الحوسبة الموزعة: المبادئ والقواعد والأنظمة

     الحوسبة الموزعة:

المبادئ والقواعد والأنظمة

    المقدمة

1 التعريف


النظام الموزع هو مجموعة من الكيانات المستقلة التي تتعاون لحل مشكلة

لا يمكن حلها بشكل فردي. الأنظمة الموزعة موجودة منذ بداية

كون. من مدرسة الأسماك إلى قطيع من الطيور والأنظمة الإيكولوجية بأكملها من الكائنات الحية الدقيقة ، هناك

هو الاتصال بين وكلاء ذكي المحمول في الطبيعة. مع انتشار واسع الانتشار

من الإنترنت والقرية العالمية الناشئة ، ومفهوم نظم الحوسبة الموزعة باعتبارها

أداة مفيدة ومنتشرة على نطاق واسع أصبحت حقيقة واقعة. لأنظمة الحوسبة ، نظام موزع

وقد تميزت في واحدة من عدة طرق.

• أنت تعلم أنك تستخدم واحدًا عندما يمنع تحطم جهاز كمبيوتر لم تسمع به من قبل

أنت من العمل. (امبورت)

• مجموعة من أجهزة الكمبيوتر التي لا تتشارك في الذاكرة المشتركة أو على مدار الساعة الفعلية الشائعة ،

وتتواصل عبر الرسائل التي تمر عبر شبكة اتصالات ؛ وكل جهاز كمبيوتر

لديه ذاكرته الخاصة ويدير نظام التشغيل الخاص به. عادة ما تكون أجهزة الكمبيوتر

شبه مستقلة ويتم اقترانها بشكل فضفاض أثناء تعاونهم لمعالجة المشكلة بشكل جماعي.

(سينغال-شيفاراتري [10])

• مجموعة من أجهزة الكمبيوتر المستقلة التي تظهر لمستخدمي النظام كواحد

كمبيوتر متماسك. (Tanenbaum [11])

• المصطلح الذي يصف مجموعة واسعة من أجهزة الكمبيوتر ، من الأنظمة الضعيفة مثل

ﺷﺒﻜﺎت واﺳﻌﺔ اﻟﻨﻄﺎق إﻟﻰ أﻧﻈﻤﺔ ﻣﺮﺗﺒﻄﺔ ﺑﻘﻮة ﻣﺜﻞ ﺷﺒﻜﺎت اﻟﻤﻨﺎﻃﻖ اﻟﻤﺤﻠﻴﺔ إﻟﻰ ﺷﺒﻜﺎت ﻗﻮﻳﺔ

أنظمة مثل أنظمة متعددة المعالجات. (غوسكينسكي [6])

يمكن وصف النظام الموزع بأنه مجموعة من المعالجات المستقلة في الغالب

التواصل عبر شبكة اتصالات والحصول على الميزات التالية.

• لا يوجد ساعة مادية مشتركة. هذا افتراض هام لأنه يقدم العنصر

من 'التوزيع' في النظام ويؤدي إلى asynchrony الكامنة بين

معالجات.

الشكل 1.1: نظام موزع يربط المعالجات بشبكة اتصالات.

• لا توجد ذاكرة مشتركة. هذه ميزة رئيسية تتطلب تمرير الرسائل المطلوبة للتواصل.

تشير هذه الميزة إلى غياب الساعة الفعلية الشائعة.

تجدر الإشارة إلى أن النظام الموزع قد يظل يوفر تجريدًا لعنوان مشترك

الفضاء عن طريق تجريد الذاكرة المشتركة الموزعة. عدة جوانب من الذاكرة المشتركة

كما تم دراسة الأنظمة متعددة المعالجات في الأدبيات الحاسوبية الموزعة.

