Технологии «клиент-сервер». Информационные технологии

Современная вычислительная сеть является сложным комплексом взаимосвязанных программных и аппаратных компонентов (рис. 11.2). Весь комплекс программно-аппаратных средств сети может быть описан многослойной моделью, которая должна соответствовать общему назначению сети^[1]: компьютеры, коммуникационное оборудование, операционные системы, сетевые приложения.

Рис. 11.2. Вычислительная сеть как сложный комплекс взаимосвязанных программных и аппаратных компонентов.

В основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизированных компьютерных платформ, серверов, рабочих станций и ПК. В настоящее время в сетях успешно работают компьютеры различных классов — от персональных до мейнфреймов и суперЭВМ [6].

Второй слой — коммуникационное оборудование. Кабельные системы, повторители, коммутаторы, маршрутизаторы и модульные концентраторы превратились в полноправные компоненты сети. Сегодня коммуникационное устройство может представлять собой сложное специализированное мультипроцессорное устройство, которое нужно конфигурировать, администрировать и оптимизировать его работу в сети.

Третьим слоем, образующим программную платформу сети, являются операционные системы. От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой операционной системы, зависит эффективность работы всей сети. При проектировании сети важно учитывать:

• ? насколько легко данная операционная система может взаимодействовать с другими сетевыми операционными системами;
• ? какой она обеспечивает уровень безопасности и защищенности данных;
• ? до какой степени позволяет наращивать число пользователей;
• ? можно ли перенести ее на компьютер другого типа и многие другие соображения.

Самый верхний, четвертый слой образуют различные сетевые приложения, такие, как сетевые базы данных, средства передачи и архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и т. д. Очень важно представлять диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевыми приложениями и операционными системами.

Архитектура «клиент-сервер» представляет собой модель взаимодействия компьютеров в сети. Как правило, один компьютер в сети располагает информационно-вычислительными ресурсами, такими, как мощные процессоры, программные приложения, базы данных и различные сервисы. Другие же компьютеры пользуются ими (рис. 11.3). Компьютер, управляющий тем или иным ресурсом, принято называть сервером этого ресурса (Resource Server—RS), а компьютер, который пользуется этим ресурсом, — клиентом (Clients). Конкретный сервер характеризуется видом ресурса, которым он владеет. Если используемым ресурсом являются базы данных, то речь идет о сервере баз данных, назначение которого состоит в обслуживании запросов клиентов по выдаче или преобразованию данных. Если применяется файловая система или система пересылки сообщений, то говорят о файловом или почтовом сервере.

Этот же принцип распространяется и на взаимодействие процессов. Если один из них выполняет некоторые функции, предоставляя соответствующий набор услуг, такой процесс рассматривается.

Рис. 11.3. Архитектура «клиент-сервер» как модель взаимодействия компьютеров в сети.

в качестве сервера. Сегодня технология «клиент-сервер» получает все большее распространение, однако сама по себе она не предлагает универсальных рецептов, а лишь дает общее представление о том, как должна быть организована современная распределенная ИС. В каждом конкретном случае технологическое решение должно быть основано на конкретных предметных областях и соответствующих прикладных платформах.

В соответствии с этим один из основных принципов технологии «клиент-сервер» заключается в разделении функций стандартного приложения на три группы, имеющие различные назначение и структуру. В любом приложении выделяются следующие логические компоненты:

• ? компонент ввода и представления данных (Data Input/ Presentation);
• ? прикладной компонент (Business Application), который поддерживает функции, необходимые для выполнения действий в данной предметной области;
• ? компонент доступа к информационным ресурсам (Resource Acces) или менеджер ресурсов (Resource Manager), поддерживающий глобальные функции хранения и управления данными (базами данных, файловыми и почтовыми системами и т. д.).

Различия в реализации приложений в рамках технологии «клиент-сервер» определяются тем, какие механизмы используются для реализации функций всех трех групп и как логические компоненты распределяются между компьютерами в сети. Выделяют три подхода, каждый из которых реализован в соответствующей модели: доступа к удаленным данным (Remote Date Access — RDA), сервера базы данных (DateBase Server — DBS), сервера приложений (Application Server — AS).

