Работа с базами данных в режимах «файл-сервер» и «клиент-сервер»

Архитектура клиент-сервер

Веб-приложение – это клиент-серверное приложение, в котором клиентом выступает браузер, а сервером – веб-сервер (в широком смысле).

Основная часть приложения, как правило, находится на стороне веб-сервера, который обрабатывает полученные запросы в соответствии с бизнес-логикой продукта и формирует ответ, отправляемый пользователю. На этом этапе в работу включается браузер, именно он преобразовывает полученный ответ от сервера в графический интерфейс, понятный пользователю.

Архитектура «клиент-сервер» определяет общие принципы организации взаимодействия в сети, где имеются серверы, узлы-поставщики некоторых специфичных функций (сервисов) и клиенты (потребители этих функций).
Практические реализации такой архитектуры называются клиент-серверными технологиями.

Двухзвенная архитектура — распределение трех базовых компонентов между двумя узлами (клиентом и сервером). Двухзвенная архитектура используется в клиент-серверных системах, где сервер отвечает на клиентские запросы напрямую и в полном объеме.

Расположение компонентов на стороне клиента или сервера определяет следующие основные модели их взаимодействия в рамках двухзвенной архитектуры:

• Сервер терминалов — распределенное представление данных.
• Файл-сервер — доступ к удаленной базе данных и файловым ресурсам.
• Сервер БД — удаленное представление данных.
• Сервер приложений — удаленное приложение.

Клиент – это браузер, но встречаются и исключения (в тех случаях, когда один веб-сервер (ВС1) выполняет запрос к другому (ВС2), роль клиента играет веб-сервер ВС1). В классической ситуации (когда роль клиента выполняет браузер) для того, чтобы пользователь увидел графический интерфейс приложения в окне браузера, последний должен обработать полученный ответ веб-сервера, в котором будет содержаться информация, реализованная с применением HTML, CSS, JS (самые используемые технологии). Именно эти технологии «дают понять» браузеру, как именно необходимо «отрисовать» все, что он получил в ответе.

Веб-сервер – это сервер, принимающий HTTP-запросы от клиентов и выдающий им HTTP-ответы. Веб-сервером называют как программное обеспечение, выполняющее функции веб-сервера, так и непосредственно компьютер, на котором это программное обеспечение работает. Наиболее распространенными видами ПО веб-серверов являются Apache, IIS и NGINX. На веб-сервере функционирует тестируемое приложение, которое может быть реализовано с применением самых разнообразных языков программирования: PHP, Python, Ruby, Java, Perl и пр.

База данных фактически не является частью веб-сервера, но большинство приложений просто не могут выполнять все возложенные на них функции без нее, так как именно в базе данных хранится вся динамическая информация приложения (учетные, пользовательские данные и пр).

База данных — это информационная модель, позволяющая упорядоченно хранить данные об объекте или группе объектов, обладающих набором свойств, которые можно категоризировать. Базы данных функционируют под управлением так называемых систем управления базами данных (далее – СУБД). Самыми популярными СУБД являются MySQL, MS SQL Server, PostgreSQL, Oracle (все – клиент-серверные).

Трехзвенная архитектура — сетевое приложение разделено на две и более частей, каждая из которых может выполняться на отдельном компьютере. Выделенные части приложения взаимодействуют друг с другом, обмениваясь сообщениями в заранее согласованном формате.

Третьим звеном в трехзвенной архитектуре становится сервер приложений, т.е. компоненты распределяются следующим образом:

1. Представление данных — на стороне клиента.
2. Прикладной компонент — на выделенном сервере приложений (как вариант, выполняющем функции промежуточного ПО).
3. Управление ресурсами — на сервере БД, который и представляет запрашиваемые данные.

Трехзвенная архитектура может быть расширена до многозвенной (N-tier, Multi-tier) путем выделения дополнительных серверов, каждый из которых будет представлять собственные сервисы и пользоваться услугами прочих серверов разного уровня.

