Архитектура «клиент-сервер»

Архитектура «клиент-сервер»

Как было отмечено в предыдущей статье, обработка данных с помощью мэйнфреймов и мини-ЭВМ, популярная в 70-е годы, имела свои преимущества, в определенной степени утраченные позже, в эпоху персональных компьютеров и настольных СУБД. В частности, одним из таких преимуществ была централизация хранения и обработки данных. Однако повсеместное увлечение настольными СУБД и их сетевыми версиями, вызванное доступностью и дешевизной как самого программного обеспечения, так и его эксплуатации, заставило многих пользователей на долгие годы забыть о «мэйнфреймовой» модели вычислений.

Мы уже говорили о том, что  недостатки настольных СУБД обычно проявляются  не сразу, а лишь в процессе длительной эксплуатации, когда объем хранимых данных и число пользователей  становятся достаточно велики — это приводит к снижению производительности приложений, использующих такие СУБД.

Поскольку настольные СУБД не содержат специальных приложений и сервисов, управляющих данными, а используют для этой цели файловые сервисы операционной системы, вся реальная обработка  данных в таких СУБД осуществляется в клиентском приложении, и любые  библиотеки доступа к данным в  этом случае также находятся в  адресном пространстве клиентского  приложения. Поэтому при выполнении запросов данные, на основании которых  выполняется такой запрос (это  может быть одна или несколько  таблиц целиком либо, если повезет, один или несколько индексов и выбранные с их помощью части таблиц), должны быть доставлены в то же самое адресное пространство клиентского приложения. Это и приводит к перегрузке сети при увеличении числа пользователей и объема данных, а также грозит иными неприятными последствиями, например разрушением индексов и таблиц. Недаром до сих пор столь популярны утилиты для «ремонта» испорченных файлов настольных СУБД.

Известно много случаев, когда  для решения подобных проблем  закупалось дорогое сетевое оборудование с целью увеличения пропускной способности  сети, а также применялись иные «ухищрения» наподобие хранения метаданных или наиболее часто используемых данных в клиентских приложениях  или просто на локальных жестких  дисках. Нередко также применялся подход, приводящий к децентрализации  хранения данных. Типичный пример подобного  подхода — создание нескольких однотипных локальных баз данных, например для различных подразделений компании или для разных временных периодов (лет, кварталов, месяцев), что облегчало работу, связанную с вводом данных, но повышало стоимость их статистической обработки и анализа — в этом случае нужно было обрабатывать данные из разных источников. Однако все эти меры позволяли лишь отложить на время решение проблемы снижения производительности, но не устраняли главного недостатка информационных систем, основанных на настольных СУБД, — обработки данных в клиентском приложении.

Радикальным решением проблемы сетевого трафика и иных проблем, возникающих  при увеличении объема данных и числа  пользователей, стал переход к архитектуре  «клиент-сервер», позаимствовавшей многие достоинства старой «мэйнфреймовой» модели вычислений, в частности централизацию хранения и обработки данных.

Принцип централизации хранения и  обработки данных является базовым  принципом архитектуры «клиент-сервер». Для его реализации используется так называемый сервер баз данных, выполненный как приложение или  сервис операционной системы, и только он может реально манипулировать файлами, в которых хранятся данные, — для клиентских приложений эти файлы абсолютно бесполезны (и, при правильной организации доступа пользователей к файлам в сети, вообще не должны быть доступны).

Сервер баз данных осуществляет целый комплекс действий по управлению данными. Основными его обязанностями  являются:

• выполнение пользовательских запросов на выбор и модификацию данных и метаданных, получаемых от клиентских приложений, функционирующих на персональных компьютерах локальной сети;
• хранение и резервное копирование данных;
• поддержка ссылочной целостности данных согласно определенным в базе данных правилам;
• обеспечение авторизованного доступа к данным на основе проверки прав и привилегий пользователей;
• протоколирование операций и ведение журнала транзакций.

В качестве рабочего места пользователя может быть использован обычный  персональный компьютер, что позволяет  не отказываться от привычной рабочей  среды. Иными словами, в простейшем случае клиент-серверная информационная система состоит из двух основных компонентов:

• сервера баз данных, управляющего данными и выполняющего запросы клиентских приложений;
• клиентских приложений, предоставляющих интерфейс пользователя и посылающих запросы к серверу.

Существуют и более сложные  реализации архитектуры «клиент-сервер», например многозвенные информационные системы с использованием серверов приложений, реализующих бизнес-логику и осуществляющих обработку данных. Однако обсуждение архитектуры таких  систем находится за пределами данного  обзора — о подобных системах мы, возможно, поговорим в конце данного  цикла.

