מהי מערכת מבוזרת?
מערכת מבוזרת (Distributed System) היא אוסף של מחשבים או צמתים עצמאיים הפועלים יחד כמערכת קוהרנטית אחת.
צמתים אלו מתקשרים ומתאמים את פעולותיהם על ידי העברת מסרים להשגת מטרה משותפת.
המאפיין העיקרי של מערכת מבוזרת הוא שהצמתים נפרדים פיזית ועשויים להיות ממוקמים
במיקומים גיאוגרפיים שונים, מחוברים דרך רשת.
במערכת מבוזרת, לכל צומת יש זיכרון מקומי משלו וכוח עיבוד, המאפשר להם לבצע משימות באופן עצמאי.
עם זאת, הם גם משתפים פעולה ומשתפים משאבים כדי לבצע משימות מורכבות יותר שיהיה קשה
או בלתי אפשרי עבור צומת בודד לטפל בהן.
מערכות מבוזרות נועדו לספק יתרונות כמו שיפור בביצועים, סובלנות לתקלות, מדרגיות ושיתוף משאבים.
על ידי חלוקת עומס העבודה על פני מספר צמתים, ניתן לבצע משימות במקביל, מה שמוביל לזמני עיבוד מהירים יותר.
יתר על כן, הפצת נתונים וחישוב על פני מספר צמתים משפרת את סובלנות התקלות, מכיוון שכשל של צומת אחד
אינו מוריד את המערכת כולה.
ניתן למצוא מערכות מבוזרות בתחומים שונים, כולל מחשוב ענן, עיבוד נתונים בקנה מידה גדול, מסדי נתונים מבוזרים,
רשתות עמית לעמית ויישומי אינטרנט.
הם מציגים אתגרים ייחודיים כגון השהייה תקשורת, סנכרון, עקביות וסובלנות תקלות מבוזרת,
שיש לטפל בהם כדי להבטיח שהמערכת פועלת בצורה נכונה ויעילה.
איך עובדת מערכת מבוזרת?
מערכות מבוזרות פועלות על ידי חלוקת משימות ונתונים על פני מספר צמתים ותיאום פעולותיהם להשגת מטרה משותפת.
להלן סקירה כללית של אופן פעולתן של מערכות מבוזרות:
תקשורת: צמתים במערכת מבוזרת מתקשרים זה עם זה על ידי העברת הודעות ברשת.
ניתן להשיג תקשורת זו באמצעות פרוטוקולים וטכנולוגיות שונות, כגון TCP/IP, HTTP או תורי הודעות.
הודעות יכולות להכיל הוראות, נתונים או בקשות למידע.
שיתוף משאבים: מערכות מבוזרות מאפשרות שיתוף משאבים בין צמתים.
משאבים יכולים לכלול כוח חישוב, אחסון או נתונים.
על ידי שיתוף משאבים, צמתים יכולים לבצע ביחד משימות הדורשות יותר משאבים ממה שצומת בודד יכול לספק.
לדוגמה, במערכת מסד נתונים מבוזרת, הנתונים מופצים על פני מספר צמתים, מה שמאפשר אחסון ואחזור נתונים יעילים.
תיאום: צמתים במערכת מבוזרת צריכים לתאם את פעולותיהם כדי להשיג מטרה משותפת.
תיאום זה כרוך בסנכרון ושיתוף פעולה.
נעשה שימוש בטכניקות כגון אלגוריתמים מבוזרים, פרוטוקולי קונצנזוס ומנגנוני נעילה מבוזרים
כדי להבטיח שצמתים יפעלו יחד ביעילות וימנעו התנגשויות.
איזון עומסים: איזון עומסים הוא היבט מכריע במערכות מבוזרות.
זה כרוך בחלוקת עומס העבודה באופן שווה על פני צמתים כדי למקסם את הביצועים ואת ניצול המשאבים.
אלגוריתמים של איזון עומסים מקצים באופן דינמי משימות לצמתים על סמך גורמים כגון זמינות צומת,
כוח עיבוד או תנאי רשת.
זה עוזר למנוע צמתים עומס יתר ומבטיח שימוש יעיל במשאבים.
עמידות לתקלות: מערכות מבוזרות משלבות לעתים קרובות מנגנוני סבילות לתקלות כדי להבטיח את אמינות המערכת.
מכיוון שצמתים יכולים להיכשל או להפוך ללא זמינים, נעשה שימוש בטכניקות יתירות ושכפול.
שכפול נתונים מאפשר לאחסן עותקים מרובים של נתונים בצמתים שונים, מה שמבטיח שהנתונים
יישארו נגישים גם אם צמתים מסוימים נכשלים.
