Mehrere unabhängige Knoten so zu koordinieren, dass sie als Einheit arbeiten, ist keine einfache Aufgabe. Deshalb nutzen verteilte Systeme mehrere grundlegende Komponenten und Prinzipien, um sicherzustellen, dass das System effizient und nahtlos funktioniert. Im Folgenden finden Sie die wichtigsten Elemente, die diesen Ansatz definieren:

• Skalierbarkeit
  Skalierbarkeit bezieht sich auf die Fähigkeit des Systems, Wachstum zu bewältigen, ohne dass hierdurch die Leistung beeinträchtigt wird. Hierzu werden bei steigendem Bedarf zusätzliche Knoten oder Ressourcen hinzugefügt, damit das System größere Workloads und eine wachsende Anzahl von Anwendern bewältigen kann, ohne auszufallen.
  

• Gemeinsame Nutzung von Ressourcen
  Verteilte Systeme teilen Hardware, Software und Daten über mehrere Knoten hinweg. Auf diese Weise können verschiedene Ressourcen effektiver genutzt werden, um sicherzustellen, dass keine Komponente überlastet wird.
  


• Offenheit
  Offenheit beschreibt, wie einfach ein verteiltes System neue Technologien integrieren und an Änderungen angepasst werden kann. Offene Systeme fördern Flexibilität, indem sie Interoperabilität und Erweiterbarkeit unterstützen, sodass Unternehmen ihre IT-Infrastruktur im Laufe der Zeit weiterentwickeln können.

• Gleichzeitigkeit
  Gleichzeitigkeit ist die Fähigkeit des Systems, mehrere Aufgaben gleichzeitig zu bearbeiten. Indem ein verteiltes System Vorgänge über verschiedene Knoten verteilt, kann es effizient arbeiten – selbst wenn verschiedene Anwender oder Anwendungen überlappende Aufgaben ausführen.

• Fehlertoleranz
  Fehlertoleranz gewährleistet die Zuverlässigkeit des Systems, selbst bei Hardware- oder Softwareausfällen. Verteilte Systeme erreichen diese Fehlertoleranz, indem sie Single Points of Failure schnell erkennen und beseitigen, Aufgaben neu verteilen und die Funktionalität aufrechterhalten, ohne die Leistung erheblich zu reduzieren.


• Transparenz
  Obwohl es widersprüchlich erscheinen mag, sorgt Transparenz in verteilten Systemen dafür, dass die Komplexität der zugrunde liegenden Infrastruktur vor den Anwendern und Anwendungen verborgen bleibt. Das bedeutet, dass Anwender mit dem System interagieren können, ohne wissen zu müssen, wie Ressourcen verteilt oder verwaltet werden, was ihre Experience vereinfacht und den Datenschutz gewährleistet.

 

In Bezug auf die Struktur sind verteilte Systeme das genaue Gegenteil klassischer zentralisierter Infrastrukturen. Während zentralisierte (oder „monolithische“) Systeme auf einem zentralen Steuerungspunkt basieren, nutzen verteilte Systeme einen dezentralen Ansatz, bei dem mehrere Knoten zusammenarbeiten, um gemeinsame Ziele zu erreichen.

Zentralisiertes System 
Ein zentralisiertes System ist ein System, in dem alle Computing-Aufgaben sowie die gesamte Datenspeicherung und Entscheidungsfindung von einem einzigen zentralen Server oder Knoten gesteuert werden. Peripheriegeräte oder Anwender interagieren direkt mit diesem zentralen Knoten, der als primärer Hub für alle Aktivitäten dient. 

• Zentraler Steuerungspunkt
  Die gesamte Entscheidungsfindung und Ressourcenverwaltung erfolgt am zentralen Knoten, wodurch eine klare Hierarchie entsteht. 
• Zentralisierte Datenverwaltung
  Daten werden an einem Ort gespeichert und verarbeitet, was die Verwaltung vereinfacht, aber potenziell Engpässe verursacht. 
• Einfache Verwaltung
  Mit einem einzigen Steuerungspunkt lassen sich zentralisierte Systeme einfacher verwalten und koordinieren, wodurch sie sich für kleine oder weniger komplexe Umgebungen eignen. 
• Potenzielle Schwachstellen
  Ein Single Point of Failure kann zu Ausfallzeiten oder Unterbrechungen führen, wenn der zentrale Knoten auf Probleme stößt. Darüber hinaus kann eine hohe Nachfrage am zentralen Knoten zu Verzögerungen oder Engpässen führen. 
• Lineare Entwicklung
  In zentralisierten Systemen folgt die Entwicklung in der Regel einem linearen Ansatz, bei dem Teams nacheinander an Komponenten arbeiten. Dieser Ansatz kann den Prozess verlangsamen, da Änderungen häufig vom Abschluss früherer Aufgaben abhängen. 

