Файл: Технология «клиент-сервер» (Классическая двухуровневая архитектура "клиент-сервер").pdf

       2.1 Классическая двухуровневая  архитектура «Клиент  – сервер» 

Ключевым отличием архитектуры клиент-сервер от архитектуры файл-сервер является абстрагирование от внутреннего представления данных (физической схемы данных). При такой архитектуре клиентские программы манипулируют данными на уровне логической схемы. Для реализации архитектуры клиент-сервер обычно используют многопользовательские СУБД, например, Oracle или Microsoft SQL Server.

Клиент-серверная информационная система состоит из трех основных компонент: программное обеспечение сервера; программное обеспечение конечного пользователя; промежуточное программное обеспечение (рис.3). Программное обеспечение сервера, кроме управления базами данных обеспечивает обслуживание клиентов.^[31]

В таких СУБД предусмотрены механизмы блокировки и элементы управления многопользовательским доступом, которые обеспечивают защиту данных от рисков, присущих параллельному доступу. Кроме этого, серверу баз данных приходится защищать данные от несанкционированного доступа, оптимизировать запросы к базе данных, обеспечивать целостность данных и контроль завершение транзакций. В клиент-серверной организации клиенты могут быть достаточно "тонкими", а сервер должен быть "толстым" настолько, чтобы удовлетворять потребности всех клиентов. ^[32]К программному обеспечению конечного пользователя относятся средства разработки прикладных программ и генераторы отчетов, в том числе электронные таблицы и текстовые процессоры. С помощью этого программного обеспечения пользователи устанавливают связь с сервером, формируют запросы, которые автоматически генерируются в запросы на языке SQL и отправляются на сервер.^[33] Сервер принимает и обрабатывает запросы, а затем передает полученные результаты клиентам. Промежуточное программное обеспечение ― часть системы клиент-сервер, которая связывает программное обеспечение конечного пользователя с сервером.^[34]

Использование архитектуры клиент-сервер позволило создавать надежные (в смысле целостности данных) многопользовательские ИС с централизованной базой данных, независимые от аппаратной (а часто и программной) части сервера БД и поддерживающие графический интерфейс пользователя на клиентских станциях, связанных локальной сетью. Причем издержки на разработку приложений существенно сокращались.^[35]

Такая архитектура имеет два уровня, характерной особенностью которой является то, что клиентские программы работает с данными через запросы к серверному ПО, а базовые функции приложения разделены между клиентом и сервером (рис.4).

К достоинствам этой архитектуры относятся:

· полная поддержка многопользовательской работы;

· обеспечение целостности данных.

Двухуровневую архитектуру целесообразно использовать на предприятиях с количеством пользователей несколько десятков, поскольку операционная система сервера при обслуживании большого количества клиентов слишком перегружается управлением многочисленными соединениями с сервером.^[36]

Недостатками двухуровневой клиент-серверной архитектуры являются:

· Бизнес логика приложений осталась в клиентском ПО. При любом изменении алгоритмов, надо обновлять пользовательское ПО на каждом клиенте.

· Высокие требования к пропускной способности коммуникационных каналов с сервером, что препятствует использование клиентских станций иначе как в локальной сети.

· Слабая защита данных от взлома, в особенности от недобросовестных пользователей системы.

· Высокая сложность администрирования и настройки рабочих мест пользователей системы.

· Необходимость использовать мощные ПК на клиентских местах.

· Высокая сложность разработки системы из-за необходимости выполнять бизнес-логику и обеспечивать пользовательский интерфейс в одной программе.^[37]

Большинство недостатков 2-х уровневой (классической) архитектуры клиент-сервер проистекают от использования клиентской станции в качестве исполнителя бизнес-логики ИС.^[38]

Поэтому очевидным шагом дальнейшей эволюции архитектур ИС явилась идея "тонкого клиента", то есть разбиения алгоритмов обработки данных на части связанные с выполнением бизнес-функций и связанные с отображением информации в удобном для человека представлении. При этом на клиентской машине оставляют лишь вторую часть, связанную с первичной проверкой и отображением информации, перенося всю реальную функциональность системы на серверную часть.
       Обычно  компоненты сети не равноправны: у одних  есть доступ к ресурсам (например, принтер, процессор, система управления базой данных (СУБД), файловая система и так далее), другие имеют возможность обращаться к этим ресурсам.
       Технология  «Клиент – сервер» - это архитектура программного комплекса, в которой происходит распределение прикладной программы по двум логически различным компонентам (клиент и сервер), взаимодействующим по схеме «запрос-ответ» и решающим свои определенные задачи.(Приложение 1)
       Компьютер (или программа), управляющий и/или  владеющий каким-либо ресурсом, называют сервером этого ресурса.
       Компьютер (или программа), запрашивающий и пользующийся каким-либо ресурсом, называют клиентом этого ресурса.^[39]
       Клиент  и сервер могут находиться как  на одном компьютере (ПК), так и  на разных ПК в сети. Также может возникать такая ситуация, когда некоторый программный блок будет одновременно выполнять функции сервера по отношению к одному блоку и клиента по отношению к другому.^[40]
       Основной  принцип технологии «Клиент-сервер» заключается в разделении функций приложения как минимум на три группы: 
       - модули интерфейса с пользователем; 
       Также эту группу называют логикой представления. Через эту группу пользователи взаимодействуют с приложением. Независимо от конкретных характеристик логики представления (интерфейс командной строки, сложные графические пользовательские интерфейсы, интерфейсы через посредника) ее задача состоит в том, чтобы обеспечить средства для наиболее эффективного обмена информацией между пользователем и информационной системой. 
       - модули хранения данных; 
       Эту группу также называют бизнес-логикой. Бизнес-логика определяет, для чего конкретно предназначено приложение (например, прикладные функции, характерные для данной предметной области). Разделение приложения по границам между программами обеспечивает естественную основу для распределения приложения на нескольких компьютерах.
       - модули  обработки  данных (функции управления ресурсами); 
       Эту группу также называют логикой доступа  к данным или алгоритмами доступа  к данным. Алгоритмы доступа к данным исторически рассматривались как специфический для конкретного приложения интерфейс к механизму постоянного хранения данных наподобие файловой системы или СУБД.^[41] При помощи модулей обработки данных организуется специфический для приложения интерфейс к СУБД.

