سیستم توزیعشده (Distributed System) مجموعهای از چندین کامپیوتر مستقل است که برای کاربران مانند یک سیستم واحد و یکپارچه عمل میکنند. این کامپیوترها یا «نودها» از طریق شبکه با یکدیگر ارتباط برقرار کرده، فعالیتهای خود را هماهنگ میکنند و با اشتراکگذاری منابع، داده و وظایف، به یک هدف مشترک دست مییابند.
تفاوت سیستم متمرکز و سیستم توزیعشده
در سیستمهای متمرکز، تمام دادهها و توان پردازشی در یک نقطه واحد، معمولاً یک سرور مرکزی نگهداری و مدیریت میشود و کاربران برای دسترسی به خدمات باید به همین نقطه متصل شوند. این ساختار ساده و قابل مدیریت است، اما در صورت افزایش تعداد کاربران یا بروز خرابی در سرور اصلی، سیستم با گلوگاه یا اختلال کامل مواجه میشود.
در مقابل، در سیستمهای توزیعشده دادهها و منابع روی چندین سرور یا نقطه مختلف در یک یا چند موقعیت جغرافیایی تقسیم میشوند. این معماری قابلیت مقیاسپذیری و پایداری بسیار بیشتری فراهم میکند زیرا حتی در صورت از کار افتادن یک بخش، کل سیستم همچنان قادر به ادامه فعالیت است. البته پیچیدگی مدیریت و تأمین امنیت در سیستمهای توزیعشده به دلیل تعدد نقاط ارتباطی بیشتر است.
معماریهای رایج در سیستمهای توزیعشده
۱. معماری کلاینت–سرور (Client-Server)
در این مدل، سرورها خدمات یا منابع ارائه میکنند و کلاینتها درخواست دریافت آنها را میفرستند. ارتباط میان دو طرف از طریق شبکه صورت میگیرد.
نمونه: وبسایتها؛ مرورگر کاربران (کلاینت) از وبسرور درخواست صفحه ارسال میکند.
۲. معماری همتا به همتا (P2P)
در این ساختار هر نود هم نقش سرور و هم نقش کلاینت را دارد و منابع بهصورت مستقیم بین کاربران به اشتراک گذاشته میشود.
نمونه: شبکههای اشتراک فایل مانند BitTorrent.
۳. معماری سهلایه (Three-Tier)
این مدل از سه لایه تشکیل شده است:
- رابط کاربر (Presentation)
- منطق کسبوکار (Application)
- دادهها (Database)
این تفکیک، توسعه و مدیریت سیستم را آسانتر و مقیاسپذیرتر میکند.
نمونه: بسیاری از وباپلیکیشنهای مدرن.
۴. معماری میکروسرویسها (Microservices)
در این معماری اپلیکیشن به سرویسهای کوچک و مستقل تقسیم میشود که هر کدام وظیفه مشخصی دارند و از طریق API یا پیامرسانی با هم در ارتباطاند.
نمونه: سرویسهای مختلف در نتفلیکس یا آمازون (حساب کاربری، سفارشها، پیشنهادها و…).
۵. معماری سرویسگرا (SOA)
مشابه میکروسرویسهاست، اما معمولاً از یک «اتوبوس سرویس سازمانی» (ESB) برای مدیریت ارتباط بین سرویسها استفاده میکند.
نمونه: سیستمهای سازمانی بزرگ در حوزه مالی یا دولتی.
۶. معماری رویدادمحور (Event-Driven)
در این مدل، اجزای سیستم از طریق ارسال و دریافت رویداد با یکدیگر تعامل دارند. رخدادها باعث فعالشدن فرآیندها یا عملکردهای مختلف در سیستم میشوند.
نمونه: سامانههای بلادرنگ مثل سیستمهای IoT که حسگرها رویداد تولید میکنند.
سیستمهای توزیعشده در دنیای امروز
امروزه رایجترین شکل سیستمهای توزیعشده مبتنی بر اینترنت و رایانش ابری است؛ جایی که بار پردازشی بین دهها سرور مجازی در فضای ابری توزیع میشود. این سرورها بسته به نیاز ایجاد شده و پس از انجام وظیفه از بین میروند.
نمونهای از یک سیستم توزیعشده
شبکههای اجتماعی نمونهای آشنا از سیستمهای توزیعشده هستند. اگرچه یک دفتر مرکزی یا «هسته متمرکز» دارند، اما زیرساخت آنها شامل تعداد زیادی سرور مستقل در نقاط مختلف جهان است که خدماتی مانند بارگذاری محتوا، احراز هویت، پردازش ویدیو و… را بهصورت توزیعشده ارائه میکنند.
- نرمافزار سیستم توزیعشده: مسئول هماهنگی فعالیتها و اشتراک منابع بین نودها
- پایگاه داده توزیعشده: ذخیره و مدیریت دادههای پردازششده توسط هر نود
همانطور که مشاهده میشود، هر «سیستم مستقل» یا Autonomous System یک اپلیکیشن مشترک را اجرا میکند که میتواند دادههای مخصوص به خود را داشته باشد و این دادهها از طریق یک پایگاه داده مرکزی با سایر بخشها به اشتراک گذاشته میشود.
برای انتقال داده میان سیستم مرکزی و سیستمهای مستقل، وجود میانافزار (Middleware) ضروری است؛ همچنین سیستم مرکزی باید به شبکه متصل باشد.
میانافزار نقش یک واسط را ایفا میکند و قابلیتهایی را فراهم میکند که ممکن است بهصورت پیشفرض در سیستمهای محلی یا حتی در سیستم مرکزی وجود نداشته باشد. ارتباط و مدیریت داده بین اجزای مختلف سیستم توزیعشده عمدتاً از طریق همین سرویسهای میانافزار انجام میشود.