Verteiltes System 
Im Gegensatz dazu verteilt ein verteiltes System Rechenaufgaben, Datenverwaltung und Entscheidungsfindung auf mehrere unabhängige Knoten, die über ein Netzwerk kommunizieren und zusammenarbeiten. 

• Dezentrale Steuerung
  Kein einzelner Knoten hat die Kontrolle über das gesamte System. Stattdessen arbeitet jeder Knoten autonom und trägt gleichzeitig zur Gesamtfunktionalität des Systems bei. 
• Fehlertoleranz
  Verteilte Systeme minimieren die Auswirkungen von Ausfällen, indem Aufgaben auf andere Knoten umverteilt werden, um eine unterbrechungsfreie Leistung zu gewährleisten. 
• Verbesserte Skalierbarkeit
  Diese Systeme können durch Hinzufügen weiterer Knoten erweitert werden, wodurch sie gut dafür geeignet sind, größere Workloads zu bewältigen und die Anwenderanzahl zu erhöhen. 
• Zusammenarbeit zwischen Knoten
  Knoten in einem verteilten System teilen sich Ressourcen und Informationen und arbeiten zusammen, um Daten zu verarbeiten und Services effizient bereitzustellen. 
• Modulare Entwicklung
  Verteilte Systeme unterstützen modulare Entwicklung, bei der Teams gleichzeitig an verschiedenen Komponenten oder Services arbeiten können, was Entwicklungstempo und -flexibilität erhöht. 
• Häufigere Updates
  Aufgrund ihrer modularen Architektur können verteilte Systeme das ganze Jahr über häufige, inkrementelle Updates implementieren, um neue Funktionen und Verbesserungen schneller bereitzustellen.  
• Gleichzeitige Entwicklungsfähigkeiten
  Dank der dezentralisierten Struktur verteilter Systeme können mehrere Entwicklungsteams gleichzeitig an verschiedenen Komponenten arbeiten, ohne systemweite Unterbrechungen zu verursachen. Und das fördert Agilität und schnellere Innovation.

Verteilte Systeme können basierend auf ihrer Architektur und Funktionalität in mehrere Typen klassifiziert werden. Jeder Typ erfüllt hierbei spezifische Anforderungen und Anwendungsfälle: 

• Client-Server-Systeme
  In dieser traditionellen Architektur stellen Server Ressourcen oder Services bereit, die Clients für Aufgaben wie Datenverarbeitung, Speicherung oder den Zugriff auf gemeinsam genutzte Ressourcen anfordern und verwenden können. Beispiele sind Webanwendungen, in denen Browser (Clients) Inhalte von Webservern abrufen. 
• P2P-Netzwerke (Peer-to-Peer)
  P2P-Systeme verteilen die Workloads auf Knoten, die als Clients sowie als Server fungieren. Diese dezentrale Struktur macht einen zentralen Server überflüssig, sodass Knoten Ressourcen direkt gemeinsam nutzen können. Filesharing-Plattformen sind ein bekanntes Beispiel für diese Architektur. 
• Dreistufige Architektur
  Dieses Modell unterteilt das System in drei Ebenen: die Präsentationsebene (Anwenderoberfläche), die Anwendungsebene (Geschäftslogik) und die Datenebene (Datenbank). Jede Ebene arbeitet unabhängig, was Skalierung und Wartung vereinfacht. Viele moderne Webanwendungen, wie z. B. E-Commerce-Plattformen, verwenden diese Architektur. 
• Microservices-Architektur
  Microservices gliedern Anwendungen in kleine, unabhängige Services auf, die jeweils für eine bestimmte Funktion verantwortlich sind. Diese Services kommunizieren über APIs oder Messaging-Systeme miteinander und bieten Flexibilität und Skalierbarkeit. Beispiele sind Onlinestreaming-Plattformen, auf denen verschiedene Services die Profile, Empfehlungen usw. verwalten. 
• Serviceorientierte Architektur (SOA)
  Ähnlich wie Microservices organisiert SOA Funktionen in Form von Services. SOA verwendet jedoch häufig einen Enterprise Service Bus (ESB), um die Kommunikation zwischen Komponenten zu erleichtern. Diese Architektur findet sich in der Regel in großen Unternehmenssystemen. 
• Ereignisgesteuerte Systeme
  Ereignisgesteuerte Systeme arbeiten auf Grundlage von Ereignissen, die bestimmte Aktionen oder Workflows im gesamten Netzwerk auslösen. Komponenten interagieren asynchron und reagieren in Echtzeit auf Änderungen oder Updates. Diese Architektur ist in IoT-Anwendungen (Internet of Things) üblich, in denen Sensoren Ereignisse erkennen und darauf reagieren. 

