نموذج العميل والخادم

يُعدّ نموذج العميل والخادم نمطًا من أنماط المراسلة في بنية التطبيقات الموزعة ، حيث يُقسّم المهام أو أحمال العمل بين مُقدّمي الموارد أو الخدمات، والذين يُطلق عليهم الخوادم ، ومُتلقّي الخدمات، والذين يُطلق عليهم العملاء . ^{[ 1 ]} غالبًا ما يتواصل العملاء والخوادم عبر شبكة حاسوبية على أجهزة منفصلة، ​​ولكن قد يكون كل من العميل والخادم على نفس الجهاز. يُشغّل مُضيف الخادم برنامج خادم واحدًا أو أكثر، والتي تُشارك مواردها مع العملاء. عادةً لا يُشارك العميل موارده الحاسوبية، ولكنه يطلب محتوى أو خدمة من الخادم، وقد يُشارك محتواه الخاص كجزء من الطلب. لذلك، يبدأ العملاء جلسات اتصال مع الخوادم، التي تنتظر الطلبات الواردة. من أمثلة تطبيقات الحاسوب التي تستخدم نموذج العميل والخادم: البريد الإلكتروني، والطباعة عبر الشبكة، وشبكة الويب العالمية.

يُقدّم مُكوّن الخادم وظيفةً أو خدمةً لعميل واحد أو أكثر، والذين بدورهم يُرسلون طلباتٍ لهذه الخدمات. تُصنّف الخوادم بحسب الخدمات التي تُقدّمها. على سبيل المثال، يُقدّم خادم الويب صفحات الويب ، بينما يُقدّم خادم الملفات ملفات الحاسوب . قد يكون المورد المُشترك أيًّا من مُكوّنات الخادم البرمجية والإلكترونية، بدءًا من البرامج والبيانات وصولًا إلى المُعالجات وأجهزة التخزين . تُشكّل مُشاركة موارد الخادم خدمةً .

يتحدد دور الحاسوب، سواءً كان عميلاً أو خادماً أو كليهما، بناءً على طبيعة التطبيق الذي يتطلب وظائف الخدمة. فعلى سبيل المثال، يمكن لجهاز حاسوب واحد تشغيل خادم ويب وخادم ملفات في آنٍ واحد لتقديم بيانات مختلفة لعملاء يقدمون أنواعاً مختلفة من الطلبات. كما يمكن لبرنامج العميل التواصل مع برنامج الخادم داخل نفس الجهاز. ^{[ 2 ]} يُطلق على التواصل بين الخوادم، مثل مزامنة البيانات، أحياناً اسم التواصل بين الخوادم أو التواصل من خادم إلى خادم .

بشكل عام، تُعدّ الخدمة تجريدًا لموارد الحاسوب، ولا يحتاج العميل إلى الاهتمام بأداء الخادم أثناء تلبية الطلب وإرسال الاستجابة. كل ما يحتاجه العميل هو فهم الاستجابة بناءً على بروتوكول التطبيق ذي الصلة ، أي محتوى البيانات وتنسيقها للخدمة المطلوبة.

يتبادل العملاء والخوادم الرسائل وفق نمط مراسلة الطلب والاستجابة . يرسل العميل طلبًا، ويرد الخادم باستجابة. يُعدّ هذا التبادل للرسائل مثالًا على التواصل بين العمليات . وللتواصل، يجب أن تتشارك الحواسيب لغةً مشتركة، وأن تتبع قواعد محددة لكي يعرف كل من العميل والخادم ما يتوقعانه. تُعرَّف لغة وقواعد التواصل في بروتوكول اتصالات . تعمل جميع البروتوكولات في طبقة التطبيق . يُحدد بروتوكول طبقة التطبيق الأنماط الأساسية للحوار. ولإضفاء مزيد من الرسمية على تبادل البيانات، قد يُطبّق الخادم واجهة برمجة تطبيقات (API). ^{[ 3 ]} تُعدّ واجهة برمجة التطبيقات طبقة تجريدية للوصول إلى الخدمة. ومن خلال تقييد التواصل بتنسيق محتوى مُحدد ، تُسهّل عملية التحليل . كما تُسهّل عملية تجريد الوصول تبادل البيانات عبر المنصات. ^{[ 4 ]}

قد يتلقى الخادم طلبات من العديد من العملاء المختلفين في فترة وجيزة. لا يستطيع الحاسوب تنفيذ سوى عدد محدود من المهام في أي لحظة، ويعتمد على نظام جدولة لتحديد أولويات الطلبات الواردة من العملاء وتلبيتها. ولمنع إساءة الاستخدام وضمان أقصى قدر من التوافر ، قد يحد برنامج الخادم من إمكانية الوصول للعملاء. صُممت هجمات حجب الخدمة لاستغلال التزام الخادم بمعالجة الطلبات عن طريق إثقاله بمعدلات طلبات مفرطة. يجب تطبيق التشفير عند تبادل معلومات حساسة بين العميل والخادم.