Двухзвенная архитектура проще, так как все запросы обслуживаются одним сервером, но именно из-за этого она менее надежна и предъявляет повышенные требования к производительности сервера.

Трехзвенная архитектура сложнее, но, благодаря тому, что функции распределены между серверами второго и третьего уровня, эта архитектура предоставляет:

1. Высокую степень гибкости и масштабируемости.
2. Высокую безопасность (т.к. защиту можно определить для каждого сервиса или уровня).
3. Высокую производительность (т.к. задачи распределены между серверами).

Работа с базами данных в режимах «файл-сервер» и «клиент-сервер».

В задачах обработки информации, основанных на системах баз данных, существуют два варианта расположения данных: локальный и удаленный. Локальные данные, как правило, располагаются на жестком диске компьютера, на котором работает пользователь, и находятся в монопольном ведении этого пользователя. Пользователь при этом работает автономно, не завися от других пользователей и никоим образом не влияя на их работу. Удаленные данные располагаются вне компьютера пользователя (пользователей) — на файловом сервере сети или на специально выделенном для этих целей компьютере.

Существуют две технологии (архитектуры) обработки удаленных данных:

файл-серверная архитектура

архитектура клиент-сервер

Обработка запроса одного пользователя: — Обращение к БД (запрос) — Перекачка данных с блокировкой доступа других пользователей — Обработка данных на компьютере пользователя Обработка запроса нескольких пользователей: — Одновременный запрос к тем же данным в БД — Ответ: «Данные заблокированы, подождите, или откройте в режиме только для чтения».

В стандартной файл-серверной архитектуре данные, располагаясь на файл-сервере, являются, по сути, пассивным источником. Вся ответственность за их получение, обработку, а также за поддержание целостности базы данных лежит на приложении, запущенном с рабочей станции. При этом, поскольку обработка данных осуществляется на рабочей станции, по сети перегоняются вся необходимая для этой обработки информация, хотя интересующий пользователя объем данных может быть меньше пересылаемого раз в десять.

Например, если пользователя интересуют все работники какого-либо предприятия, участвующие в конкретном проекте, его приложение “получит” сначала всех работников и все проекты из базы данных, и только после этого произведет требуемую выборку.

Недостатки ФАЙЛ-СЕРВЕРНОЙ системы:

Очень большая нагрузка на сеть, повышенные требования к пропускной способности. На практике это делает практически невозможной одновременную работу большого числа пользователей с большими объемами данных.

Обработка данных осуществляется на компьютере пользователей. Это влечет повышенные требования к аппаратному обеспечению каждого пользователя. Чем больше пользователей, тем больше денег придется потратить на оснащение их компьютеров.

Блокировка данных при редактировании одним пользователем делает невозможной работу с этими данными других пользователей.

Безопасность. Для обеспечения возможности работы с такой системой Вам будет необходимо дать каждому пользователю полный доступ к целому файлу, в котором его может интересовать только одно поле.

Обработка запроса одного пользователя: – Обращение к БД (SQL-запрос) – Передача ответа – результата обработки Обработка запроса нескольких пользователей: – Одновременный SQL-запрос к тем же данным в БД – Передача ответа – результата обработки.

В архитектуре клиент-сервер для обработки данных выделяется специальное ядро — так называемый сервер баз данных, который принимает на себя функции обработки запросов пользователей, именуемых теперь клиентами. Сервер баз данных представляет собой программу, выполняющуюся, как правило, на мощном компьютере. Приложения-клиенты посылают с рабочих станций запросы на выборку (вставку, обновление, удаление) данных. При этом сервер выполняет всю “грязную” работу по отбору данных, отправляя клиенту только требуемую “выжимку”. Если приведенный выше пример перестроить с учетом клиент-серверной архитектуры, то приложение-клиент “получит” от сервера в качестве результата список только тех работников, которые участвуют в заданном проекте, и не более того!

Такой подход обеспечивает решение трех важных задач:

уменьшение нагрузки на сеть

уменьшение требований к компьютерам-клиентам

повышение надежности и сохранение логической целостности базы данных.

