محاسبات توری – گرید (Grid Computing)

ایده توزیع کار به منظور دستیابی به سرعت و به عبارت دیگر یک صرفه جویی در زمان قرن هاست که مدنظر بوده است. تاریخ پر است از این مثال‌‌ها – تفکر در ساخت هرم ها، چیدن کتان در کشتزار و یا یورش گردان‌های نظامی در جنگ که می‌توانند به شما ایده بدهند. این ایده به طور طبیعی حتی پیش تر نیز وجود داشته که کندوی عسل یک مثال بارز از آن است. بسیاری از تکنیک‌های مدرن علمی از قبیل میکرو آرایه‌‌ها و 98-well plate نیز کارها را برای دستیابی به سرعت، توزیع می‌کنند. در اوایل قرن بیستم، کامپیوتر مثل شخصی بود که کارهای محاسباتی را که به صورت توزیع شده نیز قابل انجام بودند، به تنهایی انجام می‌داد (کارهایی از قبیل جدول بندی داده‌های سرشماری).

به طور خلاصه یک گرید عبارتست از: محاسبه توزیع شده قابل توسعه در مقابل Platform‌های ناهمگن چندگانه، سازمان‌‌ها و مکان ها. اصطلاح قابل توسعه یا همان Scalable، به نیاز عملیاتی و مدیریتی منابع توزیع شده به صورت امن، برمی گردد.

همانگونه که در شکل زیر نشان داده شده است، کنترل یک گرید توسط نرم افزار Middleware، مدیریت می‌شود که یک مجموعه استاندارد سازگار از سرویس‌های گرید را برای Application‌‌ها فراهم می‌کند تا با منابع شبکه ای، محاسبه ای، اطلاعات و ذخایر داده به صورت امن تعادل داشته باشند.

گریدهای امروزی می‌توانند در سازمان‌های گوناگون از قبیل تحقیقات علمی، کشف داروها، تجزیه و تحلیل ریسک‌های مالی، پیش بینی آب و هوا، طراحی، شبیه سازی، هوش تجاری و محیط‌های پردازش تراکنش، در سرتاسر جهان یافت شوند.

همچنین از مشخصه‌های معمول گرید می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مجازی سازی
• اشتراک گذاری منابع
• فراهم آوردن منابع پویا

مساله گرید:

محاسبات توری بدین وسیله جدا کردن خود از محاسبات توزیعی از طریق تمرکز روی اشتراک گذاری منابع، هماهنگی، قابلیت مدیریت و کارایی بالا، به یک عنصر مهم در صنعت کامپیوتر تبدیل شده است.

تمرکز روی «اشتراک گذاری منابع»، مساله گرید نامیده می‌شود که می‌تواند به عنوان مجموعه از مسایل مرتبط به هم با اشتراک گذاری منابع بین مجموعه‌ای از گروهها تعریف شود.

گرید و مفاهیم دیگر از محاسبات توزیعی:

یکی از مشخصه‌های اساسی گرید، توانایی آن در مجازی سازی application ها، اطلاعات و منابع دیگر IT مانند شبکه ها، سرویس دهنده‌‌ها و غیره می‌باشد.

مجازی سازی عبارتست از یک نمایش منطقی از منابعی که از مکان فیزیکی خود جدا شده اند. در حقیقت مجازی سازی، application‌‌ها و منابعا طلاعاتی مرتبط به زیربنای IT را مجازی سازی می‌کند. توجه به این نکته مهم است که بسیاری از گریدهای امروزی، اغلب از منابع IT غیرمجازی ساخته شده اند.

همچنین گرید، از یک نوع معماری مشهور به نام معماری سرویس گرا (Service-Oriented Architecture) یا SOA برای ساختن و مدیریت application‌‌ها حمایت و بهره برداری می‌کند.

معماری سرویس گرا (SOA)، یک روش برای معماری نرم افزار جهت حمایت از کارها و سرویس‌های تکراری می‌باشد.

