Архитектура распределения СУБД

В сегодняшнем быстро меняющемся компьютерном мире сосуществуют по крайней мере три основные идеологии: клиент-сервер, Web и распределенные объекты (DCOM, CORBA). Внутри каждого направления также существует большое количество решений и стандартов от разных производителей. Сегодняшняя ситуация вызывает очень большую озабоченность независимых разработчиков и потребителей: Какую технологию выбрать и что будет со мной и моим бизнесом, если я приму неправильное решение? При этом очевидно, что цена ошибки будет весьма высока, кроме того большие средства уже вложены в разработку и эксплуатацию уже существующих систем.

«Клиент-сервер» - это вид распределенной системы, в которой есть сервер, выполняющий запросы клиента, причем сервер и клиент общаются между собой с использованием того или иного протокола. Под клиентом понимается программа, использующая ресурсы, а под сервером программа, обслуживающая запросы клиентов на получение ресурсов определенного вида. Столь широкое определение включает в себя практически любую программную технологию, в которой участвуют больше одной программы, функции между которыми распределены асимметрично [18].

Существует два подхода к распределению обязанностей между сервером и клиентом при выполнении запросов к базам данных. При использовании технологии файлового сервера клиент делает запрос, сервер передает ему необходимые для выполнения запроса файлы, после чего клиент выбирает из этих файлов нужную информацию. В этом случае львиная доля работы ложится на клиента, по каналам связи передается большое количество данных, большая часть из которых на самом деле не появляется в ответе на запрос.

Технология «клиент-сервер» предусматривает, что отбор данных для ответа на запрос делается сервером, а клиенту передается только результат - те данные, которые были запрошены. На рисунке 5 показан процесс обмена информацией между сервером и клиентом при выполнении одного из запросов. При работе с файл-серверной версией вся ответственность за сохранность и целостность базы данных лежит на программе и сетевой операционной системе. Обработка всех данных происходит на рабочих местах, а сервер используется только как разделяемый накопитель. Каждый пользователь непосредственно использует информацию и вносит изменения в файлы данных и в индексные файлы [20].

Рисунок 5 - Сравнение технологий файлового сервера и «клиент-сервера».

При больших объемах данных и работе в многопользовательском режиме существенно снижается быстродействие - ведь чем больше пользователей, тем выше требования к разделению данных. Кроме того, может возникнуть повреждение баз данных. Например, в момент записи в файл может возникнуть сбой сети или авария питания. В этом случае, компьютер прерывает работу и база данных может оказаться поврежденной, а индексный файл - разрушенным. Переиндексация, которую необходимо провести после подобных сбоев, может длиться несколько часов [12].

Клиент-серверная версия позволяет обойти эти проблемы, так как вся работа с базой данных происходит на сервере, не проходит по проводам и не зависит от сбоев на рабочих станциях. Все запросы на запись в файл перехватываются сервером. В файл изменения вносятся только после того, как сервер получит сообщение о том, что корректировка файла завершена. Это исключает повреждение индексных файлов и существенно повышает быстродействие системы.

Кроме высокого быстродействия и надежности, архитектура «клиент-сервер» дает много преимуществ и в части технического обеспечения. Во-первых, сервер оптимизирует выполнение функций обработки данных, что избавляет от необходимости оптимизации рабочих станций. Рабочая станция может быть укомплектована не очень быстрым процессором, и, тем не менее, сервер позволит быстро получить результаты обработки запроса. Во-вторых, поскольку рабочие станции не обрабатывают все промежуточные данные, существенно снижается нагрузка на сеть. Появляется возможность ведения журнала операций, в котором автоматически регистрируются все прошедшие транзакции что, в свою очередь, поможет быстрому восстановлению системы при аппаратных сбоях [21].

Различают двухуровневую и трехуровневую модель «клиент-сервер». На рисунке 6 представлена двухуровневая модель «клиент-сервер». Эта модель, возможно, наиболее общая, поскольку она подобна схеме разработки локальных баз данных. Многие системы «клиент-сервер», используемые сегодня, развились из существующих локальных приложений базы данных, которые хранят свои данные в файле на сервере. Перенос систем осуществляется для повышения эффективности работы, защищенности и надежности базы данных [3].

Рисунок 6 – Двухуровневая модель «клиент-сервер».

Преимущества модели:

1) делает возможным, в большинстве случаев, распределение функций вычислительной системы между несколькими независимыми компьютерами. Это позволяет упростить обслуживание вычислительной системы. В частности, замена, ремонт, модернизация или перемещение сервера не затрагивают клиентов. Все данные хранятся на сервере, который, как правило, защищён гораздо лучше большинства клиентов. На сервере проще обеспечить контроль полномочий, чтобы разрешать доступ к данным только клиентам с соответствующими правами доступа;

2) позволяет объединить различные клиенты. Использовать ресурсы одного сервера часто могут клиенты с разными аппаратными платформами, операционными системами и т. п. [24].

Недостатки модели:

1) неработоспособность сервера может сделать неработоспособной всю вычислительную сеть;

2) поддержка работы данной системы требует отдельного специалиста - системного администратора;

3) высокая стоимость оборудования [5].

В такой модели данные постоянно находятся на сервере, а клиентные приложения на своем компьютере. Бизнес-правила при этом могут располагаться на любом из компьютеров (или даже на обоих одновременно).