Понятие объектно-ориентированных баз данных (ООБД). Особенности проектирование ООБД. Основные характеристики и преимущества и недостатки ООСУБД.

Появление объектно-ориентированных СУБД вызвано потребностями программистов на ОО-языках, которым были необходимы средства для хранения объектов, не помещавшихся в оперативной памяти компьютера. Также важна была задача сохранения состояния объектов между повторными запусками прикладной программы. Поэтому, большинство ООСУБД представляют собой библиотеку, процедуры управления данными которой включаются в прикладную программу. Примеры реализации ООСУБД как выделеного сервера базы данных крайне редки.

Особенности проектирование ООБД.

Поскольку система баз данных является системным программным обеспечением, функции которого вызываются приложением, написанным на определенных базовых языках, можно выделить два различных подхода к проектированию ООБД. Первый состоит в хранении и управлении объектами, созданными программами, которые написаны на конкретных объектно-ориентированных языках, в частности, на С++ или Smalltalk Конечно, для этого можно использовать и РБД. Однако такие базы данных ничего не знают об объектах, методах и наследовании. Поэтому необходимо написать «менеджер объектов» или «объектно-ориентированный слой» для управления методами и наследованием и для трансляции объектов в кортежи отношений. Но менеджер объектов вместе с РБД и дают ООБД (конечно, с низкой производительностью).

Другой подход предоставляет доступ к объектно-ориентированным средствам пользователям традиционных языков. Этот подход, по сути, превращает такие языки, как С, FORTRAN, COBOL и т.д., в объектно-ориентированные языки. Спроектированные таким образом ООБД могут использоваться для хранения и управления объектами, созданными программами, написанными и на объектно-ориентированных языках. Хотя для отображения таких объектов в объекты базы данных также нужен программный слой, он намного проще, чем менеджер объектов, требуемый РБД.

Основные характеристики ООСУБД

Структура объектной модели описываются с помощью трех ключевых понятий:

инкапсуляция — каждый объект обладает некоторым внутренним состянием (хранит внутри себя запись данных), а также набором методов — процедур, с помощью которых (и только таким образом) можно получить доступ к данным, определяющим внутреннее состояние объекта, или изменить их. Таким образом, объекты можно рассматривать как самостоятельные сущности, отделенные от внешнего мира.

наследование — подразумевает возможность создавать из классов объектов новые классы объекты, которые наследуют структуру и методы своих предков, добавляя к ним черты, отражающие их собственную индивидуальность. Наследование может быть простым (один предок) и множественным (несколько предков).

полиморфизм — различные объекты могут по разному реагировать на одинаковые внешние события в зависимости от того, как реализованы их методы.

Для поддержания целостности объектно-ориентированный подход предлагает использовать следующие средства:

автоматическое поддержание отношений наследования

возможность объявить некоторые поля данных и методы объекта как «скрытые», не видимые для других объектов; такие поля и методы используются только методами самого объекта

создание процедур контроля целостности внутри объекта

Средства манипулирования данными:

К сожалению, в объектно-ориентированном программировании отсутствуют общие средства манипулирования данными, такие как реляционная алгебра или реляционное счисление. Работа с данными ведется с помощью одного из объектно-ориентированных языков программирования общего назначения, обычно это SmallTalk, C++ или Java.

Основные преимущества и недостатки ООСУБД

В объектно-ориентированных базах данных, в отличие от реляционных, хранятся не записи, а объекты. ОО-подход представляет более совершенные средства для отображения реального мира, чем реляционная модель:

естественное представление данных. В реляционной модели все отношения принадлежат одному уровню, именно это осложняет преобразование иерархических связей модели «сущность-связь» в реляционную модель (см. параграф ). ОО-модель можно рассматривать послойно, на разных уровнях абстракции.

имеется возможность определения новых типов данных и операций с ними.

В то же время, ОО-модели присущ и ряд недостатков:

осутствуют мощные непроцедурные средства извлечения объектов из базы. Все запросы приходится писать на процедурных языках, проблема их оптимизации возлагается на программиста.

