Содержание

Введение

      В настоящее время в связи с  усложнением процесса принятия решений в современном бизнесе успех предприятия напрямую зависит от того, как быстро и слаженно взаимодействуют его структуры. В наш век обмен информацией немыслим без современных средств связи. Одно из таких средств – современные глобальные компьютерные сети. Сети - важная часть группового взаимодействия, так как они позволяют быстро и эффективно обмениваться информацией. Но реальные сети имеют недостатки. Распределенная сеть представляет собой  крайне неоднородную среду передачи данных: одни участки могут быть построены по технологиям ATM или FDDI, другие - на базе медленных протоколов X.25. Реальная скорость передачи данных в такой среде будет напрямую зависеть от пропускной способности самого медленного участка сети. Таким образом, доступ удаленного пользователя к корпоративной базе данных иногда может быть существенно затруднен.

      С другой стороны: всегда ли необходим  удаленному пользователю полный доступ ко всей базе данных? В большинстве  случаев запрашивается только та информация, которая напрямую относится к его сфере деятельности. Лучшим решением может являться перенос части базы ближе к пользователям. При решении этой задачи подобным способом получается территориально распределенная база данных. Организация распределенной базы данных дает массу преимуществ: снижается время отклика системы, повышается надежность хранения данных, уменьшается стоимость аппаратной части за счет снижения объемов данных, хранящихся на одном сервере.

      Эффективность такой информационной системы напрямую зависит от интенсивности трафика: чем он ниже, тем быстрее окупаются средства, вложенные в её построение. Ключом к успешной реализации этих систем является правильная организация распределения и хранения информации. Идеальным способом снижения трафика в каналах связи является использование технологии «клиент-сервер», получившей в последние годы широкое распространение.

      В дипломном проекте рассмотрены  общие подходы к реализации распределенных систем обработки данных на базе технологии клиент-сервер, а также задача создания действующей информационной системы на примере системы автоматизации расчетов с абонентами АО «Связьинформ» РМ. Актуальность построения этой системы обусловлена резким ростом количества предоставляемых услуг связи, а также переходом некоторых районов на повременную систему тарификации разговоров.

      В процессе написания дипломной  работы  автором  велась разработка архитектуры  информационной системы, механизма  репликации данных, средств удаленного доступа и удаленного администрирования  системы, структуры БД, а также некоторых компонентов клиентской части системы (справочной службы и картотеки абонентов).

1. Основные  подходы к проектированию  распределенных баз  данных

1.1 Основные  понятия теории  реляционных баз  данных

      В узком смысле слова, база данных - это некоторый набор данных, необходимых для работы (актуальные данные). Данные - это отражение объектов реального мира. В традиционной терминологии объекты реального мира, сведения о которых хранятся в базе данных, называются сущностями - entities, а их актуальные признаки - атрибутами (attributes). Каждый признак конкретного объекта есть значение атрибута.

      В базе данных отражаются не только физические объекты. Она способна хранить сведения об абстракциях, процессах, явлениях - то есть обо всем, с чем сталкивается человек в своей деятельности. Так, например, в базе данных можно хранить информацию о заказах на поставку деталей на склад (хотя это не физический объект, а процесс). Атрибутами сущности "заказ" будут название поставляемой детали, количество деталей, название поставщика, срок поставки и т.д. Объекты реального мира связаны друг с другом множеством сложных зависимостей, которые необходимо учитывать в информационной деятельности. Отметим, что в базе данных нужно хранить только актуальные, значимые связи.

      Таким образом, в широком смысле слова  база данных - это совокупность описаний объектов реального мира и связей между ними, актуальных для конкретной прикладной области.

      Способ, с помощью которого сущности, атрибуты и связи отображаются на структуры определяется моделью данных.

      Традиционно все СУБД классифицируются в зависимости  от модели данных, которая лежит  в их основе. Принято выделять иерархическую, сетевую и реляционную модели данных. Иногда к ним добавляют  модель данных на основе инвертированных списков. Соответственно говорят об иерархических, сетевых, реляционных СУБД или о СУБД на базе инвертированных списков.

      Самыми  распространенными на сегодняшний  день являются реляционные СУБД. Они  стали фактическим промышленным стандартом. Кратко рассмотрим реляционную модель данных, не вникая в ее детали.

      Она была разработана Коддом еще в 1969-70 годах на основе математической теории отношений и опирается на систему  понятий, важнейшими из которых являются таблица, отношение, строка, столбец, первичный ключ, внешний ключ.

