💬 Что такое распределенные системы и как они работают?

Что такое распределенные системы и как они работают?

Что такое распределенная система?

Распределенная система — это набор независимых компьютеров, которые представляются пользователю как единая целостная система. 

Для достижения общей цели компьютеры в распределенной системе взаимодействуют друг с другом. Компьютеры распределенной системы могут быть размещены в одном физическом месте или рассредоточены по нескольким регионам. Основное преимущество распределенной системы заключается в том, что она может превзойти по производительности, надежности и доступности одиночную компьютерную систему.

Он включает в себя совместное использование ресурсов и вычислительной мощности между несколькими рабочими станциями посредством распределенных вычислений и баз данных. Ключевыми компонентами распределенных систем являются несколько узлов, коммуникационные сети и распределенное промежуточное программное обеспечение, которое управляет связью между узлами.

Узлы — это независимые вычислительные объекты, которые взаимодействуют друг с другом. Коммуникационная сеть действует как среда для обмена информацией между узлами. Распределенное промежуточное ПО в распределенных системах относится к программному уровню между распределенными приложениями и базовой сетевой инфраструктурой, предоставляя такие услуги, как связь, координация и управление ресурсами, для обеспечения эффективных и надежных распределенных вычислений.

Распределяя рабочую нагрузку и данные по нескольким узлам, архитектура распределенных систем создается для достижения отказоустойчивости (возможности продолжать работу при наличии отказов узлов или сетевых проблем), масштабируемости и высокой доступности.

Как работают распределенные системы?

Для работы распределенных систем задача должна быть разделена на более мелкие подзадачи и распределена по нескольким узлам или компьютерам в сети. Затем эти узлы или компьютеры обмениваются данными и взаимодействуют друг с другом для выполнения задачи.

Следующие четыре шага дают краткий обзор того, как работают распределенные системы:

Распределенная система состоит из множества частей или узлов, разбросанных по разным реальным или виртуальным местам. Эти части могут связываться друг с другом по сети для достижения одной цели.

Компоненты распределенной системы могут взаимодействовать друг с другом с помощью различных протоколов и инструментов, включая TCP/IP, HTTP или очереди сообщений. Эти протоколы позволяют узлам взаимодействовать, отправляя и получая сообщения или данные.

Чтобы части распределенной системы хорошо функционировали вместе, они должны координировать свои действия. Для достижения такой координации можно использовать несколько механизмов, таких как распределенные алгоритмы, протоколы консенсуса или распределенные транзакции.

Распределенная система должна создаваться с учетом отказоустойчивости. Это означает, что он должен быть в состоянии обрабатывать отказы определенных частей или узлов без снижения производительности или доступности всей системы. Распределенные системы используют стратегии резервирования, репликации или разделения для достижения отказоустойчивости.

Онлайн-поисковая система является примером распределенной системы, поскольку она состоит из множества узлов, выполняющих различные функции, включая сканирование веб-сайтов, индексацию контента и обработку запросов пользователей. Эти узлы сотрудничают, чтобы предоставить пользователям быстрые и эффективные результаты поиска.

Блокчейн — децентрализованная книга, которая надежно и прозрачно записывает транзакции — также является примером распределенной системы. Он распределен, поскольку реестр хранится на нескольких узлах в сети, причем каждый узел содержит копию всего реестра, что обеспечивает большую прозрачность, безопасность и устойчивость к сбоям или атакам.

Каковы ключевые особенности распределенных систем?

Распределенные системы используются во многих приложениях, включая платформы социальных сетей, облачные вычисления и онлайн-торговлю. Отличительные характеристики распределенных систем выделяют их среди других компьютерных систем.

Одним из таких атрибутов распределенных систем, позволяющих одновременно выполнять несколько процессов или потоков, является параллелизм. Хотя эта функция делает систему более эффективной, она также может привести к таким проблемам, как взаимоблокировки.

Взаимоблокировка — это ситуация, которая может возникнуть в распределенных системах, когда два или более процессов заблокированы и не могут продолжить работу, поскольку каждый из них ожидает освобождения ресурса другим. В распределенных системах могут возникать взаимоблокировки из-за присущей сложности координации нескольких процессов, которые выполняются одновременно на нескольких узлах.

Другой ключевой характеристикой распределенных систем является масштабируемость. Чтобы справляться с растущими рабочими нагрузками и обслуживать большее количество пользователей, они должны иметь возможность горизонтального масштабирования путем добавления дополнительных узлов. Отказоустойчивость также важна для распределенных систем. Они должны выдерживать сбои отдельных узлов или компонентов, не влияя на общую производительность системы. Еще одной особенностью распределенных систем является неоднородность, когда узлы могут иметь различное оборудование, программное обеспечение и сетевые конфигурации. Разнообразие может затруднить сотрудничество и общение.

Прозрачность — еще одна ключевая особенность распределенных систем. Они должны предлагать потребителям прозрачный доступ к сетевым ресурсам и службам, не давая им знать о сложной работе базовой системы. Распределенные системы также должны отдавать приоритет безопасности. Чтобы защититься от несанкционированного доступа, утечки данных и других киберрисков, они должны быть созданы с учетом требований безопасности.

Еще одно качество, которое должны поддерживать распределенные системы, — согласованность. Перед лицом одновременных обновлений и сбоев они должны сохранять согласованность данных на многих узлах. Производительность имеет решающее значение для распределенных систем. Они должны иметь возможность работать на приемлемом уровне, несмотря на увеличение затрат на передачу и другие сложности, связанные с распространением.