В модели доступа к удаленным данным (RDA-модель) реализации компонента представления данных и прикладного компонента совмещены и выполняются на компьютере-клиенте. Этот компьютер поддерживает как функции ввода и отображения данных, так и чисто прикладные функции. Доступ к удаленным ИР обеспечивается, как правило, с помощью специального языка запросов SQL — если речь идет о базах данных, или вызовами функций специальных библиотек — если имеется соответствующий интерфейс API. Запросы направляются по сети удаленному компьютеру (например, серверу базы данных), который обрабатывает и выполняет запросы и возвращает клиенту блоки данных. Говоря о таком виде архитектуры «клиент-сервер», в большинстве случаев имеют в виду модель, называемую «толстым клиентом» (рис. 11.4).

Модель доступа к удаленным данным и сервисам, обслуживающим работупо извлечению, передаче и записи данных (DSB-модель), строится в предположении, что процесс, выполняемый на компьютере-клиенте, ограничивается функциями представления, а собственно прикладные функции реализованы в хранимых процедурах.

Рис. 11.4. Архитектура «клиент-сервер». Модель «толстого» клиента.

Рис. 11.5. Модель доступа к удаленным данным и сервисам (DSB-модель).

(Stored Procedure — SP), которые называют компилируемыми резидентными процедурами или процедурами базы данных (рис. 11.5). Они находятся непосредственно в базе данных и выполняются на компьютере-сервере (где функционирует ядро СУБД). В этом случае понятие «информационный ресурс» сужено до конкретной базы данных, поскольку механизм управления хранимыми процедурами заложен прямо в СУБД. На практике часто используются смешанные модели, когда поддержка целостности базы данных и некоторые прикладные функции поддерживаются хранимыми процедурами (DBS-модель), а часть сложных функций реализуются непосредственно в прикладной программе, которая выполняется на компьютере-клиенте (RDA-модель).

В модели сервера приложений (AS-модель) процесс, выполняющийся на компьютере-клиенте, отвечает, как правило, за ввод и отображение данных. Прикладные функции выполняются группой процессов (серверов приложений), функционирующих на удаленном компьютере (или нескольких компьютерах). Доступ к ИР, необходимым для решения прикладных задач, обеспечивается ровно тем же способом, что и в RDA-модели. Из прикладных компонентов доступны ресурсы различных типов: базы данных, индексированные файлы, очереди, и др. Серверы приложений выполняются, как правило, на том же компьютере, где функционирует менеджер ресурсов, однако могут находиться и на других компьютерах (рис. 11.6). Модель «клиент-сервер», когда подавляющее.

Рис. 11.6. Модель сервера приложений (AS-модель) большинство прикладных программ и сервисов расположено на стороне сервера, называется «тонким» клиентом. Подчеркнем важное архитектурное и функциональное различие между рассмотренными моделями.

Модели RDA и DBS реализуют двухзвенную схему разделения функций. В RDA-модели прикладные функции приданы программе-клиенту, в DBS-модели ответственность за их выполнение берет на себя ядро СУБД. В первом случае прикладной компонент сливается с компонентом представления, во втором — интегрируется в компонент доступа к информационным ресурсам. Напротив, в AS-модели реализована классическая трехзвенная схема разделения функций, когда прикладной компонент выделен как важнейший элемент приложения. Для его реализации используются универсальные механизмы многозадачной операционной системы и стандартизованные интерфейсы для взаимодействия с двумя другими компонентами. Собственно, из этой особенности AS-модели и вытекают ее преимущества, которые имеют важнейшее значение для чисто практической деятельности по организации коллективной работы в локальной сети или распределенной работы с удаленными базами данных или сервисными приложениями через Internet.

В распределенных корпоративных информационных системах (КИС) с портальной моделью представления данных, информационного отображения и сопровождения процессов, а также жесткой системой информационной безопасности используется, как правило, трехзвенная модель, однако каждая из описанные выше моделей свои имеет преимущества и используется самостоятельно и в разных сочетаниях с другими моделями и приложениями [9].

