Distributed Computation And Systems

‫مقدمة‬ ‫سأحاول فى هذه الكتابة توضيح تأثير أمكانية توصيل الحواسيب اللية ببعضها البعض و قدرتها على‬ ‫أستبدال المعلومات فيما بينها )شبكات الحاسب اللى( على طريقة التفكير فى تصميم البرامج و أمكانية‬ ‫تنفيذ البرامج التى كان من الصعب الحصول على قدرة معالجة تستطيع تنفيذها‪.‬‬ ‫مع بداية الثمانينات بدأ التقدم فى أتجاهين بالنسبة للحاسب ‪ ,‬و هما تصنيع المعالجات الميكرو و التى‬ ‫أستطاعت التطور فى فترة زمنية قصيرة نسبيا ً أستنادا ً الى قانون موور ‪ ,‬و ذلك أدى الى تطور سريع لم‬ ‫تشهده أى صناعة أخرى حيث أستطعنا التطوير فى الصناعة حتى وصلنا الى تصنيع الجهزة التى كانت‬ ‫تكلف مليين الدولرات سابقا ً و لكنها الن فى حدود ‪ 1000‬دولر‪ ,‬بينما التطوير الخر كان فى أتجاه حعل‬ ‫هذه الجهزة قادرة على التصال ببعضها فتم تطوير ال ‪ LAN‬لتسمح بالتصال ما بين مئات الحواسيب و‬ ‫بسرعات كبيرة جدًا‪.‬‬ ‫ساعدت الشبكات على أنتشار نوع من البرامج أو التطبيقات المعروفة بـ ‪ Distributed Computing‬و‬ ‫ال ‪.Distributed Systems‬‬

‫‪Distributed Computing‬‬ ‫الفكرة الساسية هنا تنطبق على جميع المجتمعات و الكائنات الحية كما تنطبق على الحواسب ‪ ,‬فكل‬ ‫مجتمع و فريق يتكاتف لحل مشاكل ل يستطيع الفرد حلها بمفرده‪ ,‬فيقوم المنظم بتحليل المشكلة و‬ ‫تقسيمها الى مشاكل أصغر و بذلك يسهل توزيعها على الفراد كمهمة‪ ,‬كل ً حسب مقدرته و بذلك أستفدنا‬ ‫بجميع القدرات المتاحة لحل المشكلة فى أقصر وقت ممكن‪ ,‬أقصر مما يمكن لفرد واحد مهما كانت‬ ‫قدرته على حل المشكلة‪.‬‬ ‫هذه هى نفس الفكرة فى النظم و البرامج التى تقوم بتوزيع المهام التى تقوم بها على عدة أجهزة لتقوم‬ ‫بتنفيذها حسب الجزء المطلوب من كل منها‪.‬‬ ‫‪:Distributed Algorithm‬‬ ‫النوع الول هو البرنامج الذى يعمل على جهاز واحد و لكن يوجد به أكثر من معالج يتشاركون نفس‬ ‫الذاكرة و هذا النوع يعرف أكثر بال ‪.Parallel Algorithms‬‬ ‫النوع الثانى‪:‬‬ ‫هو مجموعة من العمليات الغير متزامنة ) غير متتابعة( و التى تتصل ببعضها عن طريق تبادل الرسائل فيما‬ ‫بينها عبر وسائل التصال سواء كانت سلكية أو لسلكية‪ ,‬و يتم أفتراض أن كل ً من هذه العمليات تعمل‬ ‫بمفردها على معالج منفصل عن الذى تعمل عليه المعالجات الخرى و أيضا ً لها الذاكرة المنفصلة عن‬ ‫الباقيين و بذلك فأن وسيلة التصال الوحيدة هى هذه الرسائل عبر الشبكة المشتركة‪ ,‬هذه الطريقة‬

