7.4.7. Технология и модели "клиент-сервер"

"Клиент-сервер" - это определенный тип взаимодействия компьютеров в сети. Как правило, компьютеры не являются равноправными. Каждый из них имеет свое, отличное от других, назначение, играет свою роль. 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.

Примерами серверов могут служить:

• сервер телекоммуникаций - обеспечивает услуги по связи данной локальной сети с внешним миром;

• вычислительный сервер - производит вычисления, которые невозможно выполнить на рабочих станциях;

• дисковый сервер - обладает расширенными ресурсами внешней памяти и предоставляет их в использование рабочим станциям и, возможно, другим серверам;

• файловый сервер - поддерживает общее хранилище файлов для всех рабочих станций;

• сервер баз данных - фактически обычная СУБД, принимающая запросы по локальной сети и возвращающая результаты.

В сети один и тот же компьютер может выполнять роль как клиента, так и сервера.

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.

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, 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.

При использовании в информационной системе технологии "клиент-сервер", прикладные программы, реализованные в ее рамках, имеют распределенный характер, т.е. часть функций прикладной программы реализована в программе-клиенте, другая - в программе-сервере, причем для их взаимодействия 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.). 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 группы, а также вводятся и уточняются соглашения о способах их взаимодействия (протокол взаимодействия).

Различия в реализациях технологии "клиент-сервер" определяются четырьмя факторами:

1) в какие виды программного обеспечения интегрированы каждый из этих компонентов;

2) какие механизмы программного обеспечения используются для реализации функций всех трех групп;

3) как логические компоненты распределяются между компьютерами в сети;

4) какие механизмы используются для связи компонентов между собой.

Р ис.4. Система с централизованной архитектурой

Выделяются четыре подхода, реализованные в моделях:

• модель файлового сервера (File Server - FS);

• модель доступа к удаленным данным (Remote Data Access - RDA);

• модель сервера базы данных (DataBase Server - DBS);

• модель сервера приложений (Application Server - AS).

FS-модель является базовой для локальных сетей персональных компьютеров. Суть модели заключается в следующем. Один из компьютеров в сети считается файловым сервером и предоставляет услуги по обработке файлов другим компьютерам. Файловый сервер работает под управлением сетевой операционной системы и играет роль компонента доступа к информационным ресурсам (т.е. к файлам). На других компьютерах в сети функционирует приложение, в кодах которого совмещены компонент представления и прикладной компонент. Протокол обмена представляет собой набор низкоуровн евых вызовов, обеспечивающих приложению доступ к файловой системе на файл-сервере.

Рис.5. 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 подобного типа взаимодействия 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.

В RDA-модели компонентом доступа к информационным ресурсам является SQL-сервер. 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. При этом инициатором манипуляций с данными выступают программы, выполняемые 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.

Рис.6. Модель доступа к удаленным данным.

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.

Основное достоинство RDA-модели - унификация интерфейса "клиент-сервер" в виде языка SQL.

Н едостатки: 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).

Рис.7. Модель сервера базы данных

Наряду с RDA-моделью все большую популярность приобретает перспективная DBS-модель. 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.

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, т.е. 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 обеспечение 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.

Рис.8. Модель сервера приложений.

В AS-модели процесс, выполняемый на компьютере-клиенте, отвечает, как обычно, за интерфейс с пользователем (т.е. 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, которые выделяются как особый вид программного обеспечения.