Dank der dezentralen Architektur in verteilten Systemen können Sie eine breite Palette von Anwendungsfällen in praktisch jeder Branche unterstützen. Im Folgenden finden Sie einige der bekanntesten Beispiele für verteilte Systeme und ihre Anwendungen: 

• Netzwerke
  Netzwerke wie das Internet gehören zu den frühesten und am weitesten verbreiteten Beispielen für verteilte Systeme. Sie ermöglichen es Computern, über Local Area Networks (LANs) oder Wide Area Networks (WANs) zu kommunizieren und Ressourcen gemeinsam zu nutzen. Auch P2P-Netzwerke und E-Mail-Systeme nutzen verteiltes Computing, um einen nahtlosen Datenaustausch zu ermöglichen. 
• Parallele Prozessoren
  Parallele Verarbeitungssysteme teilen Rechenaufgaben auf mehrere Prozessoren auf, um Vorgänge gleichzeitig auszuführen. Diese Systeme werden für leistungsstarke Anwendungen wie wissenschaftliche Simulationen, Wettervorhersagen, Datenanalysen und sogar für Krypto-Mining verwendet. 
• Verteilte Echtzeitsysteme
  Echtzeitsysteme sind in Branchen unerlässlich, die stark von einer sofortigen Verarbeitung abhängig sind, z. B. Flugbuchungssysteme, Ridesharing-Plattformen, automatisierten Fertigungssysteme oder Logistikverfolgung. 
• Verteilte Datenbanksysteme
  Verteilte Datenbanken speichern Daten auf mehreren Servern oder an mehreren physischen Standorten. Sie verbessern die Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit, indem sie Daten replizieren oder partitionieren. Homogene Datenbanken verwenden eine einheitliche Struktur, während heterogene Datenbanken mehrere Datenmodelle integrieren, um die Flexibilität zu erhöhen. 
• Verteilte KI
  Verteilte künstliche Intelligenz (KI) nutzt die Rechenleistung mehrerer Knoten, um große Datensätze zu verarbeiten und ML-Aufgaben (maschinelles Lernen) auszuführen. Dieser Ansatz unterstützt Anwendungen wie autonome Fahrzeuge und Natural Language Processing (NLP). 
• Telekommunikationsnetze
  Moderne Telekommunikationssysteme, einschließlich Mobilfunk- und VoIP-Netzwerke (Voice over IP), nutzen ebenfalls eine verteilte Architektur.

Verteilte Systeme bieten gegenüber klassischen, monolithischen Architekturen mehrere Vorteile, weshalb sie für moderne Computing-Umgebungen unverzichtbar sind. Hier sind die wichtigsten Vorteile: 