عندما يستخدم عميل البنك خدماته المصرفية عبر الإنترنت من خلال متصفح الويب (العميل)، يُرسل العميل طلبًا إلى خادم الويب الخاص بالبنك. تُقارن بيانات تسجيل دخول العميل بقاعدة بيانات ، ثم يتصل خادم الويب بقاعدة البيانات كعميل. يقوم خادم التطبيقات بتفسير البيانات المُسترجعة بتطبيق منطق العمل الخاص بالبنك ، ثم يُرسل الناتج إلى خادم الويب. وأخيرًا، يُعيد خادم الويب النتيجة إلى متصفح الويب الخاص بالعميل لعرضها.

في كل خطوة من خطوات هذه السلسلة من تبادل الرسائل بين العميل والخادم، يقوم الحاسوب بمعالجة طلب وإعادة البيانات. هذا هو نمط المراسلة "طلب-استجابة". وعندما يتم تلبية جميع الطلبات، تكتمل السلسلة.

يوضح هذا المثال نمط تصميم قابل للتطبيق على نموذج العميل والخادم: فصل الاهتمامات .

يشير مصطلح "جانب الخادم" إلى البرامج والعمليات التي تُنفذ على الخادم . وهذا يختلف عن البرامج والعمليات التي تُنفذ على العميل .

يشير جانب العميل إلى العمليات التي يقوم بها العميل في شبكة الكمبيوتر .

يُعد إدخال الوظائف عن بعد أحد الأشكال المبكرة لبنية العميل والخادم ، ويعود تاريخه على الأقل إلى نظام التشغيل OS/360 (الذي تم الإعلان عنه عام 1964)، حيث كان الطلب هو تشغيل وظيفة ، وكانت الاستجابة هي المخرجات.

أثناء صياغة نموذج العميل والخادم في الستينيات والسبعينيات، استخدم علماء الكمبيوتر الذين قاموا ببناء ARPANET (في معهد ستانفورد للأبحاث ) مصطلحي الخادم المضيف (أو المضيف الخادم ) والمستخدم المضيف (أو المضيف المستخدم )، وقد ظهرت هذه المصطلحات في الوثائق المبكرة RFC 5 ^{[ 11 ]} وRFC 4. ^{[ 12 ]} واستمر هذا الاستخدام في Xerox PARC في منتصف السبعينيات.

أحد السياقات التي استخدم فيها الباحثون هذه المصطلحات كان في تصميم لغة برمجة لشبكات الحاسوب تُسمى لغة فك التشفير والترميز (DEL). ^{[ 11 ]} كان الغرض من هذه اللغة هو استقبال الأوامر من حاسوب واحد (المضيف المستخدم)، والذي بدوره يُعيد تقارير الحالة إلى المستخدم أثناء ترميزه للأوامر في حزم الشبكة. يستقبل حاسوب آخر مُجهز بلغة DEL، وهو المضيف الخادم، الحزم، ويفك تشفيرها، ثم يُعيد البيانات المُنسقة إلى المضيف المستخدم. يستقبل برنامج DEL على المضيف المستخدم النتائج لعرضها على المستخدم. هذه معاملة بين عميل وخادم. بدأ تطوير لغة DEL في عام 1969، وهو العام الذي أنشأت فيه وزارة الدفاع الأمريكية شبكة ARPANET (سلف الإنترنت ).

