Лекция
Распределенные БД.
Архитектура «файл-сервер».
Двух и
трехуровневая архитектура «клиент-сервер».
Модель сервера
приложений
1.
Основные условия и требования к распределенной обработке данных
Такая отличительная особенность БД, как многоцелевое совместное «параллельное»
использование данных, предопределяет наличие средств, обеспечивающих
практически одновременный и независимый доступ к одним и тем же данным. При
этом сама база может быть размещена на одном или нескольких компьютерах.
Приведем следующие, сформулированные ведущими поставщиками СУБД, свойства
«идеальной» системы управления распределенными базами данных (слайд 2):
-
Прозрачность относительно расположения данных: СУБД должна представлять все данные
так, как если бы они были локальными.
-
Прозрачность относительно
сети: СУБД должна одинаково работать в условиях разнородных сетей.
-
Гетерогенность системы: СУБД должна работать с данными, которые хранятся в системах
с различной архитектурой и имеют разную производительность (независимость от
СУБД).
-
Поддержка распределенных запросов: пользователь должен иметь возможность объединять данные из
любых баз, даже если они размещены в разных системах.
-
Поддержка распределенных изменений: пользователь должен иметь возможность изменять данные в
любых базах, на доступ к которым у него есть права, даже если эти базы
размещены в разных системах.
-
Поддержка распределенных транзакций: СУБД должна выполнять транзакции, выходящие за рамки
одной вычислительной системы, и поддерживать целостность распределенной БД даже
при возникновении отказов как в отдельных системах, так и в сети.
-
Безопасность:
СУБД должна обеспечивать защиту всей распределенной БД от несанкционированного
доступа.
-
Универсальность доступа: СУБД должна обеспечивать единую методику доступа ко всем
данным.
Однако, ни одна из существующих СУБД не достигает этого идеала в
следствие следующих факторов:
-
Низкая
и несбалансированная производительность сетей передачи данных, что в
распределенных транзакциях сильно снижает общую производительность обработки.
-
Обеспечение
целостности данных в распределенных транзакциях базируется на принципе «все или
ничего» и требует специального протокола двухфазного завершения транзакций, что
приводит к длительной блокировке изменяемых данных.
-
Необходимо
обеспечить совместимость данных стандартного типа, для хранения которых в
разных системах используются разные физические форматы и кодировки.
-
Выбор
схемы размещения системных каталогов. Если каталог будет храниться в одной
системе, то удаленный доступ будет замедлен. Если будет размножен – то
изменения придется распространять и синхронизировать.
-
Необходимо
обеспечить совместимость СУБД разных типов и поставщиков.
-
Увеличение
потребностей в ресурсах для координации работы приложений с целью обнаружения и
устранения тупиковых ситуаций в распределенных транзакциях.
Именно указанные причины определили на практике частичность и «этапность»
введения в СУБД тех или иных возможностей распределенной обработки данных. В простейшем случае пользователь имеет
возможность обращаться по сети к записям в БД, размещенным на других
компьютерах. В других случаях СУБД сама производит аутентификацию удаленного
клиента и устанавливает сетевые соединения.
В общем случае режимы работы с БД можно классифицировать по следующим признакам
(слайд 3):
-
многозадачность
- однопользовательский или
многопользовательский;
-
правило обслуживания запросов – последовательное или параллельное;
-
схема размещение данных – централизованная или распределенная БД.
Следует
отметить, что общая тенденция развития технологий обработки данных вполне
соответствует этапам развития средств вычислительной техники и информационных
технологий, и в первую очередь – сетевых.
В этом смысле следует выделить два класса: системы распределенной
обработки данных и системы распределенных баз данных.
Системы
распределенной обработки данных в основном отражают структуру и свойства
многопользовательских операционных систем с базой данных, размещенной на центральном
компьютере (мэйнфрейме). Еще до недавнего времени это был единственно возможный
вариант вычислительной среды для реализации больших баз данных. Клиентские
места в этом случае реализовались либо в виде терминалов или мини-ЭВМ,
обеспечивающих в основном ввод-вывод данных и не имеющих собственных вычислительных
ресурсов для функционально-ориентированной обработки получаемых данных.
Развитие сетевых технологий в сочетании с широким распространением
персональных ЭВМ и внедрением стандартов открытых систем привело к появлению
систем баз данных размещенных в сети разнотипных компьютеров. Такие системы распределенных
баз данных обеспечивают обработку распределенных запросов, когда при
обработке одного запроса используются ресурсы базы, размещенные на различных
ЭВМ сети. Система распределенных баз данных состоит из узлов, каждый из которых
является СУБД, а узлы взаимодействуют между собой так, что база данных любого
узла будет доступна пользователю, так как если бы она была локальной.
Соответственно, программы, обеспечивающие целевую (функциональную) обработку
данных, должны быть организованы таким образом, чтобы обеспечить более
эффективное использование совокупных вычислительных ресурсов за счет
специализированного разделения функций обработки между процессом СУБД и
клиентскими функционально-ориентированными процессами.