Трехуровневая архитектура клиент-сервер — разновидность модели «клиент-сервер», в которой функция обработки данных вынесена на один или несколько отдельных серверов. Это позволяет разделить функции хранения, обработки и представления данных для более эффективного использования возможностей серверов и клиентов [24].

Достоинства:

1) масштабируемость;

2) конфигурируемость — изолированность уровней друг от друга позволяет (при правильном развертывании архитектуры) быстро и простыми средствами переконфигурировать систему при возникновении сбоев или при плановом обслуживании на одном из уровней;

3) высокая безопасность;

4) высокая надёжность;

5) низкие требования к скорости канала (сети) между терминалами и сервером приложений;

6) низкие требования к производительности и техническим характеристикам терминалов, как следствие снижение их стоимости. Терминалом может выступать не только компьютер, но и, например, мобильный телефон [20].

Недостатки вытекают из достоинств. По сравнению c клиент-серверной или файл-серверной архитектурой можно выделить следующие недостатки трёхуровневой архитектуры:

1) более высокая сложность создания приложений;

2) сложнее в разворачивании и администрировании;

3) высокие требования к производительности серверов приложений и сервера базы данных, а, значит, и высокая стоимость серверного оборудования;

4) высокие требования к скорости канала (сети) между сервером базы данных и серверами приложений.

На рисунке 7 показана трехуровневая модель «клиент-сервер». Здесь клиент это пользовательский интерфейс к данным, а данные находятся на удаленном сервере. Клиентное приложение делает запросы для получения доступа или изменения данных через сервер. Если клиент, сервер и бизнес-правила распределены по отдельным компьютерам, разработчик может оптимизировать доступ к данным и поддерживать их целостность во всей системе.

Рисунок 7 - Трехуровневая модель «клиент-сервер».

Технология клиент-сервер — это особый способ взаимодействия компьютеров в локальной сети, при котором один из компьютеров (сервер) предоставляет свои ресурсы другому компьютеру (клиенту). В соответствии с этим различают одноранговые сети и серверные сети [12].

При одноранговой архитектуре в сети отсутствуют выделенные серверы, каждая рабочая станция может выполнять функции клиента и сервера. В этом случае рабочая станция выделяет часть своих ресурсов в общее пользование всем рабочим станциям сети. Как правило, одноранговые сети создаются на базе одинаковых по мощности компьютеров. Одноранговые сети являются достаточно простыми в наладке и эксплуатации. В том случае, когда сеть состоит из небольшого числа компьютеров и ее основной функцией является обмен информацией между рабочими станциями, одноранговая архитектура является наиболее приемлемым решением [3].

Наличие распределенных данных и возможность изменения своих серверных ресурсов каждой рабочей станцией усложняет защиту информации от несанкционированного доступа, что является одним из недостатков одноранговых сетей. Понимая это, разработчики начинают уделять особое внимание вопросам защиты информации в одноранговых сетях. Другим недостатком одноранговых сетей является их более низкая производительность. Это объясняется тем, что сетевые ресурсы сосредоточены на рабочих станциях, которым приходится одновременно выполнять функции клиентов и серверов.

В серверных сетях осуществляется четкое разделение функций между компьютерами: одни их них постоянно являются клиентами, а другие — серверами. Учитывая многообразие услуг, предоставляемых компьютерными сетями, существует несколько типов серверов, а именно: сетевой сервер, файловый сервер, сервер печати, почтовый сервер и др. Сетевой сервер представляет собой специализированный компьютер, ориентированный на выполнение основного объема вычислительных работ и функций по управлению компьютерной сетью. Этот сервер содержит ядро сетевой операционной системы, под управлением которой осуществляется работа всей локальной сети. Сетевой сервер обладает достаточно высоким быстродействием и большим объемом памяти. При подобной сетевой организации функции рабочих станций сводятся к вводу-выводу информации и обмену ею с сетевым сервером [18].

Термин файловый сервер относится к компьютеру, основной функцией которого является хранение, управление и передача файлов данных. Он не обрабатывает и не изменяет сохраняемые и передаваемые им файлы. Сервер может «не знать», является ли файл текстовым документом, графическим изображением или электронной таблицей. В общем случае на файловом сервере может даже отсутствовать клавиатура и монитор. Все изменения в файлах данных осуществляются с клиентских рабочих станций. Для этого клиенты считывают файлы данных с файлового сервера, осуществляют необходимые изменения данных и возвращают их обратно на файловый сервер. Подобная организация наиболее эффективна при работе большого количества пользователей с общей базой данных. В рамках больших сетей может одновременно использоваться несколько файловых серверов.

Сервер печати (принт-сервер) представляет собой печатающее устройство, которое с помощью сетевого адаптера подключается к передающей среде. Подобное сетевое печатающее устройство является самостоятельным и работает независимо от других сетевых устройств. Сервер печати обслуживает заявки на печать от всех серверов и рабочих станций. В качестве серверов печати используются специальные высокопроизводительные принтеры. При высокой интенсивности обмена данными с глобальными сетями в рамках локальных сетей выделяются почтовые серверы, с помощью которых обрабатываются сообщения электронной почты. Для эффективного взаимодействия с сетью Internet могут использоваться Web-серверы [12].