محاسبات توری چیست؟

محاسبات توری، برای اشخاص مختلف معانی مختلفی می‌تواند داشته باشد. یک دیدگاه کلی که اغلب به عنوان یک مقیاس برای قدرت گریدها استفاده می‌شود جایی است که کاربران یا لوازم الکتریکی از طریق پریزهای دیوار به الکتریسیته دسترسی پیدا می‌کنند بدون در نظر گرفتن اینکه الکتریسیته دقیقاً کجا و چگونه تولید می‌شود.

اگر از این دید به محاسبات توری نگاه کنیم، فرآیندی منتشر شونده است و کاربران شخصی یا اپلیکیشن‌های مشتری، به منابع محاسباتی (پردازنده ها، حافظه، دیتا، برنامه‌های کاربردی و امثال آن) که مورد نیازشان است دسترسی دارند با آگاهی کم و یا بدون آگاهی از اینکه آن منابع کجا واقع شده اند و یا از چه تکنولوژیهای زیرین سخت افزار، سیستم عامل و غیره استفاده می‌کنند.

اگر این دیدگاه را به عنوان یک هدف نهایی در نظر بگیریم، قدمهای کوچکتر بسیاری وجود دارند که برای رسیدن به این هدف باید برداشته شوند. این قدمهای کوچک هر یک فواید خاص خود را دارند. بنابراین محاسبات توری می‌تواند به عنوان سفر در امتداد مسیری دیده شود که در این مسیر تکنولوژیهای متنوع و راه حل‌های متنوع با هم ادغام می‌شوند و ما را به هدف نهاییمان نزدیکتر می‌کند. محاسبات توزیع شده تکنولوژیهایی را بنا می‌کند که در پشتیبانی برنامه‌های کاربردی سازمان گذر در حال تکاملند و این به اشتراک گذاشتن منابع در یک کلمه به معنی مجازی سازی است.

مجازی سازی از میان تکنولوژیها، پلتفرم‌‌ها و سازمانها

این نوع مجازی سازی فقط از طریق به کارگیری استانداردهای باز قابل دستیابی است. استاندارهای باز اطمینان می‌دهند که برنامه‌های کاربردی هر آنچه را که منابع اختصاصی می‌توانند در اختیار آنها قرار دهند را می‌توانند استفاده کنند.

محیطی که بتواند توانایی دسترسی به منابع به طور اشتراکی و شفاف را از میان یک محیط توزیع شده نامتجانس ایجاد کند، نه تنها به تکنولوژی نیاز دارد که منابع معین را مجازی سازی کند بلکه به تکنولوژیها و استانداردهایی در زمینه زمانبندی، امنیت، حسابداری، مدیریت سیستم و مانند آن نیاز خواهد داشت.

محاسبات توری می‌تواند به عنوان هر تنوع از سطوح مجازی سازی در امتداد یک پیوستار تعریف شود.

فواید محاسبات توری:

وقتی که یک گرید بر پا می‌شود با نیازهای یک مجموعه از مشاغل مواجه خواهد بود. برای سازگاری بهتر قابلیتهای محاسبات توری با آن نیازمندیها، بهتر آنست که تعدادی از انگیزه‌های مشترک برای استفاده از محاسبات توری را در ذهن داشته باشید.

• بهره برداری از منابع مورد استفاده
• ظرفیت پردازنده موازی (parallel CPU capacity)
• منابع مجازی و سازمانهای مجازی برای مشارکت
• دستیابی به منابع اضافی
• توازن منابع
• قابلیت اطمینان
• مدیریت

مدل معماری گرید

مدل جدید یا به عبارتی تکنولوژی جدیدی برای تاسیس و مدیریت منابع اشتراکی، توسعه داده شده است. این مدل جدید، معماری گرید نامیده می‌شود که کامپوننت‌های اصلی یک سیستم گرید را تشخیص می‌دهد. معماری گرید اهداف و وظایف کامپوننت‌‌ها را مشخص می‌کند و معین می‌کند که چگونه این کامپوننت‌‌ها با هم تراکنش دارند.

