اصول برنامه‌سازی مقیاس‌پذیر برنامه‌های درسی

یک الگوریتم، طراحی، پروتکل، برنامه رایانه ای یا هر سیستم دیگری مقیاس پذیر خوانده می‌شود اگر برای مقیاس‌های بزرگتر هم بتواند به طرز مناسب و عملی و کارا استفاده شود. یکی دیگر از مزایای برنامه‌های مقیاس‌پذیر این است که می‌توان آن‌ها را به راحتی برای پاسخگویی به نیازهای خاص یک کسب‌وکار سفارشی کرد. علاوه بر این، برنامه‌های مقیاس‌پذیر بر روی معماری‌های مدولار ساخته شده‌اند که به شما امکان می‌دهد ویژگی‌ها را به صورت دلخواه اضافه یا حذف کنید. برنامه‌های مقیاس‌پذیر تجربه کاربری بهتری ارائه می‌دهند زیرا می‌توانند تعداد بیشتری از کاربران را بدون کاهش سرعت یا خرابی مدیریت کنند. این امر به ویژه برای کسب‌وکارهایی که برای کسب درآمد به برنامه‌های خود متکی هستند، اهمیت دارد.

در واقع، انتزاع به برنامه‌نویس این فرصت را می‌دهد که پیچیدگی‌های کد را در سطوح پایین‌تر مخفی کند و تنها آنچه لازم است برای ارتباط با دیگر بخش‌های سیستم را نمایان کند. یکی از مفاهیم کلیدی که برای طراحی و توسعه نرم‌افزارهای مقیاس‌پذیر به کار می‌روند، انتزاع (Abstraction) و اینترفیس‌ها (Interfaces) هستند. پروتکلی قابل استفاده میان واحد کنترل و اطلاعات معماری SDN که در سال ۲۰۰۸ توسط پروفسور نیک مک‌کوئن و همکاران او معرفی شد. در پروتکل OpenFlow و برای تبادل اطلاعات، راه ارتباطی یا به اصطلاح کانال منحصربه‌فردی میان سوئیچ و کنترلر برقرار است. طی این فرایند امکان ارسال «بسته‌ها» (Pockets) به رابط کاربری یا نادیده گرفتن آن‌ها توسط پروتکل‌هایی همچون «اِترنت» (Ethernet)، IPv4 و IPv6 وجود دارد.

هدف این درس، آشنا کردن دانشجویان کارشناسی ارشد و دکترا با الگوها و پارادایم‌های برنامه‌نویسی مقیاس‌پذیر و با کارایی بالا برای ساخت سیستم‌های مقیاس بالا است. این الگوها باید به صورت عملی در یک یا چند زبان برنامه‌نویسی به دانشجویان تدریس شود که زبان پیشنهادی اسکالا است. یکی دیگر از اصول اساسی در طراحی سیستم‌های مقاوم و پایدار، افزایش افزونگی (Redundancy) در تمام بخش‌های اپلیکیشن است. به عبارت ساده، ایجاد افزونگی به این معنیه که هیچ قسمتی از سیستم نباید به تنهایی نقطه ضعف بحرانی باشه که با خرابی اون، کل سیستم دچار اختلال بشه. داشتن افزونگی در همه بخش‌ها باعث میشه حتی اگه یکی از اجزای سیستم از کار بیفته، بقیه اجزا بتونن به کار خودشون ادامه بدن و سیستم به شکل خودکار مسیر خودش رو به سمت منابع سالم هدایت کنه.

