БД В АРХИТЕКТУРЕ «КЛИЕНТ-СЕРВЕР»

План лекции

1. Клиенты и серверы локальных сетей

2. Системная архитектура клиент-сервер

3. Модели рабочих нагрузок в архитектуре клиент/сервер

4. Уровни и модели архитектуры «клиент-сервер»

Т. Конноли. Базы данных. Проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика.: Пер. с англ. – М.: Изд. дом «Вильямс», 2006. – 1440 с.

1 Клиенты и серверы локальных сетей

В основе широкого распространения локальных сетей компьютеров лежит известная идея разделения ресурсов. Развитие этой идеи приводит к функциональному выделению компонентов сети: рабочих станций и серверов локальной сети. Сервер локальной сети (server) предоставляет ресурсы (услуги) рабочим станциям и/или другим серверам. Рабочая станция (клиeнты (client)) - кoмпьютepы, ocyщecтвляющиe дocтyп к ceтeвым pecypcaм, пpeдocтaвляeмым cepвepoм.

В связи с ориентацией на подход открытых систем, правильнее говорить о логических серверах (имея в виду набор ресурсов и программных средств, обеспечивающих услуги над этими ресурсами). Примерами логических серверов могут служить:

· файловый сервер, поддерживающий общее хранилище файлов для всех рабочих станций и в случае запроса фaйл или дaнныe цeликoм кoпиpyютcя нa зaпpaшивaющий кoмпьютep;

· сервер приложений выпoлняет пpиклaдныe чacти клиeнт-cepвepныx пpилoжeний, a тaкжe содержит дaнныe, дocтyпныe клиeнтaм;

2 Системная архитектура «клиент-сервер»

Основные принципы системной архитектуры "клиент-сервер" заключаются в следующем: ИС разбивается на две части, которые могут выполняться в разных узлах сети - клиентскую и серверную части.

Серверная сторона функционирует на специализированном аппаратном комплексе, включающем в себя мощные аппаратные средства, требуемый набор стандартного программного обеспечения , систему управления базами данных и БД.

Прикладная программа или конечный пользователь взаимодействуют с клиентской частью системы, которая в простейшем случае обеспечивает просто надсетевой интерфейс. Клиентская сторона приложения функционирует на рабочем месте пользователя, в роли которого в подавляющем числе случаев выступает персональный компьютер.

Клиентская часть системы при необходимости обращается по сети (локальной или глобальной) к серверной части. При этом с точки зрения клиента и сервера взаимодействие осуществляется прозрачно. Сетевой компонент, реализующий это взаимодействие включает в себя совокупность необходимого сетевого оборудования, набор программных технологий, обеспечивающих передачу данных между узлами сети, а также собственно интерфейсный программный слой (протокол или протоколы) для обмена запросами и результатами их выполнения. В качестве основного интерфейса между клиентской и серверной частями выступает язык баз данных SQL.

Наиболее простая форма архитектуры «клиент-сервер» - это разделение вычислительной нагрузки между двумя отдельными процессами: клиентом и сервером. Причем между двумя этими процессами распределяются пять групп функций стандартного интерактивного приложения:

1) функции диалога (Presentation Logic, PL) или компонент визуализации . Компонент визуализации прикладной задачи осуществляет ввод информации пользователем с помощью тех или иных средств, а также вывод информации на экран и печать. Компонент визуализации для архитектуры клиент-сервер всегда исполняется на рабочем месте пользователя (поскольку должен же он наблюдать какие-либо результаты работы программы). Для организации презентационной логики преимущественно используется модель графического интерфейса пользователя GUI (User Interface Graphical) или Web-интерфейс;

2) прикладные функции или это часть кода приложения с алгоритмами обработки данных (Business Logic, BL). Компонент прикладной логики решает собственно ту или иную задачу, связанную с обработкой данных в той или иной предметной области и представляет собой алгоритмы реакции приложения на действия пользователя или на внутренние события, правила обработки данных. Этот компонент может быть распределен между клиентской и серверной частью различным образом в зависимости от применяемой модели. Обычно этот код программируется на языках программирования высокого уровня: C, C++, Visual Basic, Object Pascal и т. п.;

3) функции обработки данных внутри приложения (Database Logic, DL) - это часть кода приложения, связанная с выборкой и манипулированием данными (данными управляет собственно СУБД). Подъязыком является язык SQL.

Типовая структура приложения «клиент-сервер»

4) функции управления информационными ресурсами (Database Manager System, СУБД). Компонент хранения базы данных осуществляет физические операции, связанные с хранением данных, чтением информации из БД и записью в нее, связанных с решаемой приложением прикладной задачей. В архитектуре клиент-сервер этот компонент всегда выполняется на сервере;

5) служебные функции, играющие роль связок между предыдущими группами функций.

3 Модели рабочих нагрузок в архитектуре клиент/сервер

«Клиент-серверные» системы могут опираться на несколько типов распределения обязанностей между клиентом и сервером:

· «интеллектуальные» клиенты (толстый клиент - тонкий сервер);

· «интеллектуальный» сервер (тонкий клиент - толстый сервер);

· смешанные системы;

· многоуровневые системы.

DIV_ADBLOCK80">

«Интеллектуальные» серверы . Перенеся все бизнес-правила на SQL Server, где они реализуются в виде хранимых процедур и триггеров БД, создается «интеллектуальный» сервер», сервер также отвечает за хранение и функционирование БД. Интеллект сервера проявляется, также, в способности манипулировать данными (выполнять SQL-запросы) и возвращать клиенту результирующий набор данных.

На компьютере-клиенте реализуется только логика представления данных.

Достоинства:

· увеличение производительности работы ИС: бизнес-логика выполняется в том же адресном пространстве, что и код доступа к базе данных, и, кроме того, тесно интегрирован с механизмом поиска данных. Это означает, что данные не нужно перемещать или копировать перед обработкой, а значит, сетевой трафик минимизируется;

· на сервере легче обеспечить целостность данных;

· при необходимости бизнес-логика модифицируется централизованно, без изменения клиентов.

Недостатки:

· повышение требований к ресурсам сервера, где выполняются все запросы и манипуляции с данными.

Смешанные системы . Возможны и смешанные варианты, обладающие достоинствами, как интеллектуальных серверов, так и интеллектуальных клиентов. На сервере обычно разворачивают СУБД, логику манипулирования данными, и ту часть бизнес-логики, которая является общей для многих клиентов. На клиенте разворачивают логику представления данных и часть бизнес-логики, которая характерна именно для этого клиента.

Достоинства смешанных систем:

· серверный код одновременно доступен многим клиентам, что снижает накладные расходы при выполнении однотипных запросов;

· эффективность работы клиентов меньше зависит от сетевого трафика.

Недостатки:

· бизнес-логика распределена между клиентом и сервером и при модернизации приложения требуется распространение новых версий клиентской части среди широкой аудитории.

Многоуровневая система (ее иногда называют трехуровневой) позволяет разделить пользовательский интерфейс, бизнес-правила и базу данных. В многоуровневой системе бизнес-правила помещают на сервере приложений – программный компонент, который размещают между сервером БД и клиентами. Клиент отвечает только за интерфейс с пользователем, сервер БД – за поддержание и функционирование самой БД. Промежуточный слой является для пользователя сервером, а для системы управления базами данных - клиентом. Клиенты при необходимости обращаются к серверу приложений, а тот в свою очередь обращается к серверу БД за данными, необходимыми для реализации запросов клиентов.

Достоинства многоуровневых систем:

· разделение компонентов интерфейса, бизнес-правил и хранения данных, что повышает производительность работы сервера БД и его защиту от несанкционированного доступа;

· централизованная модификация бизнес-правил;

Недостатки:

· увеличивается сетевой трафик.

· подобные системы намного сложнее в разработке, внедрении и эксплуатации и требуют значительных затрат и высококвалифицированного персонала.

4 Уровни и модели архитектуры «клиент-сервер»

С точки зрения количества составных частей клиент-серверные системы делятся на двухуровневые и трехуровневые.