При помощи интерфейса приложение управляет соединениями с базой данных и запросами к ней (перевод специфических для конкретного приложения запросов на язык SQL, получение результатов и перевод этих результатов обратно в специфические для конкретного приложения структуры данных).^[42]
       Каждая  из этих групп 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. Очень простые приложения часто способны собрать все три части в единственную программу, и подобное разделение соответствует функциональным границам.
       В соответствии с разделением функций  в любом приложении выделяются следующие компоненты: 
       - компонент представления  данных; 
       - прикладной компонент; 
       - компонент управления  ресурсом. 
       В классической архитектуре клиент-сервер приходится распределять три основные части приложения по двум физическим модулям. Обычно прикладной компонент располагается на сервере (например, сервере базы данных), компонент представления данных - на стороне клиента, а компонент управления ресурсом распределяется между клиентской и серверной частями. В этом заключается основной недостаток классической двухуровневой архитектуры.^[43]
       В двухзвенной архитектуре при разбиении алгоритмов обработки данных разработчики должны иметь полную информацию о последних изменениях, внесенных в систему, и понимать эти изменения, что 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.^[44]
       Чтобы избежать несогласованности различных элементов архитектуры были созданы две модификации двухзвенной архитектуры «Клиент – сервер»: «Толстый клиент» («Тонкий сервер») и «Тонкий клиент» («Толстый сервер»). 
       В данных архитектурах разработчики попытались выполнять обработку данных на одной из двух физических частей - либо на стороне клиента («Толстый клиент»), либо на сервере («Тонкий клиент). 
       Каждый  подход имеет свои недостатки. В  первом случае неоправданно перегружается  сеть, потому что 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, то возникает проблема описания встроенных процедур и их отладки. Систему с обработкой информации на сервере абсолютно невозможно перенести на другую платформу (ОС), что является серьезным недостатком.^[45]
       Если  все-таки разрабатывается двухуровневая  классическая архитектура «Клиент  – сервер», то необходимо помнить  следующее:
       архитектура «Толстый  сервер» аналогична  архитектуре «Тонкий  клиент» (Приложение 2);
       Передача  запроса от клиента на сервер, обработка запроса сервером и передача результата клиенту. При этом архитектуры имеют следующие недостатки:
       - усложняется реализация, так как  языки типа SQL не приспособлены  для разработки подобного ПО и нет хороших средств отладки; 
       - производительность программ, написанных  на языках типа SQL, значительно  ниже, чем созданных на других  языках, что имеет важное значение  для сложных систем; 
       - программы, написанные на СУБД-языках, обычно работают недостаточно надежно; ошибка в них может привести к выходу из строя всего сервера баз данных; 
       - получившиеся таким образом программы  полностью непереносимы на другие  системы и платформы. ^[46]
       Обработка запроса происходит на стороне клиента, то есть происходит передача клиенту всех необработанных данных с сервера. При этом архитектуры имеют следующие недостатки:
       - усложняется обновление ПО, поскольку  его замену нужно производить одновременно по всей системе; 
       - усложняется распределение полномочий, так как разграничение доступа  происходит не по действиям,  а по таблицам; 
       перегружается сеть вследствие  передачи по ней необработанных  данных; 
       - слабая защита данных, поскольку  сложно правильно распределить полномочия.   
       Для решения перечисленных проблем  используются многоуровневые (три и  более уровней) архитектуры «Клиент-сервер». 

