مرکز ذخیره و پردازش ابری: آشنایی با اتاقهای رایانههای غولپیکر که اطلاعات وبسایتها را در خود جای دادهاند
۱. دیتاسنتر چیست و از چه اجزایی ساخته شده است؟
به مکانی بسیار بزرگ و پیشرفته که پر از رایانههای قدرتمند، سیستمهای خنککننده، منبع تغذیه پشتیبان و تجهیزات شبکه است، مرکز ذخیره و پردازش ابری یا دیتاسنتر3 میگویند. درون این مرکز، هزاران سرور (که همان رایانههای بسیار قدرتمند هستند) روی قفسههایی به نام «رک»4 چیده شدهاند. هر سرور وظیفه دارد درخواستهای کاربران از سراسر جهان را دریافت کند و پاسخ مناسب مانند بارگذاری یک صفحهٔ وب یا ارسال فیلم ذخیرهشده را ارسال نماید. برای درک بهتر، تصور کنید یک کتابخانه بسیار عظیم با میلیونها کتاب، اما به جای کتاب، فایلهای دیجیتال و به جای قفسه، هارددیسکهای پرسرعت وجود دارد. دسترسی به این کتابخانه تنها از طریق اینترنت انجام میشود.
$ \text{تعداد سرورهای مجازی} = \sum_{i=1}^{n} \frac{\text{منابع فیزیکی سرور } i}{\text{منابع مورد نیاز هر سرور مجازی}}$
۲. انواع مدلهای خدمت در رایانش ابری
ارائهدهندگان خدمات ابری معمولاً سه مدل اصلی برای استفاده از مراکز خود ارائه میدهند. در جدول زیر این مدلها را با مثالهای ساده مقایسه کردهایم:
| مدل خدمت | توضیح به زبان ساده | مثال واقعی |
|---|---|---|
| زیرساخت به عنوان خدمت (IaaS)5 | شما ماشین مجازی و فضای ذخیرهسازی اجاره میکنید و خودتان سیستمعامل را نصب میکنید. | سرویس EC2 از آمازون |
| پلتفرم به عنوان خدمت (PaaS)6 | سکوی آماده برای اجرای کدهای برنامهنویسی (بدون نگرانی از مدیریت سرور). | سرویس Google App Engine |
| نرمافزار به عنوان خدمت (SaaS)7 | نرمافزار آماده مانند ایمیل یا ویرایشگر متن از طریق مرورگر ارائه میشود. | سرویس گوگل درایو یا سرویس ایمیل هوتمیل |
۳. ذخیرهسازی در مقابل پردازش: دو نقش متفاوت در مراکز ابری
شاید بپرسید تفاوت بین ذخیرهسازی (نگهداری اطلاعات روی هارد یا SSD) و پردازش (محاسباتی که CPU انجام میدهد) چیست؟ در یک مرکز ابری، برخی از سرورها تخصص اصلیشان ذخیرهسازی طولانیمدت است (مثل انبار فایلها) و برخی دیگر سرورهای پردازشی هستند که برنامه را اجرا میکنند. برای هماهنگی بین این دو، از سامانههای فایل توزیعشده8 استفاده میشود. یک مثال کاربردی: وقتی عکسی را در شبکهٔ اجتماعی آپلود میکنید، سرور پردازشی تصویر را فشرده میکند و سپس نسخهٔ نهایی را روی سرور ذخیرهسازی قرار میدهد. زمان پاسخدهی کل این عملیات به صورت میانگین از فرمول زیر به دست میآید:
$ T_{\text{کل}} = T_{\text{پردازش}} + T_{\text{ورودی/خروجی ذخیرهسازی}} + T_{\text{شبکه}}$در این فرمول $T_{\text{پردازش}}$ زمان انجام محاسبات، $T_{\text{ورودی/خروجی ذخیرهسازی}}$ زمان خواندن یا نوشتن اطلاعات روی دیسک و $T_{\text{شبکه}}$ زمان انتقال داده بین سرورها است.
