Обзор применяемых архитектур современных информационных приложений

В начале этой части курса мы кратко рассмотрели основные требования, которым должна удовлетворять информационная система, и задачи, которые должны решаться такой системой. При этом мы подчеркивали, что строгость соблюдения требований и фиксированность набора решаемых задач во многом являются условными в зависимости от конкретных целей, для достижения которых разрабатывается прикладная информационная система. Соответственно, проектирование и разработка информационной системы может базироваться на разных архитектурных решениях.

В данном разделе приводится классификация возможных архитектур информационных систем. Мы начинаем с традиционных архитектурных решений, основанных на использовании выделенных серверов баз данных и, возможно, серверов приложений. Затем рассматриваются варианты архитектур корпоративных информационных систем, базирующихся на технологии Internet (Intranet-приложения). Следующая разновидность архитектуры информационной системы (еще не вполне установившаяся) относится к приложениям оперативной аналитической обработки данных. Наконец, последняя выделяемая нами архитектура предназначена для построения глобальных распределенных информационных приложений с интеграцией информационно-вычислительных компонентов на основе объектно-ориентированного подхода.

Замечание по поводу терминологии. С терминологией в области информационных систем вообще, а русскоязычной терминологией в особенности, дела обстоят неважно. Область информационных систем очень быстро развивается. Практически каждый год возникают новые технологии и архитектурные решения, для которых в маркетинговых целях придумываются оригинальные, привлекающие внимание названия, далеко не всегда точно отражающие смысл технологии и/или архитектуры. На самом деле, все подходы к организации информационных систем, рассматриваемые в этом курсе базируются на общей архитектуре "клиент-сервер". Различие состоит только в том, что делают клиенты и серверы. Тем не менее, чтобы избежать путаницы, далее мы вынуждены применять русскоязычные эквиваленты соответствующих англоязычных терминов.

Следует заметить, что как и любая классификация, наша классификация архитектур информационных систем не является абсолютно жесткой. В архитектуре любой конкретной информационной системы часто можно найти влияния нескольких общих архитектурных решений. Тем не менее, при архитектурном проектировании системы кажется полезным иметь хотя бы частично ортогонализированный архитектурный базис.

9.3.1. Информационные системы, использующие серверы приложений

Под клиент-серверным приложением в узком смысле мы будем понимать информационную систему, основанную на использовании серверов баз данных. Общее представление информационной системы в архитектуре "клиент-сервер" показано на рисунке 9.1.

Рис. 9.1. Общее представление информационной системы в архитектуре "клиент-сервер"

На стороне клиента выполняется код приложения, в который обязательно входят компоненты, поддерживающие интерфейс с конечным пользователем, производящие отчеты, выполняющие другие специфичные для приложения функции.
Клиентская часть приложения взаимодействует с клиентской частью программного обеспечения управления базами данных, которая, фактически является индивидуальным представителем СУБД для приложения.

(Здесь опять проявляются недостатки в терминологии. Обычно, когда компания объявляет о выпуске очередного сервера баз данных, то неявно понимается, что имеется и клиентская составляющая этого продукта. Сочетание "клиентская часть сервера баз данных" кажется несколько странным, но нам придется пользоваться именно этим термином.)

Интерфейс между клиентской частью приложения и клиентской частью сервера баз данных, как правило, основан на использовании языка SQL. Поэтому такие функции, как, например, предварительная обработка форм, предназначенных для запросов к базе данных, или формирование результирующих отчетов выполняются в коде приложения.

Наконец, клиентская часть сервера баз данных, используя средства сетевого доступа, обращается к серверу баз данных, передавая ему текст оператора языка SQL.

