3. Модель клиент-сервер
Понятия сервер и клиент и закрепленные за ними роли образуют программную концепцию «клиент-сервер». Модель клиент-сервер - это еще один подход к структурированию Операционной системы(ОС). В широком смысле модель клиент-сервер предполагает наличие программного компонента - потребителя какого-либо сервиса - клиента, и программного компонента - поставщика этого сервиса - сервера. Взаимодействие между клиентом и сервером стандартизуется, так что сервер может обслуживать клиентов, реализованных различными способами и, может быть, разными производителями. При этом главным требованием является то, чтобы они запрашивали услуги сервера понятным ему способом. Инициатором обмена обычно является клиент, который посылает запрос на обслуживание серверу, находящемуся в состоянии ожидания запроса. Один и тот же программный компонент может быть клиентом по отношению к одному виду услуг, и сервером для другого вида услуг. Модель клиент-сервер является скорее удобным концептуальным средством ясного представления функций того или иного программного элемента в той или иной ситуации, нежели технологией. Эта модель успешно применяется не только при построении ОС, но и на всех уровнях программного обеспечения, и имеет в некоторых случаях более узкий, специфический смысл, сохраняя, естественно, при этом все свои общие черты. Применительно к структурированию ОС идея состоит в разбиении ее на несколько процессов - серверов, каждый из которых выполняет отдельный набор сервисных функций - например, управление памятью, создание или планирование процессов. Каждый сервер выполняется в пользовательском режиме. Клиент, которым может быть либо другой компонент ОС, либо прикладная программа, запрашивает сервис, посылая сообщение на сервер. Ядро ОС (называемое здесь микроядром), работая в привилегированном режиме, доставляет сообщение нужному серверу, сервер выполняет операцию, после чего ядро возвращает результаты клиенту с помощью другого сообщения. Для взаимодействия с клиентом (или клиентами, если поддерживается одновременная работа с несколькими клиентами) сервер выделяет необходимые ресурсы межпроцессного взаимодействия (разделяемая память, пайп, сокет, и т. п.) и ожидает запросы на открытие соединения (или, собственно, запросы на предоставляемый сервис). В зависимости от типа такого ресурса, сервер может обслуживать процессы в пределах одной компьютерной системы или процессы на других машинах через каналы передачи данных (например, COM-порт) или сетевые соединения.
Формат запросов клиента и ответов сервера определяется протоколом. Спецификации открытых протоколов описываются открытыми стандартами, например, протоколы Интернета определяются в документах RFC.
В зависимости от выполняемых задач одни серверы, при отсутствии запросов на обслуживание, могут простаивать в ожидании. Другие могут выполнять какую-то работу (например, работу по сбору информации), у таких серверов работа с клиентами может быть второстепенной задачей.
4. По всей видимости, организация информационных систем на основе использования выделенных файл-серверов все еще является наиболее распространенной в связи с наличием большого количества персональных компьютеров разного уровня развитости и сравнительной дешевизны связывания PC в локальные сети. Чем привлекает такая организация не очень опытных в области системного программирования разработчиков информационных систем? Скорее всего, тем, что при опоре на файл-серверные архитектуры сохраняется автономность прикладного (и большей части системного) программного обеспечения, работающего на каждой PC сети. Фактически, компоненты информационной системы, выполняемые на разных PC, взаимодействуют только за счет наличия общего хранилища файлов, которое хранится на файл-сервере. В классическом случае в каждой PC дублируются не только прикладные программы, но и средства управления базами данных. Файл-сервер представляет собой разделяемое всеми PC комплекса расширение дисковой памяти (рисунок 2.1).
Не останавливаясь подробно на имеющихся на сегодняшнем рынке перспективных инструментальных средствах разработки файл-серверных приложений и не приводя анализа тенденций развития соответствующих технологий (этому посвящается третья часть курса), мы кратко перечислим основные достоинства и недостатки файл-серверных архитектур.
Конечно, основным достоинством является простота организации. Проектировщики и разработчики информационной системы находятся в привычных и комфортных условиях IBM PC в среде MS-DOS, Windows или какого-либо облегченного варианта Windows NT. Имеются удобные и развитые средства разработки графического пользовательского интерфейса, простые в использовании средства разработки систем баз данных и/или СУБД. Но во многом эта простота является кажущейся. (Как гласит русская пословица, "Простота хуже воровства", а здесь мы, как правило, имеем простоту на основе воровства программных продуктов для PC.)
