Многоуровневые системы клиент-сервер

Технология клиент-сервер по праву считается одним из "китов", на которых держится современный мир компьютерных сетей. Но те задачи, для решения которых она была разработана, постепенно уходят в прошлое, и на сцену выходят новые задачи и технологии, требующие переосмысления принципов клиент-серверных систем. Одна из таких технологий - World Wide Web.

Использование технологии гипертекстовых документов для построения внутренней информационной инфраструктуры компании стимулировало бурное развитие всевозможных систем типа клиент-сервер. Некоторые пытаются противопоставить Web-технологию архитектуре клиент-сервер, однако это заблуждение, поскольку на самом деле Web является развитием данной архитектуры. Можно сказать, что система Web имеет архитектуру клиент-серверы, т. е. с помощью одного клиента можно подключиться ко многим серверам. Web-браузер, который обеспечивает удобный интерфейс с пользователем для доступа к информации, - это лишь вершина айсберга, самый верхний уровень системы Web. Кроме интерфейса любая информационная система должна иметь уровни обработки данных и их хранения. У разработчиков интрасетей часто возникает проблема правильного согласования работы Web с другими элементами системы, например базами данных. Одним из перспективных способов решения этой проблемы являются многоуровневые архитектуры клиент-сервер. Чтобы понять их преимущества, рассмотрим подробнее обычную клиент-серверную систему.

Классическая архитектура клиент-сервер

Термин "клиент-сервер" означает такую архитектуру программного комплекса, в которой его функциональные части взаимодействуют по схеме "запрос-ответ". Если рассмотреть две взаимодействующие части этого комплекса, то одна из них (клиент) выполняет активную функцию, т. е. инициирует запросы, а другая (сервер) пассивно на них отвечает. По мере развития системы роли могут меняться, например некоторый программный блок будет одновременно выполнять функции сервера по отношению к одному блоку и клиента по отношению к другому.

Заметим, что любая информационная система должна иметь минимум три основные функциональные части - модули хранения данных, их обработки и интерфейса с пользователем. Каждая из этих частей может быть реализована независимо от двух других. Например, не изменяя программ, используемых для хранения и обработки данных, можно изменить интерфейс с пользователем таким образом, что одни и те же данные будут отображаться в виде таблиц, графиков или гистограмм. Не меняя программ представления данных и их хранения, можно изменить программы обработки, например изменив алгоритм полнотекстового поиска. И наконец, не меняя программ представления и обработки данных, можно изменить программное обеспечение для хранения данных, перейдя, например, на другую файловую систему.

В классической архитектуре клиент-сервер приходится распределять три основные части приложения по двум физическим модулям. Обычно ПО хранения данных располагается на сервере (например, сервере базы данных), интерфейс с пользователем - на стороне клиента, а вот обработку данных приходится распределять между клиентской и серверной частями. В этом-то и заключается основной недостаток двухуровневой архитектуры, из которого следуют несколько неприятных особенностей, сильно усложняющих разработку клиент-серверных систем.

При разбиении алгоритмов обработки данных необходимо синхронизировать поведение обеих частей системы. Все разработчики должны иметь полную информацию о последних изменениях, внесенных в систему, и понимать эти изменения. Это создает большие сложности при разработке клиент-серверных систем, их установке и сопровождении, поскольку необходимо тратить значительные усилия на координацию действий разных групп специалистов. В действиях разработчиков часто возникают противоречия, а это тормозит развитие системы и вынуждает изменять уже готовые и проверенные элементы.

Чтобы избежать несогласованности различных элементов архитектуры, пытаются выполнять обработку данных на одной из двух физических частей - либо на стороне клиента ("толстый" клиент), либо на сервере ("тонкий" клиент, или архитектура, называемая "2,5- уровневый клиент-сервер"). Каждый подход имеет свои недостатки. В первом случае неоправданно перегружается сеть, поскольку по ней передаются необработанные, а значит, избыточные данные. Кроме того, усложняется поддержка системы и ее изменение, так как замена алгоритма вычислений или исправление ошибки требует одновременной полной замены всех интерфейсных программ, а иначе могут возникнуть ошибки или несогласованность данных. Если же вся обработка информации выполняется на сервере (когда такое вообще возможно), то возникает проблема описания встроенных процедур и их отладки. Дело в том, что язык описания встроенных процедур обычно является декларативным и, следовательно, в принципе не допускает пошаговой отладки. Кроме того, систему с обработкой информации на сервере абсолютно невозможно перенести на другую платформу, что является серьезным недостатком.

Большинство современных средств быстрой разработки приложений (RAD), которые работают с различными базами данных, реализует первую стратегию, т. е. "толстый" клиент обеспечивает интерфейс с сервером базы данных через встроенный SQL. Такой вариант реализации системы с "толстым" клиентом, кроме перечисленных выше недостатков, обычно обеспечивает недопустимо низкий уровень безопасности. Например, в банковских системах приходится всем операционистам давать права на запись в основную таблицу учетной системы. Кроме того, данную систему почти невозможно перевести на Web-технологию, так как для доступа к серверу базы данных используется специализированное клиентское ПО.

Итак, рассмотренные выше модели имеют следующие недостатки.

1. "Толстый" клиент:

2. "Толстый" сервер:

Для решения перечисленных проблем используются многоуровневые (три и более уровней) архитектуры клиент-сервер.