Какие существуют типы распределенных систем?

Существует множество типов и конструкций распределенных систем, каждая из которых создана для решения конкретных задач и устранения трудностей. Требования приложения, масштабируемость, отказоустойчивость, безопасность и другие факторы играют роль в выборе архитектуры.

Одним из типов распределенных систем является архитектура клиент-сервер. В этом подходе сервер получает запросы от клиента, обрабатывает их и затем отвечает. Веб-приложения часто используют этот дизайн, в котором веб-браузер выступает в качестве клиента, а сервер размещает веб-страницу.

Одноранговая (P2P) архитектура — это еще один тип распределенной системы. Все узлы или одноранговые узлы в этой архитектуре равны и могут служить как клиентами, так и серверами. Каждый одноранговый узел может запрашивать и предлагать ресурсы другим одноранговым узлам. Приложения для обмена файлами, такие как BitTorrent, используют эту архитектуру.

Связанный: Что такое BitTorrent (BTTC): руководство для начинающих

Система распределенной базы данных является третьей категорией распределенной системы. В этой архитектуре база данных распределяется между несколькими компьютерами или узлами, и все они работают вместе для хранения и администрирования данных. Крупномасштабные приложения, которым требуется высокая доступность и масштабируемость, включая платформы социальных сетей и веб-сайты электронной коммерции, часто используют этот дизайн.

Распределенная вычислительная система — это еще одна распределенная система, в которой несколько компьютеров совместно решают сложные вычислительные задачи. В научных исследованиях эта архитектура часто используется, когда для анализа больших наборов данных или моделирования сложных процессов используется множество компьютеров.

Гибридные распределенные системы, объединяющие множество архитектур или концепций, также являются распределенными системами. Например, распределенная система может использовать дизайн P2P для обмена файлами и архитектуру клиент-сервер для веб-запросов.

Каковы преимущества и недостатки распределенных систем?

Распределенные системы предлагают множество преимуществ, включая масштабируемость, отказоустойчивость и повышенную производительность. Однако у них также есть недостатки, в том числе проблемы с координацией, сложность и требования к специальным навыкам.

Распределенные системы имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными централизованными системами. Одним из существенных преимуществ является масштабируемость. Для управления растущими рабочими нагрузками и обслуживания большего числа пользователей в распределенные системы можно просто добавить дополнительные узлы. Благодаря своей масштабируемости распределенные системы могут поддерживать большой объем трафика и высокую доступность без ущерба для производительности. 

Отказоустойчивость — еще одно преимущество распределенных систем. Система может продолжать работать даже в случае отказа одного узла, поскольку другие узлы могут взять на себя его задачи. В результате распределенные системы менее уязвимы к аппаратным или программным сбоям, чем централизованные. Позволяя разделить вычисления между несколькими узлами, распределенные системы также могут повысить пропускную способность и сократить время обработки.

Однако у распределенных систем есть несколько недостатков. Например, может быть сложно координировать обмен данными и гарантировать, что все узлы единообразно понимают систему, поскольку распределенные системы состоят из нескольких узлов, которые могут быть разбросаны географически. Это может привести к проблемам с параллелизмом и согласованностью. 

Сложность — еще один недостаток распределенных систем. Из-за присущей им сложности распределенные системы иногда труднее обслуживать, и в них больше недостатков безопасности, чем в системах с централизованным управлением. Проектирование и обслуживание распределенных систем также могут потребовать специальных знаний и умений, что может повысить стоимость и сложность.

Каково будущее распределенных систем?

Будущее распределенных систем выглядит многообещающе, поскольку технологии продолжают развиваться. Кластерные вычисления и грид-вычисления — это две новые технологии, которые, вероятно, сыграют важную роль в будущем распределенных систем.

Кластерные вычисления предполагают использование нескольких взаимосвязанных компьютеров для совместной работы как единой системы. В дополнение к повышенной вычислительной мощности и отказоустойчивости технология также обладает лучшей масштабируемостью. Кластерные вычисления становятся все более доступными, и ожидается, что они будут чаще использоваться в высокопроизводительных вычислительных приложениях, поскольку стоимость оборудования продолжает падать.

Кластерные вычисления можно использовать для обработки больших данных. Поскольку объем генерируемых данных растет экспоненциально, кластерные вычисления можно использовать для более эффективной обработки и анализа этих данных.

Точно так же, поскольку такие области, как искусственный интеллект и машинное обучение, требуют больших вычислительных мощностей для обучения моделей и обработки данных, кластерные вычисления можно использовать для ускорения этих процессов и повышения точности.

Грид-вычисления используют географически распределенные ресурсы для совместной работы как единой системы. С помощью этой технологии предприятия могут объединять ресурсы и совместно работать над сложными проектами, которые было бы сложно или невозможно выполнить с помощью обычных компьютерных технологий. 

Например, в случае стихийного бедствия грид-вычисления могут быстро мобилизовать ресурсы со всего мира для оказания помощи в ликвидации последствий. Чтобы увеличить свои шансы на получение вознаграждения, майнеры биткойнов могут использовать грид-вычисления для подключения своих вычислительных ресурсов к ресурсам других майнеров по всему миру.

В отличие от отдельных майнеров, работающих в одиночку, это обеспечивает распределенную сеть вычислительной мощности, которая может сотрудничать для более быстрого и эффективного решения математических задач. Прогнозируется, что грид-вычисления станут более важными для научных исследований, обработки данных и других крупномасштабных компьютерных приложений по мере развития облачных вычислений.