Здесь необходимо сделать еще два замечания:

Обычно компании, производящие развитые серверы баз данных, стремятся к тому, чтобы обеспечить возможность использования своих продуктов не только в стандартных на сегодняшний день TCP/IP-ориентированных сетях, но и в сетях, основанных на других протоколах (например, SNA или IPX/SPX). Поэтому при организации сетевых взаимодействий между клиентской и серверной частями СУБД часто используются не стандартные средства высокого уровня (например, механизмы программных гнезд или вызовов удаленных процедур), а собственно функционально подобные средства, менее зависящие от особенностей сетевых транспортных протоколов.
Когда мы говорим об интерфейсе на основе языка SQL, нужно отдавать себе отчет в том, что несмотря на титанические усилия по стандартизации этого языка, нет такой реализации, в которой стандартные средства языка не были бы расширены. Необдуманное использование расширений языка приводит к полной зависимости приложения от конкретного производителя сервера баз данных.

Посмотрим теперь, что же происходит на стороне сервера баз данных. В продуктах практически всех компаний сервер получает от клиента текст оператора на языке SQL.

Сервер производит компиляцию полученного оператора. На основе информации, содержащейся в таблицах-каталогах базы данных производится преобразование непроцедурного представления оператора в некоторую процедуру его выполнения.
Далее (если компиляция завершилась успешно) происходит выполнение оператора. Рассмотрим возможные действия операторов SQL:
Оператор может относиться к классу операторов определения (или создания) объектов базы данных (точнее и правильнее было бы говорить про элементы схемы базы данных или про объекты метабазы данных). В частности, могут определяться домены, таблицы, ограничения целостности, триггеры, привилегии пользователей, хранимые процедуры. В любом случае, при выполнении оператора создания элемента схемы базы данных соответствующая информация помещается в таблицы-каталоги базы данных (в таблицы метабазы данных).

Ограничения целостности обычно сохраняются в метабазе данных прямо в текстовом представлении. Для действий, определенных в триггерах, и хранимых процедур вырабатывается и сохраняется в таблицах-каталогах процедурный выполняемый код. Заметим, что ограничения целостности, триггеры и хранимые процедуры являются, в некотором смысле, представителями приложения в поддерживаемой сервером базе данных; они составляют основу серверной части приложения.
При выполнении операторов выборки данных на основе содержимого затрагиваемых запросом таблиц и, возможно, с использованием поддерживаемых в базе данных индексов формируется результирующий набор данных. Серверная часть СУБД пересылает результат клиентской части, и окончательная обработка производится уже в клиентской части приложения.
При выполнении операторов модификации содержимого базы данных (INSERT, UPDATE, DELETE) проверяется, что не будут нарушены определенные к этому моменту ограничения целостности (те, которые относятся к классу немедленно проверяемых), после чего выполняется соответствующее действие (сопровождаемое модификацией всех соответствующих индексов и журнализацией изменений). Далее сервер проверяет, не затрагивает ли данное изменение условие срабатывания какого-либо триггера, и если такой триггер обнаруживается, выполняет процедуру его действия. Эта процедура может включать дополнительные операторы модификации базы данных, которые могут вызвать срабатывание других триггеров и т.д. Можно считать, что те действия, которые выполняются на сервере баз данных при проверке удовлетворенности ограничений целостности и при срабатывании триггеров, представляют собой действия серверной части приложения.
При выполнении операторов модификации схемы базы данных (добавления или удаления столбцов существующих таблиц, изменения типа данных существующего столбца существующей таблицы и т.д.) также могут срабатывать триггеры, т.е., другими словами, может выполняться серверная часть приложения.
Аналогично, триггеры могут срабатывать при уничтожении объектов схемы базы данных (доменов, таблиц, ограничений целостности и т.д.).
Особый класс операторов языка SQL составляют операторы вызова ранее определенных и сохраненных в базе данных хранимых процедур.

Если хранимая процедура определяется с помощью достаточно развитого языка, включающего и непроцедурные операторы SQL, и чисто процедурные конструкции (например, языка PL/SQL компании Oracle), то в такую процедуру можно поместить серьезную часть приложения, которое при выполнении оператора вызова процедуры будет выполняться на стороне сервера, а не на стороне клиента.
При выполнении оператора завершения транзакции сервер должен проверить соблюдение всех, так называемых, отложенных ограничений целостности (к таким ограничениям относятся ограничения, накладываемые на содержимое таблицы базы целиком или на несколько таблиц одновременно; например, суммарная зарплата сотрудников отдела 999 не должна превышать 150 млн. руб.). Снова к проверке отложенных ограничений целостности можно относиться как к выполнению серверной части приложения.

