سیستم‌ های توزیع‌ شده

سیستم‌ های توزیع‌ شده به مجموعه‌ای از گره‌های مستقل گفته می‌شود که به منظور دستیابی به یک هدف مشترک، با یکدیگر تعامل کرده و از دید کاربران به عنوان یک سیستم یکپارچه عمل می‌کنند. این سیستم‌ها وظایف پیچیده را با توزیع بار محاسباتی و ذخیره‌سازی میان گره‌ها انجام می‌دهند و ویژگی‌هایی همچون مقیاس‌پذیری، پایداری و انعطاف‌پذیری را ارائه می‌دهند. در این مقاله، پس از تعریف انواع سیستم‌های توزیع‌شده و نحوه عملکرد آن‌ها، چالش‌هایی مانند قضیه CAP بررسی خواهند شد.

سیستم توزیع شده چیست؟

سیستم‌ های توزیع‌ شده (Distributed systems) مجموعه‌ای از گره‌های مستقل هستند که به صورت هماهنگ برای انجام وظایف مشخصی همکاری می‌کنند. این گره‌ها می‌توانند کامپیوترها، سرورها یا دستگاه‌های متصل به یکدیگر باشند که از طریق یک شبکه ارتباطی، داده‌ها و پیام‌ها را به اشتراک می‌گذارند. ویژگی کلیدی سیستم‌های توزیع‌شده این است که کاربران این سیستم‌ها آن را به عنوان یک واحد یکپارچه تجربه می‌کنند، در حالی که عملیات در پشت صحنه میان گره‌های مختلف توزیع شده است.

این سیستم‌ها می‌توانند بر اساس نوع معماری به دو دسته اصلی تقسیم شوند:

1. همتا به همتا (Peer-to-Peer): در این معماری، همه گره‌ها نقش یکسانی دارند و می‌توانند به صورت مستقیم با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. این مدل در فناوری‌هایی مانند بلاکچین و شبکه‌های اشتراک‌گذاری فایل کاربرد دارد.
2. کلاینت-سرور (Client-Server): در این مدل، گره‌های سرور وظیفه ارائه خدمات را بر عهده دارند و گره‌های کلاینت از این خدمات استفاده می‌کنند. این معماری در سرویس‌های وب، بازی‌های آنلاین و بسیاری از برنامه‌های تجاری رایج است.

سیستم‌های توزیع‌شده برای ارائه خدمات قابل اعتماد، انعطاف‌پذیر و مقیاس‌پذیر طراحی شده‌اند. این ویژگی‌ها به آن‌ها اجازه می‌دهد که در برابر نقص‌های گره‌ها یا ارتباطات شبکه مقاومت کنند و همچنان به کار خود ادامه دهند. در بخش‌های بعدی، نحوه عملکرد این سیستم‌ها و چالش‌های مربوط به طراحی و مدیریت آن‌ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

اجزای اصلی سیستم‌ های توزیع‌ شده

1. گره‌ها (Nodes):
   گره‌ها واحدهای مستقل سیستم هستند که می‌توانند پردازش انجام دهند، داده‌ها را ذخیره کنند و با گره‌های دیگر ارتباط برقرار کنند. هر گره دارای حافظه، پردازنده و سیستم‌عامل مختص خود است و ممکن است رفتارهایی از نوع صادق، معیوب یا حتی مخرب (بیزانسی) داشته باشد.
2. شبکه ارتباطی (Communication Network):
   گره‌ها از طریق یک شبکه، پیام‌ها و داده‌ها را با یکدیگر تبادل می‌کنند. این ارتباط ممکن است مبتنی بر مدل کلاینت-سرور باشد که در آن سرور نقش اصلی در مدیریت داده‌ها دارد، یا مدل همتا به همتا که در آن گره‌ها به صورت مستقیم با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند.