مقیاس‌پذیری ترکیبی، که به عنوان مقیاس‌بندی قطری نیز شناخته می‌شود، ترکیبی از مقیاس‌پذیری افقی و عمودی است و یک محیط ابری انعطاف‌پذیر و مقیاس‌پذیر را ارائه می‌دهد. این نوع مقیاس‌پذیری به شما امکان می‌دهد در صورت نیاز منابع یا نمونه‌های بیشتری اضافه کنید و در عین حال منابع موجود را برای دستیابی به حداکثر بهره‌وری بهینه کنید. مقیاس‌پذیری ترکیبی معمولاً برای برنامه‌های پیچیده‌ای استفاده می‌شود که به ترکیبی از قدرت پردازشی، ذخیره‌سازی و پهنای باند نیاز دارند. مقیاس پذیری به معنای قابلیت گسترش و توسعه شبکه به صورت ساده و مقرون‌به‌صرفه است. این ویژگی مهم در شبکه‌ها و کسب‌وکارها به این دلیل است که با رشد روز افزون تکنولوژی و ظهور دستگاه‌های جدید، تعداد دستگاه‌های متصل به شبکه و یک سیستم در حال افزایش است.

Message Queues شکلی از ارتباط سرویس به سرویس ناهمزمان (Asynchronous Service-to-Service) است که در معماری های بدون سرور و میکروسرویس استفاده می شود. Message Queue مؤلفه ای است که برای انتقال داده ها بین برنامه ها یا سرویس ها استفاده می شود تا اطمینان حاصل شود که این داده ها به روش Asynchronous پردازش می شوند. سرویس‌های مختلف را می‌توان با استفاده از زبان‌ها و فناوری‌های برنامه‌نویسی مختلف توسعه داد، به شرطی که بتوانند از طریق APIها ارتباط برقرار کنند. در سیستم‌های شی‌گرا، اشیاء برای برقراری ارتباط با یکدیگر نیاز به ارسال و دریافت پیام دارند. یکی از راه‌های بهینه‌سازی عملکرد، به حداقل رساندن تعاملات پیچیده بین اشیاء و برقراری ارتباط از طریق متدهای ساده و کارآمد است.

ثبات نهایی یک مدل است که در آن، با توجه به زمان کافی و بدون به روز رسانی بیشتر، تمام نسخه های یک قطعه داده به همان مقدار همگرا خواهند شد. ایجاد تعادل بین در دسترس بودن، تحمل پارتیشن و ثبات یک چالش است و مدل های ثبات نهایی نیاز به توجه دقیق برای جلوگیری از درگیری ها و رفتارهای ناخواسته دارند. در این روش، برنامه در datacenterها یا مناطق جغرافیایی مختلف مستقر می‌شود تا تأخیر کاهش یابد و پایداری سیستم در صورت بروز مشکل در یک منطقه حفظ شود. سرویس قوی و پایدار که برای نصب و راه‌اندازی سیستم مدیریت محتوای وردپرس بهینه شده است. سیستم‌ها باید به‌طور منظم به‌روزرسانی و Patch شوند تا در برابر آسیب‌پذیری‌های شناخته شده محافظت شوند. این اصل نشان می دهد که کاربران باید کمترین دسترسی لازم را برای تکمیل وظایف خود داشته باشند.

قابل ذکر است که با گذشت سال‌ها، توسعه و تعمیم واحد اطلاعات یا داده، مشابه با سخت‌افزار رایج سیستم‌های کامپیوتری افزایش یافته است. این اصطلاحات تنها چند مورد از مفاهیم پایه شبکه هستند که درک آن‌ها برای یادگیری مباحث پیچیده‌تر لازم و مهم است. تا اینجا با مفهوم، انواع و همچنین اصطلاحات رایج شبکه‌های کامپیوتری آشنا شدیم. در ادامه یاد می‌گیریم برنامه نویسی شبکه چیست و چه ابزارهایی بیشترین کاربرد را در این زمینه دارند. تشخیص مشکلات عملکرد و اشکال زدایی در یک سیستم توزیع شده به دلیل ماهیت توزیع شده ذاتی اجزای پیچیده است.