• الفصل الجغرافي. على نطاق أوسع جغرافيا على حدة أن المعالجات ، وأكثر من ذلك

الممثل هو نظام النظام الموزع. ومع ذلك ، ليس من الضروري للمعالجات

ليكون على شبكة واسعة النطاق (WAN). في الآونة الأخيرة ، الشبكة / الكتلة من محطات العمل

(الآن / COW) تكوين المعالجات التي تربط بين الشبكات المحلية على نحو متزايد

كنظام صغير موزع. أصبح تكوين هذا الآن شائعًا لأن

من المعالجات الجاهزة عالية السرعة منخفضة التكلفة المتاحة الآن. محرك بحث Google

يعتمد على بنية الآن.

• الاستقلالية وعدم التجانس. إن المعالجات 'متقاربة إلى حد ما' من حيث أنها مختلفة

سرعات ويمكن لكل تشغيل نظام تشغيل مختلف. انهم عادة لا يشكلون جزءا من

نظام مخصص ، ولكن التعاون مع بعضها البعض من خلال تقديم الخدمات أو حل مشكلة

معا

 2 العلاقة بمكونات نظام الكمبيوتر

يتم عرض نظام توزيع نموذجي في الشكل 1.1. كل جهاز كمبيوتر يحتوي على وحدة معالجة الذاكرة

وتكون أجهزة الكمبيوتر متصلة بشبكة اتصال. يوضح الشكل 1.2 العلاقات

من مكونات البرنامج التي تعمل على كل من أجهزة الكمبيوتر واستخدام التشغيل المحلي

نظام وبروتوكول شبكة كومة لعملها. البرنامج الموزع يسمى أيضا

الوسيطة. التنفيذ الموزع هو تنفيذ العمليات عبر النظام الموزع

تعاونيا تحقيق هدف مشترك. ويطلق على التنفيذ أحيانًا اسم حساب أوالمدى.

يستخدم النظام الموزع بنية متعددة لتقليل تعقيد النظام

التصميم. الوسيطة هي البرامج الموزعة التي تقود النظام الموزع ، في حين أن الموالية

شفافية عدم التجانس على مستوى المنصة. يوضح الشكل 1.2 التخطيطي

تفاعل هذا البرنامج مع مكونات النظام هذه في كل معالج. هنا نفترض ذلك

لا تحتوي الطبقة المتوسطة على وظائف طبقة التطبيقات التقليدية للشبكة

مكدس البروتوكول ، مثل http ، والبريد ، وبروتوكول نقل الملفات ، والتلنت. مختلف الأوليات والمكالمات إلى وظائف محددة

في مكتبات مختلفة من طبقة الوسيطة مضمنة في رمز برنامج المستخدم. هناك

العديد من المكتبات للاختيار من بينها لاستدعاء الأوليات للحصول على وظائف أكثر شيوعا - مثل موثوق بها

وأمرًا بتعدد الإرسال ، من الطبقة الوسيطة. هناك العديد من المعايير مثل Object

المجموعة الإدارية (OMG) العمارة طلب كائن عام (CORBA) ، و

آلية استدعاء الإجراء عن بعد (RPC). آلية RPC تعمل مفهومة مثل المحلية

استدعاء الإجراء ، مع وجود اختلاف بين رمز الإجراء على جهاز بعيد ، و

يرسل برنامج RPC رسالة عبر الشبكة لاستدعاء الإجراء البعيد. بعد ذلك

ينتظر الرد ، وبعد ذلك اكتمال استدعاء الإجراء من وجهة نظر البرنامج الذي

استدعى ذلك. الإصدارات التجارية المنتشرة حاليًا من البرامج الوسيطة غالبًا ما تستخدم CORBA، DCOM

(طراز كائن مكون الموزع) ، Java ، و RMI (استدعاء الأسلوب البعيد).

واجهة Message-Passing (MPI) المطورة في مجتمع البحث هي مثال على

واجهة لوظائف الاتصال المختلفة.

                              

الدافع


الدافع لاستخدام نظام موزع هو بعض أو كل المتطلبات التالية.
الدافع لاستخدام نظام موزع هو بعض أو كل المتطلبات التالية.

