مجموعة الحواسيب

مجموعة الحواسيب هي مجموعة من الحواسيب المستقلة التي تعمل معًا بحيث يمكن اعتبارها نظامًا واحدًا. ^{[ 1 ]} على عكس حواسيب الشبكة ، تُضبط كل عقدة في مجموعات الحواسيب لأداء المهمة نفسها، ويتم التحكم بها وجدولتها بواسطة برمجيات. أحدث تجليات الحوسبة العنقودية هي الحوسبة السحابية .

تتصل مكونات المجموعة عادةً ببعضها البعض عبر شبكات محلية سريعة ، حيث يعمل كل جهاز (حاسوب يُستخدم كخادم) بنظام تشغيل خاص به . ^{[ 1 ]} في معظم الحالات، تستخدم جميع الأجهزة نفس المكونات المادية ^{[ 2 ]} ونظام التشغيل نفسه، مع أنه في بعض الإعدادات (مثل استخدام موارد تطبيقات المجموعة مفتوحة المصدر (OSCAR))، يمكن استخدام أنظمة تشغيل مختلفة على كل حاسوب، أو مكونات مادية مختلفة. ^{[ 3 ]}

تُستخدم مجموعات الحواسيب عادةً لتحسين الأداء والتوافر مقارنةً بالحاسوب الفردي، ^{[ 1 ]} بينما تكون عادةً أكثر فعالية من حيث التكلفة من الحواسيب الفردية ذات السرعة أو التوافر المماثل. ^{[ 4 ]}

ظهرت مجموعات الحواسيب نتيجةً لتضافر عدد من اتجاهات الحوسبة، بما في ذلك توفر المعالجات الدقيقة منخفضة التكلفة، والشبكات عالية السرعة، والبرمجيات المخصصة للحوسبة الموزعة عالية الأداء . وتتميز هذه المجموعات بنطاق واسع من التطبيقات والنشر، بدءًا من مجموعات الشركات الصغيرة التي تضم عددًا محدودًا من العُقد، وصولًا إلى بعض أسرع الحواسيب العملاقة في العالم، مثل حاسوب سيكويا من شركة IBM . ^{[ 5 ]} قبل ظهور مجموعات الحواسيب، كانت تُستخدم الحواسيب المركزية أحادية الوحدة ذات القدرة على تحمل الأعطال والتكرار المعياري ؛ إلا أن انخفاض التكلفة الأولية لمجموعات الحواسيب، وزيادة سرعة بنية الشبكة، ساهما في انتشارها. وعلى عكس الحواسيب المركزية عالية الموثوقية، تُعد مجموعات الحواسيب أقل تكلفةً في التوسع، ولكنها تتميز أيضًا بزيادة تعقيد معالجة الأخطاء، حيث إن أنماط الأخطاء فيها ليست خفيةً على البرامج قيد التشغيل. ^{[ 6 ]}

أدت الرغبة في الحصول على المزيد من قوة الحوسبة وموثوقية أفضل من خلال تنسيق عدد من أجهزة الكمبيوتر التجارية الجاهزة منخفضة التكلفة إلى ظهور مجموعة متنوعة من البنى والتكوينات.

تعتمد تقنية تجميع الحواسيب عادةً (ولكن ليس دائمًا) على ربط عدد من عُقد الحوسبة المتاحة بسهولة (مثل الحواسيب الشخصية المستخدمة كخوادم) عبر شبكة محلية سريعة . ^{[ 7 ]} ويتم تنسيق أنشطة عُقد الحوسبة بواسطة "برمجيات وسيطة للتجميع"، وهي طبقة برمجية تعمل فوق العُقد وتتيح للمستخدمين التعامل مع المجموعة كوحدة حوسبة متماسكة واحدة، على سبيل المثال من خلال مفهوم صورة نظام واحدة . ^{[ 7 ]}