این قابلیت بیشتر برای مقیاس‌پذیری ذخیره‌سازی، نگهداری طولانی‌مدت داده‌ها، پشتیبان‌گیری (Backup) و بازیابی در مواقع بحرانی (Disaster Recovery) مورداستفاده قرار می‌گیرد. هر سرویس نیاز به نظارت دقیق دارد و باید اطمینان حاصل شود که هر سرویس به‌درستی کار می‌کند. استفاده از ابزارهای مانیتورینگ مانند Prometheus، Grafana و ابزارهای مدیریت لاگ می‌تواند به شناسایی مشکلات کمک کند. در یک معماری تک‌قطبی، تمام اجزای برنامه در یک بسته واحد قرار می‌گیرند و هر قسمت از برنامه به بقیه اجزا وابسته است. اما در معماری میکروسرویس، برنامه به تعداد زیادی ماژول کوچک‌تر و مستقل تقسیم می‌شود که هر کدام یک سرویس مجزا به حساب می‌آیند و بدون وابستگی به سایر قسمت‌ها کار می‌کنند. در این مقاله به بررسی دقیق معماری میکروسرویس و مزایای آن برای پروژه‌های مقیاس‌پذیر می‌پردازیم و اینکه چگونه این معماری به کسب‌وکارها کمک می‌کند تا با سرعت بیشتری به تغییرات بازار واکنش نشان دهند.

مقیاس پذیری عمودی یا مقیاس پذیری به سمت بالا (Scaling Up) زمانی انجام می‌شود که اپلیکیشن توان هندل کردن بار حجم بالای اطلاعات را نداشته باشد. برای مثال، تصور کنید که شما یک دیتابیس با 10 گیگابایت اطلاعات دارید اما سرور توانایی هندل کردن آن را ندارد. برای هندل کردن این بار اضافی، شما یک سرور گران قیمت جدید با حجم 2 ترابایت را خریداری می‌کنید. در یک سیستم مونوولیتیک، اگر یک قسمت از برنامه با مشکل مواجه شود، ممکن است کل سیستم دچار اختلال شود. اما در معماری میکروسرویس، چون هر سرویس به‌صورت مستقل عمل می‌کند، مشکل در یکی از سرویس‌ها به کل سیستم تأثیر نمی‌گذارد. برای مثال، اگر سرویس مدیریت سفارش دچار مشکل شود، سایر سرویس‌ها مانند پرداخت یا احراز هویت می‌توانند به کار خود ادامه دهند.

با این کار شما سیستم های قوی تری دارید که میتوانند به درخواست های بیشتری در زمان سریعتر پاسخ دهند. مدولار کردن شبکه شما با این استراتژی ها انعطاف پذیری، مقیاس پذیری و کارایی را در مدیریت منابع و ترافیک تضمین می کند. با افزایش تقاضا برای داده‌ها، دستگاه‌ها و اتصال، مقیاس‌بندی کارآمد شبکه شما بسیار مهم است. اگر نتوانید خود را تطبیق دهید، شبکه شما می تواند به گلوگاهی تبدیل شود که عملیات را کند می کند. زمانی که صحبت از سیستم های توزیع شده (Distributed Systems) است، که در این سیستم‌ها داده‌ها در چندین سرور توزیع می شوند، سازگاری می تواند کمی پیچیده باشد.

با درک و مقابله با این چالش ها، توسعه دهندگان می‌توانند به ایجاد سیستم های توزیع شده انعطاف پذیر، کارآمد و مقیاس پذیر که تجربیات دیجیتال فردا را تقویت می‌کنند، کمک کنند. تریدآف‌هایی بین این دو مدل وجود دارد.تعداد بیشتر کامپیوترها به معنای افزایش پیچیدگی مدیریت و همچنین مدل برنامه نویسی پیچیده‌تر و مسائلی مانند توان عملیاتی و تأخیر بین گره‌ها است. همچنین، برخی از برنامه‌ها را نمی‌توان در چارچوب یک مدل محاسباتی توزیع شده ارائه کرد. استقرار (deploy) یک سیستم مجازی جدید بر روی یک هایپروایزر (در صورت امکان) تقریباً همیشه ارزان‌تر از خرید و نصب واقعی یک سرور است. مقیاس پذیری (Scalability) در شبکه به معنای قابلیت توسعه و افزایش ظرفیت شبکه در پاسخ به نیازهای رو به رشد کاربران و افزایش ترافیک داده‌ها است.