لا يشترط نموذج العميل والخادم أن تمتلك الخوادم موارد أكثر من أجهزة العميل. بل يُمكّن أي حاسوب متعدد الأغراض من توسيع قدراته باستخدام الموارد المشتركة لأجهزة أخرى. أما الحوسبة المركزية ، فتُخصّص تحديدًا عددًا كبيرًا من الموارد لعدد قليل من الحواسيب. وكلما زاد نقل العمليات الحسابية من أجهزة العميل إلى الحواسيب المركزية، كلما أصبحت أجهزة العميل أبسط. ^{[ 16 ]} وتعتمد هذه الحوسبة بشكل كبير على موارد الشبكة (الخوادم والبنية التحتية) للحساب والتخزين. حتى أن العقدة التي لا تحتوي على قرص تُحمّل نظام تشغيلها من الشبكة، بينما لا يحتوي طرفية الحاسوب على نظام تشغيل على الإطلاق؛ فهي مجرد واجهة إدخال/إخراج للخادم. في المقابل، يمتلك العميل الغني ، مثل الحاسوب الشخصي ، موارد كثيرة ولا يعتمد على خادم لأداء وظائفه الأساسية.

مع انخفاض أسعار الحواسيب الصغيرة وزيادة قدرتها من ثمانينيات القرن العشرين وحتى أواخر التسعينيات، انتقلت العديد من المؤسسات من الحوسبة المركزية، مثل الحواسيب المركزية والحواسيب الصغيرة ، إلى أجهزة عملاء متطورة. ^{[ 17 ]} وقد أتاح ذلك تحكمًا أكبر وأكثر تخصيصًا في موارد الحاسوب، ولكنه زاد من تعقيد إدارة تكنولوجيا المعلومات . ^{[ 16 ] [ 18 ] [ 19 ]} خلال العقد الأول من الألفية الثانية، نضجت تطبيقات الويب بما يكفي لمنافسة برامج التطبيقات المصممة لبنية حاسوبية دقيقة محددة . وكان هذا النضج، إلى جانب توفر وحدات تخزين ضخمة بأسعار معقولة ، وظهور بنية الخدمات الموجهة، من بين العوامل التي أدت إلى ظهور الحوسبة السحابية في العقد الثاني من الألفية الثانية. ^{[ 20 ]}

بالإضافة إلى نموذج العميل والخادم، غالباً ما تستخدم تطبيقات الحوسبة الموزعة بنية تطبيق الند للند (P2P).

في نموذج العميل والخادم، يُصمَّم الخادم عادةً ليعمل كنظام مركزي يخدم العديد من العملاء. يجب أن تتناسب متطلبات قوة المعالجة والذاكرة والتخزين للخادم مع حجم العمل المتوقع. تُستخدم أنظمة موازنة الأحمال وأنظمة تجاوز الأعطال عادةً لتوسيع نطاق الخادم ليتجاوز قدرة جهاز فعلي واحد. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

يُعرَّف موازنة الأحمال بأنها التوزيع المنهجي والفعال لحركة مرور الشبكة أو التطبيقات عبر خوادم متعددة في مزرعة خوادم. يقع كل موازن أحمال بين أجهزة العميل وخوادم الواجهة الخلفية، حيث يستقبل الطلبات الواردة ثم يوزعها على أي خادم متاح قادر على تلبيتها.

في شبكة الند للند ، يقوم جهازان حاسوب أو أكثر ( النظراء ) بتجميع مواردهما والتواصل فيما بينهما ضمن نظام لا مركزي . النظراء عبارة عن عقد متساوية في القوة ضمن شبكة غير هرمية. على عكس العملاء في شبكة العميل-الخادم أو شبكة العميل-قائمة الانتظار-العميل ، يتواصل النظراء فيما بينهم مباشرةً. ^{[ 23 ]} في شبكات الند للند، تعمل خوارزمية ضمن بروتوكول اتصالات الند للند على موازنة الحمل ، حتى أن النظراء ذوي الموارد المتواضعة يمكنهم المساهمة في توزيع الحمل. ^{[ 24 ]} إذا أصبح أحد العقد غير متاح، تظل موارده المشتركة متاحة طالما أن النظراء الآخرين يقدمونها. من الناحية المثالية، لا يحتاج النظير إلى تحقيق توافر عالٍ لأن النظراء الآخرين الاحتياطيين يعوضون أي انقطاع في الموارد ؛ ومع تغير توافر النظراء وقدرتهم على التحميل، يقوم البروتوكول بإعادة توجيه الطلبات.

يُعتبر كل من نظام العميل والخادم ونظام السيد والتابع من الفئات الفرعية لأنظمة الند للند الموزعة. ^{[ 25 ]}