Способ разделения приложений на части

Очевидно, что можно предложить различные схемы разделения приложений на части, причем для каждого конкретного приложения можно предложить свою схему. Существуют и типовые модели распределенных приложений. В следующей достаточно детальной модели предлагается разделить приложение на шесть функциональных частей:

• средства представления данных на экране, например средства графического пользовательского интерфейса;

• логика представления данных на экране описывает правила и возможные сценарии взаимодействия пользователя с приложением: выбор из системы меню, выбор элемента из списка и т. п.;

• прикладная логика - набор правил для принятия решений, вычислительные процедуры и операции;

• логика данных - операции с данными, хранящимися в некоторой базе, которые нужно выполнить для реализации прикладной логики;

• внутренние операции базы данных - действия СУБД, вызываемые в ответ на выполнение запросов логики данных, такие как поиск записи по определенным признакам;

• файловые операции - стандартные операции над файлами и файловой системой, которые обычно являются функциями операционной системы.

На основе этой модели можно построить несколько схем распределения частей приложения между компьютерами сети.

Двухзвенные схемы

Распределение приложения между большим числом компьютеров может повысить качество его выполнения (скорость, количество одновременно обслуживаемых пользователей и т. д.), но при этом существенно усложняется организация самого приложения, что может просто не позволить воспользоваться потенциальными преимуществами распределенной обработки. Поэтому на практике приложение обычно разделяют на две или три части и достаточно редко - на большее число частей. Наиболее распространенной является двухзвенная схема, распределяющая приложение между двумя компьютерами. Перечисленные выше типовые функциональные части приложения можно разделить между двумя компьютерами различными способами.

Рассмотрим сначала два крайних случая двухзвенной схемы, когда нагрузка в основном ложится на один узел - либо на центральный компьютер, либо на клиентскую машину.

В централизованной схеме (рис. 63, а) компьютер пользователя работает как терминал, выполняющий лишь функции представления данных, тогда как все остальные функции передаются центральному компьютеру. Ресурсы компьютера пользователя используются в этой схеме в незначительной степени, загруженными оказываются только графические средства подсистемы ввода-вывода ОС, отображающие на экране окна и другие графические примитивы по командам центрального компьютера, а также сетевые средства ОС, принимающие из сети команды центрального компьютера и возвращающие данные о нажатии клавиш и координатах мыши. Программа, работающая на компьютере пользователя, часто называется эмулятором терминала - графическим или текстовым, в зависимости от поддерживаемого режима. Фактически эта схема повторяет организацию многотерминальной системы на базе мэйнфрейма с тем лишь отличием, что вместо терминалов используются компьютеры, подключенные не через локальный интерфейс, а через сеть, локальную или глобальную.

Рис. 63. Варианты распределений частей приложения по двухзвенной схеме

Главным и очень серьезным недостатком централизованной схемы является ее недостаточная масштабируемость и отсутствие отказоустойчивости. Производительность центрального компьютера всегда будет ограничителем количества пользователей, работающих с данным приложением, а отказ центрального компьютера приводит к прекращению работы всех пользователей. Именно из-за этих недостатков централизованные вычислительные системы, представленные мэйнфреймами, уступили место сетям, состоящим из мини-компьютеров, RISC-серверов и персональных компьютеров. Тем не менее централизованная схема иногда применяется как из-за простоты организации программы, которая почти целиком работает на одном компьютере, так и из-за наличия большого парка не распределенных приложений.

В схеме «файловый сервер» (рис. 63, б) на клиентской машине выполняются все части приложения, кроме файловых операций. В сети имеется достаточно мощный компьютер, имеющий дисковую подсистему большого объема, который хранит файлы, доступ к которым необходим большому числу пользователей. Этот компьютер играет роль файлового сервера, представляя собой централизованное хранилище данных, находящихся в разделяемом доступе. Распределенное приложение в этой схеме мало отличается от полностью локального приложения. Единственным отличием является обращение к удаленным файлам вместо локальных. Для того чтобы в этой схеме можно было использовать локальные приложения, в сетевые операционные системы ввели такой компонент сетевой файловой службы, как редиректор, который перехватывает обращения к удаленным файлам (с помощью специальной нотации для сетевых имен, такой, например, как //server/doc/file1.txt) и направляет запросы в сеть, освобождая приложение от необходимости явно задействовать сетевые системные вызовы.