Рис. 2.1. Классическое представление информационной системы в архитектуре "файл-сервер"
Во-первых, информационной системе предстоит работать с базой данных. Следовательно, эта база данных должна быть спроектирована. Почему-то часто разработчики файл-серверных приложений считают, что по причине простоты средств управления базами данных проблемой проектирования базы данных можно пренебречь. Конечно, это неправильно. База данных есть база данных. Чем качественнее она спроектирована, тем больше шансов впоследствии эффективно использовать информационную систему. Естественно, сложность проектирования базы данных определяется объективной сложностью моделируемой предметной области. Но, собственно, из чего должно следовать, что файл-серверные приложения пригодны только в простых предметных областях?
Во-вторых, как мы неоднократно подчеркивали в первой части курса, необходимыми требованиями к базе данных информационной системы являются поддержание ее целостного состояния и гарантированная надежность хранения информации. Минимальными условиями, при соблюдении которых можно удовлетворить эти требования, являются:
наличие транзакционного управления,
хранение избыточных данных (например, с применением методов журнализации),
возможность формулировать ограничения целостности и проверять их соблюдение.
В принципе, файл-серверная организация, как она показана на рисунке 2.1, не противоречит соблюдению отмеченных условий. В качестве примера системы, соблюдающей выполнение этих условий, но основанной на файл-серверной архитектуре, можно привести популярный в прошлом "сервер баз данных" Informix SE.
Длинноезамечание:
Для сохранения четкости дальнейшего изложения нам необходимо несколько уточнить терминологию. Мы недаром написали "сервер баз данных" в кавычках применительно к СУБД Informix SE. При использовании этой системы копия программного обеспечения СУБД поддерживалась для каждого инициированного пользователем сеанса работы с СУБД. Грубо говоря, для каждого пользовательского процесса, взаимодействующего с базой данных создавался служебный процесс СУБД, который выполнялся на том же процессоре, что и пользовательский процесс (т.е. на стороне клиента). Каждый из этих служебных процессов вел себя фактически так, как если бы был единственным представителем СУБД. Вся синхронизация возможной параллельной работы с базой данных производилась на уровне файлов внешней памяти, содержащих базу данных. Условимся впредь называть такие СУБД не серверами баз данных, а системами управления базами данных, основанными на файл-серверной архитектуре (СУБД-ФС).
Под истинным сервером баз данных мы будем понимать программное образование, привязанное к соответствующей базе (базам) данных, существующее, вообще говоря, независимо от существования пользовательских (клиентских) процессов и выполняемое, вообще говоря (хотя и не обязательно) на выделенной аппаратуре (мы намеренно используем не очень конкретные термины "программное образование" и "выделенная аппаратура", потому что их конкретное воплощение различается в разных серверах баз данных).
Истинные серверы баз данных существенно сложнее по организации, чем СУБД-ФС, на зато обеспечивают более тонкое и эффективное управление базами данных. Везде далее в этом курсе при употреблении термина "сервер баз данных" мы будем иметь в виду истинные серверы баз данных.
Но с другой стороны, в большинстве персональных СУБД эти условия не выполняются даже с помощью грубых приемов. В лучшем случае удается частично восполнить недостатки на уровне прикладных программ.
В третьих, интерфейс развитых серверов баз данных основан на использовании высокоуровневого языка баз данных SQL, что позволяет использовать сетевой трафик между клиентом и сервером баз данных только в полезных целях (от клиента к серверу в основном пересылаются операторы языка SQL, от сервера к клиенту - результаты выполнения операторов). В файл-серверной организации клиент работает с удаленными файлами, что вызывает существенную перегрузку трафика (поскольку СУБД-ФС работает на стороне клиента, то для выборки полезных данных в общем случае необходимо просмотреть на стороне клиента весь соответствующий файл целиком).
В целом, в файл-серверной архитектуре мы имеем "толстого" клиента и очень "тонкий" сервер в том смысле, что почти вся работа выполняется на стороне клиента, а от сервера требуется только достаточная емкость дисковой памяти (рисунок 2.2).