מנגנוני זיהוי ושחזור תקלות משמשים לזיהוי והתאוששות של כשלים בצמתים.
עקביות וסנכרון: הבטחת עקביות וסנכרון במערכת מבוזרת היא מאתגרת בשל היעדר זיכרון משותף
ונוכחות של עיכובים בתקשורת.
מערכות מבוזרות משתמשות בטכניקות שונות כגון עסקאות מבוזרות, פרוטוקולי קונצנזוס ונעילה מבוזרת
כדי לשמור על עקביות נתונים ולתאם פעולות בין צמתים.
מדרגיות: מערכות מבוזרות מתוכננות להיות מדרגיות, כלומר הן יכולות להתמודד עם עומסי עבודה גדלים
ולהכיל תוספת של צמתים נוספים.
מדרגיות אופקית כוללת הוספת צמתים נוספים למערכת, בעוד שמדרגיות אנכית כוללת הגדלת המשאבים (כגון מעבד או זיכרון)
של צמתים בודדים.
מערכות מבוזרות צריכות להיות מסוגלות לשנות את קנה המידה מבלי להקריב ביצועים או להכניס צווארי בקבוק.
מערכות מבוזרות ממנפות את הכוח של מספר צמתים, פרוטוקולי תקשורת, מנגנוני תיאום וטכניקות סובלנות לתקלות
כדי לספק ביצועים משופרים, מהימנות ומדרגיות בהשוואה למערכות מרכזיות.
עם זאת, בנייה וניהול של מערכות מבוזרות דורשות תכנון קפדני, שיקול של פשרות ויישום של אלגוריתמים
ופרוטוקולים מבוזרים מתאימים.
הארכיטקטורה של מערכת מבוזרת
הארכיטקטורה של מערכת מבוזרת מתייחסת לתכנון ולמבנה הכללי של המערכת, כולל האופן שבו מרכיביה מאורגנים
וכיצד הם מקיימים אינטראקציה זה עם זה.
ישנם מודלים ודפוסים ארכיטקטוניים שונים שניתן להשתמש בהם במערכות מבוזרות, בהתאם לדרישות
ולמטרות הספציפיות של המערכת.
להלן כמה דגמים אדריכליים נפוצים:
ארכיטקטורת שרת-לקוח: זהו אחד המודלים הארכיטקטוניים הנפוצים ביותר במערכות מבוזרות.
במודל זה, לקוחות שולחים בקשות לשרתים, אשר מעבדים את הבקשות הללו ושולחים בחזרה את התוצאות.
הלקוחות והשרתים יכולים להיות במכונות או צמתים שונים המחוברים לרשת.
שרתים מספקים שירותים או משאבים ללקוחות, ולקוחות מרובים יכולים ליצור אינטראקציה עם שרת בודד.
ארכיטקטורת Peer-to-Peer (P2P): בארכיטקטורת עמית-לעמית, צמתים או עמיתים במערכת הם גם לקוחות וגם שרתים,
כאשר לכל צומת יש יכולות שוות.
עמיתים מתקשרים ישירות זה עם זה כדי לשתף משאבים או מידע מבלי להסתמך על שרת מרכזי.
ארכיטקטורות P2P משמשות בדרך כלל ברשתות שיתוף קבצים ויישומים מבוזרים.
ארכיטקטורת מסד נתונים מבוזרת: מערכות מסד נתונים מבוזרות מאחסנות נתונים על פני מספר צמתים ברשת.
הארכיטקטורה יכולה להשתנות על סמך גורמים כגון חלוקת נתונים, שכפול ומנגנוני עקביות נתונים.
מסדי נתונים מבוזרים יכולים להשתמש בגישות כמו שכפול מאסטר-עבד, שכפול רב מאסטר
או פיצול כדי להפיץ ולנהל נתונים על פני צמתים.
ארכיטקטורת מיקרו-שירותים: ארכיטקטורת מיקרו-שירותים כוללת פירוק מערכת לשירותים קטנים,
עצמאיים ומקושרים באופן רופף, המתקשרים זה עם זה באמצעות ממשקי API.
כל שירות מיקרו מתמקד ביכולת עסקית ספציפית וניתן לפתח, לפרוס ולהגדיל באופן עצמאי.
ארכיטקטורות של Microservices מאפשרות גמישות, זריזות ומדרגיות במערכות מבוזרות.
ארכיטקטורת תוכנת ביניים מוכוונת מסר: ארכיטקטורה זו מסתמכת על שכבת תווך המאפשרת תקשורת
ותיאום בין רכיבים מבוזרים באמצעות העברת הודעות.