1. حسابات موزعة بطبيعتها. في العديد من التطبيقات مثل تحويل الأموال في الخدمات المصرفية ،

أو الوصول إلى توافق في الآراء بين الأطراف البعيدة جغرافياً ، فإن الحساب هو

توزيعها بطبيعتها.

2. تقاسم الموارد. الموارد مثل الأجهزة الطرفية ، مجموعات البيانات الكاملة في قواعد البيانات ، خاصة

المكتبات ، وكذلك البيانات (متغير / ملفات) لا يمكن نسخها بالكامل في جميع المواقع ل

غالباً ما تكون غير عملية ولا فعالة من حيث التكلفة. علاوة على ذلك ، لا يمكن وضعها في واحدة

الموقع لأن الوصول إلى هذا الموقع قد يثبت أنه عنق زجاجة. لذلك ، هذه الموارد
عادة ما يتم توزيعها عبر النظام. على سبيل المثال ، قواعد البيانات الموزعة مثل DB2

تقسيم مجموعات البيانات عبر عدة خوادم ، بالإضافة إلى تكرارها في بعض المواقع لـ

الوصول السريع وكذلك الموثوقية.

3. الوصول إلى البيانات والموارد عن بعد جغرافيا. 

في العديد من السيناريوهات ، لا يمكن أن تكون البيانات

تم نسخها في كل موقع يشارك في التنفيذ الموزع لأنه قد يكون كبيرًا جدًا

أو حساسة جدا لتكرارها. على سبيل المثال ، بيانات الرواتب داخل شركة متعددة الجنسيات

كبير جدًا وحساس جدًا بحيث لا يمكن تكراره في كل مكتب / موقع فرعي. ومن ثم

تخزينها في الخادم المركزي الذي يمكن الاستعلام عنه من قبل المكاتب الفرعية. وبالمثل ، الموارد الخاصة

مثل أجهزة الكمبيوتر العملاقة موجودة فقط في مواقع معينة ، وللوصول إلى أجهزة الكمبيوتر العملاقة هذه ،

يحتاج المستخدمون لتسجيل الدخول عن بعد.

التقدم في تصميم الأجهزة المحمولة محدودة الموارد وكذلك في التكنولوجيا اللاسلكية

باستخدام التي تنقل هذه الأجهزة أعطت دفعة إضافية للأهمية

البروتوكولات الموزعة والبرامج الوسيطة.

4. موثوقية معززة. يمتلك النظام الموزع الإمكانية الكامنة لتوفير زيادة

موثوقية بسبب إمكانية تكرار الموارد وعمليات الإعدام ، فضلا عن إمكانية

حقيقة أن الموارد الموزعة جغرافيا ليس من المرجح أن تحطم / عطل في

نفس الوقت في ظل الظروف العادية. الموثوقية ينطوي على عدة جوانب.

• التوفر ، أي أن المورد يجب أن يكون متاحًا في جميع الأوقات.

• النزاهة ، أي أن قيمة / حالة المورد ينبغي أن تكون صحيحة ، في مواجهة المتزامنة

الوصول من معالجات متعددة ، حسب الدلالات المتوقعة من قبل التطبيق.

• التسامح مع الخطأ ، أي القدرة على التعافي من فشل النظام ، حيث تكون حالات الإخفاق هذه

قد يتم تعريفها في واحدة من نماذج الفشل العديدة ، والتي سنقوم بدراستها في الفصل14.

5. زيادة نسبة الأداء / التكلفة. عن طريق تقاسم الموارد والوصول إلى المناطق النائية جغرافيا

البيانات والموارد ، يتم زيادة نسبة الأداء / التكلفة. على الرغم من ارتفاع الإنتاجية

لم يكن بالضرورة الهدف الرئيسي وراء استخدام نظام موزع ، ومع ذلك ،

يمكن تقسيم المهمة عبر أجهزة الكمبيوتر المختلفة في النظام الموزع. مثل هذا

يوفر التكوين نسبة أداء / تكلفة أفضل من استخدام أجهزة متوازية خاصة.