Двухуровневые системы состоят только из клиента и сервера К двухуровневым моделям архитектуры «клиент-сервер» относятся:

1) модель файлового сервера (FS-модель);

2) модель удаленного доступа (RDA-модель);

3) модель активного сервера (DBS-модель).

Трехуровневая модель представлена разновидностью архитектуры «клиент-сервер», основанной на схеме «клиент - сервер приложений». Такая архитектура позволяет более гибко распределять функции системы и нагрузку между компонентами программно-аппаратного комплекса, а также может снизить требования к ресурсам рабочих мест пользователей.

Архитектура «файл-сервер»

В архитектуре «файл-сервер» (File Server, FS-модель) все основные функции приложения информационной системы (презентационная логика, бизнес-логика и функции обработки и управления данными) располагаются на клиенте (рис. 2).

На сервере находятся файлы с данными и поддерживается доступ к файлам.

В этой модели клиент обращается к серверу с запросом к данным. Запрос клиента формулируется в командах ЯМД. СУБД переводит этот запрос в последовательность файловых команд, Система управления файлами (СУФ) считывает запрашиваемые данные из БД и поблочно передает эти данные клиентскому приложению, далее на клиенте СУБД анализирует полученную информацию, и если в полученном блоке не содержится ответ на запрос, то принимается решение о перекачке следующего блока информации и т. д. Фактически, FS-модель предполагает автономную работу программного обеспечения ИС на разных машинах в сети. Компоненты ИС взаимодействуют только за счет наличия общего хранилища данных. Безусловно, таким хранилищем должна быть хорошо спроектированная БД под управлением СУБД, поддерживающей FS-модель, например, СУБД Informix SE. Такого рода СУБД нельзя считать «истинным сервером».

Модель архитектуры файлового сервера

При использовании FS-модели копия СУБД создается для каждого инициированного пользователем сеанса работы с СУБД, которая выполняется на том же процессоре, что и пользовательский процесс.

В целом в архитектуре ИС «файл-сервер» мы имеем «толстого» клиента и очень «тонкий» сервер в том смысле, что почти вся работа выполняется на стороне клиента, а от сервера требуется только достаточная емкость дисковой памяти.

К недостаткам архитектуры «файл-сервер» можно отнести:

· высокий сетевой трафик, который связан с передачей по сети множества блоков и файлов, необходимых приложениям клиентов;

· ограниченное множество команд манипулирования данными, фактически это только файловые команды;

· низкая производительность (зависит от производительности сети, сервера, клиента);

· плохая возможность подключения новых клиентов;

· отсутствие развитых средств защиты данных (только на уровне файловой системы).

К несомненным достоинствам следует отнести

· высокую эффективность работы с небольшими объемами данных в однопользовательском режиме.

· удобство централизованного управления доступом;

· низкая стоимость разработки;

· высокая скорость разработки;

· невысокая стоимость обновления и изменения ПО.

FS-модель не отвечает современным представлениям о технологии «клиент-сервер» в общепринятом смысле, поэтому, этот способ организации распределенных вычислений рассматривается как отдельная архитектура файлового сервера.

Модель удаленного доступа к данным, RDA ( Remote Data Access , RDA )

Исторически эта модель была разработана самой первой. В этой модели серверная часть осуществляет только хранение данных, здесь же размещается ядро СУБД и реализуется логика манипулирования данными, а всю прикладную логику реализует клиентская часть. При этом клиент будет передавать серверу запросы на получение данных, а сервер возвращать клиенту те или иные выборки. Самым распространенным средством общения между клиентом и сервером в этом случае является SQL (структурированный язык запросов) - стандартный непроцедурный язык, ориентированный на обработку данных.

Клиент заметно «похудел» по сравнению с FS-моделью, зато значительно расширились функции сервера, сократился сетевой трафик, а самое главное достоинство модели RDA: появился язык SQL с расширенным множеством команд определения данных и манипулирования данными, который унифицировал интерфейс клиент-сервер.

Модель архитектуры удаленного доступа к данным

Достоинства RDA-модели:

· перенос Business Logic на клиента существенно разгружает сервер БД, сводя к минимуму общее число процессов в операционной системе;

· сервер БД освобождается от несвойственных ему функций, а значит процессор можно целиком загрузить операциями обработки запросов, данных и транзакций;

· резко уменьшается загрузка сети так как по ней от клиентов к серверу передаются не запросы на ввод-вывод в файловой терминологии, а запросы на SQL, и их объем существенно меньше. В ответ на запросы клиент получает только данные, релевантные запросу, а не блоки файлов, как в FS-модели.

Недостатки RDA-модели:

· по-прежнему высокий сетевой трафик, особенно при большом количестве клиентов и их интенсивной работе в интерактивном режиме;

· излишнее дублирование кода приложения, например повторение бизнес-логики для каждого клиента;

· усложнение клиентских приложений в части контроля за информационными ресурсами. Сервер играет пассивную роль. Действительно, например, если нам необходимо выполнять контроль страховых запасов товаров на складе, то каждое приложение, которое связано с изменением состояния склада, после выполнения операций модификации данных, имитирующих продажу или удаление товара со склада, должно выполнять проверку на объем остатка, и в случае, если он меньше страхового запаса, формировать соответствующую заявку на поставку требуемого товара. Это усложняет клиентское приложение

Модель сервера БД (иногда называют активный сервер)

Модель сервера (Data Base Server, DBS) - концепция, в соответствии с которой прикладной компонент (бизнес-логика) частично или полностью располагается на сервере базы данных (рис.4). Бизнес-логика реализована в виде хранимых программных единиц (ПрЕ), триггеров, пользовательских типов данных, которые хранятся в БД, а управляются сервером. В базе данных также накапливаются данные и формируется база метаданных (БМД). Клиентское приложение обращается к серверу с командой запуска ПрЕ, а сервер при необходимости выполняет её и фиксирует изменения в БД. Сервер возвращает результат запроса клиенту либо для вывода на периферийное устройство, либо для выполнения части бизнес-логики, которая расположена на клиенте. При таком способе распределения обработки данных сетевой трафик резко уменьшается.

Триггер - механизм отслеживания специальных событий, которые связаны с состоянием БД. Триггер в БД является как бы некоторым тумблером, который срабатывает при возникновении определенного события в БД. Ядро СУБД проводит мониторинг всех событий, которые вызывают созданные и описанные триггеры в БД, и при возникновении соответствующего события сервер запускает соответствующий триггер => триггер - это программа, которая выполняется над БД и вызывает хранимые процедуры.

Данная модель сервера является активной, потому что не только клиент, но и сам сервер используют механизм триггеров.
Достоинства:

DBS-модель поддерживает большинство современных СУБД: Oracle, Sybase, Ingres, Informix, MS SQL Server, хотя функциональные возможности у них разные.


Достоинства DBS-модели:

· возможность централизованного администрирования прикладных функций;

· снижение сетевого трафика за счет возможностей удаленного вызова процедур;

· возможность разделения процедур несколькими приложениями и экономия ресурсов компьютера за счет использования единожды созданного плана выполнения SQL-запроса. (так как хранимые процедуры и триггеры хранятся в словаре БД и могут быть использованы несколькими клиентами => уменьшается дублирование алгоритмов обработки данных в разных клиентских приложениях).

Недостатки:

Функции сервера:

1. Осуществляет мониторинг событий, связанных с описанными триггерами;

2. Обеспечивает автоматическое срабатывание триггеров при возникновении связанных с ними событий;

3. Обеспечивает исполнение внутренней программы каждого триггера;

4. Запускает хранимые процедуры по запросам пользователей;

5. Запускает хранимые процедуры из триггеров;

6. Возвращает требуемые данные клиенту;

7. Обеспечивает все функции СУБД: доступ к данным, контроль и поддержка целостности данных в БД, контроль доступа, обеспечение корректной работы всех пользователей с единой БД.

Действительно, сервер выполняет большой набор функций и обслуживает множество клиентов. Для разгрузки сервера были разработаны многоуровневые модели и, в частности трехуровневая модель.

Сервер приложений

Сервер приложений (Application server , AS ) - разновидность многоуровневой архитектуры «клиент-сервер», основанный на схеме «клиент - сервер приложений».