تعتمد الحوسبة العنقودية على نهج إدارة مركزي يجعل العقد متاحة كخوادم مشتركة مُنسقة. وهي تختلف عن النهج الأخرى مثل الحوسبة الند للند أو الحوسبة الشبكية التي تستخدم أيضًا العديد من العقد، ولكن بطبيعة أكثر توزيعًا . ^{[ 7 ]}

قد تكون مجموعة الحواسيب نظامًا بسيطًا ثنائي العقد يربط بين حاسوبين شخصيين، أو قد تكون حاسوبًا فائق السرعة . يتمثل أحد الأساليب الأساسية لبناء مجموعة حواسيب في نموذج مجموعة بيوولف، الذي يُمكن بناؤه باستخدام عدد قليل من الحواسيب الشخصية لتوفير بديل اقتصادي للحوسبة عالية الأداء التقليدية . ومن المشاريع المبكرة التي أثبتت جدوى هذا المفهوم حاسوب ستون سوبر كومبيوتر ، الذي يتكون من 133 عقدة . ^{[ 8 ]} استخدم المطورون نظام لينكس ، ومجموعة أدوات الآلة الافتراضية المتوازية ، ومكتبة واجهة تمرير الرسائل لتحقيق أداء عالٍ بتكلفة منخفضة نسبيًا. ^{[ 9 ]}

على الرغم من أن المجموعة الحاسوبية قد تتكون من عدد قليل من أجهزة الكمبيوتر الشخصية المتصلة بشبكة بسيطة، إلا أنه يمكن استخدام بنية المجموعة الحاسوبية لتحقيق مستويات أداء عالية جدًا. غالبًا ما تتضمن قائمة منظمة TOP500 نصف السنوية لأسرع 500 حاسوب فائق العديد من المجموعات الحاسوبية، فعلى سبيل المثال، كان أسرع جهاز في العالم عام 2011 هو حاسوب K الذي يتميز بذاكرة موزعة وبنية مجموعة حاسوبية. ^{[ 10 ]}

ذكر جريج فايستر أن الحوسبة العنقودية لم تُخترع من قِبل أي مُصنِّع مُحدد، بل من قِبل عملاء لم يتمكنوا من استيعاب جميع أعمالهم على جهاز كمبيوتر واحد، أو احتاجوا إلى نسخة احتياطية. ^{[ 11 ]} ويُقدِّر فايستر تاريخ ظهورها في ستينيات القرن الماضي. يُمكن القول إن الأساس الهندسي الرسمي للحوسبة العنقودية كوسيلة لإنجاز العمل المتوازي من أي نوع، قد ابتكره جين أمدال من شركة آي بي إم ، الذي نشر في عام 1967 ما يُعتبر الآن الورقة البحثية الرائدة في مجال المعالجة المتوازية: قانون أمدال .

يرتبط تاريخ مجموعات الحواسيب المبكرة بشكل مباشر أو غير مباشر بتاريخ الشبكات المبكرة، حيث كان أحد الدوافع الرئيسية لتطوير الشبكة هو ربط موارد الحوسبة، مما أدى إلى إنشاء مجموعة حواسيب بحكم الأمر الواقع.

كان نظام Burroughs B5700 أول نظام إنتاجي مصمم على شكل مجموعة حاسوبية في منتصف الستينيات. وقد سمح هذا النظام بربط ما يصل إلى أربعة حواسيب، كل منها بمعالج واحد أو اثنين، بنظام تخزين أقراص مشترك لتوزيع عبء العمل. وعلى عكس أنظمة المعالجات المتعددة التقليدية، كان من الممكن إعادة تشغيل كل حاسوب دون التأثير على سير العمل العام.