תורי הודעות או מערכות הרשמה לפרסום משמשים כדי לנתק את השולח והמקבל של ההודעות,
לספק תקשורת אסינכרונית ולשפר את סובלנות התקלות.
ארכיטקטורה מוכוונת שירות (SOA): SOA היא גישה ארכיטקטונית שבה המערכת מורכבת משירותים המקושרים
באופן רופף ומתקשרים באמצעות ממשקים מוגדרים היטב.
ניתן להפיץ שירותים על פני צמתים שונים וניתן לשלבם כדי ליצור יישומים מורכבים יותר.
SOA מקדם שימוש חוזר ותפעול הדדי של שירותים.
ארכיטקטורת מחשוב ענן: ארכיטקטורות מחשוב ענן מספקות גישה ניתנת להרחבה ולפי דרישה למשאבי מחשוב
משותפים דרך האינטרנט.
מערכות ענן משתמשות בדרך כלל בטכניקות וירטואליזציה כדי ליצור מופעים וירטואליים של שרתים, אחסון ומשאבי רשת.
ארכיטקטורות ענן יכולות להקיף מודלים שונים של מערכת מבוזרת, כגון Infrastructure as a Service (IaaS),
Platform as a Service (PaaS), או תוכנה כשירות (SaaS).
ניתן לשלב או לשנות מודלים ארכיטקטוניים אלה כדי להתאים לדרישות ספציפיות, ולעתים קרובות
הם כוללים שימוש באלגוריתמים מבוזרים, פרוטוקולים ומנגנוני תיאום כדי להבטיח תקשורת וסנכרון תקינים בין רכיבים.
תכנון הארכיטקטורה של מערכת מבוזרת דורש התחשבות בגורמים כמו מדרגיות, סבילות לתקלות, ביצועים,
אבטחה ועקביות נתונים כדי לעמוד ביעדי המערכת הרצויים.
יישומים של מערכות מבוזרות
מערכות מבוזרות מוצאות יישומים בתחומים שונים והפכו חיוניות בתחומי טכנולוגיה רבים.
להלן כמה יישומים נפוצים של מערכות מבוזרות:
מחשוב ענן: מחשוב ענן מסתמך במידה רבה על מערכות מבוזרות כדי לספק גישה לפי דרישה
למשאבי מחשוב דרך האינטרנט.
מערכות מבוזרות מאפשרות את המדרגיות, סובלנות התקלות ושיתוף המשאבים הנדרשים בתשתית הענן,
ומאפשרות למשתמשים לספק ולנהל משאבים וירטואליים ביעילות.
עיבוד נתונים גדולים: מערכות מבוזרות משמשות לעיבוד וניתוח כמויות גדולות של נתונים במקביל.
טכנולוגיות כמו Apache Hadoop ו- Apache Spark מפיצות נתונים וחישוב על פני מספר צמתים,
ומאפשרות עיבוד נתונים יעיל, ניתוח ומשימות למידת מכונה.
מערכות קבצים מבוזרות: מערכות קבצים מבוזרות, כגון מערכת הקבצים של גוגל (GFS) ומערכת הקבצים המבוזרת
של Hadoop (HDFS), מאפשרות אחסון וגישה לנתונים על פני מספר צמתים בצורה מבוזרת.
מערכות אלו מספקות סבילות לתקלות, זמינות גבוהה ומדרגיות לניהול אחסון נתונים בקנה מידה גדול.
רשתות אספקת תוכן (CDN): CDN הן מערכות מבוזרות השומרות ומעבירות תוכן, כגון דפי אינטרנט, תמונות וסרטונים,
למשתמשים על סמך הקרבה הגיאוגרפית שלהם.
על ידי הפצת תוכן על פני מספר שרתים ברחבי העולם, CDN משפרים את מהירות אספקת התוכן,
מפחיתים את זמן האחזור של הרשת ומטפלים בעומסי תעבורה גבוהים ביעילות.
רשתות עמית-לעמית: רשתות עמית-לעמית (P2P) מאפשרות שיתוף מבוזר והפצה של משאבים ישירות בין הצמתים המשתתפים.
מערכות P2P משמשות בדרך כלל לשיתוף קבצים, סטרימינג בשידור חי, מחשוב מבוזר ורשתות קריפטוגרפיה מבוזרות כמו ביטקוין.
מסדי נתונים מבוזרים: מסדי נתונים מבוזרים מאחסנים ומנהלים נתונים על פני מספר צמתים כדי להשיג מדרגיות,
סובלנות תקלות וזמינות גבוהה.
מערכות מסד נתונים מבוזרות מאפשרות שכפול, חלוקה ותיאום יעיל של נתונים בין צמתים, ומאפשרות יישומים
הדורשים אחסון ועיבוד נתונים בקנה מידה גדול.