В данной модели вводится дополнительный промежуточный уровень между клиентом и сервером. Этот промежуточный уровень содержит один или несколько серверов приложений. Отсюда и идентичное название - «модель сервера приложений» AS (Application Server).

В этой модели все компоненты ИС делятся между тремя исполнителями.

Клиент реализует интерфейс с пользователем, обеспечивает презентационную логику приложения, запускает локализованный на клиентской машине код клиентского приложения, который выполняет коммуникационные функции доступа в локальную или глобальную сеть, интерфейс авторизации , алгоритмы шифрования, проверку вводимых значений на допустимость и соответствие формату, несложные операции (сортировка, группировка, подсчет значений) с данными, уже загруженными на интерфейсный (обычно графический) компонент, то есть собственно приложение для конечного пользователя. Клиент и сервер приложений общаются посредством API, а сервер приложений и сервер БД общаются посредством языка запросов SQL.

Модель сервера приложений

Серверы приложений исполняют наиболее общие правила бизнеса, поддерживают доменную среду, обеспечивают обмен сообщениями между компонентами приложений. Прикладные функции сервера приложений оформлены как отдельные службы или сервисы (Service). Служба предоставляет некоторые услуги всем программам, которые желают и могут ими воспользоваться. В архитектуре ИС серверов приложений может быть несколько, и каждый из них предоставляет определенный набор сервисов. Любая программа, которая пользуется ими, рассматривается как клиент сервера приложений AC (Application Client). Детали реализации прикладных функций в сервере приложений полностью скрыты от клиента приложения. АС обращается с запросом к конкретному сервису, а не к AS. Запросы выстраиваются в очередь к AS-процессу, который передает их для обработки конкретной службе согласно установленным приоритетам.

Серверы БД в этой модели занимаются исключительно функциями СУБД.

В простейшей конфигурации физически сервер приложений может быть совмещен с сервером базы данных на одном компьютере, к которому по сети подключается один или несколько клиентов.

В "правильной" (с точки зрения безопасности, надежности, масштабирования) конфигурации сервер базы данных находится на выделенном компьютере (или кластере), к которому по сети подключены один или несколько серверов приложений, к которым, в свою очередь, по сети подключаются клиенты.

Достоинства AS-модели:

· повышение производительности за счет разгрузки сервера;

· удешевление эксплуатации ИС;

· возможность усложнения бизнес-логики без потери производительности;

· улучшение свойств переносимости и масштабируемости ИС за счет использования стандартных языков программирования, например С, С++, Borland Pascal, Small Talk, Java, для реализации большей части бизнес-логики.

· клиентское ПО не нуждается в администрировании;

· конфигурируемость – изолированность уровней друг от друга позволяет быстро и простыми средствами переконфигурировать систему при возникновении сбоев или при плановом обслуживании на одном из уровней;

· высокая безопасность;

· высокая надежность;

· низкие требования к скорости канала (сети) между клиентами и сервером приложений;

· низкие требования к производительности и техническим характеристикам клиентов, как следствие снижение их стоимости.

Недостатки:

· растет сложность серверной части и, как следствие, затраты на администрирование и обслуживание;

· более высокая сложность создания приложений;

· сложнее в разворачивании и администрировании;

· высокие требования к производительности серверов приложений и сервера базы данных, а, значит, и высокая стоимость серверного оборудования;

· высокие требования к скорости канала (сети) между сервером базы данных и серверами приложений.

Популярную сейчас архитектуру Веб систем можно представить в трехзвенном варианте.

Технология клиент-сервер по праву считается одним из "китов", на которых держится современный мир компьютерных сетей. Но те задачи, для решения которых она была разработана, постепенно уходят в прошлое, и на сцену выходят новые задачи и технологии, требующие переосмысления принципов клиент-серверных систем. Одна из таких технологий - World Wide Web.

Использование технологии гипертекстовых документов для построения внутренней информационной инфраструктуры компании стимулировало бурное развитие всевозможных систем типа клиент-сервер. Некоторые пытаются противопоставить Web-технологию архитектуре клиент-сервер, однако это заблуждение, поскольку на самом деле Web является развитием данной архитектуры. Можно сказать, что система Web имеет архитектуру клиент-серверы, т. е. с помощью одного клиента можно подключиться ко многим серверам. Web-браузер, который обеспечивает удобный интерфейс с пользователем для доступа к информации, - это лишь вершина айсберга, самый верхний уровень системы Web. Кроме интерфейса любая информационная система должна иметь уровни обработки данных и их хранения. У разработчиков интрасетей часто возникает проблема правильного согласования работы Web с другими элементами системы, например базами данных. Одним из перспективных способов решения этой проблемы являются многоуровневые архитектуры клиент-сервер. Чтобы понять их преимущества, рассмотрим подробнее обычную клиент-серверную систему.

Классическая архитектура клиент-сервер

Термин "клиент-сервер" означает такую архитектуру программного комплекса, в которой его функциональные части взаимодействуют по схеме "запрос-ответ". Если рассмотреть две взаимодействующие части этого комплекса, то одна из них (клиент) выполняет активную функцию, т. е. инициирует запросы, а другая (сервер) пассивно на них отвечает. По мере развития системы роли могут меняться, например некоторый программный блок будет одновременно выполнять функции сервера по отношению к одному блоку и клиента по отношению к другому.

Заметим, что любая информационная система должна иметь минимум три основные функциональные части - модули хранения данных, их обработки и интерфейса с пользователем. Каждая из этих частей может быть реализована независимо от двух других. Например, не изменяя программ, используемых для хранения и обработки данных, можно изменить интерфейс с пользователем таким образом, что одни и те же данные будут отображаться в виде таблиц, графиков или гистограмм. Не меняя программ представления данных и их хранения, можно изменить программы обработки, например изменив алгоритм полнотекстового поиска. И наконец, не меняя программ представления и обработки данных, можно изменить программное обеспечение для хранения данных, перейдя, например, на другую файловую систему.

В классической архитектуре клиент-сервер приходится распределять три основные части приложения по двум физическим модулям. Обычно ПО хранения данных располагается на сервере (например, сервере базы данных), интерфейс с пользователем - на стороне клиента, а вот обработку данных приходится распределять между клиентской и серверной частями. В этом-то и заключается основной недостаток двухуровневой архитектуры, из которого следуют несколько неприятных особенностей, сильно усложняющих разработку клиент-серверных систем.

При разбиении алгоритмов обработки данных необходимо синхронизировать поведение обеих частей системы. Все разработчики должны иметь полную информацию о последних изменениях, внесенных в систему, и понимать эти изменения. Это создает большие сложности при разработке клиент-серверных систем, их установке и сопровождении, поскольку необходимо тратить значительные усилия на координацию действий разных групп специалистов. В действиях разработчиков часто возникают противоречия, а это тормозит развитие системы и вынуждает изменять уже готовые и проверенные элементы.

Чтобы избежать несогласованности различных элементов архитектуры, пытаются выполнять обработку данных на одной из двух физических частей - либо на стороне клиента ("толстый" клиент), либо на сервере ("тонкий" клиент, или архитектура, называемая "2,5- уровневый клиент-сервер"). Каждый подход имеет свои недостатки. В первом случае неоправданно перегружается сеть, поскольку по ней передаются необработанные, а значит, избыточные данные. Кроме того, усложняется поддержка системы и ее изменение, так как замена алгоритма вычислений или исправление ошибки требует одновременной полной замены всех интерфейсных программ, а иначе могут возникнуть ошибки или несогласованность данных. Если же вся обработка информации выполняется на сервере (когда такое вообще возможно), то возникает проблема описания встроенных процедур и их отладки. Дело в том, что язык описания встроенных процедур обычно является декларативным и, следовательно, в принципе не допускает пошаговой отладки. Кроме того, систему с обработкой информации на сервере абсолютно невозможно перенести на другую платформу, что является серьезным недостатком.

