Технология и модели "клиент-сервер"
"Клиент-сервер" - это модель взаимодействия компьютеров в сети. Как правило, компьютеры не являются равноправными. Каждый из них имеет свое, отличное от других, назначение, играет определенную роль. Некоторые компьютеры в сети владеют и распоряжаются информационно-вычислительными ресурсами, такими как процессоры, файловая система, почтовая служба, служба печати, база данных. Другие имеют возможность обращаться к этим службам, пользуясь услугами первых. Компьютер, управляющий тем или иным ресурсом, принято называть сервером этого ресурса, а компьютер, желающий им воспользоваться - клиентом. Конкретный сервер определяется видом ресурса, которым он владеет. Так, если ресурсом являются базы данных, то речь идет о сервере баз данных, назначение которого - обслуживать запросы клиентов, связанные с обработкой данных; если ресурс - это файловая система, то говорят о файловом сервере или файл-сервере и т.д.
В сети один и тот же компьютер может выполнять как роль клиента, так и роль сервера. Например, в информационной системе, включающей персональные компьютеры, большую ЭВМ и мини-компьютер под управлением UNIX, последний может выступать как в качестве сервера базы данных, обслуживая запросы от клиентов - персональных компьютеров, так и в качестве клиента, направляя запросы большой ЭВМ.
Этот же принцип распространяется и на взаимодействие программ. Если одна из них выполняет некоторые функции, предоставляя другим соответствующий набор услуг, то такая программа рассматривается в качестве сервера. Программы, которые пользуются этими услугами, принято называть клиентами. Так, ядро реляционной SQL-ориентированной СУБД часто называют сервером базы данных или SQL-сервером, а программу, обращающуюся к нему за услугами по обработке данных - SQL-клиентом.
Первоначально СУБД имели централизованную архитектуру. В ней сама СУБД и прикладные программы, которые работали с базами данных, функционировали на центральном компьютере (большая ЭВМ или мини-компьютер). Там же располагались базы данных.
К центральному компьютеру были подключены терминалы, выступавшие в качестве рабочих мест пользователей. Все процессы, связанные с обработкой данных: поддержка ввода, осуществляемого пользователем, формирование, оптимизация и выполнение запросов, обмен с устройствами внешней памяти и т.д., выполнялись на центральном компьютере, что предъявляло жесткие требования к его производительности. Особенности СУБД первого поколения напрямую связаны с архитектурой больших ЭВМ и мини-компьютеров и адекватно отражают все их преимущества и недостатки.
В настоящее время фактическим стандартом для многопользовательских СУБД, стала архитектура "клиент-сервер".
Если предполагается, что проектируемая информационная система (ИС) будет построена по технологии "клиент-сервер", то это означает, что прикладные программы, реализованные в ее рамках, будут иметь распределенный характер. Иными словами, часть функций прикладной программы (или, проще, приложения) будет реализована в программе-клиенте, другая - в программе-сервере, причем для их взаимодействия будет определен некоторый протокол.
Основной принцип технологии "клиент-сервер" заключается в разделении функций стандартного интерактивного приложения на четыре группы, имеющие различную природу. Первая группа - это функции ввода и отображения данных. Вторая группа объединяет чисто прикладные функции, характерные для данной предметной области.
К третьей группе относятся фундаментальные функции хранения и управления информационными ресурсами (базами данных, файловыми системами и т.д.). Наконец, функции четвертой группы - служебные, играющие роль связок между функциями первых трех групп. В соответствии с этим в любом приложении выделяются следующие логические компоненты:
· компонент представления, реализующий функции первой группы;
· прикладной компонент, поддерживающий функции второй группы;
· компонент доступа к информационным ресурсам, поддерживающий функции третьей группы;
· протокол взаимодействия.
Различия в реализациях технологии "клиент-сервер" определяются четырьмя факторами. Во-первых, тем, в какие виды программного обеспечения интегрирован каждый из этих компонентов. Во-вторых, тем, какие механизмы программного обеспечения используются для реализации функций всех четырех групп. В-третьих - как логические компоненты распределяются между компьютерами в сети. В-четвертых, какие механизмы используются для связи компонентов между собой.
Выделяются четыре подхода, реализованные в следующих моделях:
· модель файлового сервера (File Server - FS);
· модель доступа к удаленным данным (Remote Data Access - RDA);
· модель севера базы данных (DataBase Server - DBS);
· модель сервера приложений (Application Server - AS).
FS-модель является базовой для локальных сетей персональных компьютеров. В соответствии с этой моделью один из компьютеров в сети считается файловым сервером и предоставляет услуги по обработке файлов другим компьютерам. Файловый сервер работает под управлением сетевой операционной системы (например, Novell NetWare) и играет роль компонента доступа к информационным ресурсам (то есть к файлам). На других компьютерах в сети функционирует приложение, в кодах которого совмещены компонент представления и прикладной компонент. Протокол обмена представляет собой набор низкоуровневых вызовов, обеспечивающих приложению доступ к файловой системе на файл-сервере.
Рис.1.1. Модель файлового сервера.