2.2 Трехуровневая модель «клиент- сервер»

        С середины 90-х годов прошлого века признание специалистов получила трехзвенная архитектура «Клиент – сервер», которая разделила информационную систему по функциональным возможностям на три отдельных компонента: логика представления, бизнес-логика и логика доступа к данным. В отличие от двухзвенной архитектуры в трехзвенной появляется дополнительное звено - сервер приложений, который предназначен для осуществления бизнес-логики, при этом полностью разгружается клиент, который направляет запросы промежуточному программному обеспечению, и максимально используются все возможности серверов. ^[47]
       В трехуровневой архитектуре клиент обычно 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.^[48]

          Существует  несколько категорий продуктов  промежуточного слоя: 
       - Message orientated – яркие представители MQseries и JMS; 
       - Object Broker – яркие представители CORBA и DCOM; 
       - Component based – яркие представители.NET и EJB. 
       Использование сервера приложений дает больше возможностей, например, уменьшается нагрузка на клиентские компьютеры, потому что сервер приложений распределяет нагрузку и обеспечивает защиту от сбоев. Так как бизнес-логика хранится на сервере приложений, то при каких-либо изменениях в отчетности или расчетах клиентские программы никоим образом не затрагиваются. ^[49]
       Существует  несколько серверов приложений от таких знаменитых компаний как Sun Microsystem, Borland, IBM, Oracle и каждый из них отличается набором предоставляемых сервисов (производительность в данном случае учитывать не будем). Эти сервисы облегчают программирование и развертывание приложений масштаба предприятия. Обычно сервер приложений предоставляет следующие сервисы: 
       - WEB Server – чаще всего включают  в поставку самый популярный  и мощный Apache; 
       - WEB Container – позволяет выполнять  JSP и сервлеты. Для Apache таким сервисом  является Tomcat; 
       - CORBA Agent – может предоставлять распределенную директорию для хранения CORBA объектов; 
       - Messaging Service – брокер сообщений; 
       - Transaction Service – уже из названия  понятно, что это сервис транзакций; 
       - JDBC – драйвера для подключения  к базам данных, ведь именно серверу приложений придется общаться с базами данных и ему нужно уметь подключаться к используемой в вашей компании базе; 
       - Java Mail – данный сервис может  предоставлять сервис к SMTP; 
       - JMS (Java Messaging Service) – обработка синхронных  и асинхронных сообщений; 
       - RMI (Remote Method Invocation) - вызов удаленных процедур. 
       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.^[50]
       В трехуровневой системе в качестве каналов связи между сервером приложений и СУБД можно использовать более скоростные линии, которые потребуют минимальных затрат, так как сервера обычно находятся в одном помещении (серверной) и не будет перегружать сеть из-за передачи большого количества информации. 
       Из  всего вышесказанного можно сделать  вывод, что двухуровневая архитектура  сильно уступает многоуровневой архитектуре, поэтому в настоящее время  используется только многоуровневая архитектура  «Клиент – сервер», в которой  различают три модификации - RDA, DBS и AS.  ^[51]

На верхнем уровне абстрагирования взаимодействия клиента и сервера достаточно четко можно выделить следующие компоненты:

-презентационная логика (Presentation Layer - PL), предназначенная для работы с данными пользователя;

-бизнес-логика (Business Layer - BL), предназначенная для проверки правильности данных, поддержки ссылочной целостности;

-логика доступа к ресурсам (Access Layer - AL), предназначенная для хранения данных;

Таким образом, можно прийти к нескольким моделям клиент-серверного взаимодействия:

1. "Толстый" клиент. (fat client)

Сервер БД Пользовательский интерфейс

Данные Бизнес-логика

Пользовательский интерфейс

Бизнес-логика

Наиболее часто встречающийся вариант реализации архитектуры клиент-сервер в уже внедренных и активно используемых системах. Такая модель подразумевает объединение в клиентском приложении как PL, так и BL, таким образом обеспечивается полная децентрализация управления бизнес-логикой. ^[52]Однако в случае необходимости выполнения каких-либо изменений в клиентском приложении придется менять исходный код. Серверная часть, при описанном подходе, представляет собой сервер баз данных, реализующий AL. К описанной модели часто применяют аббревиатуру RDA - Remote Data Access.

2. "Тонкий" клиент. (thin client)

Бизнес- Логика Пользовательский интерфейс

Данные

Пользовательский интерфейс

Модель, начинающая активно использоваться в корпоративной среде в связи с распространением Internet-технологий и, в первую очередь, Web-браузеров. В этом случае клиентское приложение обеспечивает реализацию PL, поэтому клиент может довольствоваться довольно скромной аппаратной платформой, а сервер объединяет BL и AL. ^[53]Максимальная загрузка сервера предусматривает выполнение бизнес-логики только с помощью хранимых процедур сервера (Хранимые процедуры - откомпилированные SQL-инструкции, хранящиеся на сервере). Это позволяет максимально централизовать контроль над данными и легко изменять правила работы сразу для целого предприятия. С другой стороны, незначительная корректировка правил, касающаяся только части пользователей, потребует длительной процедуры согласования. В этом случае невозможно реализовать какие-то исключения из общих правил для некоторых пользователей или приложений. В принципе, это хорошо и является залогом безопасности и целостности данных.^[54]

3. Сервер бизнес-логики. (трехуровневая архитектура)