Файловый сервер представляет собой компонент наиболее популярной сетевой службы - сетевой файловой системы, которая лежит в основе многих распределенных приложений и некоторых других сетевых служб. Первые сетевые ОС (NetWare компании Novell, IBM PC LAN Program, Microsoft MS-Net) обычно поддерживали две сетевые службы - файловую службу и службу печати, оставляя реализацию остальных функций разработчикам распределенных приложений.

Такая схема обладает хорошей масштабируемостью, так как дополнительные пользователи и приложения добавляют лишь незначительную нагрузку на центральный узел - файловый сервер. Однако эта архитектура имеет и свои недостатки:

• во многих случаях резко возрастает сетевая нагрузка (например, многочисленные запросы к базе данных могут приводить к загрузке всей базы данных в клиентскую машину для последующего локального поиска нужных записей), что приводит к увеличению времени реакции приложения;

• компьютер клиента должен обладать высокой вычислительной мощностью, чтобы справляться с представлением данных, логикой приложения, логикой данных и поддержкой операций базы данных.

Другие варианты двухзвенной модели более равномерно распределяют функции между клиентской и серверной частями системы. Наиболее часто используется схема, в которой на серверный компьютер возлагаются функции проведения внутренних операций базы данных и файловых операций (рис. 63, в). Клиентский компьютер при этом выполняет все функции, специфические для данного приложения, а сервер - функции, реализация которых не зависит от специфики приложения, из-за чего эти функции могут быть оформлены в виде сетевых служб. Поскольку функции управления базами данных нужны далеко не всем приложениям, то в отличие от файловой системы они чаще всего не реализуются в виде службы сетевой ОС, а являются независимой распределенной прикладной системой. Система управления базами данных (СУБД) является одним из наиболее часто применяемых в сетях распределенных приложений. Не все СУБД являются распределенными, но практически все мощные СУБД, позволяющие поддерживать большое число сетевых пользователей, построены в соответствии с описанной моделью клиент-сервер. Сам термин «клиент-сервер» справедлив для любой двухзвенной схемы распределения функций, но исторически он оказался наиболее тесно связанным со схемой, в которой сервер выполняет функции по управлению базами данных (и, конечно, файлами, в которых хранятся эти базы) и часто используется как синоним этой схемы.

Трехзвенные схемы

Трехзвенная архитектура позволяет еще лучше сбалансировать нагрузку на различные компьютеры в сети, а также способствует дальнейшей специализации серверов и средств разработки распределенных приложений. Примером трехзвенной архитектуры может служить такая организация приложения, при которой на клиентской машине выполняются средства представления и логика представления, а также поддерживается программный интерфейс для вызова частей приложения второго звена - промежуточного сервера (рис. 64).

Промежуточный сервер называют в этом варианте сервером приложений, так как на нем выполняются прикладная логика и логика обработки данных, представляющих собой наиболее специфические и важные части большинства приложений. Слой логики обработки данных вызывает внутренние операции базы данных, которые реализуются третьим звеном схемы - сервером баз данных.

Сервер баз данных, как и в двухзвенной модели, выполняет функции двух последних слоев - операции внутри базы данных и файловые операции. Примером такой схемы может служить неоднородная архитектура, включающая клиентские компьютеры под управлением Windows 95/98, сервер приложений с монитором транзакций TUXEDO в среде Solaris на компьютере компании Sun Microsystems и сервер баз данных Oracle в среде Windows 2000 на компьютере компании Compaq.

Рис. 64. Трехзвенная схема распределения частей приложения

Централизованная реализация логики приложения решает проблему недостаточной вычислительной мощности клиентских компьютеров для сложных приложений, а также упрощает администрирование и сопровождение. В том случае когда сервер приложений сам становится узким местом, в сети можно применить несколько серверов приложений, распределив каким-то образом запросы пользователей между ними. Упрощается и разработка крупных приложений, так как в этом случае четко разделяются платформы и инструменты для реализации интерфейса и прикладной логики, что позволяет с наибольшей эффективностью реализовывать их силами специалистов узкого профиля.

Монитор транзакций представляет собой популярный пример программного обеспечения, не входящего в состав сетевой ОС, но выполняющего функции, полезные для большого количества приложений. Такой монитор управляет транзакциями с базой данных и поддерживает целостность распределенной базы данных.

Трехзвенные схемы часто применяются для централизованной реализации в сети некоторых общих для распределенных приложений функций, отличных от файлового сервиса и управления базами данных. Программные модули, выполняющие такие функции, относят к классу middleware - то есть промежуточному слою, располагающемуся между индивидуальной для каждого приложения логикой и сервером баз данных.