Большинство современных средств быстрой разработки приложений (RAD), которые работают с различными базами данных, реализует первую стратегию, т. е. "толстый" клиент обеспечивает интерфейс с сервером базы данных через встроенный SQL. Такой вариант реализации системы с "толстым" клиентом, кроме перечисленных выше недостатков, обычно обеспечивает недопустимо низкий уровень безопасности. Например, в банковских системах приходится всем операционистам давать права на запись в основную таблицу учетной системы. Кроме того, данную систему почти невозможно перевести на Web-технологию, так как для доступа к серверу базы данных используется специализированное клиентское ПО.

Итак, рассмотренные выше модели имеют следующие недостатки.

1. "Толстый" клиент:

  • сложность администрирования;
  • усложняется обновление ПО, поскольку его замену нужно производить одновременно по всей системе;
  • усложняется распределение полномочий, так как разграничение доступа происходит не по действиям, а по таблицам;
  • перегружается сеть вследствие передачи по ней необработанных данных;
  • слабая защита данных, поскольку сложно правильно распределить полномочия.

    • 2. "Толстый" сервер:

  • усложняется реализация, так как языки типа PL/SQL не приспособлены для разработки подобного ПО и нет хороших средств отладки;
  • производительность программ, написанных на языках типа PL/SQL, значительно ниже, чем созданных на других языках, что имеет важное значение для сложных систем;
  • программы, написанные на СУБД-языках, обычно работают недостаточно надежно; ошибка в них может привести к выходу из строя всего сервера баз данных;
  • получившиеся таким образом программы полностью непереносимы на другие системы и платформы.

    • Для решения перечисленных проблем используются многоуровневые (три и более уровней) архитектуры клиент-сервер.

    Многоуровневые архитектуры клиент-сервер

    Такие архитектуры более разумно распределяют модули обработки данных, которые в этом случае выполняются на одном или нескольких отдельных серверах. Эти программные модули выполняют функции сервера для интерфейсов с пользователями и клиента - для серверов баз данных. Кроме того, различные серверы приложений могут взаимодействовать между собой для более точного разделения системы на функциональные блоки, выполняющие определенные роли. Например, можно выделить сервер управления персоналом, который будет выполнять все необходимые для управления персоналом функции. Связав с ним отдельную базу данных, можно скрыть от пользователей все детали реализации этого сервера, разрешив им обращаться только к его общедоступным функциям. Кроме того, такую систему очень просто адаптировать к Web, поскольку проще разработать html-формы для доступа пользователей к определенным функциям базы данных, чем ко всем данным.

    В трехуровневой архитектуре "тонкий" клиент не перегружен функциями обработки данных, а выполняет свою основную роль системы представления информации, поступающей с сервера приложений. Такой интерфейс можно реализовать с помощью стандартных средств Web-технологии - браузера, CGI и Java. Это уменьшает объем данных, передаваемых между клиентом и сервером приложений, что позволяет подключать клиентские компьютеры даже по медленным линиям типа телефонных каналов. Кроме того, клиентская часть может быть настолько простой, что в большинстве случаев ее реализуют с помощью универсального браузера. Но если менять ее все-таки придется, то эту процедуру можно осуществить быстро и безболезненно. Трехуровневая архитектура клиент-сервер позволяет более точно назначать полномочия пользователей, так как они получают права доступа не к самой базе данных, а к определенным функциям сервера приложений. Это повышает защищенность системы (по сравнению с обычно архитектурой) не только от умышленного нападения, но и от ошибочных действий персонала.

    Для примера рассмотрим систему, различные части которой работают на нескольких удаленных друг от друга серверах. Допустим, что от разработчика поступила новая версия системы, для установки которой в двухуровневой архитектуре необходимо одновременно поменять все системные модули. Если же этого не сделать, то взаимодействие старых клиентов с новыми серверами может привести к непредсказуемым последствиям, так как разработчики обычно не рассчитывают на такое использование системы. В трехуровневой архитектуре ситуация упрощается. Дело в том, что поменяв сервер приложений и сервер хранения данных (это легко сделать одновременно, так как оба они обычно находятся рядом), мы сразу меняем набор доступных сервисов. Таким образом, вероятность ошибки из-за несоответствия версий серверной и клиентской частей резко сокращается. Если в новой версии какой-либо сервис исчез, то элементы интерфейса, обслуживавшие его в старой системе, просто не будут работать. Если же изменился алгоритм работы сервиса, то он будет корректно работать даже со старым интерфейсом.

    Многоуровневые клиент-серверные системы достаточно легко можно перевести на Web-технологию - для этого достаточно заменить клиентскую часть универсальным или специализированным браузером, а сервер приложений дополнить Web-сервером и небольшими программами вызова процедур сервера. Для разработки этих программ можно использовать как Common Gateway Interface (CGI), так и более современную технологию Java.

    Следует отметить и тот факт, что в трехуровневой системе по каналу связи между сервером приложений и базой данных передается достаточно много информации. Однако это не замедляет вычислений, так как для связи указанных элементов можно использовать более скоростные линии. Это потребует минимальных затрат, поскольку оба сервера обычно находятся в одном помещении. Таким образом, увеличивается суммарная производительность системы - над одной задачей теперь работают два различных сервера, а связь между ними можно осуществлять по наиболее скоростным линиям с минимальными затратами средств. Правда, возникает проблема согласованности совместных вычислений, которую призваны решать менеджеры транзакций - новые элементы многоуровневых систем.

    Менеджеры транзакций

    Особенностью многоуровневых архитектур является использование менеджеров транзакций (МТ), которые позволяют одному серверу приложений одновременно обмениваться данными с несколькими серверами баз данных. Хотя серверы Oracle имеют механизм выполнения распределенных транзакций, но если пользователь хранит часть информации в БД Oracle, часть в БД Informix, а часть в текстовых файлах, то без менеджера транзакций не обойтись. МТ используется для управления распределенными разнородными операциями и согласования действий различных компонентов информационной системы. Следует отметить, что практически любое сложное ПО требует использования менеджера транзакций. Например, банковские системы должны осуществлять различные преобразования представлений документов, т. е. работать одновременно с данными, хранящимися как в базах данных, так и в обычных файлах, - именно эти функции и помогает выполнять МТ.

    Менеджер транзакций - это программа или комплекс программ, с помощью которых можно согласовать работу различных компонентов информационной системы. Логически MT делится на несколько частей:

  • коммуникационный менеджер (Communication Manager) контролирует обмен сообщениями между компонентами информационной системы;
  • менеджер авторизации (Authorisation Manager) обеспечивает аутентификацию пользователей и проверку их прав доступа;
  • менеджер транзакций (Transaction Manager) управляет распределенными операциями;
  • менеджер ведения журнальных записей (Log Manager) следит за восстановлением и откатом распределенных операций;
  • менеджер блокировок (Lock Manager) обеспечивает правильный доступ к совместно используемым данным.

    • Обычно коммуникационный менеджер объединен с авторизационным, а менеджер транзакций работает совместно с менеджерами блокировок и системных записей. Причем такой менеджер редко входит в комплект поставки, поскольку его функции (ведение записей, распределение ресурсов и контроль операций), как правило, выполняет сама база данных (например, Oracle).

    Первые менеджеры транзакций появились в начале 70-х гг. (например, CICS); с тех пор они незначительно изменились идеологически, но весьма существенно - технологически. Наибольшие идеологические изменения произошли в коммуникационном менеджере, так как в этой области появились новые объектно-ориентированные технологии (CORBA, DCOM и т.д.). Из-за бурного развития коммуникационных средств в будущем следует ожидать широкого использования различных типов менеджеров транзакций.

    Таким образом, многоуровневая архитектура клиент-сервер позволяет существенно упростить распределенные вычисления, делая их не только более надежными, но и более доступными. Появление таких средств, как Java, упрощает связь сервера приложений с клиентами, а объектно-ориентированные менеджеры транзакций обеспечивают согласованную работу сервера приложений с базами данных. В результате создаются все предпосылки для создания сложных распределенных информационных систем, которые эффективно используют все преимущества современных технологий.

    Материал для статьи предоставлен компанией ASoft; тел. 261-5724. С Валерием Коржовым можно связаться по адресу .

    ]. Это позволяет разделить функции хранения, обработки и представления данных для более эффективного использования возможностей серверов и клиентов.