      Реляционной считается такая база данных, в  которой все данные представлены для пользователя в виде прямоугольных  таблиц значений данных, и все операции над базой данных сводятся к манипуляциям с таблицами. Таблица состоит  из строк и столбцов и имеет имя, уникальное внутри базы данных. Таблица отражает тип объекта реального мира (сущность), а каждая ее строка - конкретный объект.

      Значения  атрибутов выбираются из множества  допустимых значений, которое называется доменом (domain).

      Каждый  столбец имеет имя, которое обычно записывается в верхней части  таблицы. Оно должно быть уникальным в таблице, однако различные таблицы  могут иметь столбцы с одинаковыми  именами. Любая таблица должна иметь  по крайней мере один столбец; столбцы  расположены в таблице в соответствии с порядком следования их имен при ее создании. В отличие от столбцов, строки не имеют имен; порядок их следования в таблице не определен, а количество логически не ограничено.

      Так как строки в таблице не упорядочены, невозможно выбрать строку по ее позиции. Кроме того, привязка к номеру строки некорректна в многопользовательских СУБД. Любая таблица имеет один или несколько столбцов, значения в которых однозначно идентифицируют каждую ее строку. Такой столбец (или комбинация столбцов) называется первичным ключом (primary key). Если таблица удовлетворяет этому требованию, она называется отношением (relation).

      Взаимосвязь таблиц является важнейшим элементом  реляционной модели данных. Она поддерживается внешними ключами (foreign key).

      Таблицы невозможно хранить и обрабатывать, если в базе данных отсутствуют "данные о данных", например, описатели  таблиц, столбцов и т.д. Их называют обычно метаданными. Метаданные также  представлены в табличной форме  и хранятся в словаре данных (data dictionary).

      Помимо  таблиц, в базе данных могут храниться  и другие объекты, такие как экранные формы, отчеты (reports), представления (views) и даже прикладные программы, работающие с базой данных.

      Для пользователей информационной системы  недостаточно, чтобы база данных просто отражала объекты реального мира. Важно, чтобы такое отражение было однозначным и непротиворечивым. В этом случае говорят, что база данных удовлетворяет условию целостности (integrity).

      Для того, чтобы гарантировать корректность и взаимную непротиворечивость данных, на базу данных накладываются некоторые ограничения, которые называют ограничениями целостности (data integrity constraints).

      Существует  несколько типов ограничений  целостности. Требуется, например, чтобы  значения в столбце таблицы выбирались только из соответствующего домена. На практике учитывают и более сложные ограничения целостности, например, целостность по ссылкам (referential integrity). Ее суть заключается в том, что внешний ключ не может быть указателем на несуществующую строку в таблице. Ограничения целостности реализуются с помощью специальных средств, таких как привила (rules), триггеры (triggers) и домены (domains).

      Сами  по себе данные в компьютерной форме  не представляют интерес для пользователя, если отсутствуют средства доступа к ним. Доступ к данным осуществляется в виде запросов к базе данных, которые формулируются на стандартном языке запросов. Сегодня для большинства СУБД таким языком является SQL. 

      Появление и развития этого языка как  средства описания доступа к базе данных связано с созданием теории реляционных баз данных. Прообраз языка SQL возник в 1970 году в рамках научно-исследовательского проекта System/R, работа над которым велась в лаборатории Санта-Тереза фирмы IBM. Ныне SQL - это стандарт интерфейса с реляционными СУБД. Популярность его настолько велика, что разработчики нереляционных СУБД (например, Adabas или Betrieve), снабжают свои системы SQL-интерфейсом.

      Язык SQL имеет официальный стандарт - ANSI/ISO. Большинство разработчиков СУБД придерживаются этого стандарта, однако часто расширяют его для реализации новых возможностей обработки данных. Новые механизмы управления данными могут быть использованы только через специальные операторы SQL, в общем случае не включенные в стандарт языка.

      SQL не является языком программирования  в традиционном представлении.  На нем пишутся не программы,  а запросы к базе данных. Поэтому  SQL - декларативный язык. Это означает, что с его помощью можно  сформулировать, что необходимо  получить, но нельзя указать, как это следует сделать. В частности, в отличие от процедурных языков программирования (Си, Паскаль, Ада), в языке SQL отсутствуют такие операторы, как if...then...else, for, while, хотя следует указать, что в расширении SQL для хранимых процедур и триггеров (SQL/PTL - SQL/Procedure And Trigger Language) они присутствуют.

