قابلية التوسع

قابلية التوسع هي خاصية النظام التي تمكنه من التعامل مع حجم متزايد من العمل. أحد تعريفات أنظمة البرمجيات ينص على أنه يمكن تحقيق ذلك عن طريق إضافة موارد إلى النظام. ^{[ 1 ]}

في السياق الاقتصادي ، يعني نموذج الأعمال القابل للتوسع أن الشركة قادرة على زيادة مبيعاتها بزيادة مواردها. على سبيل المثال، يُعد نظام توصيل الطرود قابلاً للتوسع لأنه يمكن توصيل المزيد من الطرود بإضافة المزيد من مركبات التوصيل. مع ذلك، إذا كان على جميع الطرود المرور أولاً عبر مستودع واحد للفرز، فلن يكون النظام قابلاً للتوسع بنفس القدر، لأن المستودع الواحد لا يستطيع استيعاب سوى عدد محدود من الطرود. ^{[ 2 ]}

في مجال الحوسبة، تُعدّ قابلية التوسع سمةً أساسيةً لأجهزة الحاسوب والشبكات والخوارزميات وبروتوكولات الشبكات والبرامج والتطبيقات . ومن الأمثلة على ذلك محركات البحث ، التي يجب أن تدعم أعدادًا متزايدة من المستخدمين، وعددًا متزايدًا من المواضيع التي تفهرسها . ^{[ 3 ]} أما الحوسبة السحابية واسعة النطاق فهي منهجية معمارية حاسوبية تُتيح الاستفادة من إمكانيات شركات الحوسبة السحابية واسعة النطاق في مراكز بيانات المؤسسات. ^{[ 4 ]}

في الأنظمة الموزعة ، توجد عدة تعريفات وفقًا للمؤلفين، فبعضهم يعتبر مفهوم قابلية التوسع جزءًا من المرونة ، بينما يعتبره آخرون مفهومًا منفصلاً. يقول مارك بروكر: "يكون النظام قابلاً للتوسع في النطاق الذي تكون فيه التكلفة الحدية لعبء العمل الإضافي ثابتة تقريبًا". تتوافق تقنيات الحوسبة بلا خوادم مع هذا التعريف، ولكن يجب مراعاة التكلفة الإجمالية للملكية وليس فقط تكلفة البنية التحتية. ^{[ 5 ]}

في الرياضيات، تشير قابلية التوسع في الغالب إلى الإغلاق تحت الضرب القياسي .

في الهندسة الصناعية والتصنيع، تشير قابلية التوسع إلى قدرة عملية أو نظام أو مؤسسة على التعامل مع حجم عمل متزايد، والتكيف مع الطلبات المتنامية، والحفاظ على الكفاءة التشغيلية. يمكن للنظام القابل للتوسع إدارة أحجام الإنتاج المتزايدة، وخطوط الإنتاج الجديدة، أو الأسواق المتوسعة بكفاءة دون المساس بالجودة أو الأداء. في هذا السياق، تُعد قابلية التوسع عاملاً بالغ الأهمية للشركات التي تسعى إلى تلبية توقعات العملاء، والحفاظ على قدرتها التنافسية، وتحقيق نمو مستدام. تشمل العوامل المؤثرة في قابلية التوسع مرونة عملية الإنتاج، وقدرة القوى العاملة على التكيف، ودمج التقنيات المتقدمة. من خلال تطبيق حلول قابلة للتوسع، تستطيع الشركات تحسين استخدام الموارد، وخفض التكاليف، وتبسيط عملياتها. تُمكّن قابلية التوسع في الهندسة الصناعية والتصنيع الشركات من الاستجابة لظروف السوق المتقلبة، والاستفادة من الفرص الناشئة، والازدهار في بيئة عالمية دائمة التطور.

يُستخدم نظام إدارة الحوادث (ICS) من قِبل وكالات الاستجابة للطوارئ في الولايات المتحدة. يُتيح هذا النظام إمكانية تنسيق الموارد على نطاق واسع، بدءًا من حريق صغير على جانب الطريق وصولًا إلى حريق هائل على طريق سريع عابر للولايات. يتولى أول فرد يصل إلى موقع الحادث قيادة العمليات، ويملك صلاحية طلب الموارد وتوزيع المسؤوليات (إدارة ما بين خمسة إلى سبعة ضباط، والذين بدورهم يُوزّعون المهام على سبعة ضباط آخرين، وهكذا مع اتساع نطاق الحادث). ومع توسع نطاق الحادث، يتولى ضباط ذوو رتب أعلى قيادة العمليات. ^{[ 6 ]}

يمكن قياس قابلية التوسع عبر أبعاد متعددة، مثل: ^{[ 7 ]}

• قابلية التوسع الإداري : قدرة عدد متزايد من المؤسسات أو المستخدمين على الوصول إلى النظام.
• قابلية التوسع الوظيفي : القدرة على تحسين النظام عن طريق إضافة وظائف جديدة دون تعطيل الأنشطة الحالية.
• قابلية التوسع الجغرافي : القدرة على الحفاظ على الفعالية أثناء التوسع من منطقة محلية إلى منطقة أكبر.
• قابلية التوسع في الأحمال : قدرة النظام الموزع على التوسع والانكماش لاستيعاب الأحمال الأثقل أو الأخف، بما في ذلك سهولة تعديل النظام أو المكون أو إضافته أو إزالته، لاستيعاب الأحمال المتغيرة.
• قابلية التوسع الجيلي : قدرة النظام على التوسع من خلال تبني أجيال جديدة من المكونات.
• قابلية التوسع غير المتجانسة هي القدرة على تبني مكونات من موردين مختلفين.