    Среди многоуровневой архитектуры клиент-сервер наиболее распространена трехуровневая архитектура ( трехзвенная архитектура , three- tier ), предполагающая наличие следующих компонентов приложения: клиентское приложение (обычно говорят "тонкий клиент" или терминал ), подключенное к серверу приложений , который в свою очередь подключен к серверу базы данных [ , ].

    рис. 5.4 .


    Рис. 5.4. Представление многоуровневой архитектуры "клиент-сервер"

    • Терминал – это интерфейсный (обычно графический) компонент, который представляет первый уровень, собственно приложение для конечного пользователя. Первый уровень не должен иметь прямых связей с базой данных (по требованиям безопасности), быть нагруженным основной бизнес-логикой (по требованиям масштабируемости) и хранить состояние приложения (по требованиям надежности). На первый уровень может быть вынесена и обычно выносится простейшая бизнес-логика: интерфейс авторизации, алгоритмы шифрования, проверка вводимых значений на допустимость и соответствие формату, несложные операции (сортировка, группировка, подсчет значений) с данными, уже загруженными на терминал .
    • Сервер приложений располагается на втором уровне. На втором уровне сосредоточена большая часть бизнес-логики. Вне его остаются фрагменты, экспортируемые на терминалы , а также погруженные в третий уровень хранимые процедуры и триггеры.
    • Сервер базы данных обеспечивает хранение данных и выносится на третий уровень. Обычно это стандартная реляционная или объектно-ориентированная СУБД. Если третий уровень представляет собой базу данных вместе с хранимыми процедурами, триггерами и схемой, описывающей приложение в терминах реляционной модели, то второй уровень строится как программный интерфейс, связывающий клиентские компоненты с прикладной логикой базы данных.

    В простейшей конфигурации физически сервер приложений может быть совмещен с сервером базы данных на одном компьютере, к которому по сети подключается один или несколько терминалов .

    В "правильной" (с точки зрения безопасности, надежности, масштабирования) конфигурации сервер базы данных находится на выделенном компьютере (или кластере), к которому по сети подключены один или несколько серверов приложений , к которым, в свою очередь, по сети подключаются терминалы .

    Плюсами данной архитектуры являются [ , , , ]:

    • клиентское ПО не нуждается в администрировании;
    • масштабируемость;
    • конфигурируемость – изолированность уровней друг от друга позволяет быстро и простыми средствами переконфигурировать систему при возникновении сбоев или при плановом обслуживании на одном из уровней;
    • высокая безопасность;
    • высокая надежность;
    • низкие требования к скорости канала (сети) между терминалами и сервером приложений ;
    • низкие требования к производительности и техническим характеристикам терминалов , как следствие снижение их стоимости.
    • растет сложность серверной части и, как следствие, затраты на администрирование и обслуживание;
    • более высокая сложность создания приложений;
    • сложнее в разворачивании и администрировании;
    • высокие требования к производительности серверов приложений и сервера базы данных , а, значит, и высокая стоимость серверного оборудования;
    • высокие требования к скорости канала (сети) между сервером базы данных и серверами приложений .
    1. Представление;
    2. Уровень представления;
    3. Уровень логики;
    4. Уровень данных;
    5. Данные.


    Рис. 5.5. Пять уровней многозвенной архитектуры "клиент-сервер"

    К представлению относится вся информация, непосредственно отображаемая пользователю: сгенерированные html-страницы, таблицы стилей, изображения.

    Уровень представления охватывает все, что имеет отношение к общению пользователя с системой. К главным функциям слоя представления относятся отображение информации и интерпретация вводимых пользователем команд с преобразованием их в соответствующие операции в контексте логики и данных.

    Уровень логики содержит основные функции системы, предназначенные для достижения поставленной перед ним цели. К таким функциям относятся вычисления на основе вводимых и хранимых данных, проверка всех элементов данных и обработка команд, поступающих от слоя представления, а также передача информации уровню данных.

    Уровень доступа к данным – это подмножество функций, обеспечивающих взаимодействие со сторонними системами, которые выполняют задания в интересах приложения.

    Данные системы обычно хранятся в базе данных.

    5.1.6. Архитектура распределенных систем

    Такой тип систем является более сложным с точки зрения организации системы. Суть распределенной системы заключается в том, чтобы хранить локальные копии важных данных .

    Схематически такую архитектуру можно представить, как показано на рис. 5.6 .


    Рис. 5.6.

    Более 95 % данных, используемых в управлении предприятием, могут быть размещены на одном персональном компьютере, обеспечив возможность его независимой работы . Поток исправлений и дополнений, создаваемый на этом компьютере, ничтожен по сравнению с объемом данных, используемых при этом. Поэтому если хранить непрерывно используемые данные на самих компьютерах, и организовать обмен между ними исправлениями и дополнениями к хранящимся данным, то суммарный передаваемый трафик резко снизится. Это позволяет понизить требования к каналам связи между компьютерами и чаще использовать асинхронную связь, и благодаря этому создавать надежно функционирующие распределенные информационные системы, использующие для связи отдельных элементов неустойчивую связь типа Интернета, мобильную связь, коммерческие спутниковые каналы. А минимизация трафика между элементами сделает вполне доступной стоимость эксплуатации такой связи. Конечно, реализация такой системы не элементарна, и требует решения ряда проблем, одна из которых своевременная синхронизация данных.

    Каждый АРМ независим, содержит только ту информацию, с которой должен работать, а актуальность данных во всей системе обеспечивается благодаря непрерывному обмену сообщениями с другими АРМами. Обмен сообщениями между АРМами может быть реализован различными способами, от отправки данных по электронной почте до передачи данных по сетям.

    Технология клиент-сервер считается одним из "китов" современного мира компьютерных сетей. Но задачи, для решения которых она была разработана, уходят в прошлое. Новые задачи и технологии требуют переосмысления принципов клиент-серверных систем. Одна из таких технологий World Wide Web. Web-технология является развитием архитектуры клиент-сервера, т.е. с помощью одного клиента можно подключиться ко многим серверам. Информационная система, кроме интерфейса, должна иметь уровни обработки данных и их хранения. Проблема разработчиков интерсетей в согласовании работы Web с другими элементами системы, например базами данных. Одним из перспективных способов решения этой проблемы - многоуровневые системы клиент-сервер.

    Классическая система клиент-сервер работает по схеме "запрос-ответ" (двухуровневая архитектура). Клиент выполняет активную функцию (запросы), сервер пассивно на них отвечает.


    Любая информационная система должна иметь минимум три функциональные части - модули хранения данных, их обработки и интерфейса с пользователем.

    Каждая из этих частей может быть реализована независимо от двух других.

    Например . Не изменяя программ, используемых для хранения и обработки данных, можно изменить интерфейс с пользователем таким образом, что одни и те же данные будут отображаться в виде таблиц, графиков или гистограмм. Не меняя программ представления данных и их хранения, можно изменить программы обработки, изменив алгоритм полнотекстового поиска. Не меняя программ представления и обработки данных, можно изменить программное обеспечение для хранения данных, перейдя на другую файловую систему.

    В классической архитектуре клиент-сервер три основные части приложения распределяются по двум физическим модулям. Обычно ПО хранения данных располагается на сервере (/: сервере базы данных), интерфейс с пользователем - на стороне клиента, а вот обработку данных приходится распределять между клиентской и серверной частями. В этом основной недостаток данной архитектуры. Разбиение алгоритмов обработки данных требует синхронизации действий обеих частей системы. Чтобы избежать несогласованности различных элементов архитектуры, пытаются выполнять обработку данных на одной из двух частей - либо на стороне клиента ("толстый" клиент), либо на сервере ("тонкий" клиент, или "2,5-уровневый клиент-сервер"). Каждый подход имеет свой недостаток: в первом случае неоправданно перегружается сеть, т.к. по ней передаются необработанные (избыточные) данные, усложняется поддержка и изменение системы, так как замена алгоритма вычислений или исправление ошибки требует одновременной полной замены всех интерфейсных программ, иначе последует несогласованность данных; во втором случае , когда вся обработка информации выполняется на сервере, возникает проблема описания встроенных процедур и их отладки (описание является декларативным и не допускает пошаговой отладки). Кроме того, систему с обработкой информации на сервере абсолютно невозможно перенести на другую платформу.

