Cos'è un sistema distribuito?
Un sistema distribuito è un insieme di computer indipendenti che appaiono all'utente come un unico sistema coerente.
Per raggiungere un obiettivo comune, i computer di un sistema distribuito comunicano tra loro. I computer di un sistema distribuito possono trovarsi in un unico luogo fisico o dispersi in più regioni. Il vantaggio principale di un sistema distribuito è che può superare un singolo sistema informatico in termini di prestazioni, affidabilità e disponibilità.
Implica la condivisione di risorse e potenza di elaborazione tra varie postazioni di lavoro attraverso elaborazione distribuita e database. I componenti chiave dei sistemi distribuiti sono nodi multipli, reti di comunicazione e middleware distribuito che controlla la comunicazione tra i nodi.
I nodi sono entità informatiche indipendenti che comunicano tra loro. Una rete di comunicazione funge da mezzo per lo scambio di informazioni tra i nodi. Nei sistemi distribuiti, il middleware distribuito si riferisce allo strato software tra le applicazioni distribuite e l'infrastruttura di rete sottostante e fornisce servizi come comunicazione, coordinamento e gestione delle risorse per garantire un'elaborazione distribuita efficiente e affidabile.
Distribuendo il carico di lavoro e i dati su più nodi, i sistemi distribuiti sono progettati per ottenere tolleranza ai guasti (la capacità di continuare a funzionare in presenza di guasti dei nodi o problemi di rete), scalabilità e alta disponibilità.
Come funzionano i sistemi distribuiti?
Affinché i sistemi distribuiti funzionino, un'attività deve essere suddivisa in sottoattività più piccole e distribuita su più nodi o computer in una rete. Questi nodi o computer comunicano quindi e cooperano per completare l'attività.
I quattro passaggi seguenti forniscono una breve panoramica del funzionamento dei sistemi distribuiti:
Componenti decentralizzati
Un sistema distribuito è costituito da molte parti o nodi distribuiti in vari spazi reali o virtuali. Queste parti possono comunicare tra loro su una rete per raggiungere un unico obiettivo.
Comunicazione
I componenti di un sistema distribuito possono comunicare tra loro utilizzando una varietà di protocolli e strumenti, come TCP/IP, HTTP o code di messaggi. Questi protocolli consentono ai nodi di comunicare inviando e ricevendo messaggi o dati.
Coordinazione
Affinché le parti di un sistema distribuito funzionino bene insieme, devono coordinare le loro azioni. Per ottenere questo coordinamento è possibile utilizzare vari meccanismi come algoritmi distribuiti, protocolli di consenso o transazioni distribuite.
Tolleranza ai guasti
Un sistema distribuito dovrebbe essere costruito tenendo presente la tolleranza agli errori. Ciò significa che deve essere in grado di gestire i guasti di parti o nodi specifici senza compromettere le prestazioni o la disponibilità dell'intero sistema. I sistemi distribuiti utilizzano strategie di ridondanza, replica o partizionamento per ottenere tolleranza agli errori.
Un motore di ricerca online è un esempio di sistema distribuito poiché è costituito da più nodi che eseguono varie funzioni come la scansione di siti Web, l'indicizzazione dei contenuti e l'elaborazione delle richieste degli utenti. Questi nodi collaborano per fornire risultati di ricerca rapidi ed efficienti agli utenti.
Anche la blockchain, un registro decentralizzato che registra le transazioni in modo sicuro e trasparente, è un esempio di sistema distribuito. Viene distribuito perché il registro è archiviato su più nodi della rete e ciascun nodo mantiene una copia dell'intero registro, garantendo maggiore trasparenza, sicurezza e resilienza a guasti o attacchi.
Quali sono le caratteristiche principali dei sistemi distribuiti?
I sistemi distribuiti sono utilizzati in molte applicazioni, tra cui piattaforme di social networking, cloud computing e vendita al dettaglio online. Le caratteristiche distintive dei sistemi distribuiti li rendono diversi dagli altri sistemi informatici.
