بالإضافة إلى الحوسبة العنقودية، هناك نوعان آخران شائعان في الاستخدام من الحوسبة الموزعة التي تتميز أيضاً بشبكات متصلة من أجهزة الكمبيوتر: الحوسبة الشبكية والحوسبة من نظير إلى نظير.

حوسبة الشبكة: في علوم الكمبيوتر، تُعد بنية تحتية لحوسبة الشبكة للجمع بين موارد الحوسبة الموجودة في مواقع فعلية مختلفة. تُدمج الموارد الحسابية المتاحة من الأجهزة المختلفة وتُستخدم معًا لحل مشكلة ما. وعلى غرار التجميع، تستخدم الحوسبة الشبكية موارد مجموعة من أجهزة الكمبيوتر المتعددة والمترابطة.

ومع ذلك، على عكس التجميع، تُستخدم الموارد غير المستخدمة فقط على أجهزة الكمبيوتر المتصلة عبر بنية الشبكة. كان البحث عن الذكاء خارج كوكب الأرض (SETI) مثالاً شهيرًا على الحوسبة الشبكية، حيث تُستخدم الموارد الحسابية غير المستخدمة من العديد من أجهزة الكمبيوتر لتحليل الإشارات اللاسلكية من الفضاء السحيق بحثًا عن علامات على وجود حياة خارج كوكب الأرض.²

حوسبة النظير إلى النظير: تتطلب حوسبة النظير إلى النظير (P2P)، أو الحوسبة الشبكية، اتصال جهازي كمبيوتر أو أكثر "كنظراء" على الشبكة، ما يعني أن لديهم نفس الطاقة والأذونات. على عكس الحوسبة العنقودية، لا تتطلب بنية P2P نهج إدارة مركزية.

على شبكة P2P تعمل كل عقدة كجهاز عميل (جهاز كمبيوتر يحتاج إلى الوصول إلى خدمة) وخادم (جهاز كمبيوتر يوفر الخدمة). يتيح كل نظير في العقدة موارد للآخرين على الشبكة، بما في ذلك التخزين والذاكرة والنطاق الترددي وغير ذلك.

اختُرعت الحوسبة العنقودية في ستينيات القرن الماضي كطريقة لتوزيع مهام الحوسبة وتخزين البيانات في مختلف أجهزة الكمبيوتر. في الثمانينيات، كان للتطورات التي حدثت في العديد من التقنيات المتجاورة —بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر الشخصية والمعالجات متعددة الاستخدامات والشبكات المحلية— آثار كبيرة على الحوسبة العنقودية.

ربما كان أكبرها استخدام عقد الحوسبة متعددة المعالجات في الحوسبة عالية الأداء (HPC). مع زيادة حالات استخدام الحوسبة عالية الأداء، زادت كذلك حالات استخدام الحوسبة العنقودية. واليوم تشمل هذه الاستخدامات صناعات السيارات والطيران، وتحليل البيانات من الأقمار الصناعية والتلسكوبات وتشخيص الأمراض الخطيرة وغيرها.

واليوم، تُستخدم الحوسبة العنقودية في العديد من التقنيات الأكثر تقدمًا التي تدفع عالمنا إلى الأمام، مثل الذكاء الاصطناعي، والتعلم الآلي والحوسبة السحابية. تستخدم أكبر الشركات في العالم الحوسبة العنقودية من أجل نقل أحمال التشغيل إلى التقنية السحابية، وزيادة سرعة المعالجة، وتحسين تكامل البيانات، وغير ذلك. على مستوى المؤسسة، تُكلف في أغلب الأحيان مجموعات أجهزة الكمبيوتر العنقودية بمهمة محددة —على سبيل المثال،موازنة الأحمال أو التوافر العالي أو المعالجة واسعة النطاق للبيانات في مركز البيانات.

تم تصميم المجموعات العنقودية للحوسبة بشكل أساسي لتكون أعلى أداء وأكثر موثوقية من الأنواع الأخرى من بنى الحوسبة، مما يجعلها لا غنى عنها للمؤسسة الحديثة. على سبيل المثال، تحتوي المجموعات العنقودية الحديثة على تسامح مدمج مع الخطأ، وهو مصطلح يشير إلى قدرتها على الاستمرار في العمل حتى عند فشل عقدة واحدة في الشبكة.

كما أن مجموعات الحواسيب الكبيرة تعتمد على أنظمة الملفات الموزعة (DFS) ومجموعة مكررة من الأقراص المستقلة (RAID) مما يسمح بتخزين نفس البيانات في مواقع مختلفة على محركات أقراص ثابتة متعددة. الحوسبة العنقودية تفيد المؤسسة الحديثة بعدة طرق؛ فيما يلي بعض الأمثلة: 

نظراً لاعتمادها على التوازي، تعتبر المجموعات العنقودية للحواسب عالية الأداء ويمكنها عادة معالجة البيانات بشكل أسرع والتعامل مع أحمال تشغيل أكبر مقارنة بجهاز كمبيوتر واحد.