האינטרנט של הדברים (IoT): ה-IoT מסתמך לעתים קרובות על מערכות מבוזרות כדי להתמודד עם הזרם האדיר
של נתונים שנוצר על ידי מכשירים מחוברים.
מערכות מבוזרות תומכות בעיבוד, אחסון וניתוח של נתוני חיישנים, וכן מאפשרות קבלת החלטות ובקרה בזמן אמת ביישומי IoT.
רשתות חברתיות מקוונות: פלטפורמות רשתות חברתיות, כגון פייסבוק וטוויטר, ממנפות מערכות מבוזרות כדי לטפל בבסיס
משתמשים גדול, לתמוך באינטראקציות בזמן אמת ולספק אספקת תוכן מותאמת אישית.
מערכות מבוזרות מאפשרות מדרגיות, שכפול נתונים והפצת תוכן יעילה על פני רשת מבוזרת גלובלית.
רשתות חיישנים מבוזרות: רשתות חיישנים מבוזרות מורכבות מצמתי חיישנים רבים המשתפים פעולה כדי לנטר
ולאסוף נתונים בסביבות שונות.
רשתות אלו דורשות לעתים קרובות אלגוריתמים מבוזרים ומנגנוני תיאום כדי לאסוף ולעבד ביעילות נתונים מחיישנים מרובים.
משחקים מבוזרים: מערכות מבוזרות משמשות בפלטפורמות משחק מקוונות כדי לתמוך באינטראקציות מרובי משתתפים,
סנכרון משחקים בזמן אמת וארכיטקטורות שרת משחקים מבוזרות.
מערכות משחקים מבוזרות דורשות תקשורת עם אחזור נמוך, איזון עומסים וסובלנות תקלות כדי לספק חווית משחק חלקה.
אלו הן רק כמה דוגמאות לאופן שבו מערכות מבוזרות מיושמות בתחומים שונים.
השימוש במערכות מבוזרות ממשיך לגדול ככל שהטכנולוגיה מתקדמת והצורך במערכות ניתנות להרחבה,
סבילות לתקלות ונגישות גלובלית הופך חשוב יותר ויותר.
ייתרונות של מערכות מבוזרות
מערכות מבוזרות מציעות מספר יתרונות בהשוואה למערכות מרכזיות מסורתיות.
להלן כמה יתרונות מרכזיים של מערכות מבוזרות:
מדרגיות: מערכות מבוזרות מספקות מדרגיות על ידי מתן אפשרות לפזר משאבים על פני מספר צמתים.
ככל שעומס העבודה גדל, ניתן להוסיף צמתים נוספים כדי להתמודד עם הביקוש המוגבר.
יכולת זו להרחיב אופקית מאפשרת למערכות מבוזרות להתמודד ביעילות עם נפחי נתונים גדלים,
תעבורת משתמשים ודרישות עיבוד.
עמידות תקלות: מערכות מבוזרות מתוכננות להיות עמידות לתקלות.
אם צומת או רכיב נכשל, המערכת יכולה להמשיך לפעול על ידי חלוקה מחדש של עומס העבודה לצמתים אחרים.
על ידי שכפול נתונים או שירותים על פני מספר צמתים, מערכות מבוזרות יכולות לספק יתירות ולהבטיח זמינות גבוהה,
ולהפחית את ההשפעה של כשלים בצמתים בודדים.
ביצועים ומהירות: מערכות מבוזרות יכולות לשפר את הביצועים על ידי הקבלה של משימות על פני מספר צמתים.
עם היכולת לעבד נתונים במקביל, מערכות מבוזרות יכולות להשיג תפוקה גבוהה יותר וזמני תגובה מהירים יותר
בהשוואה למערכות מרכזיות.
זה מועיל במיוחד עבור משימות הדורשות עיבוד נתונים בקנה מידה גדול, כגון ניתוח נתונים גדולים או חישובים מבוזרים.
שיתוף משאבים: מערכות מבוזרות מקלות על שיתוף משאבים בין צמתים.
צמתים יכולים לחלוק כוח חישוב, קיבולת אחסון או משאבים אחרים, מה שמאפשר ניצול יעיל של משאבים זמינים.
שיתוף משאבים יכול להוביל לחיסכון בעלויות ולשיפור היעילות של המערכת הכוללת.
גמישות וזריזות: מערכות מבוזרות מציעות גמישות וזריזות במונחים של פריסה וניהול.
ניתן להוסיף או להסיר צמתים באופן דינמי, מה שמאפשר למערכת להסתגל לדרישות ולעומסי העבודה המשתנים.