Многоуровневые архитектуры клиент-сервер

Такие архитектуры более разумно распределяют модули обработки данных, которые в этом случае выполняются на одном или нескольких отдельных серверах. Эти программные модули выполняют функции сервера для интерфейсов с пользователями и клиента - для серверов баз данных. Кроме того, различные серверы приложений могут взаимодействовать между собой для более точного разделения системы на функциональные блоки, выполняющие определенные роли. Например, можно выделить сервер управления персоналом, который будет выполнять все необходимые для управления персоналом функции. Связав с ним отдельную базу данных, можно скрыть от пользователей все детали реализации этого сервера, разрешив им обращаться только к его общедоступным функциям. Кроме того, такую систему очень просто адаптировать к Web, поскольку проще разработать html-формы для доступа пользователей к определенным функциям базы данных, чем ко всем данным.

В трехуровневой архитектуре "тонкий" клиент не перегружен функциями обработки данных, а выполняет свою основную роль системы представления информации, поступающей с сервера приложений. Такой интерфейс можно реализовать с помощью стандартных средств Web-технологии - браузера, CGI и Java. Это уменьшает объем данных, передаваемых между клиентом и сервером приложений, что позволяет подключать клиентские компьютеры даже по медленным линиям типа телефонных каналов. Кроме того, клиентская часть может быть настолько простой, что в большинстве случаев ее реализуют с помощью универсального браузера. Но если менять ее все-таки придется, то эту процедуру можно осуществить быстро и безболезненно. Трехуровневая архитектура клиент-сервер позволяет более точно назначать полномочия пользователей, так как они получают права доступа не к самой базе данных, а к определенным функциям сервера приложений. Это повышает защищенность системы (по сравнению с обычно архитектурой) не только от умышленного нападения, но и от ошибочных действий персонала.

Для примера рассмотрим систему, различные части которой работают на нескольких удаленных друг от друга серверах. Допустим, что от разработчика поступила новая версия системы, для установки которой в двухуровневой архитектуре необходимо одновременно поменять все системные модули. Если же этого не сделать, то взаимодействие старых клиентов с новыми серверами может привести к непредсказуемым последствиям, так как разработчики обычно не рассчитывают на такое использование системы. В трехуровневой архитектуре ситуация упрощается. Дело в том, что поменяв сервер приложений и сервер хранения данных (это легко сделать одновременно, так как оба они обычно находятся рядом), мы сразу меняем набор доступных сервисов. Таким образом, вероятность ошибки из-за несоответствия версий серверной и клиентской частей резко сокращается. Если в новой версии какой-либо сервис исчез, то элементы интерфейса, обслуживавшие его в старой системе, просто не будут работать. Если же изменился алгоритм работы сервиса, то он будет корректно работать даже со старым интерфейсом.

Многоуровневые клиент-серверные системы достаточно легко можно перевести на Web-технологию - для этого достаточно заменить клиентскую часть универсальным или специализированным браузером, а сервер приложений дополнить Web-сервером и небольшими программами вызова процедур сервера. Для разработки этих программ можно использовать как Common Gateway Interface (CGI), так и более современную технологию Java.

Следует отметить и тот факт, что в трехуровневой системе по каналу связи между сервером приложений и базой данных передается достаточно много информации. Однако это не замедляет вычислений, так как для связи указанных элементов можно использовать более скоростные линии. Это потребует минимальных затрат, поскольку оба сервера обычно находятся в одном помещении. Таким образом, увеличивается суммарная производительность системы - над одной задачей теперь работают два различных сервера, а связь между ними можно осуществлять по наиболее скоростным линиям с минимальными затратами средств. Правда, возникает проблема согласованности совместных вычислений, которую призваны решать менеджеры транзакций - новые элементы многоуровневых систем.

Менеджеры транзакций

Особенностью многоуровневых архитектур является использование менеджеров транзакций (МТ), которые позволяют одному серверу приложений одновременно обмениваться данными с несколькими серверами баз данных. Хотя серверы Oracle имеют механизм выполнения распределенных транзакций, но если пользователь хранит часть информации в БД Oracle, часть в БД Informix, а часть в текстовых файлах, то без менеджера транзакций не обойтись. МТ используется для управления распределенными разнородными операциями и согласования действий различных компонентов информационной системы. Следует отметить, что практически любое сложное ПО требует использования менеджера транзакций. Например, банковские системы должны осуществлять различные преобразования представлений документов, т. е. работать одновременно с данными, хранящимися как в базах данных, так и в обычных файлах, - именно эти функции и помогает выполнять МТ.

Менеджер транзакций - это программа или комплекс программ, с помощью которых можно согласовать работу различных компонентов информационной системы. Логически MT делится на несколько частей:

Обычно коммуникационный менеджер объединен с авторизационным, а менеджер транзакций работает совместно с менеджерами блокировок и системных записей. Причем такой менеджер редко входит в комплект поставки, поскольку его функции (ведение записей, распределение ресурсов и контроль операций), как правило, выполняет сама база данных (например, Oracle).

Первые менеджеры транзакций появились в начале 70-х гг. (например, CICS); с тех пор они незначительно изменились идеологически, но весьма существенно - технологически. Наибольшие идеологические изменения произошли в коммуникационном менеджере, так как в этой области появились новые объектно-ориентированные технологии (CORBA, DCOM и т.д.). Из-за бурного развития коммуникационных средств в будущем следует ожидать широкого использования различных типов менеджеров транзакций.

Таким образом, многоуровневая архитектура клиент-сервер позволяет существенно упростить распределенные вычисления, делая их не только более надежными, но и более доступными. Появление таких средств, как Java, упрощает связь сервера приложений с клиентами, а объектно-ориентированные менеджеры транзакций обеспечивают согласованную работу сервера приложений с базами данных. В результате создаются все предпосылки для создания сложных распределенных информационных систем, которые эффективно используют все преимущества современных технологий.