‫‪2‬‬

‫‪Computer Networks Design and‬‬ ‫‪Programming report‬‬

‫مشابهة لطريقة أتصال العمليات داخل الجهاز الواحد عن طريق ال ‪IPC (Inter-process‬‬ ‫‪.(Communication‬‬ ‫الن نفترض وجود قناة أتصال بين عمليتان "أ" و "ب" ‪ ,‬و أرسلت "أ" رسالة الى "ب" فهناك تأخر زمنى ل‬ ‫يمكن أستنتاجه أو تحديده مسبقا ً و أيضا ً ليس هناك ضمان بأن "ب" قد قامت بإستلم هذه الرسالة سواء‬ ‫كان ذلك لعيب فى الشبكة أو لن "ب" ليس موجودا ً فى الصل و لذلك فى هذه النظمة تكون العمليات‬ ‫غير متزامنة فل تنتظر "أ" "ب" للنتهاء من العملية و الرد عليها و لكن تباشر "أ" القيام بمهام أخرى‬ ‫كتوزيع أوامر لعمليات أخرى غير "ب" أو حتى أذا لم يوجد المزيد من المهام فانها أيضا ً ل تنتظر "ب" و‬ ‫لكن تقفل قناة التصال و تنتظر فقد تريد عمليات أخر التصال بها‪.‬‬ ‫هذا الساس فى تنفيذ البرنامج يعد تقييد له عند تصمييمه ‪ ,‬فتصمييم ألجوريثم عادى لعملية يختلف فى‬ ‫تكوينه عن تصميم نفس اللجوريثم ليعمل على نظام موزع كهذا و قد يصل المر الى تغيير فكرة العمل‬ ‫الصلية للستفادة من كثرة الموارد المتاحة فى الشبكة و التى لم يكن من الممكن تطبيقه عندما كان‬ ‫اللجوريثم يعمل على جهاز واحد و ربما معالج واحد‪.‬‬ ‫نقطة فاصلة فى هنا وهى أنه ليس أي برنامج يتم تطبيقه كألجوريثم موزع يجب أن يكون أسرع من‬ ‫البرنامج الذى يعمل على على معالج واحد‪ ,‬فكما زكرنا أنه يوجد عوامل قد تؤدي الى تباطأ العمليات‬ ‫بشكل غير محسوب اذا كانت الشبكة بها عيوب أو البعد المكانى للجهزة التى تنفذ العمليات‪ ,‬و لهذا ال‬ ‫‪ Distributed Computing‬أكثر حيوية فى نطاق العمليات التى تعمل على مجموعة بيانات قد تصل الى‬ ‫العديد من الجيجابايت فى الثانية و هذا قد يبدو مستحيل أن يتحمله جهاز واحد‪.‬‬

‫و لذلك نتعرف على‬

‫‪Grid Computing‬‬ ‫و هو صياغة لل ‪ Distributed Computing‬و خصائصه‪:‬‬ ‫•مجموعة من الجهزة المنفصلة ك ‪ hardware‬مرتبطة ببعضها بشبكة كبيرة‪.‬‬ ‫•يعمل على تنفيذ مهام كبيرة و معقدة تستخدم فى حسابات علمية أو رياضية ‪.‬‬ ‫•قد يكون حجمها صغير فى نطاق شركة أو كبيرة على نطاق العديد من الشركات و الشبكات‬ ‫المتصلة ببعضها‪.‬‬ ‫•المميز لهذا النوع هو أنه ل يوجد شروط على الجهزة المشتركة سواء بعدها و تناثرها و عدم‬ ‫تشابه امكانيات هذه الجهزة من حيث ال ‪ hardware‬أو ال ‪ , software‬و بذلك يختلف عن ال‬ ‫‪ Cluster Computing‬و الذى يتطلب تواجد الجهزة قريبة من بعضها و متصلة بشبكة ‪LAN‬‬ ‫سريعة‪.‬‬ ‫•يتطلب ال ‪ Grid‬الكثير من الدوات ‪ ,‬البرامج و الدارة‪.‬‬ ‫من أشهر التطبيقات لهاذا النوع هو ما تقدمه مؤسسات البحث علمى من امكانية تسمح للمتطوعين بأن‬ ‫يتم أستخدام أجهزتهم للمشاركة فى ال ‪ Grid‬التى تقوم بتحليل البيانات العلمية التى تعمل المؤسسة‬ ‫عليها فيقوم المتطوع بتنصيب البرنامج الخاص و الذى يحتوى على العملية التى تقوم بتحليل بيانات التى‬ ‫يأخذها من خادم على النترنت و بعد تحليلها يرجع الناتج الى الخادم و هنا يمكن أن يستغرق جهاز المتطوع‬ ‫الكثير من الوقت قد يصل الى أيام لكى يرجع الناتج‪ ,‬و بهذا يتم تكوين ‪ ,Grid‬شبكة أتصالها هى النترنت و‬ ‫قد يصل الجهزة المشتركة فيها الى مليين المتطوعين ‪.‬‬