גמישות זו מאפשרת שדרוגי מערכות, תחזוקה ומדרגיות קלים יותר מבלי לגרום לשיבושים משמעותיים.
הפצה גיאוגרפית: מערכות מבוזרות יכולות להשתרע על מספר מיקומים גיאוגרפיים, מה שמאפשר
חוויות משתמש טובות יותר והשהייה מופחתת.
על ידי הפצת משאבים קרובים יותר למשתמשים או למקורות נתונים, מערכות מבוזרות יכולות לשפר
את זמני התגובה ולספק תוכן או שירותים ביעילות באזורים שונים.
מיקום נתונים: מערכות מבוזרות מאפשרות לאחסן נתונים קרוב יותר למקום הדרוש, מה שמפחית
את העברת הנתונים ותקורה ברשת.
מיקום הנתונים יכול לשפר את הביצועים ולהפחית את זמן ההשהיה על ידי צמצום הצורך
באחזור נתונים ממקומות מרוחקים.
שיתוף פעולה ותיאום: מערכות מבוזרות מאפשרות שיתוף פעולה ותיאום בין מספר צמתים או ישויות.
צמתים יכולים לעבוד יחד כדי להשיג מטרות משותפות, לשתף מידע ולתאם פעולות.
שיתוף פעולה זה חשוב במיוחד בתרחישים כמו מחשוב מבוזר, רשתות עמית לעמית או מסדי נתונים מבוזרים.
עלות-יעילות: מערכות מבוזרות יכולות להציע יתרונות עלות על ידי מינוף חומרת סחורות וניצול יעיל של משאבים.
על ידי חלוקת עומסי עבודה על פני מספר צמתים זולים, ניתן להפחית את העלות הכוללת של החומרה,
התחזוקה וצריכת האנרגיה בהשוואה למערכות מרכזיות הנשענות על חומרה יוקרתית יקרה.
חוסן: מערכות מבוזרות מפגינות חוסן על ידי יכולת להתאושש מכשלים ולהסתגל לתנאים משתנים.
האופי המבוזר של המערכת מפחית את נקודות הכשל הבודדות והופך אותה לעמידה יותר בפני כשלים
או שיבושים ברכיבים או צמתים בודדים.
מערכות מבוזרות מספקות יתרונות רבים, כולל מדרגיות, סבילות לתקלות, שיפורי ביצועים, שיתוף משאבים,
גמישות והפצה גיאוגרפית.
עם זאת, תכנון, הטמעה וניהול של מערכות מבוזרות דורשים התייחסות מדוקדקת של אתגרים שונים,
כגון עקביות, סנכרון, תקורה תקשורתית ומורכבות.
פיתוח מערכת מבוזרת
להלן כמה היבטים מרכזיים שיש לקחת בחשבון בעת פיתוח מערכות מבוזרות:
ארכיטקטורת מערכת: הגדירו את המבנה הכולל של המערכת המבוזרת, כולל הרכיבים, תחומי האחריות שלהם
ופרוטוקולי התקשורת שבהם הם משתמשים.
דפוסים אדריכליים נפוצים כוללים ארכיטקטורות שרת-לקוח, עמית-לעמית וארכיטקטורות מונעות אירועים.
פרוטוקולי תקשורת: בחרו פרוטוקולים מתאימים לתקשורת בין הרכיבים המבוזרים.
זה עשוי לכלול החלטה בין העברת הודעות (למשל, שימוש ב-HTTP, RPC או תורי הודעות) או גישות זיכרון משותף.
עקביות נתונים: קבע כיצד הנתונים ינוהלו ויסונכרנו על פני המערכת המבוזרת.
זה כולל בחירת מודלים של עקביות (למשל, עקביות חזקה, עקביות בסופו של דבר) ויישום טכניקות כגון שכפול,
ריסוק או מסדי נתונים מבוזרים.
כשלים ותקלות: התחשב בכשלים שעלולים להתרחש במערכת מבוזרת. הטמעת מנגנונים לטיפול בשגיאות, זיהוי תקלות ושחזור,
כגון אלגוריתמים של שכפול, יתירות ואיתור כשלים.
סנכרון: ודא שהרכיבים המבוזרים יכולים לפעול במקביל ולתאם את פעילותם ללא התנגשויות.
ניתן להשתמש בטכניקות כמו נעילה מבוזרת, אלגוריתמים מבוזרים (למשל, חותמות זמן של Lamport) ופרוטוקולי קונצנזוס
(למשל, Paxos, Raft) כדי לנהל את הצד ולשמור על תקינות המערכת.
מדרגיות: תכנן את המערכת המבוזרת כדי להתמודד עם עומסי עבודה ודרישות משתמשים הולכים וגדלים.