در دنیای فناوری اطلاعات و توسعه نرم‌افزارهای مدرن، معماری میکروسرویس (Microservices Architecture) به‌عنوان یکی از بهترین راه‌حل‌ها برای طراحی و ساخت سیستم‌های پیچیده و بزرگ شناخته می‌شود. معماری میکروسرویس، برخلاف معماری‌های سنتی یکپارچه، برنامه را به تعدادی سرویس مستقل و کوچک‌تر تقسیم می‌کند که هر کدام می‌توانند به‌صورت مستقل از همدیگر توسعه، مدیریت و مقیاس‌بندی شوند. این مدل معماری باعث افزایش انعطاف‌پذیری، سرعت در توسعه و بهبود مقیاس‌پذیری می‌شود. پس از آنکه یاد گرفتیم برنامه نویسی شبکه چیست و با برخی از تکنولوژی‌های مورد استفاده در شبکه نیز آشنا شدیم، در این بخش به بررسی مزایا برنامه‌نویسی شبکه می‌پردازیم. همزمان با سرعت گرفتن توسعه فناوری‌های دیجیتال، تعداد قابل توجهی از سازمان‌ها تصمیم به جابه‌جایی سرویس‌های خود به فضا ابری گرفته‌اند.

استفاده از تست‌های یکپارچگی و تست‌های قراردادی می‌تواند به تضمین کیفیت سیستم کمک کند. Load Balancing روشی برای توزیع ترافیک شبکه یا برنامه در چندین سرور است تا اطمینان حاصل شود که هیچ سروری تقاضای زیادی را تحمل نمی کند. کاربردی که امکان دسترسی و مدیریت از راه دور یک دستگاه یا سیستم را برای کاربران مهیا می‌کند. به عنوان مثال، هنگام استفاده از نرم‌افزاری مانند TeamViewer، می‌توانید کامپیوتری را در مکان دیگر کنترل کنید. به‌طور کلی «دسترسی از راه دور»‌ (Remote Access)، به سطح امنیت و عملکرد بستگی داشته و با پروتکل‌هایی چون SSH، RDP، VNC و Telnet انجام می‌گیرد. همچنین در کاربرد دسترسی از راه دور، امکان به‌کارگیری مکانیزم‌های احراز هویت برای تایید دسترسی کاربران وجود دارد.

این ویژگی به آن‌ها کمک می‌کند حتی در روزهایی که ترافیک شدید است، مثل رویدادهای تخفیفی، عملکرد خود را حفظ کنند. برنامه‌هایی که با این سبک طراحی می‌شوند، از چندین مؤلفه مستقل تشکیل شده‌اند که به‌طور جداگانه مستقر می‌شوند. خدماتی که یک برنامه میکروسرویس را تشکیل می‌دهند، می‌توانند از تکنولوژی‌های مختلف استفاده کنند و به پایگاه داده‌های مختلف دسترسی داشته باشند. به‌عنوان مثال، یک برنامه تجارت الکترونیکی مبتنی بر معماری میکروسرویس ممکن است شامل یک سرویس برای جستجوی محصولات، یک سرویس برای پروفایل کاربران، و یک سرویس دیگر برای مدیریت سفارش‌ها باشد. مقیاس‌پذیری عمودی، که به عنوان مقیاس‌بندی درونی نیز شناخته می‌شود، به توانایی افزودن منابع بیشتر به یک نمونه موجود اشاره دارد. به عنوان مثال، اگر به قدرت پردازشی بیشتری نیاز داشته باشید، می‌توانید به یک سرور موجود CPU، RAM، یا فضای ذخیره‌سازی بیشتری اضافه کنید.