    Большинство современных средств быстрой разработки приложений (RAD), которые работают с различными БД, реализует первую модель ("толстый" клиент), обеспечивающую интерфейс с сервером БД через язык SQL.. Этот вариант, кроме выше перечисленных недостатков, имеет низкий уровень безопасности.

    Например. В банковских системах все операционисты имеют права на запись в основную таблицу учетной системы. Кроме того, данную систему почти невозможно перевести на Web-технологии, так как для доступа к серверу БД используется специализированное клиентское ПО.

    Недостатки рассмотренных выше моделей:

    1. "Толстый" клиент

    F сложность администрирования;

    F сложность в обновлении ПО, т.к. его замену необходимо производить одновременно по всей системе;

    F сложность в распределении полномочий, так как разграничение доступа происходит не по действиям, а по таблицам;

    F перегрузка сети из-за передачи по ней необработанных данных;

    F слабая защита данных.

    2. "Толстый" сервер

    ð усложняется реализация, так как языки PL/SQL не приспособлены для разработки подобного ПО и нет средств отладки;

    ð производительность программ на языках PL/SQL ниже, чем на других языках, что важно для сложных систем;

    ð программы, написанные на СУБД-языках, работают ненадежно, что может привести к выходу из строя всего сервера БД;

    ð созданные таким образом программы полностью непереносимы на другие системы и платформы.

    Для решения перечисленных проблем используются многоуровневые (три и более) модели клиент-сервер.

    Многоуровневые архитектуры клиент-сервер - более разумно распределяют модули обработки данных, которые выполняются на одном или нескольких отдельных серверах.

    Эти программные модули выполняют функции сервера для интерфейсов с пользователями и клиента - для серверов БД. Кроме того, различные серверы приложений могут взаимодействовать между собой для более точного разделения системы на функциональные блоки, выполняющие определенные роли.

    Например. Можно выделить сервер управления персоналом, который будет выполнять все необходимые для управления персоналом функции. Связав с ним отдельную БД, можно скрыть от пользователей все детали реализации этого сервера, разрешив обращаться только к его общедоступным функциям. Такая система проще адаптируется к Web, т.к. легче разработать html-формы для доступа пользователей к определенным функциям БД, чем ко всем данным.

    В трехуровневой модели "тонкий" клиент не перегружен функциями обработки данных, а выполняет основную роль системы представления информации, поступающей с сервера приложений. (Такой интерфейс реализуется с помощью стандартных средств Web-технологии - браузера, CGI и Java). Это уменьшает объем данных, передаваемых между клиентом и сервером приложений, позволяя подключать клиентов с медленными телефонными каналами.

    Трехуровневая модель клиент-сервер позволяет более точно назначать полномочия пользователей, так как они получают права не к самой БД, а к определенным функциям сервера приложений, что повышает защищенность системы.

    Многоуровневые клиент-серверные системы легко можно перевести на Web-технологию - для этого достаточно заменить клиентскую часть универсальным браузером, а сервер приложений дополнить Web-сервером и небольшими программами вызова процедур сервера. В трехуровневой системе по каналу связи между сервером приложений и БД передается много информации, при этом не замедляются вычисления, так как для связи указанных элементов используются более скоростные линии. Это требует меньших затрат, так как оба сервера находятся в одном помещении. Но при этом встает проблема согласованности совместных вычислений, которую призваны решать менеджеры транзакций - новые элементы многоуровневых систем.

    Менеджеры транзакций

    МТ - позволяют одному серверу приложений одновременно обмениваться данными с несколькими серверами БД. Хотя серверы Oracle имеют механизм выполнения распределенных транзакций, но если пользователь хранит часть информации в БД Oracle, часть в БД Informix, а часть в текстовых файлах, то без МТ не обойтись. МТ используется для управления распределенными разнородными операциями и согласования действий различных компонентов информационной системы. Любое сложное ПО требует использования МТ.

    Например. Банковские системы должны осуществлять различные преобразования представлений документов, т.е. работать одновременно с данными, хранящимися как в БД, так и в обычных файлах, - именно эти функции и помогает выполнять МТ.

    МТ - это программа или комплекс программ, с помощью которых можно согласовать работу различных компонентов инф-ой системы.

    Логически МТ делится на несколько частей:

    · коммуникационный менеджер (контролирует обмен сообщениями между компонентами инф-ой системы;

    · менеджер транзакций (управляет распределенными операциями);

    · менеджер ведения журнальных записей (следит за восстановлением и откатом распределенных операций);

    · менеджер блокировок (обеспечивает правильный доступ к совместно используемым данным).

    Обычно М-коммуникационный объединен с М-авторизации, а М-транзакций с М-блокировок и системных записей. Причем такой М редко входит в комплект поставки, поскольку его функции (ведение записей, распределение ресурсов и контроль операций), как правило, выполняет сама БД (например, Oracle).

    Наибольшие изменения произошли в М-коммуникации, так как в этой области появились новые объектно-ориентированные технологии (CORBA, DCOM и т.д.). Многоуровневая модель клиент-сервер позволяет существенно упростить распределенные вычисления, делая их не только более надежными, но и более доступными.

    4.4. Системы технологической почты ­ -

    это гарантированная доставка информации и средство для интеграции приложений

    Проектирование информационных систем ставит перед системными аналитиками решения следующих проблем:

    ð распределенность системы;

    ð интеграция различных приложений;

    ð удобство администрирования.

    Современные ВС в основном являются распределенными, поэтому встает задача выбора способа взаимодействия между отдельными частями таких систем. Слияние нескольких информационных систем требует решения интеграции большого количества разнородных приложений. Такая (интегрированная) система должна обладать всей функциональностью объединяемых подсистем и сохранить простоту и удобство использования. Решение данной проблемы возможно осуществить с помощью систем технологической почты (СТП).

    Термин «технологическая почта» используется для обозначения взаимодействия между приложениями ("электронная почта" - взаимодействие между людьми), передаваемая информация является технологической ее формирование и передача могут осуществляться без/или с минимальным участием человека.

    Система технологической почты включает в себя два различных способа взаимодействия, используемых в современных распределенных системах.

    Один из них основывается на концепции соединения (рис.1), а другой - на идее обмена сообщениями.

    1


    Рис.1. Механизм взаимодействия с установлением соединения

    Процесс взаимодействия приложений и использованием установления соединения можно разделить на три фазы:

    1. установление соединения;

    2. передача информации;

    3. закрытие соединения.

    Такое взаимодействие требует наличие соединения всех трех фаз и одновременной работы приложений, что не всегда возможно.

    Системы, построенные на принципе обмена сообщениями, используют при взаимодействии технологию очередей сообщений (рис.2).

    Рис.2. Взаимодействие приложений с использованием технологии очередей сообщений

    Приложения, которые обмениваются информацией, адресуют ее не напрямую друг другу, а в ассоциированные с приложениями очереди сообщений. Соединение между приложением и очередью происходит, как правило, в режиме on-line, что позволяет избежать затраты времени на установление соединения. Управляющее ПО может находиться как на одной машине с приложениями, так и на выделенном сервере. Системы, использующие технологию очередей сообщений, в Отличие от систем установления соединений, не требуют ни постоянного соединения в процессе взаимодействия, ни одновременной работы взаимодействующих приложений. Эти свойства обеспечивают им гибкость и приемлемость в различных областях применения.

    Универсальность систем технологической почты позволяет им работать на гетерогенных (многообразие программно-аппаратных платформ, на которых работают отдельные компоненты СТП, а также многообразие способов соединения и протоколов взаимодействия, применяемых в системе) структурах. Гетерогенность достигается за счет разделения серверной и клиентских частей СТП. Клиентские части обладают небольшой функциональностью и могут быть перенесены на различные платформы. Т.о., для функционирования СТП не нужны затраты на дополнительное оборудование - система адаптируется к существующим средствам (как аппаратным и программным, так и к существующим каналам передачи данных) и не требует их замены.