שקול טכניקות כמו איזון עומסים, קנה מידה אופקי ומחיצות כדי לפזר את עומס העבודה על פני מספר צמתים
ולהבטיח ביצועים ככל שהמערכת גדלה.
ניטור וניהול: הטמעת יכולות ניטור וניהול למעקב אחר תקינות וביצועי המערכת המבוזרת.
זה כולל רישום, איסוף מדדים וכלי ניטור מרכזיים לזיהוי ואבחון בעיות.
בדיקות וניפוי באגים: פתח אסטרטגיות לבדיקת המערכת המבוזרת, כולל מבחני יחידות, מבחני אינטגרציה ומבחני
מאמץ המדמים תרחישים בעולם האמיתי.
איתור באגים במערכות מבוזרות יכול להיות מאתגר, אז שקול להשתמש בכלי רישום, מעקב מבוזר וצפייה כדי לסייע באבחון בעיות.
אבטחה: שימו לב לשיקולי אבטחה כגון אימות, הרשאה, הצפנת נתונים ופרוטוקולי תקשורת מאובטחים כדי להגן על המערכת המבוזרת
מפני גישה בלתי מורשית והפרות נתונים.
ראוי לציין שפיתוח מערכות מבוזרות דורש לרוב מומחיות בתחומים כמו תכנות רשת, אלגוריתמים מבוזרים ועיצוב מערכות.
שימוש במסגרות וטכנולוגיות מתאימות יכול גם לפשט מאוד את תהליך הפיתוח, כמו Apache Kafka, Apache ZooKeeper או Kubernetes,
המספקים כלים לבנייה וניהול של מערכות מבוזרות.
דוגמאות למערכות מבוזרות
ישנן מספר מערכות מבוזרות ידועות שהשפיעו משמעותית על תעשיות שונות.
כמה דוגמאות כוללות:
מערכת הקבצים של גוגל (GFS): GFS היא מערכת קבצים מבוזרת שפותחה על ידי גוגל.
היא מאפשרת אחסון ועיבוד מבוזר של מערכי נתונים גדולים על פני מספר צמתים, ומספק סובלנות לתקלות ומדרגיות גבוהה.
Apache Hadoop: מסגרת Hadoop היא מסגרת קוד פתוח בשימוש נרחב לאחסון מבוזר ועיבוד של נתונים גדולים.
היא מורכבת ממערכת הקבצים המבוזרת של Hadoop (HDFS) לאחסון מבוזר וממודל התכנות MapReduce לעיבוד מבוזר.
ביטקוין: ביטקוין הוא מטבע קריפטוגרפי מבוזר המשתמש במערכת מבוזרת הנקראת בלוקצ’יין.
בלוקצ’יין הוא ספר חשבונות מבוזר המבטיח את שלמותם ואי-השינוי של רשומות העסקאות, ומבטל את הצורך בסמכות מרכזית.
Apache Kafka: מערכת Kafka היא פלטפורמת סטרימינג מבוזרת המאפשרת הזרמת ועיבוד נתונים בזמן אמת.
היא מספקת סובלנות לתקלות, תפוקה גבוהה ויכולות העברת הודעות ניתנות להרחבה עבור מערכות מבוזרות.
Ethereum: מערכת Ethereum היא פלטפורמה מבוססת בלוקצ’יין המאפשרת פיתוח של יישומים מבוזרים (DApps).
היא משתמשת במערכת מבוזרת כדי לבצע חוזים חכמים ולתחזק מכונה וירטואלית מבוזרת.
Amazon DynamoDB: שירות DynamoDB הוא שירות מסד נתונים NoSQL שניתן להרחבה ומנוהל במלואו המסופק
על ידי Amazon Web Services (AWS).
היא מפיצה נתונים על פני מספר שרתים כדי להבטיח זמינות גבוהה ומדרגיות לטיפול בעומסי עבודה גדולים.
Apache Cassandra: מערכת Cassandra היא מערכת מסד נתונים מבוזרת ומבוזרת המיועדת למדרגיות גבוהה וסובלנות תקלות.
היא משמשת ארגונים רבים לטיפול בכמויות גדולות של נתונים על פני מספר צמתים.
נטפליקס: נטפליקס משתמשת במערכת מבוזרת להזרמת סרטים ותוכניות טלוויזיה למיליוני משתמשים ברחבי העולם.
המערכת שלהם בנויה להתמודד עם כמויות אדירות של בקשות במקביל, עם הגשת תוכן מבוזרת ומנגנוני שמירה במטמון.
Haystack של פייסבוק: Haystack היא מערכת מבוזרת שפותחה על ידי פייסבוק לאחסון ואספקה של מיליארדי תמונות ביעילות.