‫‪3‬‬

‫‪Computer Networks Design and‬‬ ‫‪Programming report‬‬

‫مثال ‪ Bionic :‬و هو اختصار ‪Berkeley Open Infrastructure for Network Computing‬‬

‫و هو منصة برمجية تساعد الباحثين و المؤسسات العلمبة على توزيع كم هائل من البيانات المراد تحليلها‬ ‫على الحواسب الشخصية للمتطوعين للبرنامج حول العالم‪ ,‬و بذلك تكون ‪ Super Computer‬بدون تكلفة‬ ‫تذكر و يوجد للبرنامج أكثر من نصف مليون متطوع نشط و يقومون بعمليات تصل الى ‪ 2peta‬عملية فى‬ ‫الثانية و ال ‪ Peta‬هى ‪ 1015‬لتتفوق على أسرع حاسب فى العالم و هو ‪.IBM Roadrunner‬‬ ‫من المؤسسات التى تستفيد من هذه الخدمة ‪ SETI@HOME :‬ل بل أن ‪ BIONIC‬صمم لهذه الخدمة‬ ‫فقط فى البداية ثم بدأ يساعد المؤسسات الخرى بعدها‪ ,‬و ‪ SETI‬تهدف الى تحليل الشارات التى تلتقط‬ ‫من الفضاء الخارجى للتعرف على وجود كائنات حية فضائية‪.‬‬ ‫اختصار ‪Search for Extra-Terrestrial Intelligence :‬‬ ‫‪http://setiathome.berkeley.edu/‬‬

‫‪Distributed Systems‬‬ ‫هو مفهوم مصاحب لل ‪ Distributed Computing‬و المقصود هو تصميم شبكة من الجهزة و ربطها مع‬ ‫بعض بأستخدام نظام برمجى يجعل مستخدم هذا النظام يعتقد انه يعمل على حاسب واحد و ليس عدة‬ ‫حواسب مرتبطة‪ ,‬و هذا هو أهم ما يميز هذه النظمة و هو إبعاد المستخدم عن التصميم الداخلى و تعقيد‬ ‫التعامل مع أكثر من حاسب و كيفية التصال بينهم و توزيع المهام ‪...‬‬ ‫أهداف ‪ /‬خواص النظمة الموزعة‪:‬‬

‫‪4‬‬

‫‪Computer Networks Design and‬‬ ‫‪Programming report‬‬ ‫•الهذف الساسى هو توفير و تسهيل وصول المستخدمين و التطبيقات الى الموارد البعيدة و التى‬ ‫قد تكون على جهاز أخر فى شبكة ما بطريقة فعالة و سهلة بدون تعقيد‪ .‬هذه الموارد قد تكون أى‬ ‫شئ ‪ :‬وسيط تخزين ‪ ,‬معالج ‪ ,‬طابعة ‪...‬‬ ‫•يجب على النظام إخفاء عن المستخدم حقيقة أن المهام و الموارد التى يقوم بها و يستخدمها‬ ‫موزعة فعليا ً على أكثر من جهاز‪ ,‬و هذا يتضمن ‪:‬‬ ‫‪‬إخفاء المكان الحقيقي للمورد ‪.‬‬ ‫‪‬عدم تأثر المستخدم بنقل المورد من مكان لخر‪.‬‬ ‫‪‬إخفاء إذا ما كان المورد يتم استخدامه من قبل مستخدمين أخرين أم ل‪.‬‬ ‫‪‬إخفاء ما يمكن أن يحدث إذا حدث خلل فى مورد ما )مثل فقدان بعض البيانات( و‬ ‫كذلك العمل على معالجة المشكلة بدون معرفة المستخدم‪.‬‬ ‫‪‬إذا كانت الجهزة المشاركة مختلفة فى تكوينها ‪ ,‬فمثل ً قد يعمل بعضها بنظام‬ ‫تشغيل ويندوز و الخر بنظام لينكس ‪ ,‬فيجب أيضا ً "إخفاء" هذه الفروق و خاصة‬ ‫فى طريقة تخزين البيانات و عند الحصول عليها‪.‬‬ ‫•تقديم صيغ معيارية و قواعد للتعامل مع هذا النظام‪ ,‬و التى يستعملها المستخدمين له لكى يقوموا‬ ‫بتنفيذ تطبيقاتهم‪.‬‬ ‫•‪ :Scalability‬و هى من أهم التحديات التى تواجه مبرمجين و مصممى النظم‪ ,‬و هى القدرة على‬ ‫جعل النظام قابل لتحمل المزيد من المستخدمين و إضافة المزيد من الجهزة المكونة و زيادة‬ ‫البعد بين أمكان المستخدمين عن الموارد و كل ذلك مع عدم تغييرات أساسية فى النظام المبدئى‬ ‫و عدم تغيير كيفية تعامل المستخدميين معه )مثل القوانين و الصيغ فى نقطة ‪ (3‬و سهولة إدارة‬ ‫النظام مع كبره‪.‬‬

