Distributed computing: calcolo distribuito per infrastrutture digitali efficienti

Il distributed computing (in italiano “calcolo distribuito”) è ormai parte integrante nell’ambito della vita quotidiana e lavorativa. Chi naviga in Internet ed effettua una ricerca su Google utilizza proprio il distributed computing. Le architetture di sistema distribuite caratterizzano anche molte attività d’impresa e forniscono a un gran numero di prestazioni e servizi, sufficienti capacità di calcolo ed elaborazione. Vi spiegheremo di seguito come funziona questa procedura e raffigureremo le architetture di sistema utilizzate e gli ambiti di impiego. Verranno anche trattati i vantaggi del calcolo distribuito.

Il termine “distributed computing” definisce un’infrastruttura digitale in cui un cluster risolve dei compiti di calcolo. Nonostante la distanza fisica, i computer lavorano autonomamente e in modo strettamente interconnesso in un processo di suddivisione dei compiti. Per la procedura è secondario il tipo di server utilizzato, oltre a computer particolarmente performanti e postazioni di lavoro di tipo professionale, si possono collegare anche minicomputer e computer desktop di utenti privati.

Visto che l’hardware condiviso non può avere una memoria comune a causa della separazione fisica, i computer interessati si scambiano messaggi e dati come risultati di calcolo tramite una rete. La comunicazione tra computer avviene localmente per mezzo di Intranet (ad esempio in un centro di calcolo) o a livello interregionale o globale via Internet. La trasmissione dei messaggi è effettuata tramite protocolli Internet come TCP/IP e UDP.

All’insegna del principio di trasparenza, il distributed computing aspira a mostrarsi esternamente come un’unità funzionale e a semplificare il più possibile il controllo della parte tecnica. Gli utenti che ad esempio effettuano la ricerca di un prodotto nella banca dati di un negozio online, considerano l’esperienza d’acquisto come un processo unico e non devono preoccuparsi dell’architettura di sistema modulare dell’infrastruttura utilizzata.

Infine il distributed computing è anche una combinazione di distribuzione dei compiti e interazione coordinata. Lo scopo è quello di rendere il più efficiente possibile la gestione dei compiti e di trovare soluzioni flessibili e pratiche.

Un’architettura orientata al servizio (SOA) mette al centro i servizi e si rivolge in maniera personalizzata alle esigenze e alle procedure di un’azienda. Così i singoli servizi si uniscono in un processo aziendale pensato ad hoc. Ad esempio l’intero processo di un “ordine online” può essere rappresentato in un SOA, che prevede i servizi “accettazione ordine”, “verifica credito” e “invio fattura”. Le componenti tecniche (server, banca dati, ecc.), fungono da strumenti ausiliari, ma non sono in primo piano. In questo progetto di distributed computing ad avere la priorità sono l’intelligente raggruppamento, collaborazione e organizzazione dei servizi, prestando attenzione a come svolgere nel modo più efficiente e senza intoppi i processi aziendali.

In un’architettura orientata ai servizi si attribuisce particolare importanza a interfaccia ben definite, che uniscano i componenti in maniera operativa e aumentino l’efficienza. Quest’ultima trae vantaggio anche dalla flessibilità del sistema, visto che i servizi possono essere applicati in maniera variabile a più contesti e riutilizzati nei processi aziendali. Le architetture orientate ai servizi, che puntano sul distributed computing, si basano spesso su servizi web. Vengono ad esempio realizzati su piattaforme condivise come CORBA, MQSeries e J2EE.

Il distributed computing presenta molti vantaggi. Le aziende possono realizzare un’infrastruttura performante e accessibile che, al posto di grandi computer estremamente costosi (mainframes), utilizza computer comunemente in commercio con microprocessori. I grandi cluster possono addirittura superare le capacità di singoli supercomputer e risolvere complesse attività di calcolo dell’High-Performance-Computing.

Dato che le architetture di sistema del distributed computing sono basate su molte componenti, a volte ridondanti, è facile compensare la perdita di singole unità (maggior sicurezza in caso di malfunzionamento). Grazie all’elevata suddivisione dei compiti, i processi possono essere dislocati e il carico di calcolo suddiviso (distribuzione dei carichi).