هماهنگی و تعامل میان گره‌ها

• ارسال و دریافت پیام:
  هر گره می‌تواند پیام‌هایی را به گره‌های دیگر ارسال کند و پاسخ دریافت کند. این تعاملات پایه‌ای برای هماهنگی و به اشتراک‌گذاری داده‌ها میان گره‌هاست.
• الگوریتم‌های اجماع:
  برای اطمینان از سازگاری داده‌ها، سیستم‌های توزیع‌شده از الگوریتم‌های اجماع استفاده می‌کنند. این الگوریتم‌ها تضمین می‌کنند که تمام گره‌ها نسخه‌ای یکسان از داده‌ها را نگهداری کرده و تصمیمات مشترکی بگیرند. الگوریتم‌هایی مانند Paxos، Raft و اجماع تحمل خطای بیزانسی (PBFT) از نمونه‌های متداول در این حوزه هستند.
• تحمل خطا (Fault Tolerance):
  یکی از ویژگی‌های حیاتی سیستم‌های توزیع‌شده، قابلیت ادامه کار حتی در صورت وقوع خطا در برخی از گره‌ها یا لینک‌های شبکه است. برای دستیابی به این هدف، معمولاً از تکنیکی به نام تکرار (Replication) استفاده می‌شود. در این روش، داده‌ها در چندین گره کپی می‌شوند تا در صورت از کار افتادن یک گره، نسخه‌های جایگزین همچنان در دسترس باشند.

یک سیستم توزیع شده چگونه کار می کند؟

در سیستم‌های توزیع‌شده، ارتباط بین گره‌ها و نحوه تبادل داده‌ها نقش اساسی در عملکرد سیستم ایفا می‌کند. در این نوع سیستم‌ها، گره‌ها به طور مستقل و از طریق شبکه به یکدیگر متصل می‌شوند و برای انجام وظایف محاسباتی و ارائه خدمات به کاربران، باید اطلاعات را به صورت صحیح و هماهنگ با یکدیگر تبادل کنند. این تعاملات به‌طور کلی از طریق پروتکل‌های ارتباطی خاصی انجام می‌شود که هدف آن‌ها اطمینان از هم‌زمانی، سازگاری و عملکرد درست سیستم است.

۱. مدل ارتباطی: پیام‌رسانی (Message Passing)

در سیستم‌ های توزیع‌ شده، مدل اصلی برای ارتباط میان گره‌ها، پیام‌رسانی (Message Passing) است. هر گره قادر است پیام‌هایی را به سایر گره‌ها ارسال کرده و پیام‌هایی را از آن‌ها دریافت کند. این پیام‌ها می‌توانند شامل درخواست‌ها، داده‌ها یا پاسخ‌ها باشند. به عبارت دیگر، گره‌ها از طریق ارسال و دریافت پیام‌ها به یکدیگر اطلاع‌رسانی می‌کنند و به این وسیله همکاری می‌کنند. پروتکل‌های مختلفی برای پیام‌رسانی در سیستم‌های توزیع‌شده وجود دارند که اطمینان می‌دهند داده‌ها به درستی و با حداقل تأخیر منتقل شوند.

۲. پروتکل‌های ارتباطی

برای اطمینان از ارتباط صحیح و بدون خطا در سیستم‌های توزیع‌شده، از پروتکل‌های ارتباطی خاصی استفاده می‌شود. این پروتکل‌ها بسته به نیاز سیستم ممکن است ویژگی‌های مختلفی داشته باشند. برخی از این ویژگی‌ها شامل:

• امنیت: اطمینان از اینکه پیام‌ها در مسیر انتقال دچار دستکاری یا شنود نمی‌شوند.
• تحمل خطا: سیستم باید قادر باشد در صورتی که یک گره از کار بیافتد یا ارتباطات شبکه قطع شود، بدون تأثیر منفی به کار خود ادامه دهد.
• مقیاس‌پذیری: توانایی اضافه کردن گره‌های جدید به شبکه بدون ایجاد اختلال در عملکرد.

مثال‌هایی از این پروتکل‌ها عبارتند از:

• RPC (Remote Procedure Call): گره‌ها می‌توانند درخواست‌هایی را به گره‌های دیگر ارسال کنند که مشابه فراخوانی توابع محلی عمل می‌کند.
• RESTful API: استفاده از پروتکل HTTP برای ارسال درخواست‌های سیستم‌های توزیع‌شده، به‌ویژه در معماری‌های مبتنی بر وب.
• gRPC: پروتکل مبتنی بر RPC است که برای افزایش سرعت ارتباطات میان گره‌ها طراحی شده است.