هذا صحيح بشكل خاص من التكوين الآن.

بالإضافة إلى تلبية المتطلبات المذكورة أعلاه ، يوفر النظام الموزع المزايا التالية.

6. قابلية التوسع. نظرًا لأن المعالجات عادة ما تكون متصلة بشبكة واسعة النطاق ، فبإضافة المزيد منها

لا تشكل المعالجات عنق زجاجة مباشر لشبكة الاتصالات.

7. نمطية والتوسع المتزايد. يمكن بسهولة إضافة معالجات غير متجانسة

في النظام دون التأثير على الأداء ، طالما يتم تشغيل هذه المعالجات

نفس خوارزميات الوسيطة. وبالمثل ، يمكن استبدال المعالجات الحالية بسهولة

معالجات أخرى

.4 العلاقة مع أنظمة المعالجات المتعددة / المتوازية

تم تحديد خصائص النظام الموزع أعلاه. نظام توزيع نموذجي

سوف تبدو كما هو موضح في الشكل 1.1. ومع ذلك ، كيف يصنف المرء نظامًا يفي ببعضه البعض

ليس كل من الخصائص؟ هل النظام لا يزال نظاما موزعا ، أم أنه أصبح متوازيا

نظام متعدد المعالجات؟ للإجابة بشكل أفضل على هذه الأسئلة ، نقوم أولاً بفحص بنية متوازية

الأنظمة ، ومن ثم فحص بعض taxonomies معروفة لأجهزة الكمبيوتر متعددة المعالجات / متعددة

الأنظمة.



1.4.1 خصائص النظم الموازية

يمكن تصنيف النظام الموازي على نطاق واسع على أنه ينتمي إلى واحد من ثلاثة أنواع.

1. نظام متعدد المعالجات هو نظام مواز يكون فيه المعالجات المتعددة مباشرة

الوصول إلى الذاكرة المشتركة التي تشكل مساحة عنوان مشتركة. تظهر العمارة

في الشكل 1.3 (أ). هذه المعالجات عادة لا تملك ساعة مشتركة.

يتوافق نظام متعدد المعالجات عادةً مع بنية الوصول إلى ذاكرة موحدة (UMA)

في وقت الوصول ، أي وقت الانتظار ، لاستكمال الوصول إلى أي ذاكرة

الموقع من أي معالج هو نفسه. المعالجات في القرب المادي قريبة جدا

وعادة ما تكون مقترنة بإحكام جدا (الأجهزة والبرمجيات المتجانسة) ، متصلة

من خلال شبكة الربط البيني. تقليديا الاتصالات عبر المعالجات هو تقليديا

من خلال عمليات القراءة والكتابة على الذاكرة المشتركة ، على الرغم من استخدام messagepassing

الأوليات مثل تلك التي تقدمها MPI ، هو ممكن أيضا (باستخدام مضاهاة على

الذاكرة المشتركة). جميع المعالجات عادة ما تدير نفس نظام التشغيل ، وكلاهما

هي تقترن بإحكام جدا من الأجهزة والبرمجيات.

تكون المعالجات عادة من نفس النوع ، ويتم وضعها داخل نفس الصندوق / الحاوية

مع ذاكرة مشتركة فيما بينها. شبكة الربط للوصول إلى الذاكرة


تكون حافلة ، على الرغم من الكفاءة الأكبر ، فإنها عادة ما تكون متعددة المراحل بمتناظرة

وتصميم منتظم.

يوضح الشكل 1.4 شبكتي توصيل بيني شائعتين - شبكة Omega و Butterfly

شبكة ، كل منها عبارة عن شبكة متعددة المراحل تتكون من عناصر تبديل 2x2.