      Запрос  на языке SQL состоит из одного или  нескольких операторов, следующих один за другим и разделенных точкой с  запятой.

      Ниже  в таб. 2.1 перечислены наиболее важные операторы, которые входят в стандарт ANSI/ISO SQL.  

Таб. 2.1. Основные операторы языка SQL. 

      В запросах на языке SQL используются имена, которые однозначно идентифицируют объекты базы данных. Наряду с простыми, используются также сложные имена - например, квалификационное имя столбца (qualified column name) определяет имя столбца и имя таблицы, которой он принадлежит.

      Каждый  столбец в любой таблице хранит данные определенных типов. Различают базовые типы данных - строки символов фиксированной длины, целые и вещественные числа, и дополнительные типы данных - строки символов переменной длины, денежные единицы, дату и время, логические данные (два значения - "ИСТИНА" и "ЛОЖЬ"). В языке SQL можно использовать числовые, строковые, символьные константы и константы типа "дата" и "время".

  Одним из средств, обеспечивающих быстрый доступ к таблицам, являются индексы. Индекс - это структура базы данных, представляющая собой указатель на конкретную строку таблицы. Индекс содержит значения, взятые из одного или нескольких столбцов конкретной строки таблицы, и ссылку на эту строку. Значения в индексе упорядочены, что позволяет СУБД выполнять быстрый поиск в таблице.

      Если  же был предварительно создан индекс по столбцам, входящим у условие  WHERE запроса, то время поиска в таблице будет сокращено до минимума. Индекс создается оператором SQL CREATE INDEX (СОЗДАТЬ ИНДЕКС).

      Для пользователя СУБД интерес представляют не отдельные операторы языка SQL, а некоторая их последовательность, оформленная как единое целое и имеющая смысл с его точки зрения. Каждая такая последовательность операторов языка SQL реализует определенное действие над базой данных. Оно осуществляется за несколько шагов, на каждом из которых над таблицами базы данных выполняются некоторые операции. Так, в банковской системе перевод некоторой суммы с краткосрочного счета на долгосрочный выполняется в несколько операций. Среди них - снятие суммы с краткосрочного счета, зачисление на долгосрочный счет.

      Если  в процессе выполнения этого действия произойдет сбой, например, когда первая операция будет выполнена, а вторая - нет, то деньги будут потеряны. Следовательно, любое действие над базой данных должно быть выполнено целиком, или не выполняться вовсе. Такое действие получило название транзакции.

      Обработка транзакций опирается на журнал, который  используется для отката транзакций и восстановления состояния базы данных

1.2 Сервер  базы данных

1.2.1 Технология и модели "клиент-сервер"

      "Клиент-сервер" - это модель взаимодействия компьютеров  в сети. Как правило, компьютеры  не являются равноправными. Каждый  из них имеет свое, отличное  от других, назначение, играет определенную  роль. Некоторые компьютеры в сети владеют и распоряжаются информационно-вычислительными ресурсами, такими как процессоры, файловая система, почтовая служба, служба печати, база данных. Другие имеют возможность обращаться к этим службам, пользуясь услугами первых. Компьютер, управляющий тем или иным ресурсом, принято называть сервером этого ресурса, а компьютер, желающий им воспользоваться - клиентом. Конкретный сервер определяется видом ресурса, которым он владеет. Так, если ресурсом являются базы данных, то речь идет о сервере баз данных, назначение которого - обслуживать запросы клиентов, связанные с обработкой данных; если ресурс - это файловая система, то говорят о файловом сервере или файл-сервере и т.д.

      В сети один и тот же компьютер может  выполнять как роль клиента, так и роль сервера. Например, в информационной системе, включающей персональные компьютеры, большую ЭВМ и мини-компьютер под управлением UNIX, последний может выступать как в качестве сервера базы данных, обслуживая запросы от клиентов - персональных компьютеров, так и в качестве клиента, направляя запросы большой ЭВМ.

      Этот  же принцип распространяется и на взаимодействие программ. Если одна из них выполняет некоторые функции, предоставляя другим соответствующий  набор услуг, то такая программа  рассматривается в качестве сервера. Программы, которые пользуются этими услугами, принято называть клиентами. Так, ядро реляционной SQL-ориентированной СУБД часто называют сервером базы данных или SQL-сервером, а программу, обращающуюся к нему за услугами по обработке данных - SQL-клиентом.