Для передачи данных применяются различные структуры коммутации. В первой из них взаимодействующие ИС связаны выделенным каналом. Такое взаимодействие называется смежным, и это наиболее эффективная структура в смысле безопасности и надежности передачи данных, но пригодная лишь в том случае, когда система должна взаимодействовать лишь с одним партнером и расстояние между ними невелико. При большом расстоянии в канал следует «врезать» повторители, усилители и другие подобные им устройства. В тех случаях, когда система должна работать с группой партнеров, используется ячеистая сеть, состоящая из каналов и узлов коммутации. В другой структуре передатчик направляет блоки данных в сервер, который накапливает их и передает получателю тогда, когда последний будет готов их принять, например, ПК или мобильному устройству, которые часть времени отключены от сети.

Передача данных между смежными и несмежными системами происходит по-разному. Между смежными системами передача опирается на физическую платформу, которая включает в себя лишь физический уровень и физические средства соединения (рис. 11.7). В соответствии с эталонной семиуровневой моделью взаимодействия открытых систем (Reference Model of Open System Interconnection — RM OSI) в сетях коммутации пакетов для передачи данных между несмежными системами создается сетевая платформа, образуемая физическими средствами соединения, физическим, канальным и сетевым уровнями. Оконечные системы частично погружены в эту платформу, а над ней располагаются только Л—7 уровни этих систем. На границе сетевого и транспортного уровня прикладные процессы передают друг другу пакеты данных.

При любом типе соединения, как только компьютеров становится больше двух, возникает проблема выбора конфигурации физических связей или топологии сети. Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (компьютеры, рабочие станции, серверы или исполнительные устройства) и коммуникационное оборудование (коммутаторы, маршрутизаторы), а ребрам — электрические, электронные.

Рис. 11.7. Передача данных между смежными системами на основе физической платформы и информационные связи между ними. Число возможных конфигураций резко возрастает при увеличении числа связываемых устройств.

Так, если три компьютера однозначно связываются двумя способами, то для четырех компьютеров можно предложить уже шесть топологически различных конфигураций (при условии однотипности компьютеров). Множество возможных конфигураций объединяются в две основные группы: полносвязные (Fully Connected Topology) и неполносвязные (Incompletely Connected Topology) (рис. 11.8).

Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан с каждым. Логически это самый простой вариант, но самый громоздкий и неэффективный. Во-первых, каждый компьютер в сети должен иметь большое число коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров. Во-вторых, для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная физическая линия связи, а в некоторых случаях даже две, если невозможно использование этой линии для двусторонней передачи. Полносвязные топологии в крупных сетях применяются редко, так как для связи N узлов требуется N (N — 1)/2 физических дуплексных линий связи. Чаще этот вид топологии используется в комплексах, где очень жесткие требования к безопасности и надежности, или в сетях, объединяющих небольшое число выделенных компьютеров. Ячеистая топология (Mesh Network) получается из полносвязной путем удаления некоторых нефункциональных связей. Такая топология допускает соединение большого числа компьютеров и характерна для крупных корпоративных сетей.

Рис. 11.8. Типы конфигураций.

Все другие варианты соединений (рис. 11.9), основанные на неполносвязных топологиях, — когда для обмена данными между двумя несмежными компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети — применяются в зависимости от числа компьютеров в сети, информационной нагрузки (трафика), уровня распределенности сети, числа прикладных и сервисных программ, требований к безопасности и т. д.

Программно-аппаратные устройства распределенной обработки данных являются составной частью информационной инфраструктуры высокотехнологичных компаний (см. рис. 11.1,11.2). На сегодняшний день на российском рынке представлены многочисленные продукты зарубежных и российских производителей для реализации соответствующих функций в распределенных корпоративных системах [4, 5].

Рис. 11.9. Варианты соединений, основанные на неполносвязных топологиях.

• [1] Режим доступа: http://www.fisher.osu.edu/.