في أوائل ومنتصف سبعينيات القرن العشرين، اعتمدت شركة جنرال إلكتريك مارك 2 تقنية التجميع عالية الموثوقية، حيث كان بإمكان ما يصل إلى ثمانية أنظمة معالجة (لكل منها نسخة خاصة بها من نظام التشغيل) الوصول إلى أنظمة ملفات متعددة مع قفل على مستوى الملف. ^{[ 12 ]}

كان جهاز Tandem NonStop (منتج تجاري عالي التوافر صدر عام 1976) أول حاسوب عنقودي تجاري ذي اقتران ضعيف، يتميز بإمكانية إدارة متكاملة على مستوى النظام وقفل الملفات على مستوى السجلات. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 1 ]} تبعه مباشرةً نظام "حاسوب الموارد المرفقة" (ARC) من شركة Datapoint ، الذي طُوّر عام 1977، ويستخدم بروتوكول ARCnet كواجهة للعناقيد. في عام 1984، أصدرت شركة AT&T سلسلة حواسيب B3، التي تضمنت نظام حوسبة عنقودية ثنائي المعالجات مقاوم للأعطال. ^{[ 15 ]} لم تنتشر الحوسبة العنقودية على نطاق واسع إلا بعد أن أصدرت شركة Digital Equipment Corporation منتجها VAXcluster عام 1984 لنظام التشغيل VMS ، والذي استخدم مصطلح "عنقودي" في تسويقه، على عكس الشركات المصنعة السابقة. لم تدعم منتجات Tandem NonStop وARC وVAXcluster الحوسبة المتوازية فحسب ، بل دعمت أيضًا أنظمة الملفات والأجهزة الطرفية المشتركة . كانت الفكرة هي توفير مزايا المعالجة المتوازية، مع الحفاظ على موثوقية البيانات وتفردها. ومن بين المجموعات التجارية الجديرة بالذكر نظام IBM S/390 Parallel Sysplex (حوالي عام 1994، وكان مخصصًا في المقام الأول للاستخدام التجاري).

في الفترة الزمنية نفسها، وبينما كانت مجموعات الحواسيب تستخدم المعالجة المتوازية خارج الحاسوب عبر شبكة عامة، بدأت الحواسيب العملاقة باستخدامها داخل الحاسوب نفسه. بعد نجاح حاسوب CDC 6600 عام 1964، تم طرح حاسوب Cray 1 عام 1976، والذي أدخل المعالجة المتوازية الداخلية عبر معالجة المتجهات . ^{[ 16 ]} في حين أن الحواسيب العملاقة الأولى استبعدت مجموعات الحواسيب واعتمدت على الذاكرة المشتركة ، إلا أن بعضًا من أسرع الحواسيب العملاقة (مثل حاسوب K ) اعتمدت لاحقًا على بنية مجموعات الحواسيب.

استُخدمت المجموعات الحاسوبية في غالبية معاملات أجهزة الصراف الآلي في العالم، وبطاقات الائتمان، ومكالمات الطوارئ 911، وبورصات الأوراق المالية، وأكبر مستودعات البيانات، وغير ذلك الكثير بحلول التسعينيات إن لم يكن قبل ذلك. ^{[ 1 ]}

يمكن تهيئة مجموعات الحواسيب لأغراض مختلفة، بدءًا من احتياجات الأعمال العامة، مثل دعم خدمات الويب، وصولًا إلى الحسابات العلمية المعقدة. وفي كلتا الحالتين، قد تستخدم المجموعة نهجًا عالي التوافر . تجدر الإشارة إلى أن السمات المذكورة أدناه ليست حصرية، وقد تستخدم "مجموعة الحواسيب" أيضًا نهجًا عالي التوافر، وما إلى ذلك.

تُعرف مجموعات " موازنة الأحمال " بأنها تكوينات تتشارك فيها عُقد المجموعة عبء العمل الحسابي لتحسين الأداء العام. على سبيل المثال، قد تُخصص مجموعة خوادم الويب استعلامات مختلفة لعُقد مختلفة، مما يُحسّن زمن الاستجابة الإجمالي. ^{[ 17 ]} مع ذلك، قد تختلف أساليب موازنة الأحمال اختلافًا كبيرًا بين التطبيقات، فمثلاً، تستخدم مجموعة عالية الأداء مُخصصة للحسابات العلمية خوارزميات مختلفة لموازنة الأحمال عن مجموعة خوادم الويب التي قد تستخدم ببساطة طريقة التوزيع الدوري (Round-Robin) بتخصيص كل طلب جديد لعقدة مختلفة. ^{[ 17 ]}