در این مثال، با استفاده از اینترفیس IPaymentProcessor، شما می‌توانید انواع مختلف پردازش‌های پرداخت مانند کارت اعتباری یا پی‌پال را بدون وابستگی به جزئیات پیاده‌سازی هر کدام، به راحتی اضافه کنید. یکی از مزایای عمده این روش، استفاده از فناوری مجازی‌سازی به شکل موثر آن است زیرا در سیستم‌هایی که به صورت Scale Up مقیاس‌بندی شده‌اند می‌توانیم منابع بیشتری برای مجازی‌سازی داشته باشیم. به عنوان دیگر مهارت‌های ارزشمند برای افراد فعال در حوزه شبکه می‌توان از آشنایی با شبکه‌های «کانتینر» (Container)، ابری، اینترنت اشیا (IoT)، تجربه کار با ابزارهای DevOps و شناخت کنترلرهای شبکه نام برد. نحوه واکنش به هر نوع خطا، بستگی به نیازمندی‌های دسترسی‌پذیری (Availability) اپلیکیشنت داره. مثلاً اگه به دسترسی‌پذیری بالا نیاز داری، می‌تونی از چندین Availability Zone استفاده کنی یا برای سناریوهای بحرانی، سوییچ اتوماتیک به Region پشتیبان (Fail-over) داشته باشی.

برای توسعه‌دهندگان و معماران نرم‌افزار، بررسی این عوامل مقیاس‌پذیری هنگام انتخاب زبان برنامه‌نویسی برای پروژه‌های جدید بسیار مهم است. تحلیل نیازهای خاص برنامه و چگونگی تطبیق ویژگی‌های یک زبان با این نیازها کلید ساخت راه‌حل‌های نرم‌افزاری مقیاس‌پذیر و کارآمد است. اجزای یک برنامه میکروسرویس می‌توانند به‌صورت مستقل مقیاس‌پذیری شوند، بدون اینکه کل نرم‌افزار تحت فشار قرار گیرد. بنابراین، اگر به دنبال یک راه‌حل مقیاس‌پذیر هستید، معماری میکروسرویس‌ها انتخاب مناسبی خواهد بود. برای آشنایی بیشتر با معماری مونولیت و میکروسرویس میتوانید دوره ذایگان و مقدماتی آشنایی با میکروسرویس ها(microservices) را مشاهده نمایید.

از جمله رایج‌ترین کاربردهای برنامه‌نویسی شبکه می‌توان به «انتقال داده» (Data Transfer) اشاره کرد. فرایندی که شامل ارسال و دریافت اطلاعات میان دو یا تعداد بیشتری دستگاه می‌شود. برای مثال وقتی به وب‌سایتی مراجعه می‌کنید، مرورگر درخواستی به وب سرور فرستاده و صفحه مورد نظر شما را به عنوان پاسخ برمی‌گرداند. در انتقال داده، بنابر نوع و فرمت اطلاعات و همچنین معماری شبکه، از پروتکل‌های مختلفی همچون HTTP، FTP، SMTP و TCP/IP استفاده می‌شود. علاوه‌بر این در انتقال داده، امکان بهره‌گیری از تکنیک‌های رمزگذاری و فشرده‌سازی نیز وجود دارد. محاسبات لبه یک روند در حال ظهور است که چشم انداز سیستم های توزیع شده در مقیاس بزرگ را تغییر می‌دهد.

شبکه سونیک (Sonic) یک بلاک چین لایه یک و سازگار با ماشین مجازی اتریوم (EVM) است که تجربه‌ای روان‌تر و سریع‌تر از فانتوم را برای کاربران فراهم می‌کند. تیم توسعه شبکه فانتوم در آگوست ۲۰۲۴ به سونیک تغییر نام داد تا به اهداف جدیدی در زمینه عملکرد و تجربه کاربری بلاک چین خود دست یابد. شبکه جدید سونیک نیز در دسامبر ۲۰۲۴ راه‌اندازی شد و امکانات بهبود یافته‌ای نظیر سرعت بالاتر، پردازش نهایی سریع تراکنش‌ها و سیستم حمایتی برای توسعه‌دهندگان ارائه می‌دهد. مقیاس‌پذیری یکی از مهم‌ترین مفاهیم در فناوری است که به سیستم‌ها و فرآیندها امکان می‌دهد بدون افت کارایی، خود را با تغییرات یا افزایش بار کاری تطبیق دهند. برای مثال، شرکت‌های بزرگی مثل گوگل و آمازون با استفاده از معماری‌های مقیاس‌پذیر توانسته‌اند حجم عظیم داده‌ها و درخواست‌های کاربران را بدون مشکل مدیریت کنند.