۳. هماهنگی و هم‌زمانی

برای اینکه گره‌های سیستم توزیع‌ شده بتوانند به طور هماهنگ کار کنند، از مکانیزم‌های هم‌زمانی استفاده می‌شود. در این مکانیزم‌ها، هنگامی که چند گره به طور همزمان تلاش می‌کنند تا به داده‌های مشترک دسترسی پیدا کنند یا عملیات خاصی را انجام دهند، باید اطمینان حاصل شود که هیچ تداخلی در فرآیندها ایجاد نخواهد شد.
به عنوان مثال، از قفل‌ها (Locks) یا الگوریتم‌های اجماع برای جلوگیری از شرایط رقابتی و حفظ انسجام داده‌ها استفاده می‌شود. این الگوریتم‌ها به گره‌ها اجازه می‌دهند تا قبل از اعمال تغییرات در داده‌ها، با یکدیگر توافق کنند و نسخه‌های به‌روز شده داده‌ها را به اشتراک بگذارند.

۴. تحمل خطا و مدیریت مشکلات

یکی از چالش‌های بزرگ در سیستم‌ های توزیع‌ شده، تحمل خطا و اطمینان از کارکرد درست سیستم در صورت وقوع مشکلات است. سیستم‌های توزیع‌شده باید بتوانند به درستی به وظایف خود ادامه دهند حتی اگر برخی از گره‌ها یا ارتباطات از کار بیفتند. برای مدیریت این مشکل، داده‌ها معمولاً تکرار می‌شوند (Replication)؛ یعنی داده‌ها در چندین گره ذخیره می‌شوند تا در صورت خرابی یکی از گره‌ها، نسخه‌های پشتیبانی در دسترس باشد. این روش تضمین می‌کند که سیستم همچنان بدون وقفه به کار خود ادامه دهد.

همچنین، گره‌ها برای کاهش تأثیر خطاها از الگوریتم‌های تحمل خطا (Fault Tolerance) استفاده می‌کنند که به آن‌ها اجازه می‌دهند بدون از دست دادن داده‌ها یا خراب شدن خدمات، به کار خود ادامه دهند. این الگوریتم‌ها برای شناسایی و جبران مشکلات احتمالی در زمان وقوع خرابی‌ها به‌کار می‌روند.

۵. توزیع بار و مقیاس‌پذیری

در سیستم‌ های توزیع‌ شده، بار محاسباتی باید به طور موثر بین گره‌ها توزیع شود تا از عملکرد بهینه سیستم اطمینان حاصل شود. این توزیع بار ممکن است به صورت دینامیک باشد، به طوری که گره‌ها در مواقع لزوم بار بیشتری را به دوش بکشند. این مقیاس‌پذیری به سیستم این امکان را می‌دهد که با افزایش تعداد گره‌ها یا تغییر در حجم داده‌ها، کارکرد خود را بدون کاهش عملکرد حفظ کند.

در نهایت، با استفاده از این مکانیزم‌ها و پروتکل‌ها، سیستم‌های توزیع‌شده قادر به مدیریت هماهنگ و بهینه منابع و داده‌ها، حفظ سازگاری، اطمینان از امنیت و پایداری، و انجام پردازش‌های پیچیده در سطح وسیع هستند.

انواع سیستم های توزیع شده

سیستم‌ های توزیع‌ شده را می‌توان بر اساس معماری، نحوه ارتباطات، نوع هماهنگی و ویژگی‌های دیگر به انواع مختلف تقسیم‌بندی کرد. هر کدام از این انواع، مزایا و چالش‌های خاص خود را دارند و بسته به نیازهای مختلف، انتخاب می‌شوند. در اینجا به بررسی انواع سیستم‌های توزیع‌شده و ویژگی‌های اصلی آن‌ها پرداخته‌ایم:

۱. سیستم‌ های توزیع‌ شده همتا به همتا (Peer-to-Peer)

در این نوع سیستم‌ها، گره‌ها به‌طور همزمان هم نقش سرویس‌دهنده و هم سرویس‌گیرنده را ایفا می‌کنند. به عبارت دیگر، هیچ گره‌ای به‌طور خاص مسئول مدیریت یا کنترل سیستم نیست و تمامی گره‌ها به صورت مستقل و برابر با یکدیگر تعامل دارند.