Una di queste caratteristiche dei sistemi distribuiti che consente l'esecuzione simultanea di un gran numero di processi o thread è la concorrenza. Sebbene questa funzionalità renda il sistema più efficace, può anche causare problemi come arresti anomali.
Il deadlock è una condizione che può verificarsi nei sistemi distribuiti in cui due o più processi sono bloccati e non possono procedere perché ciascuno attende che l'altro rilasci una risorsa. I deadlock possono verificarsi nei sistemi distribuiti a causa della complessità intrinseca del coordinamento di più processi eseguiti simultaneamente su più nodi.
Un'altra caratteristica chiave dei sistemi distribuiti è la scalabilità. Per gestire carichi di lavoro crescenti e accogliere più utenti, devono essere in grado di scalare orizzontalmente aggiungendo più nodi. La tolleranza ai guasti è fondamentale anche per i sistemi distribuiti. Devono resistere ai guasti dei singoli nodi o componenti senza compromettere le prestazioni complessive del sistema. Un'altra caratteristica dei sistemi distribuiti è l'eterogeneità, in cui i nodi possono avere diverse configurazioni hardware, software e di rete. Questa diversità può rendere difficile la collaborazione e la comunicazione.
La trasparenza è un’altra caratteristica chiave dei sistemi distribuiti. Devono offrire ai consumatori un accesso trasparente alle risorse e ai servizi attraverso la rete, mantenendoli all’oscuro del complesso funzionamento del sistema sottostante. Anche i sistemi distribuiti dovrebbero dare priorità alla sicurezza. Devono essere costruiti pensando alla sicurezza per proteggere da accessi non autorizzati, violazioni dei dati e altri rischi informatici.
Un'altra qualità che i sistemi distribuiti devono mantenere è la coerenza. Devono mantenere la coerenza dei dati su molti nodi nonostante aggiornamenti e guasti simultanei. Le prestazioni sono molto importanti per i sistemi distribuiti. Devono essere in grado di funzionare a livelli accettabili nonostante l'aumento dei costi di trasmissione e altre complicazioni di distribuzione.
Quali sono i vari tipi di sistemi distribuiti?
Esistono molti tipi e progetti di sistemi distribuiti, ciascuno creato per affrontare esigenze e sfide specifiche. I requisiti dell'applicazione, la scalabilità, la tolleranza agli errori, la sicurezza e altri fattori svolgono tutti un ruolo nella scelta dell'architettura.
È un tipo di architettura client-server del sistema distribuito. In questo approccio, un server riceve le richieste da un client, le elabora e quindi risponde. Le applicazioni Web spesso utilizzano questo design, in cui il browser Web funge da client e il server ospita la pagina Web.
L'architettura peer-to-peer (P2P) è un altro tipo di sistema distribuito. Tutti i nodi o peer in questa architettura sono uguali e possono fungere sia da client che da server. Ciascun coniuge può richiedere e offrire risorse ad altri coniugi. Le applicazioni di condivisione file come BitTorrent utilizzano questa architettura.
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Il sistema di database distribuito è la terza categoria di un sistema distribuito. Un database è distribuito tra diversi computer o nodi con questa architettura e tutti lavorano insieme per archiviare e gestire i dati. Le applicazioni su larga scala che necessitano di elevata disponibilità e scalabilità, comprese le piattaforme di social media e i siti di e-commerce, spesso adottano questo design.
Il sistema informatico distribuito è un altro sistema distribuito in cui diversi computer cooperano per affrontare problemi computazionali impegnativi. Nella ricerca scientifica, questa architettura viene spesso utilizzata quando si utilizzano un gran numero di computer per analizzare grandi quantità di dati o simulare processi complessi.
Anche i sistemi distribuiti ibridi che combinano molte architetture o concetti sono sistemi distribuiti. Ad esempio, un sistema distribuito può utilizzare la progettazione P2P per la condivisione di file e l'architettura client-server per le richieste web.
Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dei sistemi distribuiti?