Рис. 2.2. "Толстый" клиент и "тонкий" сервер в файл-серверной архитектуре
Краткие выводы. Простое, работающее с небольшими объемами информации и рассчитанное на применение в однопользовательском режиме, файл-серверное приложение можно спроектировать, разработать и отладить очень быстро. Очень часто для небольшой компании для ведения, например, кадрового учета достаточно иметь изолированную систему, работающую на отдельно стоящем PC. Конечно, и в этом случае требуется большая аккуратность конечных пользователей (или администраторов, наличие которых в этом случае сомнительно) для надежного хранения и поддержания целостного состояния данных. Однако, в уже ненамного более сложных случаях (например, при организации информационной системы поддержки проекта, выполняемого группой) файл-серверные архитектуры становятся недостаточными.
5. В классической теории баз данных, модель данных есть формальная теория представления и обработки данных в системе управления базами данных (СУБД), которая включает, по меньшей мере, три аспекта:
1) аспект структуры: методы описания типов и логических структур данных в базе данных;
2) аспект манипуляции: методы манипулирования данными;
3) аспект целостности: методы описания и поддержки целостности базы данных.
Аспект структуры определяет, что из себя логически представляет база данных, аспект манипуляции определяет способы перехода между состояниями базы данных (то есть способы модификации данных) и способы извлечения данных из базы данных, аспект целостности определяет средства описаний корректных состояний базы данных.
Модель данных — это абстрактное, самодостаточное, логическое определение объектов, операторов и прочих элементов, в совокупности составляющих абстрактную машину доступа к данным, с которой взаимодействует пользователь. Эти объекты позволяют моделировать структуру данных, а операторы — поведение данных[1].
Каждая БД и СУБД строится на основе некоторой явной или неявной модели данных. Все СУБД, построенные на одной и той же модели данных, относят к одному типу. Например, основой реляционных СУБД является реляционная модель данных, сетевых СУБД — сетевая модель данных, иерархических СУБД — иерархическая модель данных и т.д.
Сетевая модель данных — логическая модель данных, являющаяся расширением иерархического подхода, строгая математическая теория, описывающая структурный аспект, аспект целостности и аспект обработки данных в сетевых базах данных.
Разница между иерархической моделью данных и сетевой состоит в том, что в иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка, а в сетевой структуре данных у потомка может иметься любое число предков.
Сетевая БД состоит из набора экземпляров определенного типа записи и набора экземпляров определенного типа связей между этими записями.
Тип связи определяется для двух типов записи: предка и потомка. Экземпляр типа связи состоит из одного экземпляра типа записи предка и упорядоченного набора экземпляров типа записи потомка. Для данного типа связи L с типом записи предка P и типом записи потомка C должны выполняться следующие два условия:
каждый экземпляр типа записи P является предком только в одном экземпляре типа связи L;
каждый экземпляр типа записи C является потомком не более чем в одном экземпляре типа связи L.
Реляционная модель данных (РМД) — логическая модель данных, прикладная теория построения баз данных, которая является приложением к задачам обработки данных таких разделов математики как теории множеств и логика первого порядка.
На реляционной модели данных строятся реляционные базы данных.
Реляционная модель данных включает следующие компоненты:
Структурный аспект (составляющая) — данные в базе данных представляют собой набор отношений.
Аспект (составляющая) целостности — отношения (таблицы) отвечают определенным условиям целостности. РМД поддерживает декларативные ограничения целостности уровня домена (типа данных), уровня отношения и уровня базы данных.
Аспект (составляющая) обработки (манипулирования) — РМД поддерживает операторы манипулирования отношениями (реляционная алгебра, реляционное исчисление).
Кроме того, в состав реляционной модели данных включают теорию нормализации.
Термин «реляционный» означает, что теория основана на математическом понятии отношение (relation). В качестве неформального синонима термину «отношение» часто встречается слово таблица. Необходимо помнить, что «таблица» есть понятие нестрогое и неформальное и часто означает не «отношение» как абстрактное понятие, а визуальное представление отношения на бумаге или экране. Некорректное и нестрогое использование термина «таблица» вместо термина «отношение» нередко приводит к недопониманию. Наиболее частая ошибка состоит в рассуждениях о том, что РМД имеет дело с «плоскими», или «двумерными» таблицами, тогда как таковыми могут быть только визуальные представления таблиц. Отношения же являются абстракциями, и не могут быть ни «плоскими», ни «неплоскими».