Для «типового» приложения обработки данных можно выделить следующие
группы (уровни) функций (слайд 4):
-
ввод
и отображение данных: внешний (пользовательский) уровень реализации целевой
функциональной обработки и представления (Presentation Logic);
-
функциональная
обработка, реализующая алгоритм решения задач пользователя. Соответствующие «бизнес-правила»
реализуются обычно средствами высокоуровневого языка программирования или
расширенного языка манипулирования данными типа ADABAS Natural или 4-GL (Business Logic);
-
манипулирование
данными БД в рамках приложения, которое обычно реализуется средствами SQL (Database Logic). Кроме того, средствами SQL, помимо операций манипулирования
данными (Data Management Logic - извлечения, изменения и т.д.)
реализуются общие для БД функции (Common DB Logic), например, правила целостности,
типовые представления, которые, по существу, являются общими
«бизнес-правилами» на уровне данных;
-
управление
ресурсами БД, реализуемое специализированными средствами конкретной СУБД (Resource Logic);
-
управление
процессами обработки: связывание и синхронизация процессов обработки данных
разного уровня.
22.2. Архитектура распределенной
обработки данных
Почти все модели организации взаимодействия пользователя с базой данных,
построены на основе модели "клиент-сервер". Т.е. предполагается, что
каждое такое приложение отличается способом распределения функций ранее
приведенных групп обработки данных между, как минимум, двумя частями
(слайд 5):
-
клиентской,
которая отвечает за целевую обработку данных и организацию взаимодействия с пользователем;
-
серверной,
которая обеспечивает хранение данных, обрабатывает запросы и посылает
результаты клиенту для специальной обработки.
В общем случае предполагается, что
эти части приложения функционируют на отдельных компьютерах, т.е. к серверу БД с
помощью сети подключены компьютеры пользователей (клиенты).
Сервер – это программа, реализующая функции
собственно СУБД: определение данных, запись-чтение данных, поддержка схем
внешнего, концептуального и внутреннего уровней, диспетчеризация и оптимизация
выполнения запросов, защита данных.
Клиент – это различные программы,
написанные как пользователями, так и поставщиками СУБД, внешние или
«встроенные» по отношению к СУБД. Программа-клиент организована в виде
приложения, работающего «поверх» СУБД, и обращающегося для выполнения операций
над данными к компонентам СУБД через интерфейс внешнего уровня.
Разделение процесса выполнения запроса на «клиентскую» и «серверную»
компоненту позволяет:
-
различным
прикладным (клиентским) программам одновременно использовать общую базу данных;
-
централизовать
функции управления, такие, как защита информации, обеспечение целостности
данных, управление совместным использованием ресурсов;
-
обеспечивать
параллельную обработку запроса в случае распределенных БД;
-
высвобождать
ресурсы рабочих станций и сети;
-
повышать
эффективность управления данными за счет использования ЭВМ, специально
разработанных для работы СУБД (серверы баз данных и машины баз данных).
Учитывая, что одним из основных показателей эффективности сетевой обработки
данных является время обслуживания запроса, рассмотрим различные модели архитектуры
распределенной обработки на примере, когда прикладная программа работы с базой
данных, расположенной на сервере, загружена на рабочую станцию, и пользователю
необходимо получить все записи, удовлетворяющие некоторым поисковым условиям.
22.2.1. Архитектура «файл-сервер» (слайд 6)
В архитектуре «файл-сервер», схема которой представлена на слайде,
средства организации и управления базой данных (в том числе и СУБД) целиком
располагаются на машине клиента, а база данных, представляющая собой обычно
набор специализированных структурированных файлов, на машине-сервере. В этом
случае серверная компонента представлена даже не средствами СУБД, а сетевыми
составляющими операционной системы, обеспечивающими удаленный разделяемый
доступ к файлам. Таким образом, «файл-сервер» представляет собой вырожденный
случай клиент-серверной архитектуры.
Взаимодействие между клиентом и сервером происходит на уровне команд ввода-вывода
файловой системы, которая возвращает запись или блок данных. Запрос к базе,
сформулированный на языке манипулирования данными, преобразуется самой СУБД в последовательность
команд ввода-вывода, которые обрабатываются операционной системой
машины-сервера.
Достоинство - возможность
обслуживания запросов нескольких клиентов (слайд 7).
Недостатки:
-
высокая
загрузка сети и машин-клиентов, т.к. обмен идет на уровне единиц информации
файловой системы – физических записей, блоков или даже файлов, из которых на
машине клиента будут выбраны и представлены необходимые для приложения элементы
данных;
-
низкий
уровень защиты данных, т.к. доступ к файлам БД управляется общими средствами ОС
сервера;
-
низкий
уровень управления целостностью и непротиворечивостью информации, т.к.
