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 свою роль. Некоторые компьютеры в сети владеют и распоряжается информационно-вычислительными ресурсами, такими как процессоры, файловая система, почтовая служба, служба печати, база данных. Другие же компьютеры 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 роль как клиента, так и 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 выступает 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.

Рисунок 1.
Системы с централизованной архитектурой.

Первоначально СУБД имели централизованную архитектуру (рис.1). 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, как то: 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 систем больших ЭВМ и мини-компьютеров и адекватно отражают все их преимущества и недостатки. Однако нас больше интересует современное состояние многопользовательских СУБД, для которых архитектура "клиент-сервер" стала фактическим стандартом.

Для более четкого представления об ее особенностях необходимо рассмотреть несколько моделей технологии "клиент-сервер", что и будет сделано.

Если предполагается, что проектируемая информационная система (ИС) будет иметь технологию "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 (например, для банковской системы - открытие счета, перевод денег с одного счета на другой и т.д.). К третьей группе относятся фундаментальные функции хранения и управления информационными ресурсами (базами данных, файловыми системами и т.д.). Наконец, функции четвертой группы - это служебные функции (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 групп, а также вводятся и уточняются соглашения о способах их взаимодействия (протокол взаимодействия).

Различия в реализациях технологии "клиент-сервер" определяются четырьмя факторами. Во-первых, тем, в какие виды программного обеспечения интегрированы каждый из этих компонентов. Во-вторых, тем, какие механизмы программного обеспечения используются для реализации функций всех трех групп. Во-третьих, как логические компоненты распределяются между компьютерами в сети. В-четвертых, какие механизмы используются для связи компонентов между собой.

Выделяются четыре подхода, реализованные в 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).

Рисунок 2.
Модель файлового сервера.

FS-модель является базовой для локальных сетей персональных компьютеров. Не так давно она была исключительно популярной среди отечественных разработчиков, использовавших такие системы, как FoxPRO, Clipper, Clarion, Paradox и т.д. Суть модели проста и всем известна. 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 (рис.2). Протокол обмена представляет собой набор низкоуровневых вызовов, обеспечивающих приложению доступ к файловой системе на файл-сервере.

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 манипуляции с данными ("данные - это файлы"), отсутствие адекватных средств безопасности доступа к данным (защита только на уровне файловой системы) и т.д. Собственно, перечисленное не есть недостатки, но - следствие внутренне присущих FS-модели ограничений, определяемых ее характером. Недоразумения возникают, когда FS-модель используют не по назначению, например, пытаются интерпретировать как модель сервера базы данных. Место FS-модели в иерархии моделей "клиент-сервер" - это место модели файлового сервера, и ничего более. Именно поэтому обречены на провал попытки создания на основе FS-модели крупных корпоративных систем - попытки, которые предпринимались в недавнем прошлом и нередко предпринимаются сейчас.

Рисунок 3.
Модель доступа к удаленным данным.

Более технологичная RDA-модельсущественно 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, например, если речь идет о базах данных), либо вызовами функций специальной библиотеки (если имеется соответствующий интерфейс прикладного программирования - API).

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 (рис.3). 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. В Разделе 2 будет показано, что такое распределение обязанностей между клиентами и сервером базы данных не догма - сервер БД может играть более активную роль, чем та, которая предписана ему традиционной парадигмой.

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, сводя к минимуму 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, их объем существенно меньше.

Основное достоинство RDA-модели - унификация 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 обоим. Для этого их следует сформулировать на специальном языке. Но в СУБД уже существует язык SQL, о котором уже шла речь . Поэтому целесообразно использовать его не только в качестве средства доступа к данным, но и стандарта общения клиента и сервера.

Такое общение можно сравнить с беседой нескольких человек, когда один отвечает на вопросы остальных (вопросы задаются одновременно). Причем делает это он так быстро, что время ожидания ответа приближается к нулю. Высокая скорость общения достигается прежде всего благодаря четкой формулировке вопроса, когда спрашивающему и отвечающему не нужно дополнительных консультаций по сути вопроса. Беседующие обмениваются несколькими короткими однозначными фразами, им ничего не нужно уточнять.

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). Более подробно о недостатках RDA-модели сказано в п. 2.3.1.

Рисунок 4.
Модель сервера базы данных.

Наряду с RDA-моделью все большую популярность приобретает перспективная DBS-модель(рис. 4). Последняя реализована в некоторых реляционных СУБД (Informix, Ingres, Sybase, Oracle). 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, представляет собой процедурное расширение языка запросов SQL и уникален для каждой конкретной СУБД. Более подробно о хранимых процедурах рассказано в п. 2.3.3.

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 очевидны: это и возможность централизованного администрирования прикладных функций, и снижение трафика (вместо SQL-запросов по сети направляются вызовы хранимых процедур), и возможность разделения процедуры между несколькими приложениями, и экономия ресурсов компьютера за счет использования единожды созданного плана выполнения процедуры. К недостаткам модели можно отнести ограниченность средств, используемых для написания хранимых процедур, которые представляют собой разнообразные процедурные расширения SQL, не выдерживающие сравнения по изобразительным средствам и 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.

На практике часто используется смешанные модели, когда поддержка целостности базы данных и некоторые простейшие прикладные функции поддерживаются хранимыми процедурами (DBS-модель), а более сложные функции реализуются непосредственно в прикладной программе, которая выполняется 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.

Рисунок 5.
Модель сервера приложений.

В AS-модели (рис.5) процесс, выполняющийся на компьютере-клиенте, отвечает, как обычно, за интерфейс с пользователем (то есть осуществляет 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.

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. Мониторы транзакций - предмет Раздела 4.

В заключение отметим, что, часто, говоря о сервере базы данных, подразумевают как компьютер, так и программное обеспечение - ядро СУБД. При описании архитектуры "Клиент-сервер" под сервером базы данных мы имели в виду компьютер. Далее сервер базы данных будет пониматься как программное обеспечение - ядро СУБД.