היא מספקת גישה מהירה לתמונות על ידי הפצת האחסון והשליפה של תמונות על פני מספר רב של שרתים.
Google Spanner: מערכת Spanner היא מערכת מסד נתונים מופצת גלובלית וניתנת להרחבה אופקית שפותחה על ידי גוגל.
היא מספקת עקביות חזקה וזמינות גבוהה על פני מספר מרכזי נתונים, ומאפשרת גישה לנתונים עקבית גלובלית.
Apache ZooKeeper: שירות ZooKeeper הוא שירות מרכזי המשמש לתיאום וסנכרון במערכות מבוזרות.
היא מספקת שירות תצורה ושמות מבוזרות, המבטיח עקביות ותיאום בין צמתים במערכת מבוזרת.
דוגמא לכתיבת קוד של מערכת מבוזרת
הנה דוגמה לקוד מערכת מבוזר באמצעות Python וספריית Pyro, המאפשרת לך לבנות אפליקציות מבוזרות
באמצעות הפעלת שיטה מרחוק (RMI):
import Pyro4
# Define the remote class
@Pyro4.expose
class DistributedSystem(object):
def __init__(self):
self.data = []
def add_data(self, item):
self.data.append(item)
def get_data(self):
return self.data
# Start the Pyro name server
Pyro4.naming.startNS()
# Create an instance of the distributed system
distributed_system = DistributedSystem()
# Register the distributed system with the Pyro name server
uri = Pyro4.Daemon.serveSimple(
{
distributed_system: “example.distributed_system”
},
ns=True
)
print(“URI:”, uri)
# Start the Pyro event loop
Pyro4.Daemon.requestLoop()
בדוגמה זו, אנו מגדירים מחלקה DistributedSystem עם שתי שיטות: add_data ו-get_data. שיטת add_data מצרפת את הפריט
שסופק לרשימת הנתונים, בעוד ששיטת get_data מחזירה את התוכן הנוכחי של רשימת הנתונים.
אנו מקשטים את המחלקה DistributedSystem ב-@Pyro4.expose כדי לציין שהשיטות שלה צריכות להיות נגישות מרחוק.
לאחר מכן, אנו מפעילים את שרת השמות Pyro באמצעות Pyro4.naming.startNS(). שרת השמות מאפשר ללקוחות לאת
ר ולהתחבר למערכת המבוזרת.
אנו יוצרים מופע של המחלקה DistributedSystem ורושמים אותו בשרת השמות Pyro באמצעות Pyro4.Daemon.serveSimple().
השם הרשום עבור המערכת המבוזרת הוא “example.distributed_system”.
לבסוף, אנו מתחילים את לולאת האירוע Pyro עם Pyro4.Daemon.requestLoop().
לולאה זו מקשיבה לקריאת שיטה מרוחקת נכנסת ומטפלת בהן בהתאם.
כדי ליצור אינטראקציה עם המערכת המבוזרת, תוכל להריץ את קוד הלקוח הבא בסקריפט נפרד או במחשב אחר:
import Pyro4
# Locate the distributed system
distributed_system = Pyro4.Proxy(“PYRONAME:example.distributed_system”)
# Add data to the distributed system
distributed_system.add_data(“Item 1”)
distributed_system.add_data(“Item 2”)
distributed_system.add_data(“Item 3”)
# Retrieve and print the data from the distributed system
data = distributed_system.get_data()
print(“Data:”, data)
קוד הלקוח מתחבר למערכת המבוזרת באמצעות Pyro4.Proxy() ומציין את שם המערכת המבוזרת הרשומה (“example.distributed_system”).
לאחר מכן הוא מפעיל את שיטת add_data שלוש פעמים כדי להוסיף פריטים למערכת המבוזרת וקורא לשיטת get_data כדי לאחזר את הנתונים הנוכחיים.
שימו לב שכדי שקוד זה יעבוד, עליכם להתקין את Pyro4 (התקנת pip Pyro4) ושרת השמות פועל ברקע.
שאלות ותשובות בנושא מערכות מבוזרות
ש: מהן המסגרות והטכנולוגיות של מערכות מבוזרות?
ת: ישנן מספר מסגרות וטכנולוגיות פופולריות המשמשות בבניית מערכות מבוזרות.
Apache Hadoop היא מסגרת בשימוש נרחב לאחסון ועיבוד מבוזר של מערכי נתונים גדולים.
Apache Kafka היא פלטפורמת סטרימינג מבוזרת המאפשרת הזרמת ועיבוד נתונים בזמן אמת.
Kubernetes היא פלטפורמת תזמור קונטיינר בקוד פתוח המנהלת יישומים מבוזרים ומאוטמטית פריסה, קנה מידה וניהול.
