Основные условия и требования к распределенной обработке данных

Свойства «идеальной» системы управления распределенными базами данных:

• прозрачность относительно расположения данных: СУБД должна представлять все данные так, как если бы они были локальными;

• гетерогенность системы: СУБД должна работать с данными, которые хранятся в системах с различной архитектурой и производительностью (независимость от СУБД);

• прозрачность относительно сети: СУБД должна одинаково работать в условиях разнородных сетей;

• поддержка распределенных запросов: пользователь должен иметь возможность объединять данные из любых баз, даже если они размещены в разных системах;

• поддержка распределенных изменений: пользователь должен иметь возможность изменять данные в любых базах, на доступ к которым у него есть права, даже если эти базы размещены в разных системах;

• поддержка распределенных транзакций: СУБД должна выполнять транзакции, выходящие за рамки одной вычислительной системы, и поддерживать целостность распределенной БД даже при возникновении отказов как в отдельных системах, так и в сети;

• безопасность: СУБД должна обеспечить защиту все распределенной БД от несанкционированного доступа;

• универсальность доступа: СУБД должна обеспечивать единую методику доступа ко всем данным.

Однако ни одна из существующих СУБД не достигает этого идеала вследствие следующих практических проблем:

• низкая и несбалансированная производительность сетей передачи данных, что в распределенных транзакциях сильно снижает общую производительность обработки;

• обеспечение целостности данных в распределенных транзакциях базируется на принципе «все или ничего» и требует специального протокола двухфазного завершения транзакций, что приводит к длительной блокировке изменяемых данных;

• необходимо обеспечить совместимость данных стандартного типа, для хранения которых в разных системах используются разные физические форматы и кодировки;

• выбор схемы размещения сетевых каталогов. Если каталог будет храниться в одной системе, то удаленный доступ будет замедлен. Если будет размножен – изменения придется распространять и синхронизировать;

• необходимо обеспечить совместимость СУБД разных типов и поставщиков;

• увеличение потребности в ресурсах для координации работы приложений с целью обнаружения и устранения тупиковых ситуаций в распределенных транзакциях.

Именно указанные причины определили на практике частичность и «этапность» введения в СУБД тех или иных возможностей распределенной обработки данных. В простейшем случае пользователь имеет возможность обращаться по сети к записям в БД, размещенным на других компьютерах. В других случаях СУБД сама производит аутенти

Базовые архитектуры распределенной обработки данных

Почти все модели организации взаимодействия пользователя с базой данных построены на основе модели «клиент-сервер». То есть предполагается, что каждое такое приложение отличается способом распределения функций ранее приведенных групп обработки данных между, как минимум, двумя частями:

• Клиентской, которая отвечает за целевую обработку данных и организацию взаимодействия с пользователем;

• Серверной, которая обеспечивает хранение данных, обрабатывает запросы и посылает результаты клиенту для специальной обработки.

Сервер – это программа, реализующая функции собственно СУБД: определение данных, запись – чтение данных, поддержка схем внешнего, концептуального и внутреннего уровней, диспетчеризация и оптимизация выполнения запросов, защита данных.

Клиент – это различные программы, написанные как пользователями, так и поставщиками СУБД, внешние или «встроенные» по отношению к СУБД. Программа-клиент организована в виде приложения, работающего «поверх» СУБД, и обращающегося для выполнения операций над данными и компонентами СУБД через интерфейс внешнего уровня.

Архитектура «файл-сервер».

Организация и управление базой данных (в т.ч. и СУБД) целиком располагается на машине клиента, а база данных, представляющая собой обычно набор специализированных структурированных файлов, на машине-сервере. В этом случае серверная компонента представлена даже не средствами СУБД, а сетевыми составляющими операционной системы, обеспечивающими удаленный разделяемый доступ к файлам.

Взаимодействие между клиентом и сервером происходит на уровне команд ввода-вывода файловой системы, которая возвращает запись или блок данных.

Достоинство – возможность обслуживания запросов нескольких клиентов.

Недостатки:

• высокая загрузка сети и машин-клиентов, т.к. обмен идет на уровне единиц информации файловой системы – физических записей, блоков или даже файлов, из которых на машине клиента будут выбраны и представлены необходимые для приложения элементы данных;

• низкий уровень защиты данных, так как доступ к файлам БД управляется общими средствами ОС-сервера;

• низкий уровень управления целостностью и непротиворечивостью информации, так как бизнес-правила функциональной обработки, сосредоточенные на клиентской части, могут быть противоречивыми и несинхронизированными.

Архитектура «выделенный сервер базы данных»

Средства управления базой данных и база данных размещены на машине-сервере.

Взаимодействие между клиентом и сервером происходит на уровне команд языка манипулирования данными СУБД (обычно SQL), которые обрабатываются СУБД на машине-сервере.

Достоинства:

• возможность обслуживания запросов нескольких клиентов;

• снижение нагрузки на сеть и машины сервера и клиентов;

• защита данных осуществляется средствами СУБД, что позволяет блокировать не разрешенные пользователю действия;

• сервер реализует управление транзакциями и может блокировать попытки одновременного изменения одних и тех же записей.

Недостатки:

• Бизнес-логика функциональной обработки и представление данных могут быть одинаковыми для нескольких клиентских приложений, и это увеличит совокупные потребности в ресурсах при исполнении вследствие повторения части кода программ и запросов;

• Низкий уровень управления непротиворечивостью информации, так как бизнес-правила функциональной обработки, сосредоточенные на клиентской части, могут быть противоречивыми.

Архитектура «активный сервер баз данных»

Для того, чтобы устранить недостатки, свойственные архитектуре сервера базы данных, необходимо, чтобы непротиворечивость бизнес-логики и изменения базы данных контролировались на стороне сервера.

Для этой функции бизнес-логики разделяются между клиентской и серверной частями. Общие или критически значимые функции оформляются в виде хранимых процедур, включаемых в состав базы данных. Кроме этого вводится механизм отслеживания событий БД – триггеров, также включаемых в состав базы. При возникновении соответствующего события (обычно изменения данных), СУБД вызывает для выполнения хранимую процедуру, связанную с триггером, что позволяет эффектно контролировать изменение базы данных.

Хранимые процедуры и триггеры могут быть использованы любыми клиентскими приложениями, работающими с базой данных. Это снижает дублирование программных кодов и исключает необходимость компиляции каждого запроса.

Недостатком такой архитектуры становится существенно возрастающая загрузка сервера за счет необходимости отслеживания событий и выполнения части бизнес-правил.

Архитектура «сервер приложений»

Рассмотренные выше архитектуры являются двухзвенными: здесь все функции доступа и обработки распределены между программой клиента и сервером БД.

Дальнейшее снижение требований к ресурсам клиента достигается за счет введения промежуточного звена – сервера приложений, на который переносится значительная часть программных компонентов управления данными и большая часть бизнес-логики. При этом серверы баз данных обеспечивают исключительно функции СУБД по ведению и обслуживанию базы данных.

К другим (организационно-технологическим) достоинством трехзвенной архитектуры можно отнести:

• централизованное введение бизнес-логики, и в случае внесения изменения отсутствие необходимости их тиражирования в клиентских приложениях;

• отсутствие необходимости устанавливать на клиентских машинах компоненту программного обеспечения управления доступа к данным:

• возможность отложенного обновления БД в случае изменения данных, запрошенных с сервера, в автономном режиме. Данные будут обновлены в базе после следующего соединения клиентской программы с сервером приложений.