• ویژگی‌ها:
  • گره‌ها به طور مساوی و بدون هیچ‌گونه سلسله‌مراتبی با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند.
  • این مدل برای اشتراک‌گذاری منابع مانند فایل‌ها، داده‌ها و قدرت پردازشی مناسب است.
  • عدم وابستگی به سرور مرکزی، که موجب می‌شود سیستم مقیاس‌پذیر و مقاوم به خرابی باشد.
• مثال‌ها:
  • شبکه‌های اشتراک‌گذاری فایل مانند بیت‌تورنت
  • فناوری بلاکچین، که مبتنی بر مدل همتا به همتا است.

۲. سیستم‌ های توزیع‌ شده کلاینت-سرور (Client-Server)

در این معماری، گره‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: گره‌های کلاینت که درخواست‌ها را ارسال می‌کنند و گره‌های سرور که خدمات و منابع را به کلاینت‌ها ارائه می‌دهند. سرورها معمولاً منابع یا داده‌های مرکزی را مدیریت می‌کنند و کلاینت‌ها برای دسترسی به این منابع به سرور‌ها متصل می‌شوند.

• ویژگی‌ها:
  • سیستم معمولاً به صورت سلسله‌مراتبی است، جایی که سرورها نقش حیاتی در ارائه خدمات دارند.
  • نیاز به مدیریت مرکزی برای توزیع و ذخیره‌سازی داده‌ها.
  • مقیاس‌پذیری محدود به تعداد سرورها و ظرفیت‌های موجود.
• مثال‌ها:
  • وب‌سایت‌ها و اپلیکیشن‌های آنلاین که در آن‌ها درخواست‌ها از سوی کلاینت‌ها به سرور ارسال می‌شود.
  • پایگاه‌های داده توزیع‌شده که سرورهای پایگاه داده مرکزی خدمات خود را به کلاینت‌ها ارائه می‌دهند.

۳. سیستم‌ های توزیع‌ شده با معماری سلسله‌مراتبی (Hierarchical)

در این سیستم‌ها، گره‌ها در یک ساختار سلسله‌مراتبی سازماندهی شده‌اند. معمولاً تعدادی سرور مرکزی وجود دارند که گره‌های فرعی یا کلاینت‌ها به آن‌ها متصل می‌شوند و از آن‌ها منابع یا خدمات می‌گیرند. این ساختار می‌تواند در مقیاس‌های بزرگ با تعداد زیادی گره‌ قابل استفاده باشد.

• ویژگی‌ها:
  • مقیاس‌پذیری بالا در صورت استفاده از تعداد زیادی سرور.
  • سلسله‌مراتب واضح برای مدیریت داده‌ها و منابع.
  • خرابی یک سرور مرکزی می‌تواند باعث ایجاد اختلال در عملکرد سایر گره‌ها شود.
• مثال‌ها:
  • سیستم‌های مدیریت توزیع شده در مقیاس بزرگ مانند شبکه‌های توزیع محتوای (CDN).
  • شبکه‌های مخابراتی که در آن‌ها ایستگاه‌های مرکزی مسئول توزیع داده‌ها هستند.

۴. سیستم‌ های توزیع‌ شده مبتنی بر انتشار (Publish-Subscribe)

این سیستم‌ها از مدل انتشار و اشتراک (Publish-Subscribe) استفاده می‌کنند که در آن گره‌ها می‌توانند به موضوعات خاص (Topics) “مشترک شوند” و اطلاعات منتشرشده در آن موضوعات را دریافت کنند. گره‌هایی که اطلاعات را منتشر می‌کنند به‌عنوان ناشر (Publisher) شناخته می‌شوند و گره‌هایی که به این اطلاعات علاقه دارند و آن‌ها را دریافت می‌کنند به‌عنوان مشترکین (Subscribers) شناخته می‌شوند.