دادهها هنگام انتقال در پایگاه داده به بخشها یا ماژولهای کوچکتر تقسیم شده و برای پردازش به سیستمهای مستقل ارسال میشوند. پس از پردازش، دوباره از طریق شبکه به سیستم مرکزی بازگردانده شده و در پایگاه داده ثبت میشوند.
ویژگیهای سیستم توزیعشده
- اشتراکگذاری منابع: توانایی استفاده از هر نوع سختافزار، نرمافزار یا داده در هر نقطه از سیستم.
- بازبودن (Openness): میزان امکان توسعه، گسترش و بهاشتراکگذاری سرویسها و نرمافزار با دیگر سیستمها.
- همروندی (Concurrency): چندین کاربر در نقاط مختلف میتوانند همزمان یک کار را انجام دهند و هر سیستم محلی دارای منابع و سیستمعامل مستقل است.
- مقیاسپذیری: افزایش ظرفیت سیستم با اضافهکردن پردازندهها یا نودهای بیشتر که باعث افزایش پاسخدهی میشود.
- تحملپذیری خطا (Fault Tolerance): در صورت بروز مشکل سختافزاری یا نرمافزاری، سیستم همچنان به فعالیت ادامه میدهد و عملکرد آن مختل نمیشود.
- شفافیت (Transparency): پیچیدگیهای سیستم توزیعشده از دید کاربر و برنامههای کاربردی پنهان میماند تا تجربهای ساده و قابل اتکا ایجاد شود.
مزایای سیستم توزیعشده
- مقیاسپذیری بالا: با اضافهکردن نودهای جدید، سیستم میتواند بدون تغییرات عمده، کاربران بیشتری را پشتیبانی کند.
- قابلیت اطمینان و تحمل خطا: خرابی یک جزء باعث توقف کل سیستم نمیشود و دیگر بخشها وظایف آن را بر عهده میگیرند.
- بهبود عملکرد: تقسیم بار پردازشی میان چند نود، سرعت انجام عملیات را افزایش میدهد.
- اشتراکگذاری منابع: داده، قدرت پردازشی و فضای ذخیرهسازی میان نودها به اشتراک گذاشته شده و هزینهها کاهش مییابد.
- پوشش جغرافیایی: امکان استقرار نودها در نقاط مختلف جهان باعث ارائه خدمات سریعتر و محلیتر به کاربران میشود.
معایب سیستم توزیعشده
- نبود برخی از ابزارها یا نرمافزارهای جامع برای مدیریت کامل سیستمهای توزیعشده.
- چالشهای امنیتی بهدلیل توزیعشدگی داده و دسترسیهای متعدد.
- احتمال اشباعشدن شبکه؛ هرگونه اختلال یا تأخیر در شبکه مستقیماً بر دسترسی کاربران تأثیر میگذارد.
- پیچیدگی بالای مدیریت پایگاه داده در مقایسه با سیستمهای تککاربره یا متمرکز.
- خطر ترافیک بیش از حد در شبکه اگر تعداد زیادی نود همزمان داده ارسال کنند.
کاربردهای سیستمهای توزیعشده
- مالی و تجارت الکترونیک: آمازون، eBay، بانکداری آنلاین، فروشگاههای اینترنتی
- اطلاعات و خدمات دیجیتال: موتورهای جستجو، ویکیپدیا، شبکههای اجتماعی، رایانش ابری
- فناوریهای ابری: AWS، Salesforce، مایکروسافت Azure، SAP
- سرگرمی: بازیهای آنلاین، سرویسهای موسیقی، یوتیوب
- سلامت: پرونده الکترونیک بیماران، سیستمهای سلامت دیجیتال
- حملونقل و لجستیک: GPS، سرویسهایی مانند Google Maps
آیا سیستمهای توزیعشده و میکروسرویسها یکساناند؟
این دو مفهوم با یکدیگر مرتبطاند، اما کاملاً یکسان نیستند.
سیستم توزیعشده:
- مجموعهای از کامپیوترهای مستقل که مانند یک سیستم واحد عمل میکنند.
- اجزای سیستم با ارسال پیام میان خود ارتباط و هماهنگی ایجاد میکنند.
- معماریهای مختلفی مانند کلاینت–سرور، P2P و… را شامل میشود.
میکروسرویسها:
- یک سبک معماری که اپلیکیشن را به سرویسهای کوچک، مستقل و چابک تقسیم میکند.
- هر سرویس میتواند بهطور جداگانه توسعه، استقرار و مقیاسدهی شود.
- ارتباط میان سرویسها معمولاً از طریق پروتکلهای سبک مانند HTTP یا پیامصفها انجام میشود.
بنابراین:
میکروسرویسها زیرمجموعهای از معماریهای سیستمهای توزیعشده محسوب میشوند، اما تمرکز آنها بر طراحی نرمافزار و ساختاردهی سرویسهاست، درحالیکه سیستمهای توزیعشده مفاهیم گستردهتری مانند تحمل خطا، همروندی و الگوهای ارتباطی را نیز شامل میشوند.
جمعبندی
سیستمهای توزیعشده بهدلیل قابلیت دسترسپذیری بالا، مقیاسپذیری مناسب و تحمل خطا، به بخش جدانشدنی فناوری امروز تبدیل شدهاند. با این حال، پیچیدگیهای مدیریتی و امنیتی نیز دارند که باید در طراحی و پیادهسازی مدنظر قرار گیرد.
درک درست از ویژگیها، فرصتها و چالشهای این سیستمها به توسعهدهندگان کمک میکند تا راهکارهایی پایدار، مقیاسپذیر و کارآمد برای نیازهای کاربران طراحی کنند.