• يُعتبر بروتوكول التوجيه قابلاً للتوسع بالنسبة لحجم الشبكة إذا نما حجم جدول التوجيه اللازم على كل عقدة بمعدل O (log N )، حيث N هو عدد العقد في الشبكة. واجهت بعض التطبيقات المبكرة لبروتوكول Gnutella، التي تعتمد على تقنية الند للند (P2P)، مشكلات في قابلية التوسع. إذ كانت كل استعلامات العقدة تُرسل طلباتها إلى جميع العقد. ازداد الطلب على كل نظير بما يتناسب مع العدد الإجمالي للنظائر، مما أدى إلى تجاوز طاقتها بسرعة. في المقابل، تتميز أنظمة P2P الأخرى، مثل BitTorrent، بقابلية توسع جيدة لأن الطلب على كل نظير مستقل عن عدد النظائر. لا يوجد أي مركزية في النظام، لذا يمكن توسيعه بلا حدود دون الحاجة إلى أي موارد أخرى غير النظائر نفسها.
• إن نظام معالجة المعاملات عبر الإنترنت القابل للتطوير أو نظام إدارة قواعد البيانات هو نظام يمكن ترقيته لمعالجة المزيد من المعاملات عن طريق إضافة معالجات وأجهزة وتخزين جديدة، ويمكن ترقيته بسهولة وشفافية دون إيقاف تشغيله.
• إن الطبيعة الموزعة لنظام أسماء النطاقات (DNS) تسمح له بالعمل بكفاءة، حيث يخدم مليارات المضيفين على الإنترنت العالمي .

تنقسم الموارد إلى فئتين رئيسيتين: أفقية ورأسية. ^{[ 8 ]}

تُعرّف تقنية محاكاة وظائف الشبكة هذه المصطلحات بشكل مختلف: فالتوسع الأفقي/الرأسي هو القدرة على التوسع عن طريق إضافة/إزالة مثيلات الموارد (مثل الآلة الافتراضية)، بينما التوسع الرأسي/الرأسي هو القدرة على التوسع عن طريق تغيير الموارد المخصصة (مثل سعة الذاكرة/وحدة المعالجة المركزية/التخزين). ^{[ 9 ]}

تتطلب قابلية التوسع لقواعد البيانات أن يكون نظام قاعدة البيانات قادراً على أداء مهام إضافية عند توفر موارد أجهزة أكبر، مثل خوادم ومعالجات وذاكرة ومساحة تخزين إضافية. وقد استمرت أحجام العمل في النمو، وتبعتها متطلبات قواعد البيانات.

تشمل الابتكارات الخوارزمية تأمين الصفوف وتقسيم الجداول والفهارس. أما الابتكارات المعمارية فتشمل بنى "لا شيء مشترك" و"كل شيء مشترك" لإدارة تكوينات الخوادم المتعددة.

في سياق تخزين البيانات القابل للتوسع ، تُعرَّف قابلية التوسع بأنها الحد الأقصى لحجم مجموعة التخزين الذي يضمن اتساق البيانات بالكامل، أي وجود نسخة واحدة صالحة فقط من البيانات المخزنة في المجموعة بأكملها، بغض النظر عن عدد نسخ البيانات المادية الزائدة. تُسمى المجموعات التي توفر التكرار "الكسول" عن طريق تحديث النسخ بطريقة غير متزامنة "متسقة في النهاية" . يُعد هذا النوع من تصميم التوسع مناسبًا عندما تكون الأولوية للتوافر والاستجابة على حساب الاتساق، وهو ما ينطبق على العديد من خدمات استضافة ملفات الويب أو ذاكرات التخزين المؤقت للويب ( إذا كنت تريد أحدث إصدار، فانتظر بضع ثوانٍ حتى يتم نشره ). بالنسبة لجميع التطبيقات التقليدية الموجهة نحو المعاملات، يجب تجنب هذا التصميم. ^{[ 10 ]}

توفر العديد من مجموعات التخزين مفتوحة المصدر، وحتى التجارية منها، والتي تعتمد على التوسع الأفقي، وخاصة تلك المبنية على أجهزة الكمبيوتر الشخصية والشبكات القياسية، اتساقًا نهائيًا فقط، كما هو الحال في بعض قواعد بيانات NoSQL مثل CouchDB وغيرها المذكورة سابقًا. تُبطل عمليات الكتابة النسخ الأخرى، ولكنها غالبًا لا تنتظر تأكيداتها. أما عمليات القراءة، فلا تتحقق عادةً من كل نسخة زائدة قبل الرد، مما قد يؤدي إلى تفويت عملية الكتابة السابقة. يتطلب حجم بيانات التعريف الكبير أجهزة متخصصة ومسافات قصيرة للتعامل معها بأداء مقبول (أي، العمل كجهاز تخزين أو قاعدة بيانات غير مجمعة).