бизнес-правила функциональной обработки, сосредоточенные на клиентской части,
могут быть противоречивыми и несихронизированными.
В среде файлового сервера программа управления данными, которая выполняется
на машине-клиенте, должна осуществить запрос каждой записи базы, после чего она
может определить, удовлетворяет ли запись поисковым условиям, лишь после этого
передать для функциональной обработки. Очевидно, что для этой схемы характерно
наибольшее суммарное время обработки информации.
20.2.2. Архитектура «выделенный сервер базы данных» (слайд 8)
В архитектуре сервера базы данных, средства управления базой данных и
база данных размещены на машине-сервере.
Взаимодействие между клиентом и сервером происходит на уровне команд
языка манипулирования данными СУБД (обычно SQL), которые обрабатываются СУБД на
машине-сервере. Сервер базы данных осуществляет поиск записей и анализирует их.
Записи, удовлетворяющие условиям, могут накапливаться на сервере и после того, как
запрос будет целиком обработан, пользователю на клиентскую машину передаются
все логические записи (запрашиваемые элементы данных), удовлетворяющие
поисковым условиям.
Достоинства (слайд 9):
-
возможность
обслуживания запросов нескольких клиентов;
-
снижение
нагрузки на сеть и машины сервера и клиентов;
-
защита
данных осуществляется средствами СУБД, что позволяет блокировать неразрешенные
пользователю действия;
-
сервер
реализует управление транзакциями и может блокировать попытки одновременного
изменения одних и тех же записей.
Недостатки:
-
бизнес-логика
функциональной обработки и представление данных могут быть одинаковыми для
нескольких клиентских приложений и это увеличит совокупные потребности в
ресурсах при исполнении – повторение части кода программ и запросов;
-
низкий
уровень управления непротиворечивостью информации, т.к. бизнес-правила
функциональной обработки, сосредоточенные на клиентской части, могут быть
противоречивыми.
Данная технология позволяет снизить сетевой трафик и повысить общую эффективность обработки за счет оптимизации и буферизации ввода-вывода. Т.о., сервер может осуществить поиск и обрабатывать запросы даже быстрее, чем, если бы они обрабатывались на рабочей станции.
22.2.3. Архитектура «активный сервер баз данных» (слайд 10)
Для того чтобы устранить недостатки, свойственные архитектуре сервера базы данных необходимо, чтобы непротиворечивость бизнес-логики и изменения базы данных контролировались на стороне сервера. Для этого общие или критически значимые функции оформляются в виде хранимых процедур, включаемых в состав базы данных. Кроме этого, вводится механизм отслеживания событий БД – триггеров, также включаемых в состав базы. При возникновении соответствующего события (обычно изменения данных), СУБД вызывает для выполнения хранимую процедуру, связанную с триггером, что позволяет эффективно контролировать изменение базы данных.
Хранимые процедуры и триггеры могут быть использованы любыми клиентскими
приложениями, работающими с базой данных. Это снижает дублирование программных
кодов и исключает необходимость компиляции каждого запроса.
Недостатком такой архитектуры (слайд 11) становится существенно возрастающая загрузка сервера за счет необходимости отслеживания событий и выполнения части бизнес-правил.
Такую архитектуру организации взаимодействия (а также рассматриваемый далее
сервер приложений) иногда называют моделью с «тонким клиентом», в
отличие от предыдущих архитектур, называемых моделью с «толстым клиентом»,
где на стороне клиента выполняется большинство функций.
22.2.4. Архитектура «сервер приложений» (слайд 12)
Рассмотренные выше архитектуры являются двухзвенными: здесь все функции
доступа и обработки распределены между программой клиента и сервером БД.
Дальнейшее снижение требований к ресурсам клиента достигается за счет введения
промежуточного звена – сервера приложений, на который переносится значительная
часть программных компонентов управления данными и большая часть бизнес-логики.
При этом серверы баз данных обеспечивают исключительно функции СУБД по ведению
и обслуживанию базы данных.
К другим (организационно-технологическим) достоинствам трехзвенной архитектуры можно отнести:
-
централизованное
ведение бизнес-логики и в случае их изменения отсутствие необходимости их
тиражирования в клиентских приложениях;
-
отсутствие
необходимости устанавливать на клиентских машинах компонент программного
обеспечения управления доступом к данным;
-
возможность
отложенного обновления БД в случае изменения данных, запрошенных с сервера, в
автономном режиме. Данные будут обновлены в базе после следующего соединения
клиентской программы с сервером приложений.
Для приведенных моделей архитектуры на слайде 13
представлена диаграмма распределения ресурсов по обработке логических компонент
запросов, включая: ввод и отображение данных (Presentation Logic - PL), функциональную обработку
прикладной задачи (Business Logic - BL), общие «бизнес-правила» на уровне данных (Common DB Logic - CDBL), манипулирование данными БД в
рамках приложения (Database Logic - DBL), управление ресурсами БД (Resource Logic - RL).
