عند تصميم الأنظمة الكبيرة التي تعالج عدد هائل من البيانات، وطلبات المستخدمين، لابد من اعتبار مفاهيم وتقنيات مثل التوزيع والتحمل الخاص بالأخطاء، وتساهم هذه الأساليب في رفع كفاءة النظام، وقدرته على العمل بانتظام، والاستجابة لأكبر عدد من طلبات المستخدمين، فدعونا نناقش هذان المصطلحان ونعرف ماهية كلا منهما.

تعريف التوزيع والتحمل الخاص بالأخطاء

التوزيع يشير إلى تصميم الأنظمة الموزعة (Distributed Systems)، والتي تعد مجموعة من الأنظمة المستقلة والمنفصلة بشكل مادي، ولكنها متصلة بشبكة مركزية مزودة ببرامج الأنظمة الموزعة، وتتواصل الأنظمة المستقلة مع الأنظمة الأخرى عن طريق مشاركة الموارد والملفات وتنفيذ المهام الموكلة إليها.

يشير التحمل الخاص بالأخطاء (Fault Tolerance) إلى قدرة النظام في الحفاظ على عمل وظائفه بشكل جيد في حالة وجود أعطال على مستوى الأجهزة أو البرمجيات، وتتطلب تنفيذ بعض التقنيات والأساليب، مثل: التكرار (Redundancy)، واكتشاف الأخطاء (Error Detection)، واستعادة الأخطاء (Error Recovery) للتأكد أن النظام يمكنه الاستمرار في العمل، والتسامح مع وجود أخطاء وقلة في الأداء بدلا من فشل النظام بأكمله.

أنواع الأنظمة الموزعة

• أنظمة العميل والخادم (Client-Server Systems): قد ذكرنا مسبقا أن هذا النوع من الأنظمة لديه مميزات في التوزيع والتحمل الخاص بالأخطاء، ويعتبر هذا النوع تقليدي وسهل نوعا ما، ويتضمن شبكة من أجهزة الحاسوب (Clients) المتصلة بشبكة ما، وتتفاعل هذه الأجهزة مع الخادم المركزي (Server)، الذي يقوم بتخزين البيانات، ومعالجتها، والقيام ببعض الوظائف الأخرى.
• شبكات النظير بالنظير (Peer to Peer Networks): تعتبر من أنواع الأنظمة الموزعة، وتتضمن توزيع الأحمال بين مئات وآلاف أجهزة الحاسوب، وجميعها تعمل بنفس البرنامج.
• شبكات المحمول (Cell Phone Networks): تعد من أنواع الأنظمة الموزعة المتقدمة، عبر توزيع الأحمال بين عدة هواتف.

أهمية التوزيع في تصميم الأنظمة

• تحسين المصداقية (Improved Reliability): تساهم الأنظمة الموزعة في تحسين عملية التوزيع والتحمل الخاص بالأخطاء، كما تمنع أي فرصة لحدوث فشل في النظام بأكمله، ومن خلال الأنظمة الموزعة يمكن تحقيق توفر للنظام بشكل مستمر، وتحمل الأخطاء عن طريق توزيع المهام بين النقاط المختلفة، والاهتمام بالأمان والخصوصية.
• قابلية التوسع (Scalability): بكل سهولة تقوم الأنظمة الموزعة بالتوسع الأفقي عن طريق إضافة عدة نقاط أو خوادم أخرى، للتعامل مع الأحمال المتزايدة وزيادة عدد المستخدمين، وتمكن النظام من الأداء بشكل جيد حتى في وجود زيادة في الطلبات.
• الانتفاع بالموارد (Resource Utilization): يمكنك استغلال الموارد بشكل أفضل عند استخدام الأنظمة الموزعة، وتحسين تخصيص الموارد بشكل ديناميكي، عن طريق استخدام الموارد عند الحاجة فقط، مما يساعد في تقليل تكلفة التشغيل.
• المرونة (Flexibility): يتكون إطار عمل التوزيع والتحمل الخاص بالأخطاء من هياكل مرنة قائمة على مفهوم الوحدات، وهذا يجعل مراحل التطوير والصيانة أسهل وأكثر مرونة من أي وقت، كما تساعد المرونة في التأقلم مع العوامل الخارجية مثل تغير السوق، وتغير متطلبات العميل.
• تحسين الأداء (Improved Performance): من خلال استخدام النقاط (Nodes) في الأنظمة الموزعة، يمكن معالجة الطلبات بشكل متوازي، وبالتالي توفير أداء أكبر للنظام، وتنفيذ خدمات المستخدمين بشكل أسرع، وهذا يساعد في انتشار النظام في السوق، والوصول إلى أكبر عدد من الجمهور.
• تطابق البيانات (Data Consistency): التوزيع وتحمل الأخطاء تهدفان إلى الحفاظ على التزامن بين النقاط وبعضها، والتأكد من عدم وجود تعارض أو تكرار في النقاط، وهذا يتم عن طريق تطبيق بعض الآليات في التصميم، مثل: التزامن (Synchronization)، والنسخ المتماثل (Replication).
• دعم الحوسبة السحابية (Support for Cloud Computing): منصات الحوسبة السحابية، مثل Google Cloud and AWS عبارة عن أنظمة موزعة، وبالتالي توفر الموارد، وسعات التخزين، والخدمات التي يمكن الوصول إليها عن طريق الإنترنت عند الطلب، مما يسمح للشركات بتأسيس البنية التحتية الخاصة بها من خوادم وأجهزة على الإنترنت.