Apache ZooKeeper הוא שירות מרכזי לשמירה על מידע תצורה, מתן שמות, סנכרון ושירותי קבוצה במערכות מבוזרות.
טכנולוגיות בולטות אחרות כוללות Apache Spark לעיבוד נתונים גדולים, Ethereum ליישומים מבוזרים
ו- Cassandra עבור מסדי נתונים מבוזרים.
ש: מה צופן העתיד של מערכות מבוזרות?
ת: העתיד של מערכות מבוזרות מבטיח.
ככל שהטכנולוגיה ממשיכה להתקדם, הדרישה למערכות ניתנות להרחבה, סובלנות לתקלות וביצועים גבוהים רק תגדל.
עם עליית מחשוב הענן, מחשוב הקצה והאינטרנט של הדברים, מערכות מבוזרות ימלאו תפקיד מכריע בטיפול בכמויות
האדירות של נתונים שנוצרו על ידי טכנולוגיות אלו.
ככל שיותר יישומים יעברו לענן וידרשו עיבוד בזמן אמת, מערכות מבוזרות ימשיכו להתפתח ולספק פתרונות חדשניים.
בנוסף, התקדמות בתחומים כמו בלוקצ’יין, בינה מלאכותית ולמידת מכונה תניע את הפיתוח של ארכיטקטורות
מערכות מבוזרות ומסגרות חדשות להתמודדות עם בעיות מורכבות ביעילות.
ש: כיצד מערכות מבוזרות מטפלות בתקשורת רשת ובבעיות השהייה?
ת: תקשורת רשת והשהייה הם אתגרים מהותיים במערכות מבוזרות.
כמה גישות לטיפול בבעיות אלה כוללות:
שמירה במטמון: מערכות מבוזרות משתמשות לעתים קרובות במנגנוני אחסון במטמון כדי לאחסן נתונים
שהגישה אליהם תדיר קרוב יותר לצמתים הדורשים זאת.
על ידי הפחתת הצורך בתקשורת רשת, אחסון במטמון יכול להפחית משמעותית את זמן ההשהיה.
חלוקת נתונים: חלוקת נתונים בין צמתים מבוזרים יכולה לעזור למזער את התקשורת ברשת.
על ידי אחסון נתונים בתדירות גבוהה עם גישה יחד באותו צומת, ניתן להפחית את הצורך בתקשורת בין-צומת,
ובכך להפחית את זמן ההשהיה.
איזון עומסים: טכניקות איזון עומסים מחלקות את עומס העבודה באופן שווה על פני מספר צמתים במערכת מבוזרת.
על ידי חלוקה שווה של עומס העבודה, המערכת יכולה לנצל את המשאבים הזמינים ביעילות, תוך הפחתת עומס ובעיות השהייה פוטנציאליות.
אופטימיזציית רשת: מערכות מבוזרות משתמשות בטכניקות אופטימיזציה של רשתות כדי למזער את זמן ההשהיה.
טכניקות אלו כוללות בחירת פרוטוקולי רשת יעילים, מזעור גודל העברת הנתונים ואופטימיזציה של אלגוריתמי ניתוב רשת.
מטמון פרוקסי ורשתות אספקת תוכן (CDN): קבצי שמירה במטמון ו-CDN מאחסנים תוכן שנגיש לעתים קרובות יותר קרוב יותר למשתמשים,
מצמצמים את המרחק הנדרש לנתוני נסיעה ומשפרים את זמני התגובה.
CDN מפיצים תוכן על פני שרתי קצה מרובים ברחבי העולם, ומאפשרים אספקת תוכן מהירה יותר.
תקשורת אסינכרונית: מערכות מבוזרות יכולות להשתמש בפרוטוקולי תקשורת אסינכרוניים, כגון תורי הודעות או מערכות פרסום-הרשמה,
כדי לנתק רכיבים ולהפחית את השפעת ההשהיה.
על ידי מתן אפשרות לרכיבים לתקשר באופן עצמאי ולעבד הודעות בקצב שלהם, ניתן למזער בעיות השהייה.
ש: מה תפקידה של תוכנת הביניים (middleware) במערכות מבוזרות?
ת: תוכנת הביניים (תווכה) פועלת כגשר בין יישומים לבין תשתית המערכת המבוזרת הבסיסית.
היא מספקת שירותים והפשטות המאפשרים תקשורת, תיאום וניהול משאבים.
התוכנה יכולה להתמודד עם משימות מורכבות כמו הפעלת שיטה מרחוק שקופה, תור הודעות וניהול עסקאות מבוזרות,
מה שמקל על פיתוח מערכות מבוזרות.