‫المصطلح ‪ Virtualization‬يستخدم للدللة على تجميع موارد و إخفاء حقيقة وجود الكثير منها و يجعل‬ ‫المستخدم يعتقد أنه يتعامل مع مورد واحد‪ ,‬مثل ‪Storage virtualization ,Network virtualization ,‬‬ ‫‪ ,Virtual private network‬و ‪.Database virtualization‬‬

‫‪Cloud Computing‬‬ ‫و هو ‪ Architecture‬تعتمد على ال ‪ Distributed Systems‬حيث تقدم الموارد و الخدمات التى توجد‬ ‫داخل النظام الى المستخدمين فى مقابل نظير مادى‪ ,‬فكل مورد تستطيع أن تدفع فى مقابله‪ ,‬تستطيع أن‬ ‫تدفع مقابل مساحة تخزينية محددة تناسب تطبيقك و أيضا ً تريد ‪ Bandwidth‬محدد و خدمات و برامج‬ ‫معينة فيمكنك أن تطلب خادم قواعد بيانات ‪ Oracle‬و ‪ SQL‬و كل هذا مقابل ما ستدفعه لكل خدمة من‬ ‫هذه‪.‬‬

‫و عندها تبدأ بوضع برنامجك ‪ /‬تطبيقك على ال "‪ "Cloud‬حيث هناك تنطبق جميع خصائص ال‬ ‫‪ Distributed System‬فيضمن لك عدم فقدان بياناتك و عدم وجود ‪ Downtime‬لخادم و ذلك لنه ل‬ ‫ً‬ ‫يوجد خادم محدد من الساس مما يجعل برنامجك موثوق فيه و أدائه‪ .‬و بجانب كل هذا يمكنك مستقبل و‬ ‫فى أى وقت زيادة هذه الخادمات بدون أى مشاكل‪ ,‬مثل زيادة ال ‪ Bandwidth‬الخاص بك أذا وجدت أنه‬ ‫لم يعد كافى لمتطلباتك الحالية‪.‬‬

‫‪5‬‬

‫‪Computer Networks Design and‬‬ ‫‪Programming report‬‬

‫أنت الن على السحابة و ل يقلقك ما يوجد بداخلها و ما هو تركيبها أو كيف تعمل أو أين سيتم تخزين‬ ‫بياناتك و هل هى بأمان ؟ و هل يعمل الخادم الخاص بالبرنامج ؟ هل عدد المستخدمين كثير و ل يستطيع‬ ‫الخادم تحمل المتطلبات ؟‪ ,‬كل ما يهمك هو وصول الخدمات التى تدفع مقابلها من أجل أن يعمل برنامجك‬ ‫بعد أن تضعه على الكلود‪.‬‬ ‫من المزودين لهذه الخدمة ‪:‬‬

‫‪Google App engine‬‬

‫‪Amazon Elastic Compute Cloud‬‬