Преимущества архитектуры  «клиент-сервер»

Информационные системы, использующие архитектуру «клиент-сервер», обладают серьезными преимуществами по сравнению  с их аналогами, созданными на основе сетевых версий настольных СУБД. Ниже будут рассмотрены наиболее важные из них.

Одним из важнейших преимуществ  архитектуры «клиент-сервер» является снижение сетевого трафика при выполнении запросов. Hапример, при необходимости выбора пяти записей из таблицы, содержащей миллион записей, клиентское приложение посылает серверу запрос, который сервером анализируется на корректность и, если запрос корректен, компилируется, оптимизируется и выполняется. После этого результат запроса (те самые пять записей, а вовсе не вся таблица) передается обратно клиенту. При этом, формулируя запрос, можно не задумываться о том, есть ли в базе данных индексы, способные облегчить поиск нужных записей, — если они есть, то они будут использованы сервером, а если нет,запрос все равно будет выполнен, хотя, возможно, это займет больше времени, чем при использовании индексов. Но в любом случае — есть индексы или нет — в клиентское приложение передается только результат запроса, и в этом случае сетевой трафик не зависит ни от их наличия, ни от числа записей в таблицах, к которым произведен запрос.

Вторым преимуществом архитектуры  «клиент-сервер» является возможность  хранения бизнес-правил (например, правил ссылочной целостности или ограничений  на значения данных) на сервере, что  позволяет избежать дублирования кода в различных клиентских приложениях, использующих общую базу данных. Кроме  того, в этом случае любое редактирование данных, в том числе и редактирование средствами, не предусмотренными разработчиками информационной системы (например, различными утилитами администрирования сервера), может быть произведено только с  учетом этих правил. Если последние  версии некоторых настольных СУБД и  способны хранить ограничения на значения данных либо тексты SQL-запросов, триггеры и хранимые процедуры в них, как правило, отсутствуют — их просто некому выполнять. Исключением здесь, пожалуй, является только Microsoft Data Engine, но, как мы уже говорили в предыдущей статье данного цикла, отнести к настольным эту СУБД можно весьма условно — фактически MSDE представляет собой локальный сервер баз данных, обладающий всеми характерными для серверной СУБД атрибутами, включая отдельный серверный процесс.

В первой статье данного цикла (см. КомпьютерПресс 3’2000) мы уже упоминали о том, что для описания серверных бизнес-правил в наиболее типичных ситуациях (например, при реализации связей master/detail) нередко используются так называемые CASE-средства (CASE означает Computer-Aided System Engineering) для создания диаграмм «сущность-связь». Эти инструменты позволяют описать подобные правила на уровне логической и физической моделей данных без какого бы то ни было программирования, а затем сгенерировать код соответствующих серверных объектов — триггеров, хранимых процедур, серверных ограничений. В этом случае клиентские приложения будут избавлены от значительной части кода, связанного с реализацией бизнес-правил непосредственно в приложении. Отметим также, что часть кода, связанного с обработкой данных, также может быть реализована в виде хранимых процедур сервера, что позволяет еще больше «облегчить» клиентское приложение, а это означает, что требования к рабочим станциям могут быть не столь высоки. Это в конечном итоге снижает стоимость информационной системы даже при использовании дорогостоящих серверной СУБД и аппаратного обеспечения.

Помимо перечисленных выше трех преимуществ следует также отметить, что современные серверные СУБД обладают широкими возможностями управления пользовательскими привилегиями и правами доступа к различным объектам базы данных. Как правило, в базе данных хранятся сведения о ее пользователях, их паролях и привилегиях, а каждый объект базы данных принадлежит какому-либо пользователю. Владелец объекта может предоставить другим пользователям право использовать его тем или иным способом (например, позволить читать из него данные какому-либо другому пользователю). Большинство серверных СУБД поддерживает так называемые роли, представляющие собой совокупность прав на доступ к тем или иным объектам базы данных. В этом случае каждый пользователь может иметь одну или несколько ролей и соответственно определенные в этих ролях привилегии.

Современные серверные СУБД обладают также широкими возможностями резервного копирования и архивации данных, а нередко и оптимизации выполнения запросов. Они также, как правило, предоставляют возможность параллельной обработки данных, особенно в случае использования многопроцессорных компьютеров в качестве сервера баз данных.

