Тема 11. Многозвенные информационные системы

Назначение.

Информационные системы, созданные на основе классической архитектуры клиент/сервер, называемые двухзвенными системами или системами с "толстым" клиентом, состоят из сервера баз данных, содержащего сгенерированные тем или иным способом таблицы, индексы, триггеры и другие объекты, реализующие бизнес-правила данной информационной системы, и одного или нескольких клиентских приложений, предоставляющих интерфейс пользователя и производящих проверку допустимости и обработку данных согласно содержащимся в них алгоритмам. Если говорить о клиентских приложениях, созданных с помощью Delphi, для доступа к источникам данных они используют вызовы функций прикладных программных интерфейсов клиентских частей соответствующих серверных СУБД. Эти вызовы осуществляются обычно посредством использования библиотеки Borland Database Engine (BDE), хотя в целом это не является обязательным (например, некоторые пользователи Oracle непосредственно вызывают функции Oracle Call Interface из Delphi-приложений). Соответственно подобное клиентское приложение требует наличия на компьютере конечного пользователя клиентской части используемой серверной СУБД (и наличия лицензии на ее использование) и присутствия в оперативной памяти набора динамически загружаемых библиотек как из клиентской части, так и из BDE (либо иной заменяющей ее библиотеки), таких, как драйверы баз данных, библиотеки, содержащие функции API клиентских частей, и др. Это усложняет технические требования, предъявляемые к аппаратной части клиентской рабочей станции, и в конечном итоге приводит к удорожанию всей системы в целом.

Другим фактором, приводящим к удорожанию эксплуатации информационной системы, является необходимость инсталляции и конфигурации BDE и клиентской части серверной СУБД, что нередко является весьма трудоемким процессом, особенно при большом количестве и неоднородном парке рабочих станций.

Выходом из этой ситуации является создание систем с так называемым "тонким" клиентом, в частности, с клиентом, не содержащим в своем составе BDE и клиентскую часть серверной СУБД. В этом случае функциональность, связанная с доступом к данным (а нередко и какая-либо иная функциональность), возлагается на другое приложение, называемое обычно сервером приложений, и являющееся клиентом серверной СУБД. В свою очередь, клиентские приложения обращаются не непосредственно к серверной СУБД посредством вызова функций клиентских API, а к серверу приложений, являющемуся для них источником данных, при этом собственно клиентская часть серверной СУБД и библиотеки типа BDE на рабочей станции, где используется такое клиентское приложение, присутствовать не обязаны. Вместо них используется одна-единственная динамически загружаемая библиотека dbclient.dll размером 154 Кб. Таким образом, созданная информационная система становится трехзвенной, а сервер приложений является средним звеном в цепи "тонкий клиент - сервер приложений - сервер баз данных" и, соответственно, относится к классу продуктов middleware.

Как может быть практически реализована данная технология? С одной стороны, с помощью набора компонентов и классов Delphi 3, обеспечивающих создание серверов приложений и клиентских частей, а, с другой стороны, с помощью MIDAS, позволяющего осуществлять запуск удаленных серверов приложений, осуществлять межреестровый обмен сведениями об OLE-серверах и оптимизировать нагрузку в случае использования нескольких серверов приложений. В данной статье будет рассмотрен простейший практический пример реализации подобной трехзвенной системы.

Клиент-серверные приложения

Под клиент-серверным приложением мы будем понимать информационную систему, основанную на использовании серверов баз данных . Общее представление информационной системы в архитектуре "клиент-сервер" показано на рисунке 4.3.

На стороне клиента выполняется код приложения, в который обязательно входят компоненты, поддерживающие интерфейс с конечным пользователем, производящие отчеты, выполняющие другие специфичные для приложения функции (пока нас не будет занимать, как строится код приложения).

Клиентская часть приложения взаимодействует с клиентской частью программного обеспечения управления базами данных, которая, фактически, является индивидуальным представителем СУБД для приложения.

(Здесь опять проявляются недостатки в терминологии. Обычно, когда компания объявляет о выпуске очередного сервера баз данных, то неявно понимается, что имеется и клиентская составляющая этого продукта. Сочетание "клиентская часть сервера баз данных" кажется несколько странным, но нам придется пользоваться именно этим термином.)