• Zuverlässigkeit
  Verteilte Systeme minimieren das Risiko von Ausfallzeiten, indem Single Points of Failure eliminiert werden. Wenn ein Knoten abstürzt, können andere Knoten den Betrieb ohne Unterbrechungen fortsetzen. 
• Geschwindigkeit
  Verteilte Aufgaben können gleichzeitig ausgeführt werden, was zu schnelleren Abschlusszeiten führt. Das ist besonders nützlich für Anwendungen mit hohem Datenverkehr oder in Szenarien, die Echtzeitverarbeitung erfordern. 
• Leistung
  Verteilte Systeme nutzen Gleichzeitigkeit, um die Leistung zu optimieren. Sie teilen große Aufgaben in kleinere Einheiten auf, sodass sie von mehreren Knoten gleichzeitig verarbeitet werden können, wodurch die Latenz reduziert und der Durchsatz im Prozess verbessert wird. 
• Kosteneffizienz
  Diese Systeme nutzen kostengünstige Standardhardware und cloudbasierte Instanzen, wodurch sie sich im Vergleich zu herkömmlichen, zentralisierten Systemen kostengünstiger skalieren lassen. Die Möglichkeit, Knoten nach Bedarf hinzuzufügen, reduziert außerdem die anfänglichen Investitionskosten. 

Verteilte Systeme bieten zwar erhebliche Vorteile, bringen aber auch verschiedene Herausforderungen mit sich – nicht nur aufgrund ihrer Komplexität, sondern auch, weil sie effektiv koordiniert werden müssen. Wenn Sie die Arbeit in einem verteilten System in Betracht ziehen, sollten Sie Folgendes berücksichtigen: 

• Verwirrende Navigation
  Durch die Komplexität, die mit der Verwaltung zahlreicher vernetzter Knoten einhergeht, lässt sich oft nur schwer verstehen, wie verschiedene Komponenten interagieren. Nutzen Sie eine klare Dokumentation und Tools wie Systemübersichten oder Dashboards, um die Systemarchitektur und ihre Abhängigkeiten besser zu visualisieren. 
• Risiko von Netzwerkausfällen
  Die Kommunikation zwischen Knoten erfordert ein stabiles Netzwerk. Wenn ein Problem auftritt, kann die Datenübertragung unterbrochen und die Systemfunktionalität beeinträchtigt werden. Lösen Sie dieses Problem, indem Sie Redundanzprotokolle und zuverlässige Failover-Mechanismen implementieren. 
• Schwierige Verwaltung
  Die Verwaltung einer großen Anzahl von Knoten und Prozessen erhöht den betrieblichen Aufwand. Überwachung, Protokollierung, Problembehandlung usw. – all das kostet Zeit und Geld. Gleichen Sie diese Ausgaben aus, indem Sie umfassende Automatisierung einsetzen, insbesondere innerhalb von Verwaltungstools. 
• Sicherheit
  Verteilte Systeme sind aufgrund ihrer großen Angriffsfläche und der gemeinsam genutzten Ressourcen mit größeren Cybersicherheitsrisiken verbunden. Schützen Sie vertrauliche Daten und Systeme, indem Sie strenge Authentifizierungsprotokolle, Verschlüsselung und regelmäßige Sicherheitsaudits implementieren. 
• Einheitlichkeit von Daten
  Zu gewährleisten, dass alle Knoten Zugang zu aktuellen und synchronisierten Daten haben, kann eine echte Herausforderung darstellen – insbesondere bei Ausfällen oder hoher Netzwerklatenz. Gewährleisten Sie einheitliche Daten, indem Sie verteilte Datenbanken mit starken Konsistenzmodellen einsetzen. 

Verteilte Systeme teilen Aufgaben in kleinere Komponenten auf, die über mehrere Knoten verteilt sind. Diese Knoten können dann kommunizieren und zusammenarbeiten, während sie auf ein gemeinsames Ziel hinarbeiten. In der Regel folgt dieser Prozess bestimmten Schritten: 