вместо чисто декларативных ограничений целостности (типа явного объявления первичных и внешних ключей реляционных таблиц с помощью ключевых слов PRIMARY KEY и REFERENCES) или полудекларативных триггеров для обеспечения внутренней целостности приходится писать процедурный код.

Очевидно, что оба эти недостатка связаны с отсутствием развитых средств манипулирования данными. Эта задача решается двумя способами — расширение ОО-языков в сторону управления данными (стандарт ODMG), либо добавление объектных свойств в реляционные СУБД (SQL-3, а также так называемые объектно-реляционных СУБД).

На каком компьютере происходит работа с базой данных в архитектуре клиент сервер

Как правило компьютеры и программы, входящие в состав информационной системы, не являются равноправными. Некоторые из них владеют ресурсами (файловая система, процессор, принтер, база данных и т.д.), другие имеют возможность обращаться к этим ресурсам. Компьютер (или программу), управляющий ресурсом, называют сервером этого ресурса (файл-сервер, сервер базы данных, вычислительный сервер. ). Клиент и сервер какого-либо ресурса могут находится как в рамках одной вычислительной системы, так и на различных компьютерах, связанных сетью.

• ввод и отображение данных (взаимодействие с пользователем);
• прикладные функции, характерные для данной предметной области;
• функции управления ресурсами (файловой системой, базой даных и т.д.)

• компонент представления данных
• прикладной компонент
• компонент управления ресурсом

Компанией Gartner Group, специализирующейся в области исследования информационных технологий, предложена следующая классификация двухзвенных моделей взаимодействия клиент-сервер (двухзвенными эти модели называются потому, что три компонента приложения различным образом распределяются между двумя узлами):

Исторически первой появилась модель распределенного представления данных, которая реализовывалась на универсальной ЭВМ с подключенными к ней неинтеллектуальными терминалами. Управление данными и взаимодействие с пользователем при этом объединялись в одной программе, на терминал передавалась только «картинка», сформированная на центральном компьютере.

Затем, с появлением персональных компьютеров (ПК) и локальных сетей, были реализованы модели доступа к удаленной базе данных. Некоторое время базовой для сетей ПК была архитектура файлового сервера. При этом один из компьютеров является файловым сервером, на клиентах выполняются приложения, в которых совмещены компонент представления и прикладной компонент (СУБД и прикладная программма). Протокол обмена при этом представляет набор низкоуровненых вызовов операций файловой системы. Такая архитектура, реализуемая, как правило, с помощью персональных СУБД (см. параграф 4.8), имеет очевидные недостатки — высокий сетевой трафик и отсутствие унифицированного доступа к ресурсам.

С появлением первых специализированных серверов баз данных появилась возможность другой реализации модели доступа к удаленной базе данных. В этом случае ядро СУБД функционирует на сервере, протокол обмена обеспечивается с помощью языка SQL. Такой подход по сравнению с файловым сервером ведет к уменьшению загрузки сети и унификации интерфейса «клиент-сервер». Однако, сетевой трафик остается достаточно высоким, кроме того, по прежнему невозможно удовлетворительное администрирование приложений, поскольку в одной программе совмещаются различные функции.

Позже была разработана концепция активного сервера, который использовал механизм хранимых процедур. Это позволило часть прикладного компонента перенести на сервер (модель распределенного приложения). Процедуры хранятся в словаре базы данных, разделяются между несколькими клиентами и выполняются на том же компьютере, что и SQL-сервер. Преимущества такого подхода: возможно централизованное администрирование прикладных функций, значительно снижается сетевой трафик (т.к. передаются не SQL-запросы, а вызовы хранимых процедур). Недостаток — ограниченность средств разработки хранимых процедур по сравнению с языками общего назначения (C и Pascal).

• простейшие прикладные функции выполняются хранимыми процедурами на сервере
• более сложные реализуются на клиенте непосредственно в прикладной программе

Сейчас ряд поставщиков коммерческих СУБД объявило о планах реализации механизмов выполнения хранимых процедур с использованием языка Java. Это соответствует концепции «тонкого клиента», функцией которого остается только отображение данных (модель удаленного представления данных).