    Преимvшecтвa использования СТП:

    Ø Гарантированность доставки сообщения. Серверы очередей сообщений

    сами определяют, каким образом обеспечить гарантированность доставки при отказе отдельных частей системы: произвести повторную пересылку, найти альтернативный маршрут или применить другие способы. Так как СТП обеспечивают обмен информацией между приложениями, то факт недоставки сообщения должен быть отслежен и обработан (в отличие о электронной почты, где в случае недоставки сообщения, пользователь должен сам выполнить какие-либо корректирующие действия);

    Ø Отсутствие блокировки приложения на время передачи информации, т.к. действует технология очередей сообщений, и выделение серверной части системы ТП, отвечающей за доставку сообщения. Отсутствие блокировки позволяет уменьшить время простоя приложений;

    Ø Возможность установки приоритетов сообщений и опций при отправке. Приоритеты позволяют реализовать несколько параллельных систем передачи сообщений. При этом сообщения с более низким приоритетом не будут оказывать никакого влияния на процесс доставки сообщений с более высоким приоритетом. Это имеет положительное свойство при проектировании и настройке больших систем, а также при администрировании систем;

    Ø Возможность обмена информацией в гетерогенной среде, где возможна модернизация как технических, так и программных средств.

    Лекция 2

    Современные программные приложения и информационные системы достигли такого уровня развития, что термин "архитектура" в применении к ним уже давно не удивляет. Грамотно построить информационную систему, эффективно и надежно функционирующую не проще, чем сконструировать и возвести современное многофункциональное здание.

    Когда речь заходит об "архитектуре информационной системы", обычно не возникает недостатка в определениях. Есть даже Web-сайты, которые собирают такие определения.

    Рассмотрим определение "архитектуры информационной системы", которое дают различные источники:

    · Архитектура – это организационная структура системы.

    · Архитектура информационной системы – концепция, определяющая модель, структуру, выполняемые функции и взаимосвязь компонентов информационной системы.

    · Архитектура – это базовая организация системы, воплощенная в ее компонентах, их отношениях между собой и с окружением, а также принципы, определяющие проектирование и развитие системы.

    · Архитектура – это набор значимых решений по поводу организации системы программного обеспечения, набор структурных элементов и их интерфейсов, при помощи которых компонуется система, вместе с их поведением, определяемым во взаимодействии между этими элементами, компоновка элементов в постепенно укрупняющиеся подсистемы, а также стиль архитектуры, который направляет эту организацию – элементы и их интерфейсы, взаимодействия и компоновку.

    · Архитектура программы или компьютерной системы – это структура системы, которые включают элементы программы, видимые извне свойства этих элементов и связи между ними.

    · Архитектура – это структура организации и связанное с ней поведение системы. Архитектуру можно рекурсивно разобрать на части, взаимодействующие посредством интерфейсов, связи, которые соединяют части, и условия сборки частей. Части, которые взаимодействуют через интерфейсы, включают классы, компоненты и подсистемы.

    · Архитектура программного обеспечения системы или набора систем состоит из всех важных проектных решений по поводу структур программы и взаимодействий между этими структурами, которые составляют системы. Проектные решения обеспечивают желаемый набор свойств, которые должна поддерживать система, чтобы быть успешной. Проектные решения предоставляют концептуальную основу для разработки системы, ее поддержки и обслуживания.

    Хотя определения несколько отличаются, можно заметить немалую степень сходства. Например, большинство определений указывают на то, что архитектура связана со структурой и поведением, а также только со значимыми решениями, может соответствовать некоторому архитектурному стилю, на нее влияют заинтересованные в ней лица и ее окружение, она воплощает решения на основе логического обоснования.



    Под архитектурой программных систем будем понимать совокупность решений относительно:

    · организации программной системы;

    · выбора структурных элементов, составляющих систему и их интерфейсов;

    · поведения этих элементов во взаимодействии с другими элементами;

    · объединение этих элементов в подсистемы;

    · архитектурного стиля, определяющего логическую и физическую организацию системы: статические и динамические элементы, их интерфейсы и способы их объединения.

    Архитектура программной системы охватывает не только ее структурные и поведенческие аспекты, но и правила ее использования и интеграции с другими системами, функциональность, производительность, гибкость, надежность, возможность повторного применения, полноту, экономические и технологические ограничения, а также вопрос пользовательского интерфейса.

    По мере развития программных систем все большее значение приобретает их интеграция друг с другом с целью построения единого информационного пространства предприятия. Как можно видеть из вышеприведенных определений интеграция является важнейшим элементом архитектуры.

    Для того чтобы построить правильную и надежную архитектуру и грамотно спроектировать интеграцию программных систем необходимо четко следовать современным стандартам в этих областях. Без этого велика вероятность создать архитектуру, которая неспособна развиваться и удовлетворять растущим потребностям пользователей ИТ. В качестве законодателей стандартов в этой области выступают такие международные организации как SEI (Software Engineering Institute), WWW (консорциум World Wide Web), OMG (Object Management Group), организация разработчиков Java – JCP (Java Community Process), IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) и другие.

    Рассмотрим классификацию программных систем по их архитектуре:

    · Централизованная архитектура;

    · Архитектура "файл-сервер";

    · Двухзвенная архитектура "клиент-сервер";

    · Многозвенная архитектура "клиент-сервер";

    · Архитектура распределенных систем;

    · Архитектура Веб-приложений;

    · Сервис-ориентированная архитектура.

    Следует заметить, что, как и любая классификация, данная классификация архитектур информационных систем не является абсолютно жесткой. В архитектуре любой конкретной информационной системы часто можно найти влияния нескольких общих архитектурных решений.

    Местоположение БД определяет так называемую архитектуру базы данных , и базы данных разделяются на:

    · локальные;

    · удаленные.

    Для выполнения операций с локальными БД разрабатываются и используются так называемые локальные приложения, а для операций с удаленными БД – клиент-серверные приложения.

    Расположение БД в значительной степени влияет на разработку приложения, обрабатывающего содержащиеся в этой базе данные.

    Локальные БД располагаются на том же компьютере, что и работающие с ними приложения. В этом случае информационная система имеет локальную архитектуру (рис.1). Работа с БД происходит, как правило, в однопользовательском режиме. При необходимости можно запустить на компьютере другое приложение, одновременно осуществляющее доступ к этим же данным. Для управления совместным доступом к БД необходимы специальные средства контроля и защиты. Эти средства могут понадобиться, например, в случае, когда приложение пытается изменить запись, которую редактирует другое приложение. Каждая разновидность БД осуществляет подобный контроль своими способами и обычно имеет встроенные средства разграничения доступа.

    При использовании локальной БД в сети возможна организация многопользовательского доступа к ней. В этом случае файлы БД и предназначенное для работы с ней приложение располагаются на сервере сети. Каждый пользователь запускает со своего компьютера это расположенное на сервере приложение, при этом у него запускается копия приложения. Такой сетевой вариант использования локальной БД соответствует архитектуре «файл-сервер» . Приложение при архитектуре «файл-сервер» также может быть записано и на каждый компьютер сети, в этом случае приложению отдельного компьютера должно быть известно местонахождение общей БД (рис.2).

    При работе с данными на каждом пользовательском компьютере сети используется локальная копия БД. Эта копия периодически обновляется данными, содержащимися в БД на сервере.

    Архитектура «файл-сервер» обычно применяется в сетях с небольшим количеством пользователей, для ее реализации подходят персональные СУБД, например, Рагаdох или dBasе. Достоинствами этой архитектуры являются простота реализации, а также то, что приложение фактически разрабатывается в расчете на одного пользователя и не зависит от того, на каком компьютере в сети оно устанавливается.

    Достоинства такой архитектуры:

    · многопользовательский режим работы с данными;

    · удобство централизованного управления доступом;

    · низкая стоимость разработки;

    · высокая скорость разработки;

    · невысокая стоимость обновления и изменения ПО.

    Однако архитектура «файл-сервер» имеет и существенные недостатки.