• Aufgliederung von Aufgaben:
  Das System beginnt damit, eine Aufgabe in kleinere, überschaubarere Unteraufgaben aufzugliedern. 
• Dezentrale Komponenten:
  Mehrere Knoten – entweder physische Computer oder virtuelle Maschinen – sind über verschiedene Standorte verteilt. Jeder Knoten arbeitet autonom und trägt gleichzeitig zur Gesamtfunktionalität des Systems bei. 
• Kommunikation:
  Knoten tauschen Informationen über Kommunikationsprotokolle wie TCP/IP, HTTP oder Nachrichtenwarteschlangen aus. Diese Interaktion stellt sicher, dass alle Komponenten sich koordinieren und wichtige Daten teilen können. 
• Koordination:
  Verteilte Systeme nutzen Koordinationsmechanismen, um Aktionen über Knoten hinweg zu synchronisieren. Techniken wie Konsensprotokolle (z. B. Paxos) und verteilte Transaktionen tragen dazu bei, einheitliche Daten zu gewährleisten und Konflikte zu vermeiden, damit das System harmonisch arbeiten kann. 
• Ausführung und Verarbeitung:
  Jeder Knoten führt seine zugewiesene Teilaufgabe unabhängig mit lokalen Ressourcen aus. Nachdem er sie abgeschlossen hat, werden die Ergebnisse an ein zentrales Verwaltungssystem zurückgegeben oder anderweitig in der endgültigen Ausgabe zusammengefasst. 
• Fehlertoleranz:
  Um Fehler zu beheben, nutzen verteilte Systeme Redundanz- und Replikationsstrategien: Wenn ein Knoten ausfällt, übernehmen Backup-Knoten oder replizierte Datenquellen die Arbeit, um einen kontinuierlichen Betrieb sicherzustellen. 
• Wiederaufbau und Abschluss:
  Nachdem alle Teilaufgaben verarbeitet wurden, integriert das System die Ergebnisse in eine endgültige Ausgabe.

Nur weil man weiß, wie ein verteiltes System funktioniert, heißt das noch nicht, dass man weiß, wie es sich implementieren lässt. Egal, ob Sie ein System für eine kleine Abteilung bereitstellen oder eine globale Infrastruktur abdecken müssen – Sie können sich bei dem Prozess an den folgenden Schritten orientieren: 

• Anforderungen bewerten
  Beginnen Sie damit, die Anforderungen Ihres Unternehmens zu bewerten, darunter die Größe und Kapazität des Netzwerks, das Datenvolumen, die Prozesshäufigkeit und die Anwenderanzahl. Berücksichtigen Sie darüber hinaus Datenzuverlässigkeit, Verfügbarkeitsanforderungen und die Kapazität bestehender Rechenzentren. 
• Umfang der Bereitstellung planen
  Verteilte Bereitstellungen können von kleinen lokalen Systemen bis hin zu großen Unternehmensarchitekturen reichen. Beginnen Sie mit einer geeigneten Kategorie, die Ihren aktuellen Anforderungen entspricht, und stellen Sie sicher, dass sich das Design mit dem Wachstum des Unternehmens weiterentwickeln kann. 
• Container-Orchestrierungstools nutzen
  Tools wie Kubernetes vereinfachen die Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung verteilter Systeme, indem sie containerisierte Anwendungen clusterübergreifend automatisieren. Das fördert eine beständige Leistung und einen optimierten Betrieb. 
• Verteilte Datenbanken implementieren
  Nutzen Sie Datenbanken, die eine einheitliche Datenebene bereitstellen, damit alle Knoten auf dieselben Daten zugreifen können, und die gleichzeitig Replikation unterstützen, um die Fehlertoleranz zu steigern. So wird die Datenverfügbarkeit sichergestellt und die Einheitlichkeit im gesamten System gewahrt. Nutzen Sie darüber hinaus Cloud-Sicherheit, um Daten in verteilten Umgebungen zu schützen. 
• Beobachtbarkeit verbessern
  Verteilte Systeme sind von Natur aus komplex, weshalb ihre Überwachung unerlässlich ist. Implementieren Sie eine verteilte Verfolgung, um die Beobachtbarkeit zu gewährleisten und Einblicke in den Systembetrieb zu erhalten. Verteilte Verfolgung verfolgt Anfragen über Knoten hinweg, identifiziert Engpässe und unterstützt die Leistungsoptimierung. Außerdem kann AIOps dazu beitragen, die Überwachung und Problemlösung in komplexen verteilten Umgebungen zu verbessern.  
• Iterieren und skalieren
  Gehen Sie davon aus, dass sich Ihr verteiltes System im Laufe der Zeit weiterentwickeln wird. Wenn der Bedarf steigt, können Sie von kleineren Bereitstellungen zu größeren Infrastrukturen wechseln, indem Sie Ressourcen hinzufügen, Konfigurationen optimieren und skalierbare Technologien nutzen.