      Первоначально СУБД имели централизованную архитектуру. В ней сама СУБД и прикладные программы, которые работали с базами данных, функционировали на центральном  компьютере (большая ЭВМ или мини-компьютер). Там же располагались базы данных. К центральному компьютеру были подключены терминалы, выступавшие в качестве рабочих мест пользователей. Все процессы, связанные с обработкой данных: поддержка ввода, осуществляемого пользователем, формирование, оптимизация и выполнение запросов, обмен с устройствами внешней памяти и т.д., выполнялись на центральном компьютере, что предъявляло жесткие требования к его производительности. Особенности СУБД первого поколения напрямую связаны с архитектурой больших ЭВМ и мини-компьютеров и адекватно отражают все их преимущества и недостатки.

      В настоящее время фактическим  стандартом для многопользовательских  СУБД, стала архитектура "клиент-сервер".

      Если  предполагается, что проектируемая  информационная система (ИС) будет построена  по технологии "клиент-сервер", то это означает, что прикладные программы, реализованные в ее рамках, будут иметь распределенный характер. Иными словами, часть функций прикладной программы (или, проще, приложения) будет реализована в программе-клиенте, другая - в программе-сервере, причем для их взаимодействия будет определен некоторый протокол.

      Основной  принцип технологии "клиент-сервер" заключается в разделении функций  стандартного интерактивного приложения на четыре группы, имеющие различную  природу. Первая группа - это функции ввода и отображения данных. Вторая группа объединяет чисто прикладные функции, характерные для данной предметной области.

      К третьей группе относятся фундаментальные  функции хранения и управления информационными  ресурсами (базами данных, файловыми  системами и т.д.). Наконец, функции четвертой группы - служебные, играющие роль связок между функциями первых трех групп. В соответствии с этим в любом приложении выделяются следующие логические компоненты:  

• компонент представления, реализующий функции  первой группы;
• прикладной компонент, поддерживающий функции второй группы;
• компонент доступа к информационным ресурсам, поддерживающий функции третьей группы;
• протокол взаимодействия.

      Различия  в реализациях технологии "клиент-сервер" определяются четырьмя факторами. Во-первых, тем, в какие виды программного обеспечения интегрирован каждый из этих компонентов. Во-вторых, тем, какие механизмы программного обеспечения используются для реализации функций всех четырех групп. В-третьих - как логические компоненты распределяются между компьютерами в сети. В-четвертых, какие механизмы используются для связи компонентов между собой.

      Выделяются  четыре подхода, реализованные в  следующих моделях:  

• модель  файлового сервера (File Server - FS);
• модель доступа к удаленным данным (Remote Data Access - RDA);
• модель севера базы данных (DataBase Server - DBS);
• модель сервера приложений (Application Server - AS).

      FS-модель  является базовой для локальных  сетей персональных компьютеров.  В соответствии с этой моделью  один из компьютеров в сети считается файловым сервером и предоставляет услуги по обработке файлов другим компьютерам. Файловый сервер работает под управлением сетевой операционной системы (например, Novell NetWare) и играет роль компонента доступа к информационным ресурсам (то есть к файлам). На других компьютерах в сети функционирует приложение, в кодах которого совмещены компонент представления и прикладной компонент. Протокол обмена представляет собой набор низкоуровневых вызовов, обеспечивающих приложению доступ к файловой системе на файл-сервере. 

      Рис.1.1. Модель файлового сервера. 

      FS-модель  послужила фундаментом для расширения  возможностей персональных СУБД  в направлении поддержки многопользовательского  режима. В таких системах на  нескольких персональных компьютерах выполняется как прикладная программа, так и копия СУБД, а базы данных содержатся в разделяемых файлах, которые находятся на файловом сервере. Когда прикладная программа обращается к базе данных, СУБД направляет запрос на файловый сервер. В этом запросе указаны файлы, где находятся запрашиваемые данные. В ответ на запрос файловый сервер направляет по сети требуемый блок данных. СУБД, получив его, выполняет над данными действия, которые были декларированы в прикладной программе.

      К технологическим недостаткам модели относят высокий сетевой трафик (передача множества файлов, необходимых  приложению), узкий спектр операций манипулирования данными ("данные - это файлы"), отсутствие адекватных средств безопасности доступа к  данным (защита только на уровне файловой системы) и т.д. Все перечисленные недостатки - следствие внутренне присущих FS-модели ограничений, определяемых ее характером.