    1. Пользователь работает со своей локальной копией БД, данные в которой обновляются при каждом запросе к какой-либо из таблиц. При этом с сервера пересылается новая копия всей таблицы, данные которой затребованы. Таким образом, если пользователю необходимо всего несколько записей таблицы, с сервера по сети пересылается вся таблица. В результате циркуляции в сети больших объемов избыточной информации резко возрастает нагрузка на сеть, что приводит к соответствующему снижению ее быстродействия и производительности информационной системы в целом.

    2. В связи с тем, что на каждом компьютере имеется своя копия БД, изменения, сделанные в ней одним пользователем, в течение некоторого времени являются неизвестными другим пользователям. Поэтому необходимо постоянное обновление БД. Кроме того, возникает необходимость синхронизации работы отдельных пользователей, связанная с блокировкой в таблицах записей, которые редактирует другой пользователь.

    3. Управление БД осуществляется с разных компьютеров, поэтому в значительной степени затруднена организация контроля доступа, соблюдения конфиденциальности и поддержания целостности БД.

    Как правило, компьютеры и программы, входящие в состав информационной системы, не являются равноправными. Некоторые из них владеют ресурсами (файловая система, процессор, принтер, база данных и т.д.), другие имеют возможность обращаться к этим ресурсам.

    В том случае, если удаленная БД размещается на компьютере-сервере сети, а приложение, осуществляющее работу с этой БД, находится на компьютере пользователя, то такую архитектуру называют «клиент-сервер» (рис.3, рис.4). В этой архитектуре информационная система делится на неоднородные части – сервер и клиент БД. В связи с тем, что компьютер-сервер находится отдельно от клиента, его называют удаленным сервером.

    Сервер – это сама СУБД. Он поддерживает все основные функции СУБД: определение данных, обработку данных, защиту данных, поддержание целостности данных и т.д.

    Клиент – это приложение пользователя. Для получения данных клиент формирует и отсылает запрос удаленному серверу, на котором размещена БД. Запрос формируется на языке SQL, который является стандартным средством доступа к серверу при использовании реляционных моделей данных. После получения запроса удаленный сервер направляет его SQL-серверу (серверу баз данных) – специальной программе, управляющей удаленной БД и обеспечивающей выполнение запроса и выдачу его результатов клиенту.

    Таким образом, в архитектуре «клиент-сервер» клиент посылает запрос на предоставление данных и получает только те данные, которые действительно были затребованы. Вся обработка запроса выполняется на удаленном сервере. Такая архитектура обладает следующими достоинствами:

    1. Снижение нагрузки на сеть, поскольку теперь в ней циркулирует только нужная информация.

    2. Повышение безопасности информации, связанное с тем, что обработка запросов всех клиентов выполняется единой программой, расположенной на сервере. Сервер устанавливает общие для всех пользователей правила использования БД, управляет режимами доступа клиентов к данным, запрещая, в частности, одновременное изменение одной записи различными пользователями.

    3. Уменьшение сложности клиентских приложений за счет отсутствия в них кода, связанного с контролем БД и разграничением доступа к ней.

    Недостатками такой архитектуры являются:

    · неработоспособность сервера может сделать неработоспособной всю вычислительную сеть;

    · администрирование данной системы требует квалифицированного профессионала;

    · высокая стоимость оборудования;

    · бизнес логика приложений осталась в клиентском ПО.

    Для реализации архитектуры «клиент-сервер» обычно используются многопользовательские СУБД, например, Oracle или Мicrosoft SQL Server. Подобные СУБД также называют промышленными, так как они позволяют создать информационную систему организации или предприятия с большим числом пользователей.

    Трёхуровневая архитектура – архитектурная модель программного комплекса, предполагающая наличие в нём трёх компонентов: клиента, сервера приложений (к которому подключено клиентское приложение) и сервера баз данных (с которым работает сервер приложений).

    Трехуровневая клиент-серверная архитектура, которая начала развиваться с середины 90-х годов, предусматривает отделение прикладного уровня от управления данными. Отделяется отдельный программный уровень, на котором сосредотачивается прикладная логика приложения. Программы промежуточного уровня могут функционировать под управлением специальных серверов приложений, но запуск таких программ может осуществляться и под управлением обычного веб-сервера. Наконец, управления данными осуществляется сервером данных.

    Клиент (слой клиента) - это интерфейсный (обычно графический) компонент комплекса, предоставляемый конечному пользователю. Этот уровень не должен иметь прямых связей с базой данных (по требованиям безопасности и масштабируемости), быть нагруженным основной бизнес-логикой (по требованиям масштабируемости) и хранить состояние приложения (по требованиям надёжности). На этот уровень обычно выносится только простейшая бизнес-логика: интерфейс авторизации, алгоритмы шифрования, проверка вводимых значений на допустимость и соответствие формату, несложные операции с данными (сортировка, группировка, подсчёт значений), уже загруженными на терминал.

    Сервер приложений (средний слой, связующий слой) располагается на втором уровне, на нём сосредоточена большая часть бизнес-логики. Вне его остаются только фрагменты, экспортируемые на клиента (терминалы), а также элементы логики, погруженные в базу данных (хранимые процедуры и триггеры). Реализация данного компонента обеспечивается связующим программным обеспечением. Серверы приложений проектируются таким образом, чтобы добавление к ним дополнительных экземпляров обеспечивало горизонтальное масштабирование производительности программного комплекса и не требовало внесения изменений в программный код приложения.

    Сервер баз данных (слой данных) обеспечивает хранение данных и выносится на отдельный уровень, реализуется, как правило, средствами систем управления базами данных, подключение к этому компоненту обеспечивается только с уровня сервера приложений.

    В простейших конфигурациях все компоненты или часть из них могут быть совмещены на одном вычислительном узле. В продуктивных конфигурациях как правило используется выделенный вычислительный узел для сервера баз данных или кластер серверов баз данных, для серверов приложений - выделенная группа вычислительных узлов, к которым непосредственно подключаются клиенты (терминалы).

    По сравнению с клиент-серверной или файл-серверной архитектурой трёхуровневая архитектура обеспечивает, как правило, большую масштабируемость (за счёт горизонтальной масштабируемости сервера приложений и мультиплексирования соединений, большую конфигурируемость (за счёт изолированности уровней друг от друга), более широкие возможности по обеспечению безопасности и отказоустойчивости. Кроме того, в сравнении с клиент-серверными приложениями, использующими прямые подключения к серверам баз данных, снижаются требования к скорости и стабильности каналов связи между клиентом и серверной частью. Реализация приложений, доступных из веб-браузера или из тонкого клиента, как правило, подразумевает развёртывание программного комплекса в трёхуровневой архитектуре. При этом обычно разработка приложений для трёхуровневых программных комплексов сложнее, чем для клиент-серверных приложений, также наличие дополнительного связующего программного обеспечения может налагать дополнительные издержки в администрировании таких комплексов.

    Для доступа к тем или иным сетевам сервисам используются клиенты, возможности которых характеризуются понятием «толщины». Оно определяет конфигурацию оборудования и программное обеспечение, имеющиеся у клиента. Рассмотрим возможные граничные значения:

    «Тонкий» клиент . Этот термин определяет клиента, вычислительных ресурсов которого достаточно лишь для запуска необходимого сетевого приложения через web-интерфейс. Пользовательский интерфейс такого приложения формируется средствами статического HTML (выполнение JavaScript не предусматривается), вся прикладная логика выполняется на сервере.

    Для работы тонкого клиента достаточно лишь обеспечить возможность запуска web-браузера, в окне которого и осуществляются все действия. По этой причине web-браузер часто называют "универсальным клиентом".

    «Толстый» клиент . Таковым является рабочая станция или персональный компьютер, работающие под управлением собственной дисковой операционной системы и имеющие необходимый набор программного обеспечения. К сетевым серверам «толстые» клиенты обращаются в основном за дополнительными услугами (например, доступ к web-серверу или корпоративной базе данных).

    Так же под «толстым» клиентом подразумевается и клиентское сетевое приложение, запущенное под управлением локальной ОС. Такое приложение совмещает компонент представления данных (графический пользовательский интерфейс ОС) и прикладной компонент (вычислительные мощности клиентского компьютера).