FS-модель послужила фундаментом для расширения возможностей персональных СУБД в направлении поддержки многопользовательского режима. В таких системах на нескольких персональных компьютерах выполняется как прикладная программа, так и копия СУБД, а базы данных содержатся в разделяемых файлах, которые находятся на файловом сервере.
Когда прикладная программа обращается к базе данных, СУБД направляет запрос на файловый сервер. В этом запросе указаны файлы, где находятся запрашиваемые данные. В ответ на запрос файловый сервер направляет по сети требуемый блок данных. СУБД, получив его, выполняет над данными действия, которые были декларированы в прикладной программе.
К технологическим недостаткам модели относят высокий сетевой трафик (передача множества файлов, необходимых приложению), узкий спектр операций манипулирования данными ("данные - это файлы"), отсутствие адекватных средств безопасности доступа к данным (защита только на уровне файловой системы) и т.д. Все перечисленные недостатки - следствие внутренне присущих FS-модели ограничений, определяемых ее характером.
Более технологичная RDA-модель существенно отличается от FS-модели характером компонента доступа к информационным ресурсам. Это, как правило, SQL-сервер. В RDA-модели коды компонента представления и прикладного компонента совмещены и выполняются на компьютере-клиенте. Последний поддерживает как функции ввода и отображения данных, так и чисто прикладные функции. Доступ к информационным ресурсам обеспечивается либо операторами специального языка (языка SQL, если речь идет о базах данных) или вызовами функций специальной библиотеки (если имеется соответствующий интерфейс прикладного программирования - API).
Рис 2.2. Модель доступа к удаленным данным.
Клиент направляет запросы к информационным ресурсам (например, к базам данных) по сети удаленному компьютеру. На нем функционирует ядро СУБД, которое обрабатывает запросы, выполняя предписанные в них действия и возвращает клиенту результат, оформленный как блок данных. При этом инициатором манипуляций с данными выступают программы, выполняющиеся на компьютерах-клиентах, в то время как ядру СУБД отводится пассивная роль - обслуживание запросов и обработка данных.
RDA-модель избавляет от недостатков, присущих как системам с централизованной архитектурой, так и системам с файловым сервером.
Прежде всего, перенос компонента представления и прикладного компонента на компьютеры-клиенты существенно разгружает сервер БД, минимизируя общее число процессов операционной системы. Сервер БД освобождается от несвойственных ему функций; процессор или процессоры сервера целиком загружаются операциями обработки данных, запросов и транзакций. Это становится возможным благодаря отказу от терминалов и оснащению рабочих мест компьютерами, которые обладают собственными локальными вычислительными ресурсами, полностью используемыми программами переднего плана. С другой стороны, резко уменьшается загрузка сети, так как по ней передаются от клиента к серверу не запросы на ввод-вывод (как в системах с файловым сервером), а запросы на языке SQL, а их объем существенно меньше.
Основное достоинство RDA-модели заключается в унификации интерфейса "клиент-сервер" в виде языка SQL. Действительно, взаимодействие прикладного компонента с ядром СУБД невозможно без стандартизованного средства общения. Запросы, направляемые программой ядру, должны быть понятны обеим сторонам. Для этого их следует сформулировать на специальном языке. Но в СУБД уже существует язык SQL, о котором речь шла выше. Поэтому было бы целесообразно использовать его не только в качестве средства доступа к данным, но и как стандарта общения клиента и сервера.
К сожалению, RDA-модель не лишена ряда недостатков. Во-первых, взаимодействие клиента и сервера посредством SQL-запросов существенно загружает сеть. Во-вторых, удовлетворительное администрирование приложений в RDA-модели практически невозможно из-за совмещения в одной программе различных по своей природе функций (функции представления и прикладные функции).
Наряду с RDA-моделью все большую популярность приобретает перспективная DBS-модель. Последняя реализована в некоторых реляционных СУБД (Informix, Ingres, Sybase, Oracle, InterBase). Ее основу составляет механизм хранимых процедур - средство программирования SQL-сервера. Процедуры хранятся в словаре базы данных, разделяются между несколькими клиентами и выполняются на том же компьютере, где функционирует SQL-сервер.
Язык, на котором разрабатываются хранимые процедуры (SQL/PTL), представляет собой процедурное расширение языка запросов SQL и уникален для каждой конкретной СУБД.
В DBS-модели компонент представления выполняется на компьютере-клиенте, в то время как прикладной компонент оформлен как набор хранимых процедур и функционирует на компьютере-сервере БД. Там же выполняется компонент доступа к данным, то есть ядро СУБД. Достоинства DBS-модели: возможность централизованного администрирования прикладных функций, и снижение трафика (вместо SQL-запросов по сети направляются вызовы хранимых процедур), возможность разделения процедуры между несколькими приложениями, экономия ресурсов компьютера за счет использования единожды созданного плана выполнения процедуры. К недостаткам можно отнести ограниченность средств, используемых для написания хранимых процедур, которые представляют собой разнообразные процедурные расширения SQL, не выдерживающие сравнения по функциональным возможностям с языками третьего поколения, такими как C или Pascal. Сфера их использования ограничена конкретной СУБД, в большинстве СУБД отсутствуют возможности отладки и тестирования разработанных хранимых процедур.