• ویژگی‌ها:
  • مدل مناسب برای برنامه‌های اطلاع‌رسانی و داده‌های جاری.
  • کاهش بار بر روی گره‌ها به دلیل این‌که فقط گره‌های علاقه‌مند به موضوعات خاص به آن‌ها وصل می‌شوند.
  • معمولاً در محیط‌های پویا که داده‌ها به سرعت تغییر می‌کنند کاربرد دارند.
• مثال‌ها:
  • سیستم‌های پیام‌رسانی مانند Apache Kafka.
  • اطلاع‌رسانی‌های درون برنامه‌ای و سرویس‌های خبری.

۵. سیستم‌ های توزیع‌ شده مبتنی بر ذخیره‌سازی (Data-Centric Distributed Systems)

این سیستم‌ها عمدتاً بر اساس ذخیره‌سازی داده‌ها در گره‌های مختلف طراحی شده‌اند. هدف آن‌ها این است که داده‌ها را به طور مؤثر و توزیع‌شده نگهداری کرده و به گره‌های مختلف اجازه دهند تا به آن‌ها دسترسی پیدا کنند. در این مدل، معمولاً از مکانیزم‌هایی مانند تکرار (Replication) و تقسیم‌بندی داده‌ها (Sharding) برای افزایش کارایی و قابلیت دسترسی استفاده می‌شود.

• ویژگی‌ها:
  • تأکید بر ذخیره‌سازی و دسترسی به داده‌ها از چندین گره به‌طور هم‌زمان.
  • افزایش دسترس‌پذیری و قابلیت تحمل خطا با استفاده از تکرار داده‌ها.
  • پیچیدگی در حفظ سازگاری داده‌ها در شرایط مختلف.
• مثال‌ها:
  • پایگاه‌های داده توزیع‌شده مانند Cassandra و MongoDB.
  • ذخیره‌سازی ابری که داده‌ها در سرورهای مختلف توزیع می‌شوند.

۶. سیستم‌ های توزیع‌ شده با تحمل خطای بیزانسی (Byzantine Fault Tolerant Systems)

این سیستم‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند در برابر گره‌های مخرب یا معیوب که می‌توانند رفتار غیرقابل پیش‌بینی یا عمداً مخرب داشته باشند، تحمل خطا داشته باشند. در این سیستم‌ها، گره‌ها باید با استفاده از الگوریتم‌های اجماع پیچیده، به توافق برسند که به سیستم اجازه می‌دهد حتی در صورت وجود گره‌های بیزانسی، به درستی کار کند.

• ویژگی‌ها:
  • طراحی برای تحمل انواع خطاهای عمدی و غیرعمدی.
  • استفاده از الگوریتم‌های پیچیده مانند PBFT یا Practical Byzantine Fault Tolerance.
  • معمولاً در سیستم‌های حساس و امن مانند بلاکچین‌ها یا سیستم‌های نظامی کاربرد دارند.
• مثال‌ها:
  • بلاکچین‌های مبتنی بر Proof of Work (PoW) یا Proof of Stake (PoS).
  • پروتکل‌های اجماع مانند PBFT.

معماری سیستم های توزیع شده

معماری سیستم‌ های توزیع‌ شده به ساختار و نحوه تعامل گره‌ها (Nodes) در شبکه‌های توزیع‌شده اشاره دارد. این معماری‌ها برای تقسیم وظایف محاسباتی و ذخیره‌سازی داده‌ها بین گره‌های مختلف طراحی می‌شوند. انواع مختلفی از معماری‌ها وجود دارند که به نیازهای خاص سیستم‌های توزیع‌شده پاسخ می‌دهند. مهم‌ترین معماری‌ها عبارتند از:

1. Client-Server Architecture: در این مدل، سیستم به دو بخش تقسیم می‌شود؛ Clients که درخواست‌ها را ارسال می‌کنند و Servers که منابع و خدمات را فراهم می‌کنند.
2. Peer-to-Peer (P2P) Architecture: در این مدل، گره‌ها به‌طور مستقل از یکدیگر عمل کرده و هیچ سرور مرکزی وجود ندارد. همه گره‌ها می‌توانند هم‌زمان تولیدکننده و مصرف‌کننده داده باشند.
3. Hierarchical Architecture: گره‌ها در سطوح مختلف سازماندهی می‌شوند، به‌طوری که سرورهای بالاتر وظیفه مدیریت و هماهنگی گره‌های پایین‌تر را بر عهده دارند.
4. Publish-Subscribe Architecture: گره‌ها اطلاعات را منتشر کرده و دیگر گره‌ها به‌طور انتخابی به آن‌ها اشتراک می‌کنند، بدون اینکه ارتباط مستقیم داشته باشند.