Рис. 4.3. Общее представление информационной системы в архитектуре "клиент-сервер"

Заметим, что интерфейс между клиентской частью приложения и клиентской частью сервера баз данных, как правило, основан на использовании языка SQL. Поэтому такие функции, как, например, предварительная обработка форм, предназначенных для запросов к базе данных, или формирование результирующих отчетов выполняются в коде приложения.

Наконец, клиентская часть сервера баз данных, используя средства сетевого доступа, обращается к серверу баз данных, передавая ему текст оператора языка SQL.

Здесь необходимо сделать еще два замечания.

Обычно компании, производящие развитые серверы баз данных, стремятся к тому, чтобы обеспечить возможность использования своих продуктов не только в стандартных на сегодняшний день TCP/IP-ориентированных сетях, но в сетях, основанных на других протоколах (например, SNA или IPX/SPX). Поэтому при организации сетевых взаимодействий между клиентской и серверной частями СУБД часто используются не стандартные средства высокого уровня (например, механизмы программных гнезд или вызовов удаленных процедур), а собственные функционально подобные средства, менее зависящие от особенностей сетевых транспортных протоколов.

Когда мы говорим об интерфейсе на основе языка SQL, нужно отдавать себе отчет в том, что несмотря на титанические усилия по стандартизации этого языка, нет такой реализации, в которой стандартные средства языка не были бы расширены. Необдуманное использование расширений языка приводит к полной зависимости приложения от конкретного производителя сервера баз данных.

Посмотрим теперь, что же происходит на стороне сервера баз данных. В продуктах практически всех компаний сервер получает от клиента текст оператора на языке SQL. Сервер производит компиляцию полученного оператора. Не будем здесь останавливаться на том, какой целевой язык используется конкретным компилятором; в разных реализациях применяются различные подходы Главное, что в любом случае на основе информации, содержащейся в таблицах-каталогах базы данных производится преобразование непроцедурного представления оператора в некоторую процедуру его выполнения. Далее (если компиляция завершилась успешно) происходит выполнение оператора. Мы снова не будем обсуждать технические детали, поскольку они различаются в реализациях. Рассмотрим возможные действия операторов SQL.

Оператор может относиться к классу операторов определения (или создания) объектов базы данных (точнее и правильнее было бы говорить про элементы схемы базы данных или про объекты метабазы данных). В частности, могут определяться домены, таблицы, ограничения целостности, триггеры, привилегии пользователей, хранимые процедуры. В любом случае, при выполнении оператора создания элемента схемы базы данных соответствующая информация помещается в таблицы-каталоги базы данных (в таблицы метабазы данных). Ограничения целостности обычно сохраняются в метабазе данных прямо в текстовом представлении. Для действий, определенных в триггерах, и хранимых процедур вырабатывается и сохраняется в таблицах-каталогах процедурный выполняемый код. Заметим, что ограничения целостности, триггеры и хранимые процедуры являются, в некотором смысле, представителями приложения в поддерживаемой сервером базе данных; они составляют основу серверной части приложения.

При выполнении операторов выборки данных на основе содержимого затрагиваемых запросом таблиц и, возможно, с использованием поддерживаемых в базе данных индексов формируется результирующий набор данных (мы намеренно не используем здесь термин "результирующая таблица", поскольку в зависимости от конкретного вида оператора результат может быть упорядоченным, а таблицы, т.е. отношения неупорядочены по определению). Серверная часть СУБД пересылает результат клиентской части, и окончательная обработка производится уже в клиентской части приложения.

При выполнении операторов модификации содержимого базы данных (INSERT, UPDATE, DELETE) проверяется, что не будут нарушены определенные к этому моменту ограничения целостности (те, которые относятся к классу немедленно проверяемых), после чего выполняется соответствующее действие (сопровождаемое модификацией всех соответствующих индексов и журнализацией изменений). Далее сервер проверяет, не затрагивает ли данное изменение условие срабатывания какого-либо триггера, и если такой триггер обнаруживается, выполняет процедуру его действия. Эта процедура может включать дополнительные операторы модификации базы данных, которые могут вызвать срабатывание других триггеров и т.д. Можно считать, что те действия, которые выполняются на сервере баз данных при проверке удовлетворенности ограничений целостности и при срабатывании триггеров, представляют собой действия серверной части приложения.