حالات استخدام الأنظمة الموزعة

• باستخدام أطر عمل، مثل: Apache Hadoop and Spark، يمكن تحقيق مبادئ الحوسبة الموزعة، وتقوم أطر العمل هذه بمعالجة البيانات بشكل متوازي وفي الوقت نفسه، وبالتالي يمكن تحليل البيانات الضخمة بكل سهولة.
• من أمثلة أنظمة الموزعة: شبكات تسليم المحتوى (Content Delivery Networks)، وصممت خصيصا لتسليم محتوى الويب للمستخدمين عبر الإنترنت بشكل أسرع وأكثر دقة، وتساهم في استخدام أنماط التوزيع والتحمل الخاص بالأخطاء بشكل مميز.

تطبيقات التحمل الخاص الأخطاء

• أنظمة تخزين البيانات (Data Storage Systems): استخدام مصطلح (Redundant Array of Independent Disks) والذي يساعد في توزيع البيانات بين عدة أقراص أو سعات تخزين مع التكرار، للسماح للنظام باستكمال العمليات والخدمات بشكل صحيح، حتى في حالة فشل أحد الأقراص.
• الشبكات (Networks): يمكن استخدام التوزيع والتحمل الخاص بالأخطاء في عدة أوجه في الشبكات، ومنها موازنات الأحمال (Load Balancers)، حيث يتم توزيع أحمال الشبكة بين عدة خوادم لتفادي فشل أحد الخوادم، كما تستخدم في معدات الشبكة الزائدة (Redundant Networking Equipment)، والتي تتضمن وجود عدة أجهزة توجيه (Routers)، وأجهزة انتقال (Switches)، ومسارات الشبكة، وكل هذه الأجهزة تساعد في تحسين الاتصال في حالة فشل أحد الأجهزة أو المسارات.
• الخوادم وأنظمة الحوسبة (Servers and Computing Systems): استخدام مفهوم التجمع (Clustering)، والذي يقوم على تطبيق صريح لأنظمة التوزيع والتحمل الخاص بالأخطاء عن طريق إنشاء مجموعات من الخوادم التي تتبادل الأدوار في حالة فشل إحداها، كما يستخدم مفهوم الافتراضية (Virtualization) عن طريق تشغيل عدة أجهزة افتراضية على أحد الخوادم لسهولة ترحيل الأعمال من خادم إلى آخر.
• أنظمة الطاقة (Power Systems): وتتضمن مولدات الطاقة الكهربية، وتقوم بتوفير الطاقة الاحتياطية من خلال أنظمة مولدات الطاقة الغير منقطعة (UPS) للتأكد أن النظام لديه وقت كافي يسمح بالإغلاق في حالة إنقطاع الكهرباء.

• تطبيقات البرمجيات (Software Applications): في أنظمة قواعد البيانات توجد عدة تقنيات في التوزيع والتحمل الخاص بالأخطاء مثل التراجع عن المعاملة (Transaction Rollback) في حالة وجود خطأ يضر بتطابق البيانات، كما تعد هيكلية الأنظمة المصغرة (Microservices Architecture) مثال واقعي حيث يتم تقسيم البرنامج إلى خدمات مصغرة تسمح بالتحمل الخاص بالأخطاء.
• الحوسبة السحابية (Cloud Computing): هيكلية التوزيع السحابي (Distributed Cloud Architecture) تقوم على توزيع البرامج بين عدة مناطق أو عدة خدمات، وتعمل هذه الخاصية في تحسين التحمل الخاص بالأخطاء، عن طريق تقليل تأثير الأخطاء الموجود في منطقة معينة على باقي البرنامج، وتساهم هذه الخاصية في تحسين التوزيع والتحمل الخاص بالأخطاء عن طريق جمع العمليتين معا.
• الاتصالات (Telecommunication): تساهم روابط الاتصالات الزائدة في التأكد من توصيلية الأجهزة، وتساهم في رفع الحرج في حالة فشل أحد الروابط وسهولة الانتقال إلى أحد الروابط الأخرى.

تساهم تطبيقات التوزيع والتحمل الخاص بالأخطاء في تفادي الوقوع في المشكلات بسبب الأخطاء والمشاكل التي تحدث باستمرار في عالم البرمجيات، ولابد من اعتبار هذه المفاهيم والقوانين عن تصميم الأنظمة الكبيرة للمساهمة في توفير أنظمة يعتمد عليها، وتقدم خدمات ذات جودة عالية.

لابد من التوعية بضرورة الأنظمة الموزعة، وتدريسها لطلبة الجامعات بشكل صحيح، حيث يساعد ذلك في وجود جيل يساهم في بناء أنظمة بناء على مبدائ ومفاهيم صحيحة ومرنة، ويمكن الاعتماد على هذه الأنظمة بشكل مستمر، والتأكيد على ضرورة التحمل الخاص بالأخطاء.