Рис.1.3. Модель сервера баз данных.
На практике часто используется смешанные модели, когда поддержка целостности базы данных и некоторые простейшие прикладные функции выполняются хранимыми процедурами (DBS-модель), а более сложные функции реализуются непосредственно в прикладной программе, которая работает на компьютере-клиенте (RDA-модель). Так или иначе, современные многопользовательские СУБД опираются на RDA- и DBS-модели и при создании ИС, предполагающем использование только СУБД, выбирают одну из этих двух моделей, либо их разумное сочетание.
В AS-модели процесс, выполняющийся на компьютере-клиенте, отвечает, как обычно, за интерфейс с пользователем (то есть реализует функции первой группы). Обращаясь за выполнением услуг к прикладному компоненту, этот процесс играет роль клиента приложения (Application Client - AC).
Прикладной компонент реализован как группа процессов, выполняющих прикладные функции и называется сервером приложения (Application Server - AS). Все операции над информационными ресурсами выполняются соответствующим компонентом, по отношению к которому AS играет роль клиента. Из прикладных компонентов доступны ресурсы различных типов - базы данных, очереди, почтовые службы и др.
Рис.1.4. Модель сервера приложений.
RDA- и DBS-модели опираются на 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. В AS-модели реализована трехзвенная схема разделения функций, где прикладной компонент выделен как важнейший изолированный элемент приложения, для его определения используются универсальные механизмы многозадачной операционной системы, и стандартизованы интерфейсы с двумя другими компонентами. AS-модель является фундаментом для мониторов обработки транзакций (Transaction Processing Monitors - TPM), или, проще, мониторов транзакций, которые выделяются как особый вид программного обеспечения.
В период создания первых СУБД технология "клиент-сервер" только зарождалась. Поэтому изначально в архитектуре систем не было адекватного механизма организации взаимодействия такого типа, в современных же системах он жизненно необходим.
Чтобы понять проблему, рассмотрим эволюцию серверов баз данных. Первое время доминировала модель, когда управление данными (функция сервера) и взаимодействие с пользователем были совмещены в одной программе. Затем функции управления данными были выделены в самостоятельную группу - сервер, однако модель взаимодействия пользователя с сервером соответствовала парадигме "один-к-одному", то есть сервер обслуживал запросы ровно одного пользователя (клиента), и для обслуживания нескольких клиентов нужно было запустить эквивалентное число серверов.
Выделение сервера в отдельную программу - революционный шаг, позволяющий, в частности, поместить сервер на одну машину, а программный интерфейс с пользователем - на другую, осуществляя взаимодействие между ними по сети. Однако необходимость запуска большого числа серверов для обслуживания множества пользователей сильно ограничивала возможности такой системы.
Проблемы, возникающие в модели "один-к-одному", решаются в архитектуре систем с выделенным сервером, способным обрабатывать запросы от многих клиентов. Сервер единственный обладает монополией на управление данными и взаимодействует одновременно со многими клиентами. Логически каждый клиент связан с сервером отдельной нитью (thread) или потоком, по которому пересылаются запросы. Такая архитектура получила название многопотоковой (multi-threaded).
Она позволяет значительно уменьшить нагрузку на операционную систему, возникающую при работе большого числа пользователей. С другой стороны, возможность взаимодействия с одним сервером многих клиентов позволяет в полной степени использовать разделяемые объекты (начиная с открытых файлов и кончая данными из системных каталогов), что сильно уменьшает потребности в памяти и общее число процессов операционной системы. Например, системой с архитектурой "один-к-одному" будет создано 50 копий процессов СУБД для 50 пользователей, тогда как системе с многопотоковой архитектурой для этого понадобиться только один сервер.
Однако такое решение создает новую проблему. Так как сервер может выполняться только на одном процессоре, возникает естественное ограничение на применение СУБД для мультипроцессорных платформ. Если компьютер имеет, например, четыре процессора, то СУБД с одним сервером используют только один из них, не загружая оставшиеся три.
В некоторых системах эта проблема решается заменой выделенного сервера на диспетчер или виртуальный сервер (virtual server), который теряет право монопольно распоряжаться данными, выполняя только функции диспетчеризации запросов к актуальным серверам.Таким образом, в архитектуру системы добавляется новый слой, который размещается между клиентом и сервером, что увеличивает трату ресурсов на поддержку баланса загрузки (load balancing) и ограничивает возможности управления взаимодействием "клиент-сервер". Во-первых, становится невозможным направить запрос от конкретного клиента конкретному серверу, во-вторых, серверы становятся равноправными - невозможно устанавливать приоритеты для обслуживания запросов.
Современное решение проблемы СУБД для мультипроцессорных платформ заключается в возможности запуска нескольких серверов базы данных, в том числе и на различных процессорах. При этом каждый из серверов должен быть многопотоковым. Если два эти условия выполнены, то есть основание говорить о многопотоковой архитектуре с несколькими серверами (multi-threaded, multi-server architecture).