تعتبر الحوسبة العنقودية موثوقة للغاية بسبب دمج تقنيتي DFS وRAID فيها. في مجموعة أجهزة الكمبيوتر العنقودية، حتى في حالة تعطل عقدة واحدة من العُقد، ستستمر الشبكة في العمل، وسيستمر DFS وRAID لضمان نسخ البيانات احتياطيًا في أماكن متعددة. 

بالإضافة إلى كونها موثوقة للغاية، تعتبر الحوسبة العنقودية أيضاً متاحة بشكل كبير نظراً لقدرتها على التعافي بسرعة من فشل العقدة الواحدة. إذا كانت المجموعة تعمل بشكل صحيح، فعند فشل عقدة واحدة، يتم نقل عملها بسلاسة إلى عقدة أخرى في نظام المجموعة دون انقطاع في الخدمة. 

تعد الحوسبة العنقودية قابلة للتطوير بدرجة كبيرة لأنه يمكن إضافة عُقد نظام المجموعة العنقودية في أي وقت لزيادة الأداء. تعني القدرة على ضبط الموارد ديناميكياً داخل نظام المجموعة العنقودية أنه يمكن توسيع نطاق المجموعة أو تقليصها، حسب الطلب. 

وتُعد الحوسبة العنقودية أكثر فعالية من حيث التكلفة من أنواع الحوسبة الأخرى. تعتمد العديد من المؤسسات الحديثة على الحوسبة العنقودية لتحسين أداء البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات وقابلية التوسع والتوافر بسعر مناسب.

تختلف مجموعات الحوسبة العنقودية اختلافًا كبيرًا من حيث التعقيد والغرض. على سبيل المثال، لا تربط مجموعات العقد البسيطة نسبيًا والمجموعات مزدوجة العقدة سوى بضعة أجهزة كمبيوتر، بينما يربط الحاسوب العملاق Aurora، من ناحية أخرى، أكثر من 10000 جهاز.³

كما أن المجموعات العنقودية لديها العديد من حالات الاستخدام في مجال الأعمال؛ نظرًا لارتفاع مستوى الأداء وقابلية التوسع والمرونة في العمل، ولكن تستخدمها أيضًا الجامعات والكليات الطبية في البحث العلمي. استنادًا إلى خصائصها، تنقسم مجموعات الحوسبة العنقودية إلى ثلاثة أنواع مختلفة—التوافر العالي، وموازنة الأحمال، والأداء العالي. 

تقوم المجموعات العنقودية عالية التوفر تلقائياً بنقل المهام من عقدة فشلت بشكل غير متوقع إلى عقدة أخرى على الشبكة لا تزال تعمل. هذه القدرة على التكيف بسرعة وسهولة عند فشل عقدة واحدة تجعلها مثالية لأحمال التشغيل التي يكون فيها تجنب انقطاع الخدمة أمرًا حساسًا.

تضمن مجموعات موازنة التحميل العنقودية أو أدوات موازنة التحميل توزيع العمل بشكل عادل في مختلف العقد في المجموعة العنقودية. وبدون موازنة الأحمال، فإن العقدة ستصبح مثقلة بالمهام التي تم تكليفها بها وستتعطل بشكل متكرر. هناك أنواع مختلفة من موازنة الأحمال لأغراض مختلفة. أشهرها هو Linux Virtual Servers، وهو مجاني ومفتوح المصدر ويستخدم لتطوير خوادم عالية الأداء وشديدة التوافر اعتمادًا على التقنية العنقودية.

تعد HPC Cluster شبكة من المعالجات القوية التي يمكنها معالجة مجموعات البيانات الضخمة متعددة الأبعاد، والمعروفة أيضًا باسم البيانات الكبيرة، بسرعة عالية للغاية. فهي تتطلب شبكات عالية الطاقة وزمن انتقال فائق الانخفاض لنقل الملفات بين العقد.

على عكس مجموعات موازنة الأحمال ومجموعات التوافر العالي، فإن HPC Cluster لديها قوة معالجة أكبر مصممة خصيصًا لتحليل البيانات، مثل تشخيص الأمراض، وتحليل كميات هائلة من البيانات المالية، وتسلسل الجينوم. أيضًا، يستخدم HPC Cluster واجهة تمرير الرسائل (MPI)، وهو بروتوكول لبنى الحوسبة المتوازية يتيح التواصل بين العقد.

مجموعات الذكاء الاصطناعي العنقودية عبارة عن مجموعات حوسبة عنقودية مصممة خصيصًا للذكاء الاصطناعي وأحمال تشغيل التعلم الآلي (ML)، مثل التعرف على الوجه والكلام  ومعالجة اللغة الطبيعية (NLP) والقيادة الذاتية. صُممت مجموعات الذكاء الاصطناعي العنقودية خصيصًا  للخوارزميات التي تتدرب عليها نماذج الذكاء الاصطناعي.

مجموعات الحوسبة العنقودية لها مجموعة واسعة من الاستخدامات. بدءًا من تطبيقات المؤسسات مثل الحوسبة السحابية وتحليلات البيانات، إلى البرامج التي تساعد في إنشاء مؤثرات خاصة ثلاثية الأبعاد لافتة للنظر للأفلام، إليك بعض الأمثلة: