Що таке розподілені системи і як вони працюють?
Що таке розподілена система?
Розподілена система — це сукупність незалежних комп’ютерів, які здаються користувачу єдиною цілісною системою.
Для досягнення спільної мети комп’ютери в розподіленій системі спілкуються один із одним. Комп’ютери можуть розташовуватися в одному фізичному місці або бути розподіленими по декількох регіонах. Головною перевагою розподілених систем є їхня можливість перевершувати одну комп’ютерну систему в аспектах продуктивності, надійності та доступності.
Розподілена система передбачає обмін ресурсами й обчислювальною потужністю між декількома робочими станціями за рахунок розподілених обчислень і баз даних. Основними компонентами розподілених систем є кілька вузлів, мережі зв’язку і розподілене проміжне програмне забезпечення (middleware), яке керує зв’язком між вузлами.
Вузли — це незалежні обчислювальні одиниці, які взаємодіють один із одним. Мережа зв’язку слугує середовищем для обміну інформацією між вузлами. Розподілене проміжне програмне забезпечення — це проміжний рівень між розподіленими застосунками та базовою мережею, що забезпечує такі послуги, як зв’язок, координація та управління ресурсами для ефективної й надійної роботи розподілених систем.
Розподіл навантаження та даних між кількома вузлами дозволяє архітектурі розподілених систем досягати відмовостійкості (здатності працювати, незважаючи на відмови вузлів або проблеми з мережею), масштабованості та високої доступності.
Як працюють розподілені системи?
Для функціонування розподілених систем завдання має бути розділене на менші підзавдання і розподілене між кількома вузлами чи комп’ютерами в мережі. Ці вузли чи комп’ютери співпрацюють і взаємодіють для завершення завдання.
Нижче подано чотири ключові етапи, які коротко пояснюють, як працюють розподілені системи:
Децентралізація компонентів
Розподілена система складається з багатьох компонентів або вузлів, розподілених між різними реальними або віртуальними місцями. Ці компоненти можуть взаємодіяти через мережу, щоб досягти спільної мети.
Зв’язок
Компоненти розподіленої системи можуть взаємодіяти, використовуючи різні протоколи та інструменти, як-от TCP/IP, HTTP або черги повідомлень. Ці протоколи дозволяють вузлам передавати та отримувати дані чи повідомлення.
Координація
Для ефективної роботи елементів розподіленої системи їхні дії мають бути узгоджені. Для досягнення координації використовуються розподілені алгоритми, консенсусні протоколи або розподілені транзакції.
Відмовостійкість
Розподілена система повинна бути створена з урахуванням відмовостійкості. Це означає, що вона повинна мати здатність витримувати відмови окремих компонентів або вузлів без порушення загальної продуктивності чи доступності системи. Розподілені системи досягають відмовостійкості за допомогою стратегій надлишковості, реплікації чи сегментації.
Пошукова система в Інтернеті — це приклад розподіленої системи, оскільки вона складається з багатьох вузлів, кожен з яких виконує окремі функції, як-от сканування вебсайтів, індексація контенту та обробка запитів користувачів. Ці вузли співпрацюють для надання швидких і ефективних результатів пошуку.
Блокчейн — також приклад розподіленої системи. Це децентралізований реєстр, що безпечно та прозоро фіксує транзакції. Він розподілений, оскільки реєстр зберігається на багатьох вузлах у мережі, причому кожен вузол має копію всього реєстру, що забезпечує прозорість, підвищену безпеку та стійкість до відмов чи атак.
Які основні особливості розподілених систем?
Розподілені системи використовуються в багатьох застосунках, включаючи соціальні мережі, хмарні обчислення та онлайн-торгівлю. Їхні унікальні особливості виділяють їхні серед інших комп’ютерних систем.
Однією з таких особливостей є одночасність, яка дозволяє одночасно виконувати багато процесів або потоків. Хоча ця характеристика збільшує продуктивність системи, вона також може спричинити проблеми, як-от взаємоблокування (deadlock).
Взаємоблокування виникає, коли два або більше процесів блокуються, очікуючи, поки інший звільнить ресурс. Це може статися через складність координації між багатьма процесами, що працюють одночасно на декількох вузлах.
Ще однією ключовою характеристикою розподілених систем є масштабованість. Вони повинні мати можливість горизонтального масштабування шляхом додавання додаткових вузлів для обробки збільшеного навантаження та розширення кількості користувачів. Відмовостійкість також є важливою частиною таких систем — вони повинні витримувати збої вузлів або компонентів без негативного впливу на загальну продуктивність системи.
Гетерогенність — ще одна характеристика розподілених систем. Вузли можуть відрізнятися за апаратним забезпеченням, програмним забезпеченням і мережею, що може ускладнювати взаємодію між ними.
Прозорість також відіграє важливу роль. Системи повинні забезпечувати користувачам прозорий доступ до ресурсів і послуг у межах всієї мережі, приховуючи складність внутрішніх механізмів. Безпека є ще одним пріоритетом, адже розподілені системи мають бути стійкими до несанкціонованого доступу, витоків даних та інших кіберзагроз.
Ще однією ключовою вимогою є консистентність. Незважаючи на одночасне оновлення й відмови, розподілені системи повинні зберігати узгодженість даних між багатьма вузлами. І, нарешті, продуктивність повинна залишатися на прийнятному рівні навіть із підвищеною складністю та витратами на передачу даних, спричиненими розподілом.
Які існують типи розподілених систем?
Існує багато типів і конструкцій розподілених систем, кожна з яких створена для вирішення певних завдань і викликів. Архітектура вибирається залежно від вимог програми, масштабованості, відмовостійкості, безпеки тощо.
Одним із типів є архітектура «клієнт-сервер». У такій системі сервер приймає запити від клієнта, обробляє їх і надає відповіді. Ця структура часто застосовується у вебзастосунках, де веббраузер є клієнтом, а сервер розміщує вебсторінку.
Ще одним типом є архітектура «Peer-to-Peer» (P2P). У цій структурі всі вузли або вузли-рівноцінники є рівними й можуть виконувати ролі клієнтів і серверів. Кожен вузол може запитувати та надавати ресурси іншим вузлам. Ця архітектура застосовувалася в програмах для обміну файлами, наприклад, BitTorrent.
Детальніше: Що таке BitTorrent (BTTC): Посібник для початківців
Розподілена система баз даних — це ще одна категорія розподільчих систем. У такій архітектурі база даних розподілена між кількома вузлами або комп’ютерами, що спільно виконують функції зберігання й управління даними. Ця структура використовується для масштабних застосунків, як-от соціальні мережі чи сайти електронної комерції, які потребують високої доступності та масштабованості.
Розподілені обчислювальні системи — це ще один тип розподілених систем, де кілька комп’ютерів співпрацюють для вирішення складних обчислювальних завдань. Ця структура часто застосовується у наукових дослідженнях, наприклад, для аналізу великих масивів даних або моделювання складних процесів.
Гібридні розподільчі системи інтегрують кілька архітектур чи концепцій. Наприклад, така система може використовувати проєкт P2P для обміну файлами та архітектуру клієнт-сервер для вебзапитів.
Які переваги й недоліки розподілених систем?
Розподільчі системи мають багато переваг, як-от масштабованість, відмовостійкість і покращена продуктивність. Однак вони також мають недоліки, включаючи труднощі координації, складність і потребу в спеціалізованих навичках.
Однією з основних переваг розподілених систем є масштабованість. Для роботи з підвищеними навантаженнями та обслуговування більшої кількості користувачів достатньо додати нові вузли. Завдяки цьому розподілені системи можуть обробляти великий трафік і забезпечувати високу доступність без шкоди для продуктивності.
Ще однією перевагою є відмовостійкість. Якщо один вузол виходить із ладу, система може продовжувати функціонувати, оскільки інші вузли можуть взяти на себе його завдання. Це робить розподільчі системи менш вразливими до апаратних чи програмних збоїв порівняно із централізованими. До того ж можливість розподіляти обчислення між кількома вузлами дозволяє прискорити обробку задач і підвищити пропускну спроможність.
Однак розподільчі системи мають і деякі недоліки. Наприклад, через їхню географічну розкиданість координування комунікацій і забезпечення узгодженого розуміння системи між усіма вузлами можуть бути складними завданнями. Це може призвести до проблем із одночасністю та консистентністю.
Також розподільчі системи мають складну архітектуру. Через це вони складніші в обслуговуванні і можуть бути більш вразливими до порушень безпеки, ніж централізовані системи. Крім того, проєктування й обслуговування таких систем потребує спеціальних знань і навичок, що може підвищити витрати й ускладнити роботу.
Яке майбутнє розподільчених систем?
Майбутнє розподільчених систем виглядає багатообіцяючим завдяки розвитку технологій. Кластерні та ґрід-обчислення — це дві сучасні технології, які, ймовірно, відіграють важливу роль у майбутньому розподільчих систем.
Кластерні обчислення включають використання декількох взаємопов’язаних комп’ютерів, які працюють разом як єдина система. Ця технологія забезпечує посилення обчислювальної потужності, підвищену відмовостійкість і кращу масштабованість. Завдяки знижуванню вартості апаратного забезпечення кластерні обчислення стають доступнішими й, ймовірно, почнуть частіше використовуватись у застосунках високопродуктивних обчислень.
Кластерні обчислення можуть використовуватись для обробки великих даних. Із вибуховим зростанням обсягів даних ця технологія дозволяє ефективніше обробляти та аналізувати інформацію.
Також із розвитком штучного інтелекту та машинного навчання, які потребують великих обчислювальних ресурсів для навчання моделей і обробки даних, кластерні обчислення можуть прискорити ці процеси та поліпшити точність результатів.
Ґрід-обчислення застосовують географічно розподілені ресурси для роботи як єдиної системи. Ця технологія дозволяє бізнесу об’єднувати ресурси та співпрацювати над складними проєктами, які складно або неможливо виконати традиційними комп’ютерними методами.
Наприклад, у разі природної катастрофи ґрід-обчислення можуть швидко мобілізувати ресурси з усього світу для допомоги в реагуванні. Також ґрід-обчислення використовується біткоїн-майнерами, які об’єднують свої обчислювальні ресурси для спільного розв’язання математичних задач.
Завдяки розвитку хмарних технологій ґрід-обчислення, ймовірно, стануть важливішими для наукових досліджень, обробки даних та інших додатків масштабних обчислень.