При выполнении операторов модификации схемы базы данных (добавления или удаления столбцов существующих таблиц, изменения типа данных существующего столбца существующей таблицы и т.д.) также могут срабатывать триггеры, т.е., другими словами, может выполняться серверная часть приложения.

Аналогично, триггеры могут срабатывать при уничтожении объектов схемы базы данных (доменов, таблиц, ограничений целостности и т.д.). Особый класс операторов языка SQL составляют операторы вызова ранее определенных и сохраненных в базе данных хранимых процедур. Если хранимая процедура определяется с помощью достаточно развитого языка, включающего и непроцедурные операторы SQL, и чисто процедурные конструкции (например, языка PL/SQL компании Oracle), то в такую процедуру можно поместить серьезную часть приложения, которое при выполнении оператора вызова процедуры будет выполняться на стороне сервера, а не на стороне клиента. При выполнении оператора завершения транзакции сервер должен проверить соблюдение всех, так называемых, отложенных ограничений целостности (к таким ограничениям относятся ограничения, накладываемые на содержимое таблицы базы целиком или на несколько таблиц одновременно; например, суммарная зарплата сотрудников отдела 999 не должна превышать 150 млн. руб.). Снова к проверке отложенных ограничений целостности можно относиться как к выполнению серверной части приложения. Как видно, в клиент-серверной организации клиенты могут являться достаточно "тонкими", а сервер должен быть "толстым" настолько, чтобы быть в состоянии удовлетворить потребности всех клиентов (рисунок 4.4).

С другой стороны, разработчики и пользователи информационных систем, основанных на архитектуре "клиент-сервер", часто бывают неудовлетворены постоянно существующими сетевыми накладными расходами, которые следуют из потребности обращаться от клиента к серверу с каждым очередным запросом. На практике распространена ситуация, когда для эффективной работы отдельной клиентской составляющей информационной системы в действительности требуется только небольшая часть общей базы данных. Это приводит к идее поддержки локального кэша общей базы данных на стороне каждого клиента.

Фактически, концепция локального кэширования базы данных является частным случаем концепции реплицированных (или, как иногда их называют в русскоязычной литературе, тиражированных) баз данных. Как и в общем случае, для поддержки локального кэша базы данных программное обеспечение рабочих станций должно содержать компонент управления базами данных - упрощенный вариант сервера баз данных, который, например, может не обеспечивать многопользовательский режим доступа. Отдельной проблемой является обеспечение согласованности (когерентности) кэшей и общей базы данных. Здесь возможны различные решения - от автоматической поддержки согласованности за счет средств базового программного обеспечения управления базами данных до полного перекладывания этой задачи на прикладной уровень. В любом случае, клиенты становятся более толстыми при том, что сервер тоньше не делается (рисунок 4.5).

Сформулируем некоторые предварительные выводы. Архитектура "клиент-сервер" на первый взгляд кажется гораздо более дорогой, чем архитектура "файл-сервер". Требуется более мощная аппаратура (по крайней мере, для сервера) и существенно более развитые средства управления базами данных. Однако, это верно лишь частично. Громадным преимуществом клиент-серверной архитектуры является ее масштабируемость и вообще способность к развитию.

При проектировании информационной системы, основанной на этой архитектуре, большее внимание следует обращать на грамотность общих решений. Технические средства пилотной версии могут быть минимальными (например, в качестве аппаратной основы сервера баз данных может использоваться одна из рабочих станций). После создания пилотной версии нужно провести дополнительную исследовательскую работу, чтобы выяснить узкие места системы. Только после этого необходимо принимать решение о выборе аппаратуры сервера, которая будет использоваться на практике.Увеличение масштабов информационной системы не порождает принципиальных проблем. Обычным решением является замена аппаратуры сервера (и, может быть, аппаратуры рабочих станций, если требуется переход к локальному кэшированию баз данных). В любом случае практически не затрагивается прикладная часть информационной системы. В идеале, которого, конечно же не бывает, информационная система продолжает нормально функционировать после смены аппаратуры.