عند توقع اتساق قوي للبيانات، ابحث عن هذه المؤشرات:

• استخدام شبكات InfiniBand أو Fibrechannel أو شبكات مماثلة ذات زمن استجابة منخفض لتجنب تدهور الأداء مع زيادة حجم المجموعة وعدد النسخ الزائدة.
• أطوال كابلات قصيرة وامتداد مادي محدود، مما يجنب تدهور أداء وقت تشغيل الإشارة.
• آليات الأغلبية / النصاب لضمان اتساق البيانات كلما أصبحت أجزاء من المجموعة غير قابلة للوصول.

المؤشرات الخاصة بالتصاميم المتسقة في النهاية (غير مناسبة للتطبيقات المعاملاتية!) هي:

• يزداد أداء الكتابة بشكل خطي مع عدد الأجهزة المتصلة في المجموعة.
• على الرغم من تقسيم مجموعة التخزين، تظل جميع أجزائها مستجيبة. يوجد خطر حدوث تحديثات متضاربة.

يُنصح غالبًا بالتركيز في تصميم النظام على قابلية التوسع في الأجهزة بدلًا من السعة. عادةً ما يكون إضافة عقدة جديدة إلى النظام لتحسين الأداء أقل تكلفة من إجراء تعديلات على الأداء لزيادة السعة التي يمكن لكل عقدة التعامل معها. لكن هذا النهج قد يؤدي إلى تناقص العائد (كما هو موضح في هندسة الأداء ). على سبيل المثال: لنفترض أنه يمكن تسريع 70% من برنامج ما إذا تم تشغيله بالتوازي على عدة وحدات معالجة مركزية بدلًا من وحدة واحدة. إذا${\displaystyle \alpha }$يمثل هذا الجزء من العملية الحسابية الجزء المتسلسل، و${\displaystyle 1-\alpha }$يمثل هذا الجزء النسبة التي يمكن تنفيذها بالتوازي، ويتم تحديد أقصى تسارع يمكن تحقيقه باستخدام P معالج وفقًا لقانون أمدال :

${\displaystyle {\frac {1}{\alpha +{\frac {1-\alpha }{P}}}}.}$

وباستبدال القيمة في هذا المثال، باستخدام 4 معالجات، نحصل على

${\displaystyle {\frac {1}{0.3+{\frac {1-0.3}{4}}}}=2.105.}$

مضاعفة قوة الحوسبة إلى 8 معالجات تعطي

${\displaystyle {\frac {1}{0.3+{\frac {1-0.3}{8}}}}=2.581.}$

لم تُسفر مضاعفة قوة المعالجة إلا عن تسريع العملية بمقدار الخمس تقريبًا. ولو كانت المشكلة قابلة للتنفيذ بالتوازي، لتضاعفت السرعة أيضًا. لذا، فإن إضافة المزيد من الأجهزة ليس بالضرورة الحل الأمثل.

في الأنظمة الموزعة ، يمكنك استخدام قانون قابلية التوسع الشامل (USL) لنمذجة قابلية التوسع في نظامك وتحسينها. صاغ نيل ج. غونتر هذا القانون ، وهو يُحدد قابلية التوسع بناءً على معايير مثل التنازع والتماسك. يشير التنازع إلى التأخير الناتج عن انتظار أو تكدس الموارد المشتركة. أما التماسك فيشير إلى التأخير اللازم لتناسق البيانات. على سبيل المثال، يشير ارتفاع مستوى التنازع إلى معالجة تسلسلية يُمكن موازاتها، بينما يشير ارتفاع مستوى التماسك إلى وجود تبعيات زائدة بين العمليات، مما يدفعك إلى تقليل التفاعلات. كما يُمكنك، بمساعدة قانون قابلية التوسع الشامل، حساب السعة الفعّالة القصوى لنظامك مُسبقًا: فزيادة حجم النظام بعد هذه النقطة يُعدّ هدرًا للموارد. ^{[ 11 ]}

للحوسبة عالية الأداء مفهومان شائعان لقابلية التوسع:

• يُعرَّف التوسع القوي بأنه كيفية تغير وقت الحل مع عدد المعالجات لحجم إجمالي ثابت للمشكلة.
• يُعرَّف التوسع الضعيف بأنه كيفية تغير وقت الحل مع عدد المعالجات لحجم مشكلة ثابت لكل معالج . ^{[ 12 ]}

• روابط لموارد تعليمية متنوعة – صفحة منسقة من قبل مشروع memcached .
• تعريف قابل للتوسع - من مشروع معلومات لينكس (LINFO)
• التوسع في الأنظمة الموزعة، بقلم ب. كليفورد نيومان، ضمن: قراءات في أنظمة الحوسبة الموزعة ، مطبعة جمعية مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، 1994