Как видно, в клиент-серверной организации клиенты могут являться достаточно "тонкими", а сервер должен быть "толстым" настолько, чтобы был в состоянии удовлетворить потребности всех клиентов (рисунок 9.2).

Рис. 9.2. Тонкий клиент и толстый сервер в клиент-серверной архитектуре

С другой стороны, разработчики и пользователи информационных систем, основанных на архитектуре "клиент-сервер", часто бывают неудовлетворены постоянно существующими сетевыми накладными расходами, которые следуют из потребности обращаться от клиента к серверу с каждым очередным запросом. На практике распространена ситуация, когда для эффективной работы отдельной клиентской составляющей информационной системы в действительности требуется только небольшая часть общей базы данных. Это приводит к идее поддержки локального кэша общей базы данных на стороне каждого клиента.

Фактически, концепция локального кэширования базы данных является частным случаем концепции реплицированных (или, как иногда их называют в русскоязычной литературе, тиражированных) баз данных. Как и в общем случае, для поддержки локального кэша базы данных программное обеспечение рабочих станций должно содержать компонент управления базами данных - упрощенный вариант сервера баз данных, который, например, может не обеспечивать многопользовательский режим доступа.

Отдельной проблемой является обеспечение согласованности (когерентности) кэшей и общей базы данных. Здесь возможны различные решения - от автоматической поддержки согласованности за счет средств базового программного обеспечения управления базами данных до полного перекладывания этой задачи на прикладной уровень. В любом случае, клиенты становятся более толстыми при том, что сервер тоньше не делается (рисунок 9.3).

Рис. 9.3. Потолстевший клиент и толстый сервер в клиент-серверной архитектуре с поддержкой локального кэша на стороне клиентов

Другой идеей, позволяющей сократить сетевой трафик между компонентам клиент-серверной организации, является выделение дополнительного сервера (сервера приложений), на который перекладывается часть прикладной обработки и в котором, в свою очередь, может поддерживаться локальный кэш базы данных. Тогда клиенты взаимодействуют напрямую только с сервером (или несколькими серверами) приложений (естественно, что при этом могут использоваться протоколы более высокого уровня, чем при взаимодействии с сервером баз данных, и интенсивность этих взаимодействий может быть снижена), а сервер приложений по мере необходимости обращается к серверу баз данных (рисунок 9.4).

Рис. 9.4. Информационная система в архитектуре "клиент-сервер" с выделенным сервером приложений

Информационные системы в трехзвенном (или многозвенном исполнении) могут создаваться на основе использования промежуточного программного обеспечения мониторов распределенных транзакций, например, Tuxedo компании BEASystems, Inc. или Encina компании TransarcCorp.

Громадным преимуществом клиент-серверной архитектуры любого рода является ее масштабируемость и вообще способность к развитию. При проектировании информационной системы, основанной на этой архитектуре, большее внимание следует обращать на грамотность общих решений. Технические средства пилотной версии могут быть минимальными (например, в качестве аппаратной основы сервера баз данных может использоваться одна из рабочих станций).После создания пилотной версии нужно провести дополнительную исследовательскую работу, чтобы выяснить узкие места системы. Только после этого необходимо принимать решение о выборе аппаратуры сервера, которая будет использоваться на практике.

Увеличение масштабов информационной системы не порождает принципиальных проблем. Обычным решением является замена аппаратуры сервера (и, может быть, аппаратуры рабочих станций, если требуется переход к локальному кэшированию баз данных). В любом случае практически не затрагивается прикладная часть информационной системы. В идеале, которого конечно же не бывает, информационная система продолжает нормально функционировать даже после смены аппаратуры.

Содержание раздела