В крупных сетях для связи клиентских и серверных частей приложений также используется и ряд других средств, относящихся к классу middleware, в том числе:

• средства асинхронной обработки сообщений (message-oriented middleware, MOM);

• средства удаленного вызова процедур (Remote Procedure Call, RFC);

• брокеры запроса объектов (Object Request Broker, ORB), которые находят объекты, хранящиеся на различных компьютерах, и помогают их использовать в одном приложении или документе.

Эти средства помогают улучшить качество взаимодействия клиентов с серверами за счет промышленной реализации достаточно важных и сложных функций, а также упорядочить поток запросов от множества клиентов к множеству серверов, играя роль регулировщика, распределяющего нагрузку на серверы.

Сервер приложений должен базироваться на мощной аппаратной платформе (мультипроцессорные системы, специализированные кластерные архитектуры). ОС сервера приложений должна обеспечивать высокую производительность вычислений, а значит, поддерживать многопоточную обработку, вытесняющую многозадачность, мультипроцессирование, виртуальную память и наиболее популярные прикладные среды.

Схема построения распределенных систем

Эталоном многоуровневой схемы построения распределенных средств связи считается семиуровневая модель открытого взаимодействия систем (Open System Interconnection – OSI), предложенная Международной организацией Стандартов (International Standard Organization – ISO) и получившая сокращенное наименование OSI/ISO (рис. 65).

Рис. 65. Семиуровневая эталонная модель OSI/ISO

Кратко опишем, какие функции выполняют различные уровни модели OSI/ISO:

Уровень 1 – физический. Этот уровень связан с работой hardware. На нем определяются физические аспекты передачи информации по линиям связи, такие как: напряжения, частоты, природа передающей среды, способ передачи двоичной информации по физическому носителю, вплоть до размеров и формы используемых разъемов. В компьютерах за поддержку физического уровня обычно отвечает сетевой адаптер.

Уровень 2 – канальный. Этот уровень отвечает за передачу данных по физическому уровню без искажений между непосредственно связанными узлами сети. На нем формируются физические пакеты данных для реальной доставки по физическому уровню. Протоколы канального уровня реализуются совместно сетевыми адаптерами и их драйверами.

Уровень 3 – сетевой. Сетевой уровень несет ответственность за доставку информации от узла-отправителя к узлу-получателю. На этом уровне частично решаются вопросы адресации, осуществляется выбор маршрутов следования пакетов данных, решаются вопросы стыковки сетей, а также управление скоростью передачи информации для предотвращения перегрузок в сети.

Уровень 4 – транспортный. Регламентирует передачу данных между удаленными процессами. Обеспечивает доставку информации вышележащим уровням с необходимой степенью надежности, компенсируя, быть может, ненадежность нижележащих уровней, связанную с искажением и потерей данных или доставкой пакетов в неправильном порядке. Наряду с сетевым уровнем может управлять скоростью передачи данных и частично решать проблемы адресации.

Уровень 5 – сеансовый. Координирует взаимодействие связывающихся процессов. Основная задача – предоставление средств синхронизации взаимодействующих процессов. Такие средства синхронизации позволяют создавать контрольные точки при передаче больших объемов информации. В случае сбоя в работе сети передачу данных можно возобновить с последней контрольной точки, а не начинать заново.

Уровень 6 – уровень представления данных. Отвечает за форму представления данных, перекодирует текстовую и графическую информацию из одного формата в другой, обеспечивает ее сжатие и распаковку, шифрование и декодирование.

Уровень 7 – прикладной. Служит для организации интерфейса между пользователем и сетью. На этом уровне реализуются такие сервисы, как удаленная передача данных, удаленный терминальный доступ, почтовая служба и работа во Всемирной паутине (Web-браузеры).

Надо отметить, что к приведенной эталонной модели большинство практиков относится без излишнего пиетета. Эта модель не предвосхитила появления различных семейств протоколов, таких как, например, семейство протоколов TCP/IP, а наоборот, была создана под их влиянием. Ее не следует рассматривать как готовый оптимальный чертеж для создания любого сетевого средства связи. Наличие некоторой функции на определенном уровне не гарантирует, что это ее наилучшее место, некоторые функции (например, коррекция ошибок) дублируются на нескольких уровнях, да и само деление на 7 уровней носит отчасти произвольный характер. Хотя в конце концов были созданы работающие реализации этой модели, но наиболее распространенные семейства протоколов лишь до некоторой степени согласуются с ней. Она больше подходит для реализации телефонных, а не вычислительных сетей. Ценность предложенной эталонной модели заключается в том, что она показывает направление, в котором должны двигаться разработчики новых вычислительных сетей.