تُستخدم مجموعات الحواسيب لأغراض تتطلب معالجة مكثفة، بدلاً من معالجة العمليات الموجهة نحو الإدخال والإخراج مثل خدمات الويب أو قواعد البيانات. ^{[ 18 ]} على سبيل المثال، قد تدعم مجموعة حواسيب عمليات محاكاة حاسوبية لحوادث السيارات أو الأحوال الجوية. صُممت مجموعات الحواسيب شديدة الترابط لأعمال قد تقترب من مستوى " الحوسبة الفائقة ".

تعمل " مجموعات التوافر العالي " (المعروفة أيضًا باسم مجموعات تجاوز الفشل أو مجموعات HA) على تحسين توافر نهج المجموعات. وتعتمد هذه المجموعات على وجود عُقد احتياطية تُستخدم لتقديم الخدمة عند تعطل مكونات النظام. وتسعى تطبيقات مجموعات HA إلى استخدام التكرار في مكونات المجموعة للقضاء على نقاط الفشل الفردية . وتتوفر تطبيقات تجارية لمجموعات التوافر العالي للعديد من أنظمة التشغيل. ويُعد مشروع Linux-HA أحد حزم برامج التوافر العالي المجانية الشائعة الاستخدام لنظام التشغيل Linux .

تتحسن قابلية التوسع بإضافة أنظمة إلى مجموعة حاسوبية، وهو الأساس الرئيسي للتوازي الهائل . على عكس أنظمة المعالجات المتعددة المتناظرة، حيث تتلاشى قابلية التوسع تدريجيًا مع إضافة المزيد من المعالجات (وبالتالي تصبح إما أكثر تكلفة أو غير قابلة للتوسع بشكل كافٍ)، في حين أنه بالنسبة لبعض التطبيقات، يمكن الحفاظ على قابلية التوسع في نظام مجموعة حاسوبية مترابطة بشكل فضفاض. قد تتطلب قابلية التوسع هذه برمجيات وسيطة أو قواعد بيانات مُدركة للمجموعة الحاسوبية لكي تعمل بكفاءة. ^{[ 1 ]}

تُصمَّم المجموعات الحاسوبية في المقام الأول مع مراعاة الأداء، ولكن عمليات التثبيت تعتمد على العديد من العوامل الأخرى. تُمكّن خاصية تحمل الأعطال ( قدرة النظام على مواصلة العمل رغم تعطل إحدى العقد ) من قابلية التوسع ، وفي حالات الأداء العالي، تسمح بتقليل وتيرة عمليات الصيانة، وتوحيد الموارد (مثل RAID )، والإدارة المركزية. تشمل المزايا إمكانية استعادة البيانات في حالة وقوع كارثة، وتوفير معالجة متوازية للبيانات، وقدرة معالجة عالية. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

من حيث قابلية التوسع، توفر المجموعات الحاسوبية هذه الميزة من خلال قدرتها على إضافة عُقد أفقيًا ^{[ 1 ]} . وهذا يعني إمكانية إضافة المزيد من أجهزة الحاسوب إلى المجموعة لتحسين أدائها، وزيادة موثوقيتها، وتحملها للأعطال. يُعد هذا حلاً اقتصاديًا للحصول على مجموعة حاسوبية ذات أداء عالٍ مقارنةً بتوسيع عقدة واحدة فقط. كما تُمكّن هذه الخاصية المجموعات الحاسوبية من تنفيذ أحمال حسابية أكبر بواسطة عدد أكبر من أجهزة الحاسوب ذات الأداء المنخفض.

عند إضافة عقدة جديدة إلى مجموعة، تزداد الموثوقية لأن المجموعة بأكملها لا تحتاج إلى إيقاف تشغيلها. يمكن إيقاف تشغيل عقدة واحدة للصيانة، بينما تتحمل بقية المجموعة عبء تلك العقدة.