۴. کاربرد عملی و مثال عینی: بازیهای آنلاین و کلاسهای مجازی در بستر ابر
حتماً بازی Free Fire یا PUBG را تجربه کردهاید. میلیونها بازیکن به طور همزمان به یک سرور مرکزی متصل میشوند. این سرور در حقیقت درون یک مرکز ذخیره و پردازش ابری قرار دارد. موقعیت مکانی شما، میزان امتیاز، لباسهای شخصیت بازی و حتی مکان دشمنان روی آن سرور ذخیره و پردازش میشود. همچنین کلاسهای آموزشی آنلاین که در دوران همهگیری کرونا رواج پیدا کردند، از همین فناوری بهره میبرند. معلم فیلم خود را روی سرور ابری آپلود میکند و سرور بلافاصله آن را برای 100 دانشآموز همزمان استریم میکند. بدون وجود مراکز ابری، هر مدرسه باید سختافزارهای بسیار گرانقیمتی تهیه میکرد.
۵. چالشهای مفهومی (سه پرسش و پاسخ)
پاسخ: مراکز حرفهای از چندین منبع تغذیه پشتیبان (یوپیاس9 و ژنراتورهای دیزلی) استفاده میکنند. در هنگام قطع برق شهر، ژنراتورها به طور خودکار روشن میشوند. همچنین اطلاعات روی چندین سرور در شهرها یا قارههای متفاوت نسخه پشتیبان دارند، بنابراین از دست رفتن داده تقریباً غیرممکن است.
پاسخ: سرورهای ابری از رمزنگاری10 استفاده میکنند. فرمول پایهٔ رمزنگاری به صورت $ \text{متن رمزشده} = E(K, \text{متن اصلی})$ نمایش داده میشود که در آن $E$ الگوریتم رمزنگاری و $K$ کلید محرمانه است. فقط کاربر دارای کلید میتواند اطلاعات را بخواند. همچنین قوانین حریم خصوصی، شرکتهای ابری را ملزم به محافظت از دادهها میکند.
پاسخ: ممکن است مرکز ابری میزبان آن وبسایت در نقطهای دور از شما قرار داشته باشد (تأخیر یا لَتِنسِی). برای حل این مشکل از شبکهٔ توزیع محتوا11 استفاده میشود که کپیهایی از وبسایت را در مراکز ابری نزدیک به کاربران مختلف ذخیره میکند. رابطهٔ تأخیر با فاصله تقریباً خطی است: $ \text{تأخیر} \propto \frac{\text{فاصله}}{\text{سرعت نور در فیبر نوری}}$
پاورقیها
1خدمت ابری: سرویسی که از طریق اینترنت و بدون نیاز به نصب محلی ارائه میشود (معادل انگلیسی: Cloud Service).
2مجازیسازی: تکنیکی برای تقسیم یک منبع فیزیکی به چندین منبع منطقی (Virtualization).
3دیتاسنتر: مرکز داده یا همان مرکز ذخیره و پردازش اطلاعات (Data Center).
4رک: قفسهٔ استاندارد فلزی برای نصب سرورها (Rack).
5زیرساخت به عنوان خدمت (IaaS): ارائهٔ ماشینهای مجازی، ذخیرهسازی و شبکه به صورت اجارهای (Infrastructure as a Service).
6پلتفرم به عنوان خدمت (PaaS): ارائهٔ محیط توسعه و اجرای برنامه بدون مدیریت زیرساخت (Platform as a Service).
7نرمافزار به عنوان خدمت (SaaS): ارائهٔ نرمافزارهای آماده از طریق مرورگر (Software as a Service).
8سامانه فایل توزیعشده: سیستمی که فایلها را روی چندین سرور ذخیره میکند اما یک مسیر یکپارچه برای دسترسی دارد (Distributed File System).
9یوپیاس: منبع تغذیه بدون وقفه که در هنگام قطع برق لحظهای انرژی میدهد (Uninterruptible Power Supply).
10رمزنگاری: تبدیل اطلاعات به شکلی نامفهوم برای افراد غیرمجاز (Cryptography).
11شبکهٔ توزیع محتوا: شبکهای از سرورهای پراکنده در جهان که کپی محتوا را نزدیک کاربران نگهداری میکند (Content Delivery Network - CDN).