I sistemi distribuiti offrono molti vantaggi come scalabilità, tolleranza agli errori e prestazioni migliorate. Tuttavia, presenta anche degli svantaggi come difficoltà di coordinamento, complessità e requisiti di competenze speciali.
I sistemi distribuiti offrono numerosi vantaggi rispetto ai tradizionali sistemi centralizzati. Uno dei vantaggi principali è la scalabilità. È possibile aggiungere più nodi ai sistemi distribuiti per gestire maggiori carichi di lavoro e servire più utenti. Grazie alla loro scalabilità, i sistemi distribuiti possono supportare traffico intenso e alta disponibilità senza sacrificare le prestazioni.
La tolleranza agli errori è un altro vantaggio dei sistemi distribuiti. Anche se un nodo fallisce, il sistema può continuare a funzionare perché altri nodi possono subentrare nei suoi compiti. Di conseguenza, i sistemi distribuiti sono meno vulnerabili ai guasti hardware o software rispetto ai sistemi centralizzati. Consentendo la suddivisione del calcolo tra più nodi, i sistemi distribuiti possono anche accelerare il throughput e ridurre i tempi di elaborazione.
Tuttavia, i sistemi distribuiti presentano alcuni svantaggi. Ad esempio, poiché i sistemi distribuiti sono costituiti da molti nodi che possono essere geograficamente dispersi, può essere difficile coordinare la comunicazione e garantire che tutti i nodi abbiano una comprensione coerente del sistema. Ciò può portare a problemi di concorrenza e coerenza.
La complessità è un altro svantaggio dei sistemi distribuiti. A causa della complessità intrinseca dei sistemi distribuiti, a volte sono più difficili da mantenere e presentano maggiori vulnerabilità rispetto ai sistemi gestiti centralmente. La progettazione e la manutenzione di sistemi distribuiti possono anche richiedere conoscenze e competenze speciali, aumentandone i costi e la complessità.
Qual è il futuro dei sistemi distribuiti?
Poiché la tecnologia continua ad avanzare, il futuro dei sistemi distribuiti sembra promettente. Il cluster computing e il grid computing sono due nuove tecnologie che probabilmente svolgeranno un ruolo importante nel futuro dei sistemi distribuiti.
Il cluster computing prevede l'utilizzo di più computer collegati tra loro per lavorare insieme come un unico sistema. Questa tecnologia ha migliorato la potenza di elaborazione e la tolleranza agli errori, nonché una migliore scalabilità. Il cluster computing sta diventando sempre più conveniente e si prevede che verrà utilizzato più frequentemente nelle applicazioni informatiche ad alte prestazioni poiché il costo dell'hardware continua a diminuire.
Il cluster computing può essere utilizzato nell'elaborazione di big data. Poiché la quantità di dati generati aumenta in modo esponenziale, è possibile utilizzare il cluster computing per elaborare e analizzare questi dati in modo più efficiente.
Allo stesso modo, poiché campi come l’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico richiedono grandi quantità di potenza di calcolo per addestrare modelli ed elaborare dati, il cluster computing può essere utilizzato per accelerare questi processi e aumentare la precisione.
Il grid computing utilizza risorse distribuite geograficamente per lavorare insieme come un unico sistema. Grazie a questa tecnologia, le aziende possono unire le proprie risorse e lavorare insieme su progetti complessi che sarebbero difficili o impossibili da completare utilizzando le tradizionali tecniche informatiche.
Ad esempio, in caso di disastro naturale, il grid computing può mobilitare rapidamente risorse da tutto il mondo per assistere negli sforzi di risposta. I minatori di Bitcoin possono utilizzare il grid computing per connettere le proprie risorse informatiche a quelle di altri minatori in tutto il mondo per aumentare le loro possibilità di guadagnare premi.
A differenza dei miner autonomi, questo fornisce una rete distribuita di potenza di elaborazione in grado di collaborare per risolvere problemi matematici in modo più rapido ed efficiente. Si prevede che il grid computing diventerà più importante per la ricerca scientifica, l’elaborazione dei dati e altre applicazioni informatiche su larga scala con l’evoluzione del cloud computing.