تمرکز اصلی در این معماری، بر قابلیت عملی شدن برقراری ارتباطات بین تهیه کنندگان منابع و کاربران (استفاده کنندگان) است. این قابلیت مستلزم پروتکل‌های مشترک در هر لایه از مدل معماری است که منجر به تعریف یک معماری پروتکل گرید به گونه این که در شکل نشان داده شده است می‌شود.

این معماری، مکانیزم ها، واسط ها، شماها و پروتکل‌های مشترک در هر لایه را تعریف می‌کند تا کاربران بتوانند مذاکره کنند، و منابع را تاسیس، مدیریت و اشتراکی کنند. شکل 7-2 لایه‌های کامپوننت‌های معماری، گرید و قابلیتهای هر لایه را نشان می‌دهد. هر لایه رفتار لایه‌های کامپوننت‌های زیرین را به اشتراک می‌گذارد.

در ادامه ویژگیهای اصلی هر یک از این لایه‌‌ها کامپوننت‌‌ها با شروع از پایین شکل و با حرکت به سمت بالا شرح داده می شود.

زمانبندی در گریدهای محاسباتی

زمانبندی در گریدهای محاسباتی مهمترین نقش را در بهبود کارایی ایفا می کند. زمانبندی ضعیف باعث افزایش زمان اجرای کار و در نتیجه کاهش گذردهی گرید می شود. سیستم گرید صدها یا هزاران کار را به طور همزمان اجرا می کند و در نتیجه تصمیم گیری ضعیف در مورد مکان اجرای کار می تواند به طور چشمگیری باعث کاهش کارآیی شود. اما زمانبندی موثر یا به عبارت دیگر تصمیم گیری خوب در مورد مکان اجرای کار یک مساله بسیار دشوار و NP – Complete است که با چالش های مختلفی روبروست. یکی از این چالشها ارتباطات بین وظایف یا زیر کارهای موجود در یک کار است. علاوه بر آن محیط گرید یک محیط بسیار پویاست که تعداد منابع، در دسترس بودن آنها، بار پردازنده و فضای دیسک در طول زمان مداوم در حال تغییرند. از طرف دیگر کارهای ویژگی های متفاوتی دارند که این امر زمانبندی های متفاوتی را طلب می کند. به عنوان مثال بعضی از کارها نیازمند توان پردازشی بالا و بعضی نیازمند توان ارتباطی بالا بین وظایف خود هستند. در نهایت یکی از مهمترین ویژگی های زمانبندی گرید که آن را از دیگر زمانبندی ها(مانند زمانبندی کلاستر) متمایز می کند، قابلیت مقیاس پذیری آن است. زمانبندی که بسیار ساده ای(مانند زمانبندی تصادفی، چرخشی تکراری و …) استفاده می کنند و زمان ارتباطات بین وظایف یک کار و همچنین زمان ارسال یک کار از یک نقطه گرید به نقطه دیگر را نادیده می گیرند. علاوه برآن با توجه به این که غالب زمانبندها عمل زمانبندی را در یک سطح انجام می دهند و با عناصر پردازنده و وظیفه سروکار دارند، معمولاً قابلیت مقیاس پذیری خوبی ندارند.

در این تحقیق به منظور مقیاس پذیر بودن، مساله زمانبندی در دو سطح بررسی شده است. در سطح بالا که همان زمان بندی در سطح گرید است، زمانبند با عناصر کلاستر یا سایت و کار سروکار دارد. در حقیقت گرید مجموعه ای از سایت ها در نظر گرفته شده که هر یک نماینده یک سازمان یا فرد است . از یک تا چند صد ماشین دارد. تاکید اصلی تحقیق نیز بر روی همین زمانبند سطح بالا است که به آن گلوبال یا سراسری نیز گفته می شود و وظیفه آن اختصاص کل یک کار(با تمام وظایف موجود در آن) به یک کلاستر است. سپس زمانبند سطح پایین (زمانبند سطح کلاستر) وظایف موجود در کار را بر روی نودهای موجود در کلاستر زمانبندی و اجرا می کند. پیشتر، زمانبندی های سطح کلاستر خوبی طراحی و پیاده سازی شده است.