Verteiltes Rechnen

In der Informatik ist verteiltes Rechnen eine Methode, bei der mehrere Computer zusammenarbeiten, um ein gemeinsames Problem zu lösen.Dadurch erscheint ein Computernetzwerk wie ein einzelner leistungsstarker Computer, der enorme Ressourcen zur Bewältigung komplexer Herausforderungen bereitstellt.In diesem Forschungsfeld wird hauptsächlich untersucht, wie verteilte Systeme Berechnungen durchführen.Ein verteiltes System ist eine Gruppe von Computern, die über ein Netzwerk miteinander verbunden sind, um Nachrichten auszutauschen, zu kommunizieren und ihr Verhalten zu koordinieren. Komponenten interagieren miteinander, um ein gemeinsames Ziel zu erreichen. Die Wissenschaft besteht darin, technische Daten, die viele Berechnungen erfordern, in kleine Teile aufzuteilen, diese von mehreren Computern separat berechnen zu lassen, die Berechnungsergebnisse hochzuladen und die Ergebnisse dann zu vereinheitlichen und zusammenzuführen, um daraus Schlussfolgerungen zu ziehen.

Vorteile des verteilten Rechnens

Verteilte Systeme haben gegenüber Einzelsystem-Computing viele Vorteile. Hier sind einige Beispiele:

• Skalierbarkeit:Verteilte Systeme können mit der Arbeitslast und den Anforderungen wachsen und dem verteilten Computernetzwerk können bei Bedarf neue Knoten oder weitere Computergeräte hinzugefügt werden.
• Verfügbarkeit:Ein verteiltes Computersystem stürzt nicht ab, weil einer der Computer ausfällt. Das Design weist eine hohe Fehlertoleranz auf, da der Betrieb auch bei Ausfall einzelner Rechner weiterlaufen kann.
• Konsistenz:Computer in einem verteilten System tauschen Informationen untereinander aus und replizieren Daten, das System verwaltet jedoch automatisch die Datenkonsistenz zwischen allen verschiedenen Computern. Daher können Sie die Vorteile der Fehlertoleranz nutzen, ohne die Datenkonsistenz zu beeinträchtigen.
• Transparenz:Verteilte Computersysteme bieten eine logische Trennung zwischen Benutzern und physischen Geräten. Sie können mit dem System interagieren, als wäre es ein einzelner Computer, ohne sich um die Einrichtung und Konfiguration einzelner Maschinen kümmern zu müssen. Sie können unterschiedliche Hardware, Middleware, Software und Betriebssysteme haben, die zusammenarbeiten, um einen reibungslosen Systembetrieb zu gewährleisten.
• Effizienz:Verteilte Systeme bieten eine schnellere Leistung durch optimale Ressourcennutzung der zugrunde liegenden Hardware. Dadurch können Sie jede Arbeitslast bewältigen, ohne sich über Systemausfälle aufgrund von Kapazitätsspitzen oder Unterauslastung teurer Hardware Gedanken machen zu müssen.

Anwendungsfälle für verteiltes Rechnen

Verteiltes Rechnen ist heutzutage weit verbreitet. Bei Mobil- und Webanwendungen dreht es sich um verteiltes Rechnen, wobei mehrere Maschinen im Backend zusammenarbeiten, damit die Anwendung die richtigen Informationen bereitstellen kann. Wenn verteilte Systeme vertikal skaliert werden, können sie komplexere Herausforderungen bewältigen. Hier sind einige Anwendungsfälle für verteiltes Rechnen:

1. Gesundheitswesen und Biowissenschaften

Im Gesundheitswesen und in den Biowissenschaften wird verteiltes Rechnen zur Modellierung und Simulation komplexer biowissenschaftlicher Daten eingesetzt. Bildanalyse, Arzneimittelforschung und genetische Strukturanalyse werden durch verteilte Systeme beschleunigt. Hier sind einige Beispiele:

• Beschleunigen Sie die strukturbasierte Arzneimittelentwicklung durch die Visualisierung molekularer Modelle in drei Dimensionen.
• Verkürzung der Verarbeitungszeit genomischer Daten, um eine Früherkennung von Krebs, Mukoviszidose und Alzheimer zu ermöglichen;
• Entwickeln Sie intelligente Systeme, die Ärzten bei der Diagnose von Patienten helfen, indem sie große Mengen komplexer Bilder wie MRTs, Röntgenaufnahmen und CT-Scans verarbeiten.

2. Ingenieurwissenschaftliche Forschung

Ingenieure können komplexe physikalische und mechanische Konzepte auf verteilten Systemen simulieren. Sie nutzen diese Forschung, um das Produktdesign zu verbessern, komplexe Strukturen zu bauen und schnellere Fahrzeuge zu entwerfen. Hier sind einige Beispiele:

• Die numerische Strömungsmechanik untersucht das Verhalten von Flüssigkeiten und setzt diese Konzepte im Flugzeug- und Rennwagendesign um.
• Computergestütztes Engineering erfordert rechenintensive Simulationstools zum Testen neuer Anlagentechnik, Elektronik und Konsumgüter. 

3. Finanzdienstleistungen 

Finanzdienstleistungsunternehmen nutzen verteilte Systeme, um schnelle Wirtschaftssimulationen durchzuführen, um Portfoliorisiken einzuschätzen, Marktbewegungen vorherzusagen und die Entscheidungsfindung im Finanzbereich zu unterstützen. Sie können Webanwendungen erstellen, die die Leistung verteilter Systeme für Folgendes nutzen:

• Bereitstellung günstiger, personalisierter Prämien
• Unterstützen Sie große Finanztransaktionen sicher mithilfe einer verteilten Datenbank.
• Authentifizieren Sie Benutzer und schützen Sie Kunden vor Betrug 

4. Energie und Umwelt 

Energieunternehmen müssen große Datenmengen analysieren, um ihre Betriebsabläufe zu verbessern und auf nachhaltige und klimafreundliche Lösungen umzusteigen. Sie verwenden verteilte Systeme, um große Datenmengen zu analysieren, die aus riesigen Netzwerken von Sensoren und anderen intelligenten Geräten einströmen. Hier sind einige der Aufgaben, die sie möglicherweise ausführen:

• Streaming und Integration seismischer Daten für die Strukturplanung von Kraftwerken
• Echtzeit-Bohrlochüberwachung für proaktives Risikomanagement