В последнее время также наблюдается тенденция ко все большему использованию модели распределенного приложения. Характерной чертой таких приложений является логическое разделение приложения на две и более частей, каждая из которых может выполняться на отдельном компьютере. Выделенные части приложения взаимодействуют друг с другом, обмениваясь сообщениями в заранее согласованном формате. В этом случае двухзвенная архитектура клиент-сервер становится трехзвенной, а к некоторых случаях, она может включать и больше звеньев.

В том случае, когда информационная система объединяет достаточно большое количество различных информационных ресурсов и серверов приложений, встает вопрос об оптимальном управлении всеми ее компонентами. В этом случае используют специализированные средства — мониторы обработки транзакций (часто их называют просто «мониторы транзакций»). При этом понятие транзакции расширяется по сравнению с используемым в теории баз данных. В данном случае это не атомарное действие над базой данных, а любое действие в системе — выдача сообщения, запись в индексный файл, печать отчета и т.д.

Для общения прикладной программы с монитором транзакций используется специализированный API (Application Program Interface — интерфейс прикладного программмирования), который реализуется в виде библиотеки, содержащей вызовы основных функций (установить соединение, вызвать определенный сервис и т.д.). Серверы приложений (сервисы) также создаются с помощью этого API, каждому сервису присваивается уникальное имя. Монитор транзакций, получив запрос от прикладной программы, передает ее вызов соответствующему сервису (если тот не запущен, порождается необходимый процесс), после обработки запроса сервером приложений возвращает результаты клиенту. Для взаимодействия мониторов транзакций с серверами баз данных разработан протокол XA. Наличие такого унифицированного интерфейса позволяет использовать в рамках одного приложения несколько различных СУБД.

Отличие архитектуры «клиент-сервер» от архитектуры «файл-сервер»

Такое приложение от сетевого многопользовательского приложения, которое рассматривалось в предыдущей главе, отличается только тем, где конкретно ведется обработка данных.

Сетевое многопользовательское приложение строится по принципу файл-серверной архитектуры. Данные в виде одного или нескольких файлов размещаются на файловом сервере. Файловый сервер принимает запросы, поступающие по сети от компьютеров-клиентов, и передает им требуемые данные. Однако обработка этих данных выполняется на компьютерах-клиентах. На каждом из компьютеров запускается полная копия процессора обработки данных Jet Engine. Любая копия Jet независимо управляет файлами MDB, содержащими данные. Единственная связь между этими независимыми действиями – файл блокировок (файл, который имеет имя, совпадающее с именем файла приложения, но с расширением. Idb), который обязательно создается для каждого файла базы данных с расширением .mdb. При этом каждая копия Jet выполняет изменения индексов, работу с системными таблицами и другие функции, входящие в компетенцию СУБД.

В архитектуре «клиент-сервер» сервер базы данных не только обеспечивает доступ к общим данным, но и берет на себя всю обработку этих данных. Клиент посылает на сервер запросы на чтение или изменение данных, которые формулируются на языке SQL. Сервер сам выполняет все необходимые изменения или выборки, контролируя при этом целостность и согласованность данных, и результаты в виде набора записей или кода возврата посылает на компьютер клиента.

Недостатки архитектуры с файловым сервером очевидны и вытекают главным образом из того, что данные хранятся в одном месте, а обрабатываются в другом. Это означает, что их нужно передавать по сети, что приводит к очень высоким нагрузкам на сеть и, вследствие этого, резкому снижению производительности приложения при увеличении числа одновременно работающих клиентов. Вторым важным недостатком такой архитектуры является децентрализованное решение проблем целостности и согласованности данных и одновременного доступа к данным. Такое решение снижает надежность приложения.

Архитектура «клиент-сервер» позволяет устранить все указанные недостатки. Кроме того, она позволяет оптимальным образом распределить вычислительную нагрузку между клиентом и сервером, что также влияет на многие характеристики системы: стоимость, производительность, поддержку.