بدون مدیریت مناسب پهنای باند، شبکه شما می تواند شلوغ شود، سرعت انتقال داده ها را کاهش داده و بر تجربه کاربر تأثیر بگذارد. با توزیع منابع محاسباتی نزدیک‌تر به لبه، می‌توانید شبکه خود را بدون نیاز به گسترش مراکز داده مرکزی به طور کارآمدتر مقیاس کنید. این به ویژه برای برنامه های کاربردی اینترنت اشیا یا مشاغل با مکان های توزیع شده متعدد مفید است. با توزیع کارآمد ترافیک، تعادل بار به شما کمک می‌کند عملکرد بالا را حتی در دوره‌های اوج استفاده حفظ کنید. همچنین تضمین می کند که از منابع شبکه خود به طور کامل استفاده می کنید و از هدر رفتن جلوگیری می کنید و زمان پاسخگویی را سریع نگه می دارید.

می‌توانید از راه‌حل‌های نظارتی موجود و چارچوب‌های جمع‌آوری گزارش، مانند Splunk استفاده کنید. اگر نرم‌افزار شما در فضای ابری اجرا می‌شود، می‌توانید از راه‌حل ارائه‌دهنده ابر استفاده کنید. همچنین در برخی صنایع مانند بانکداری، زمان پردازش تراکنش اهمیت زیادی دارد و نمی‌توانید منتظر پاسخ‌دهی فضای ابری بمانید یا هیچ قطعی از سوی ارائه‌دهندگان ابری را تحمل کنید. شرکت‌هایی که در این صنایع فعالیت می‌کنند مجبور به استفاده از سخت‌افزارهای خاص هستند و نمی‌توانند به پیشنهادات عمومی ارائه‌دهندگان ابری اعتماد کنند. این مسئله برای برنامه‌های حساس به زمان و ماموریت‌محور مانند وسایل نقلیه خودران نیز صدق می‌کند.

سیستم های توزیع شده در مقیاس بزرگ شامل هماهنگی و تعامل اجزای متعدد در مکان های مختلف فیزیکی است. ویژگی هایی مانند مقیاس پذیری، تحمل خطا و در دسترس بودن بالا اصول طراحی آنها را تعریف می‌کند. درک ویژگی های اساسی سیستم های توزیع شده زمینه را برای بررسی چالش های برنامه نویسی مرتبط فراهم می‌کند. برنامه‌های مقیاس‌پذیر نه تنها تجربه کاربری بهتری ارائه می‌دهند بلکه می‌توانند عملکرد برنامه را نیز بهبود بخشند. دلیل این امر این است که برنامه‌های مقیاس‌پذیر حتی زمانی که تعداد بیشتری از کاربران همزمان به برنامه دسترسی دارند، به طور کارآمد اجرا می‌شوند.

مقیاس‌پذیری در برنامه‌نویسی به شما کمک می‌کند تا وب‌سایت‌هایی با ترافیک بالا را مدیریت کنید. به‌عنوان مثال، وب‌سایت‌های فروشگاهی یا شبکه‌های اجتماعی نیاز دارند که درخواست‌های کاربران را به‌صورت مؤثر میان چندین سرور تقسیم کنند. مقیاس‌پذیری، توانایی یک سیستم یا برنامه برای مدیریت افزایش بار کاری بدون افت کیفیت یا عملکرد است. به عنوان مثال، وقتی وب‌سایتی با افزایش ناگهانی کاربران مواجه می‌شود، مقیاس‌پذیری مشخص می‌کند که آیا این سایت می‌تواند بدون کاهش سرعت به کار خود ادامه دهد یا خیر. امروزه پرومتئوس به‌طور گسترده در صنایع مختلف برای مانیتورینگ سیستم‌ها، هشداردهی و تحلیل داده‌های متریک (Metric data analysis) استفاده می‌شود.