إذا تم تجميع عدد كبير من أجهزة الكمبيوتر معًا، فإن هذا يسهّل استخدام أنظمة الملفات الموزعة و RAID ، وكلاهما يمكن أن يزيد من موثوقية وسرعة المجموعة.

من التحديات التي تواجه تصميم مجموعة الحوسبة مدى ترابط العقد الفردية. فعلى سبيل المثال، قد تتطلب مهمة حاسوبية واحدة اتصالاً متكرراً بين العقد، مما يعني أن المجموعة تشترك في شبكة مخصصة، وتتوزع بكثافة، وربما تضم ​​عقدًا متجانسة. وعلى النقيض، تستخدم مهمة حاسوبية عقدة واحدة أو بضع عقد، ولا تحتاج إلا إلى القليل من الاتصال بين العقد أو لا تحتاج إليه إطلاقاً، وهو ما يقترب من الحوسبة الشبكية .

في مجموعة حواسيب بيوولف ، لا ترى برامج التطبيقات عُقد الحوسبة (المعروفة أيضًا باسم الحواسيب التابعة)، بل تتفاعل فقط مع "الرئيسي"، وهو حاسوب مُخصص يُعنى بجدولة وإدارة الحواسيب التابعة. ^{[ 18 ]} في التطبيق النموذجي، يمتلك الرئيس واجهتي شبكة، إحداهما للتواصل مع شبكة بيوولف الخاصة بالحواسيب التابعة، والأخرى للتواصل مع الشبكة العامة للمؤسسة. ^{[ 18 ]} عادةً ما تمتلك الحواسيب التابعة نسختها الخاصة من نظام التشغيل نفسه، بالإضافة إلى ذاكرة محلية ومساحة تخزين. مع ذلك، قد تحتوي شبكة الحواسيب التابعة الخاصة أيضًا على خادم ملفات مشترك كبير لتخزين البيانات الدائمة العامة، والتي تصل إليها الحواسيب التابعة عند الحاجة. ^{[ 18 ]}

تم ضبط مجموعة DEGIMA ذات الغرض الخاص المكونة من 144 عقدة لتشغيل عمليات محاكاة الفيزياء الفلكية N-body باستخدام رمز الشجرة المتوازية Multiple-Walk، بدلاً من الحسابات العلمية العامة. ^{[ 21 ]}

نظراً لتزايد القدرة الحاسوبية لكل جيل من أجهزة ألعاب الفيديو ، ظهر استخدام جديد يتمثل في إعادة توظيفها في مجموعات الحوسبة عالية الأداء (HPC). من أمثلة مجموعات أجهزة ألعاب الفيديو مجموعات سوني بلاي ستيشن ومجموعات مايكروسوفت إكس بوكس . مثال آخر على منتجات ألعاب الفيديو الاستهلاكية هو محطة عمل إنفيديا تسلا للحاسوب الشخصي الفائق ، والتي تستخدم عدة رقائق معالجة رسومية. إلى جانب أجهزة ألعاب الفيديو، يمكن أيضاً استخدام بطاقات الرسومات المتطورة. يُعد استخدام بطاقات الرسومات (أو بالأحرى وحدات معالجة الرسومات الخاصة بها) لإجراء العمليات الحسابية للحوسبة الشبكية أكثر اقتصادية بكثير من استخدام وحدات المعالجة المركزية، على الرغم من كونها أقل دقة. مع ذلك، عند استخدام قيم ذات دقة مضاعفة، تصبح بطاقات الرسومات بنفس دقة وحدات المعالجة المركزية، وتبقى أقل تكلفة بكثير (تكلفة الشراء). ^{[ 3 ]}

لطالما عملت مجموعات الحواسيب على حواسيب فعلية منفصلة بنظام تشغيل واحد . مع ظهور تقنية المحاكاة الافتراضية ، أصبح بإمكان عُقد المجموعة العمل على حواسيب فعلية منفصلة بأنظمة تشغيل مختلفة، مُغطاة بطبقة افتراضية لتبدو متشابهة. ^{[ 22 ]} كما يُمكن محاكاة المجموعة افتراضيًا بتكوينات مختلفة أثناء عمليات الصيانة؛ ومن الأمثلة على ذلك استخدام Xen كمدير للمحاكاة الافتراضية مع Linux-HA . ^{[ 22 ]}