این معماری‌ها برای مقیاس‌پذیری (Scalability)، تحمل خطا (Fault Tolerance)، و کارایی (Efficiency) طراحی شده‌اند.

سیستم‌ های توزیع‌ شده مجموعه‌ای از گره‌های مستقل هستند که از طریق پروتکل‌های ارتباطی به‌طور هماهنگ عمل می‌کنند تا وظایف محاسباتی و ذخیره‌سازی داده‌ها را انجام دهند. این سیستم‌ها با استفاده از الگوریتم‌های اجماع، نظیر Paxos و Raft، به مقیاس‌پذیری، تحمل خطا و هم‌زمانی دست می‌یابند.

قضیه CAP و چالش شبکه های توزیع شده

قضیه CAP (یا قضیه بروئر) بیان می‌کند که یک سیستم توزیع‌شده نمی‌تواند به طور همزمان سه ویژگی سازگاری (Consistency)، در دسترس بودن (Availability) و تحمل پارتیشن (Partition Tolerance) را فراهم کند. این ویژگی‌ها به شرح زیر تعریف می‌شوند:

1. سازگاری (Consistency): تضمین می‌کند که تمام گره‌ها همیشه نسخه یکسانی از داده‌ها را داشته باشند.
2. در دسترس بودن (Availability): سیستم همیشه در دسترس است و درخواست‌ها را حتی در صورت وقوع خطا یا خرابی دریافت و پاسخ می‌دهد.
3. تحمل پارتیشن (Partition Tolerance): سیستم در برابر خرابی‌ها یا قطع ارتباطات شبکه‌ای که موجب جدایی گره‌ها می‌شود، مقاوم است و به عملکرد خود ادامه می‌دهد.

قضیه CAP به این معناست که در صورت بروز پارتیشن شبکه، سیستم باید بین سازگاری و در دسترس بودن یکی را انتخاب کند. به عبارت دیگر، یک سیستم توزیع‌شده نمی‌تواند به طور همزمان تمام این ویژگی‌ها را تضمین کند، و باید اولویت‌های خود را بر اساس نیازهای کاربردی تنظیم کند.

این قضیه تاثیر زیادی بر طراحی سیستم‌های توزیع‌شده دارد. برای مثال، بلاک‌چین به‌طور عمده به تحمل پارتیشن و سازگاری تمرکز دارد و در عین حال ممکن است در برخی شرایط در دسترس بودن را فدای آن‌ها کند.

جمع‌بندی

سیستم‌ های توزیع‌ شده به عنوان بنیادی برای بسیاری از فناوری‌های مدرن از جمله بلاک‌چین، چالش‌های پیچیده‌ای در زمینه هماهنگی، تحمل خطا و مقیاس‌پذیری به همراه دارند. این سیستم‌ها با استفاده از پروتکل‌ها و الگوریتم‌های خاص، مانند اجماع و تکرار داده‌ها، تلاش می‌کنند تا عملکرد یکپارچه‌ای را در برابر خرابی‌ها و اختلالات ارائه دهند. مسئله CAP به‌طور واضح محدودیت‌های طراحی این سیستم‌ها را نشان می‌دهد و به توسعه‌دهندگان کمک می‌کند تا بر اساس نیازهای خاص، تصمیم‌های بهینه‌ای در خصوص سازگاری، در دسترس بودن و تحمل پارتیشن اتخاذ کنند. در نهایت، درک دقیق از این مفاهیم برای طراحی سیستم‌های توزیع‌شده مقاوم و کارآمد ضروری است.