Molte soluzioni del distributed computing puntano ad una maggior flessibilità, che solitamente accresce anche efficienza e redditività. Per trovare una soluzione a determinati problemi possono essere incluse piattaforme specializzate come server per banche dati. Per esempio, tramite le architetture SOA in ambito aziendale si creano delle soluzioni personalizzate, che ottimizzano ad hoc determinati i processi aziendali. I gestori possono offrire capacità di calcolo e infrastrutture a livello internazionale, consentendo così anche il lavoro in cloud. In questo modo è possibile far fronte alle esigenze dei clienti con offerte scaglionate e corrispondenti ai loro bisogni.

Uno degli elementi che contribuiscono alla flessibilità del distributed computing è il fatto che permette di sfruttare anche capacità temporaneamente inutilizzate per progetti particolarmente ambiziosi. Gli utenti sono in grado di contare sulla flessibilità anche nell’acquisto degli hardware, visto che non sono legati ad un singolo produttore.

Un notevole vantaggio è dato dalla scalabilità. Alle aziende viene messa a disposizione una scalabilità a breve termine e rapida o, in caso di continua crescita di organico, l’adeguamento progressivo delle prestazioni di calcolo necessarie per le proprie esigenze. Nel caso in cui per la scalabilità si punti su hardware propri, il parco dispositivi può essere continuamente ampliato in step economicamente accessibili.

Nonostante i notevoli vantaggi, il distributed computing presenta anche alcuni svantaggi, un notevole impegno in termini di implementazione e manutenzione nel caso di architetture di sistema complesse. Inoltre i problemi di timing e di sincronizzazione devono essere superati tra istanze distribuite. Per quanto riguarda la sicurezza in caso di malfunzionamento, l’approccio decentralizzato è vantaggioso rispetto ad una singola istanza di elaborazione. Però le procedure connesse al distributed computing comportano anche problemi di sicurezza, come lo scambio dati tramite reti aperte e la vulnerabilità a sabotaggi e hackeraggi. Le infrastrutture distribuite sono in generale più soggette all’errore, visto che a livello di hardware e di software ci sono più interfacce e potenziali fonti di problemi. La diagnosi dei problemi e degli errori è inoltre resa più difficile dalla complessità infrastrutturale.

Il distributed computing è diventato una tecnologia di base essenziale per la digitalizzazione della vita quotidiana e lavorativa. Internet e i servizi che questo offre sarebbero impensabili senza le architetture client-server e i sistemi distribuiti. Il distributed computing entra in gioco ad ogni ricerca effettuata con Google, quando istanze di fornitura in tutto il mondo generano in stretta collaborazione un adeguato risultato di ricerca. Anche Google Maps e Google Earth per i loro servizi si servono del distributed computing.

Anche sistemi mail e per le conferenze, sistemi di prenotazione di compagnie aeree e di catene di hotel, biblioteche e sistemi di navigazione utilizzano le procedure e le architetture del calcolo condiviso. I processi di automazione così come i sistemi di pianificazione, produzione e progettazione nel mondo del lavoro sono i campi di applicazione d’elezione di questa tecnologia. Le reti sociali, i sistemi mobile, l’onlinebanking e l’onlinegaming (sistemi multiplayer) utilizzano efficienti distributed systems.

Altri campi di applicazione del distributed computing sono le piattaforme di e-learning, l’intelligenza artificiale e l’e-commerce. Gli acquisti e gli ordini negli shop online vengono solitamente supportati da sistemi distribuiti. In meteorologia i sistemi di rilevamento e monitoraggio nella previsione delle catastrofi puntano sulle capacità di calcolo di sistemi distribuiti. Molte applicazioni digitali oggigiorno si basano su banche dati distribuite.

Progetti di ricerca che richiedono elevate capacità di calcolo, per i quali prima servivano costosi supercomputer (ad esempio computer Cray), possono ora essere realizzati con i sistemi distribuiti. Il progetto Volunteer-Computing Seti@home è stato lo standard di riferimento nell’ambito del calcolo condiviso dal 1999 al 2020. Un numero indefinito di computer domestici di utenti privati hanno valutato i dati del radiotelescopio Arecibo che si trova a Puerto Rico, e hanno così aiutato l’università di Berkeley nella ricerca della vita al di fuori del nostro pianeta.

Una particolarità è stata quella dell’approccio efficiente nell’uso delle risorse: il software di valutazione lavorava solamente nelle fasi in cui i computer degli utenti non erano altrimenti occupati. Dopo l’analisi dei segnali, i risultati tornavano alla centrale di Berkeley. Esistono progetti comparabili in tutto il mondo anche in altre università e istituti.