يسمح كل مفتاح 2x2 بتبديل البيانات في أي من سلكي الإدخال إلى الأعلى أو

انخفاض انتاج الأسلاك. ومع ذلك ، في خطوة واحدة ، يمكن إرسال وحدة بيانات واحدة فقط على المخرجات

الأسلاك. لذا ، إذا كان يتم توجيه البيانات من كبلات الإدخال إلى سلك إخراج في خطوة واحدة ،

هناك ركام. تقنيات مختلفة مثل التخزين المؤقت أو اتصال أكثر تفصيلاً

التصاميم يمكن التصدي للتصادم.

يتم تمثيل كل مفتاح 2x2 كمستطيل في الشكل. علاوة على ذلك ، ن مدخلات و noutput

تستخدم الشبكة مراحل n log وتسجيل n bits للعنونة. التوجيه في التبديل 2X2 في

المرحلة k تستخدم فقط بتة kth ، وبالتالي يمكن القيام به في سرعة الساعة في الأجهزة. متعدد المراحل

يمكن إنشاء الشبكات بشكل متكرر ، ونمط الربط بين أي

يمكن التعبير عن مرحلتين باستخدام دالة تكرارية أو تكرارية. بالإضافة إلى

شبكات أوميغا وفراشه (بانيان) ، وأمثلة أخرى للترابط متعدد المراحل

الشبكات هي بينيس وشبكات تبادل خلط الأوراق. كل واحد من هذه مثيرة للاهتمام للغاية

الخصائص الرياضية التي تسمح الربط الغنية بين بنك المعالج و

بنك الذاكرة.

وظيفة اتصال أوميغا. شبكة أوميغا التي تربط n المعالجات بـ

ن وحدات الذاكرة لديها ن

2

· عناصر تبديل log2 n حجم 2x2 مرتبة في مراحل log2 n.

بين كل زوج من المراحل المتاخمة لشبكة أوميغا ، يوجد رابط بين الناتج i

من المرحلة والمدخلات ي إلى المرحلة التالية وفقا لنمط خلط عشوائي مثالي

وهي عملية دوران اليسار على التمثيل الثنائي لـ i للحصول على j. التكرارية

وظيفة الجيل هو على النحو التالي.


النظر في أي مرحلة من مفاتيح التبديل. بشكل غير رسمي ، خطوط الإدخال العليا (السفلى) لكل مفتاح

تأتي بترتيب تسلسلي من النصف العلوي (السفلي) من المفاتيح في المرحلة السابقة.

فيما يتعلق بشبكة أوميغا في الشكل 1.4 (أ) ، ن = 8. وبالتالي ، لأي مرحلة ، ل

الناتج i ، حيث 0 ≤ i ≤ 3 ، يتم توصيل الإخراج i بالمدخل 2i للمرحلة التالية. إلى عن على

4 ≤ i ≤ 7 ، يتم توصيل الناتج i في أي مرحلة بمنفذ 2i + 1 - n للمرحلة التالية.

وظيفة أوميغا التوجيه. تأخذ وظيفة التوجيه من خط الإدخال i إلى خط الإنتاج j بعين الاعتبار

فقط j وعدد المرحلة s ، حيث s ∈ [0، log2n - 1]. في تبديل المرحلة s ، إذا كانت s + 1

MSB من j هو 0 ، يتم توجيه البيانات إلى سلك الإخراج العلوي ، وإلا يتم توجيهها إلى الأسفل

سلك الإخراج.

وظيفة ربط الفراشة. على عكس شبكة أوميغا ، جيل من الترابط

نمط بين زوج من المراحل المجاورة لا يعتمد فقط على ن ولكن أيضا

رقم المرحلة ق. التعبير العودي هو كما يلي. يجب ألا يكون هناك مفاتيح M = n / 2

في كل مرحلة ، ودلّ على التبديل بواسطة hx tuple ، si ، حيث x ∈ [0 ، M - 1] ومرحلة

s ∈ [0، log2n - 1].