Итак, мы рассмотрели преимущества архитектуры «клиент-сервер» и  убедились, что эта технология решает многие проблемы, возникающие при  использовании настольных СУБД. Однако перед тем, как обсуждать наиболее популярные серверные СУБД, давайте обратим внимание на то, какими способами решается проблема модернизации устаревших информационных систем, основанных на настольных СУБД, с целью перехода к архитектуре «клиент-сервер», и с какими проблемами можно при этом столкнуться.

Модернизация устаревших информационных систем

С проблемой модернизации устаревших информационных систем рано или поздно сталкивается почти каждый разработчик  или IT-менеджер. В нашей стране все еще нетрудно встретить банковские системы, использующие dBase, а также относительно свежие коммерческие разработки, созданные с помощью Clipper, средством обмена данными которым служат отнюдь не Internet и не сетевые протоколы, а курьер с дискетами и электричка (это вовсе не всегда происходит из-за неосведомленности разработчиков — просто у их клиентов нет и в ближайшее время не будет денег на приличное оборудование и соответствующую инфраструктуру). Именно поэтому мы полагаем, что проблема модернизации информационных систем в России еще долго будет оставаться актуальной.

В каждой организации, переживающей процесс  модернизации информационной системы, возникают свои проблемы. В одной  пользователи требуют сохранить  привычный пользовательский интерфейс (те, кто давно программирует на Delphi, наверное, помнят популярную задачу из серии «угоди пользователю, привыкшему к DOS», — как в форме ввода данных заставить клавишу Enter делать то, что обычно делает клавиша Tab); в другой нужно суметь не просто перенести в новую базу унаследованные данные, но и изменить их в соответствии с вновь возникшими потребностями (например, исправить ошибки, допущенные много лет назад при проектировании данных, или объединить данные из нескольких разных источников); в третьей организации сохранилось и используется большое количество отчетов, созданных с помощью старой настольной СУБД, и нужно обеспечить возможность их использования в новой информационной системе; в четвертой процесс ввода новых данных происходит непрерывно, и это накладывает ограничения на то, как именно производить процесс замены СУБД и клиентских приложений.

В целом варианты модернизации информационной системы можно условно разделить  на следующие категории:

1. Замена СУБД с сохранением  структуры базы данных и пользовательских  приложений (или относительно небольшой  их модернизацией).

2. Замена и СУБД, и пользовательских  приложений с сохранением структуры  базы данных.

3. Замена СУБД, пользовательских  приложений и одновременная модернизация  структуры базы данных.

На первый взгляд, первый вариант  представляется наиболее безболезненным для пользователей и разработчиков, и он широко пропагандировался несколько  лет назад. Именно в тот период на рынке программного обеспечения  появились две категории продуктов, «обслуживающих» подобный вариант  модернизации.

Первая категория представляла собой драйверы различных серверных  СУБД для средств разработки, ориентированных  в целом на использование настольных баз данных (например, драйверы Oracle для Clipper, преобразовывающие функции Clipper в вызовы функций клиентского API Oracle — Oracle Call Interface); обычно эти драйверы поставлялись в виде библиотек, компилируемых вместе с приложением. «Потомки» подобного программного обеспечения существуют и сейчас — одним из них является, например, библиотека Borland SQL Links, изначально предназначенная для использования приложений Paradox с серверными СУБД.

Вторая категория продуктов, ныне практически забытая, представляла собой некое подобие серверов баз данных, управлявших набором  файлов настольных СУБД. Типичными  примерами таких продуктов являлись разнообразные «dBase-серверы», управлявшие  набором dBase-таблиц и перехватывавшие  обращения к ним клиентских приложений. Подобные «серверы» в определенной степени решали проблему сетевого трафика  и даже поддержки ссылочной целостности, но в силу ограничений, накладываемых  на хранимый объем данных, характерных  для форматов настольных СУБД, достаточно быстро уступили место «настоящим»  серверам баз данных.

Если говорить о первом варианте модернизации, в этом отношении больше всего повезло пользователям  Microsoft Access — процесс замены базы данных Microsoft Access на MSDE (или Microsoft SQL Server) происходит достаточно безболезненно, и пользовательские приложения при этом обычно сохраняют свою работоспособность. Так как в данном случае все эти СУБД (Access, MSDE и SQL Server) принадлежат одному производителю, перенос данных между ними осуществляется вполне корректно, с сохранением всех определенных в базе данных бизнес-правил. Кроме того, утилиты переноса данных из Access содержатся в комплекте поставки и других серверных СУБД (например, Oracle). Относительно безболезненно можно осуществить перенос данных из Visual FoxPro в Microsoft SQL Server.