من التحديات التي تواجه استخدام مجموعات الحواسيب تكلفة إدارتها، والتي قد تصل أحيانًا إلى تكلفة إدارة N جهازًا مستقلًا، إذا كانت المجموعة تضم N عقدة. ^{[ 26 ]} في بعض الحالات، يُفضّل استخدام بنى الذاكرة المشتركة نظرًا لانخفاض تكاليف إدارتها. ^{[ 26 ]} وقد ساهم ذلك أيضًا في انتشار استخدام الآلات الافتراضية ، لسهولة إدارتها. ^{[ 26 ]}

يدعم نظام لينكس العديد من برامج التجميع؛ فمنها distcc و MPICH لتجميع التطبيقات . كما يوفر Linux Virtual Server و Linux-HA تجميعًا قائمًا على الموجه يسمح بتوزيع طلبات الخدمات الواردة على عدة عُقد في التجميع. أما MOSIX و LinuxPMI و Kerrighed و OpenSSI فهي أنظمة تجميع متكاملة مدمجة في نواة النظام ، وتتيح نقل العمليات تلقائيًا بين العُقد المتجانسة. وتُعد OpenSSI و openMosix و Kerrighed تطبيقات صور نظام واحد .

يوفر برنامج Microsoft Windows Cluster Server ^{[ 1 ]} ، الذي يعتمد على منصة Windows Server ، والذي تم إصداره في الأصل في عامي 1997/98، دعمًا للمجموعات للحوسبة عالية الأداء بما في ذلك جدولة المهام ومكتبة MSMPI وأدوات الإدارة.

gLite عبارة عن مجموعة من تقنيات البرمجيات الوسيطة التي أنشأها مشروع Enabling Grids for E-sciencE (EGEE).

يُستخدم برنامج slurm أيضًا لجدولة وإدارة بعض أكبر مجموعات الحواسيب العملاقة (انظر قائمة top500).

على الرغم من أن معظم مجموعات الحواسيب تُعدّ منشآت دائمة، فقد بُذلت محاولات لإنشاء مجموعات حواسيب مؤقتة لإجراء عمليات حسابية محددة. ومع ذلك، حظيت أنظمة الحوسبة التطوعية واسعة النطاق ، مثل الأنظمة القائمة على بروتوكول BOINC، بشعبية أكبر.

• بيكر، مارك؛ وآخرون  . (11 يناير 2001). "ورقة بيضاء حول الحوسبة العنقودية". arXiv : cs/0004014 .
• ماركوس، إيفان؛ ستيرن، هال (14 فبراير 2000). مخططات التوافر العالي: تصميم أنظمة موزعة مرنة . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-35601-1.
• بفايستر، جريج (1998). في البحث عن التجمعات . برنتيس هول. ISBN 978-0-13-899709-0.
• بويا، راجكومار، محرر. (1999). الحوسبة العنقودية عالية الأداء: البنى والأنظمة . المجلد  1. نيوجيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية: برنتيس هول. ISBN 978-0-13-013784-5.
• بويا، راجكومار، محرر. (1999). الحوسبة العنقودية عالية الأداء: البنى والأنظمة . المجلد  2. نيوجيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية: برنتيس هول. ISBN 978-0-13-013785-2.

• اللجنة الفنية للحوسبة القابلة للتوسع التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (TCSC)
• تقنية مجموعات الحوسبة الموثوقة والقابلة للتوسع، آي بي إم
• ويكي أتمتة أنظمة تيفولي
• إدارة المجموعات واسعة النطاق في Google مع بورغ ، أبريل 2015، بقلم أبهيشيك فيرما، ولويس بيدروسا، ومادوكار كوروبولو، وديفيد أوبنهايمر، وإريك تون، وجون ويلكس