      Более технологичная RDA-модель существенно  отличается от FS-модели характером компонента доступа к информационным ресурсам. Это, как правило, SQL-сервер. В RDA-модели коды компонента представления и прикладного компонента совмещены и выполняются на компьютере-клиенте. Последний поддерживает как функции ввода и отображения данных, так и чисто прикладные функции. Доступ к информационным ресурсам обеспечивается либо операторами специального языка (языка SQL, если речь идет о базах данных) или вызовами функций специальной библиотеки (если имеется соответствующий интерфейс прикладного программирования - API).  

Рис 2.2. Модель доступа к удаленным данным. 

      Клиент  направляет запросы к информационным ресурсам (например, к базам данных) по сети удаленному компьютеру. На нем  функционирует ядро СУБД, которое  обрабатывает запросы, выполняя предписанные в них действия и возвращает клиенту результат, оформленный как блок данных. При этом инициатором манипуляций с данными выступают программы, выполняющиеся на компьютерах-клиентах, в то время как ядру СУБД отводится пассивная роль - обслуживание запросов и обработка данных.

      RDA-модель  избавляет от недостатков, присущих  как системам с централизованной  архитектурой, так и системам  с файловым сервером.

      Прежде  всего, перенос компонента представления  и прикладного компонента на компьютеры-клиенты существенно разгружает сервер БД, минимизируя общее число процессов операционной системы. Сервер БД освобождается от несвойственных ему функций; процессор или процессоры сервера целиком загружаются операциями обработки данных, запросов и транзакций. Это становится возможным благодаря отказу от терминалов и оснащению рабочих мест компьютерами, которые обладают собственными локальными вычислительными ресурсами, полностью используемыми программами переднего плана. С другой стороны, резко уменьшается загрузка сети, так как по ней передаются от клиента к серверу не запросы на ввод-вывод (как в системах с файловым сервером), а запросы на языке SQL, а их объем существенно меньше.

      Основное  достоинство RDA-модели заключается  в унификации интерфейса "клиент-сервер" в виде языка SQL. Действительно, взаимодействие прикладного компонента с ядром СУБД невозможно без стандартизованного средства общения. Запросы, направляемые программой ядру, должны быть понятны обеим сторонам. Для этого их следует сформулировать на специальном языке. Но в СУБД уже существует язык SQL, о котором речь шла выше. Поэтому было бы целесообразно использовать его не только в качестве средства доступа к данным, но и как стандарта общения клиента и сервера.

      К сожалению, RDA-модель не лишена ряда недостатков. Во-первых, взаимодействие клиента и сервера посредством SQL-запросов существенно загружает сеть. Во-вторых, удовлетворительное администрирование приложений в RDA-модели практически невозможно из-за совмещения в одной программе различных по своей природе функций (функции представления и прикладные функции).

      Наряду  с RDA-моделью все большую популярность приобретает перспективная DBS-модель. Последняя реализована в некоторых  реляционных СУБД (Informix, Ingres, Sybase, Oracle, InterBase). Ее основу составляет механизм хранимых процедур - средство программирования SQL-сервера. Процедуры хранятся в словаре базы данных, разделяются между несколькими клиентами и выполняются на том же компьютере, где функционирует SQL-сервер. Язык, на котором разрабатываются хранимые процедуры (SQL/PTL), представляет собой процедурное расширение языка запросов SQL и уникален для каждой конкретной СУБД.

      В DBS-модели компонент представления  выполняется на компьютере-клиенте, в то время как прикладной компонент  оформлен как набор хранимых процедур и функционирует на компьютере-сервере БД. Там же выполняется компонент доступа к данным, то есть ядро СУБД. Достоинства DBS-модели: возможность централизованного администрирования прикладных функций, и снижение трафика (вместо SQL-запросов по сети направляются вызовы хранимых процедур), возможность разделения процедуры между несколькими приложениями, экономия ресурсов компьютера за счет использования единожды созданного плана выполнения процедуры. К недостаткам можно отнести ограниченность средств, используемых для написания хранимых процедур, которые представляют собой разнообразные процедурные расширения SQL, не выдерживающие сравнения по функциональным возможностям с языками третьего поколения, такими как C или Pascal. Сфера их использования ограничена конкретной СУБД, в большинстве СУБД отсутствуют возможности отладки и тестирования разработанных хранимых процедур.