Для лучшего понимания РМД следует отметить три важных обстоятельства:
модель является логической, то есть отношения являются логическими (абстрактными), а не физическими (хранимыми) структурами;
для реляционных баз данных верен информационный принцип: всё информационное наполнение базы данных представлено одним и только одним способом, а именно — явным заданием значений атрибутов в кортежах отношений; в частности, нет никаких указателей (адресов), связывающих одно значение с другим;
наличие реляционной алгебры позволяет реализовать декларативное программирование и декларативное описание ограничений целостности, в дополнение к навигационному (процедурному) программированию и процедурной проверке условий.
Принципы реляционной модели были сформулированы в 1969—1970 годах Э. Ф. Коддом (E. F. Codd). Идеи Кодда были впервые публично изложены в статье «A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks»[1], ставшей классической.
Строгое изложение теории реляционных баз данных (реляционной модели данных) в современном понимании можно найти в книге К. Дж. Дейта. «C. J. Date. An Introduction to Database Systems» («Дейт, К. Дж. Введение в системы баз данных»).
Наиболее известными альтернативами реляционной модели являются иерархическая модель, и сетевая модель. Некоторые системы, использующие эти старые архитектуры, используются до сих пор. Кроме того, можно упомянуть об объектно-ориентированной модели, на которой строятся так называемые объектно-ориентированные СУБД, хотя однозначного и общепринятого определения такой модели нет.
Иерархические базы данных могут быть представлены как дерево, состоящее из объектов различных уровней. Верхний уровень занимает один объект, второй — объекты второго уровня и т. д.
Между объектами существуют связи, каждый объект может включать в себя несколько объектов более низкого уровня. Такие объекты находятся в отношении предка (объект более близкий к корню) к потомку (объект более низкого уровня), при этом возможна ситуация, когда объект-предок не имеет потомков или имеет их несколько, тогда как у объекта-потомка обязательно только один предок. Объекты, имеющие общего предка, называются близнецами.
Иерархическая модель данных
Первые системы управления базами данных использовали иерархическую модель данных, и по времени их появление предшествует появлению сетевой модели.
Структурная часть иерархической модели
Основными информационными единицами в иерархической модели данных являются сегмент и поле. Поле данных определяется как наименьшая неделимая единица данных, доступная пользователю. Для сегмента определяются тип сегмента и экземпляр сегмента. Экземпляр сегмента образуется из конкретных значений полей данных. Тип сегмента — это поименованная совокупность входящих в него типов полей данных.
Как и сетевая, иерархическая модель данных базируется на графовой форме построения данных, и на концептуальном уровне она является просто частным случаем сетевой модели данных. В иерархической модели данных вершине графа соответствует тип сегмента или просто сегмент, а дугам — типы связей предок — потомок. В иерархических структуpax сегмент — потомок должен иметь в точности одного предка.
Иерархическая модель представляет собой связный неориентированный гpaф древовидной структуры, объединяющий сегменты. Иерархическая БД состоит из упорядоченного набора деревьев.
Преобразование концептуальной модели в иерархическую модель данных
Преобразование концептуальной модели в иерархическую структуру данных во многом схоже с преобразованием ее в сетевую модель, но и имеет некоторые отличия в связи с тем, что иерархическая модель требует организации всех данных в виде дерева.
Преобразование связи типа «один ко многим» между предком и потомком осуществляется практически автоматически в том случае, если потомок имеет одного предка, и происходит это следующим образом. Каждый объект с его атрибутами, участвующий в такой связи, становится логическим сегментом. Между двумя логическими сегментами устанавливается связь типа «один ко многим». Сегмент со стороны «много» становится потомком, а сегмент со стороны «один» становится предком.
Ситуация значительно усложняется, если потомок в связи имеет не одного, а двух и более предков. Так как подобное положение является невозможным для иерархической модели, то отражаемая структура данных нуждается в преобразованиях, которые сводятся к замене одного дерева, например, двумя (если имеется два предка). В результате такого преобразования в базе данных появляется избыточность, так как единственно возможный выход из этой ситуации — дублирование данных.