Гайдамакин Н.А. Автоматизированные информационные системы, базы и банки данных. Вводный курс Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

5.2. Технологии и модели «Клиент-сервер»

5.2.4. Модель сервера приложений

Чтобы разнести требования к вычислительным ресурсам

сервера в отношении быстродействия и памяти по разным вы-

числительным установкам, используется модель сервера при-

ложений. Суть

А5-модел11

заключается в переносе прикладно-

го компонента АИС на специализированный в отношении по-

вышенных ресурсов по быстродействию дополнительный

сервер системы. Схема

А8-модели

приведена на рис. 5.5.

(

Кхипщш т

Юшгит 1

Вызов

функций

—•

Клиент 2

Клигшп 1/

'Результаты

Прикладной

компонент

(сервер

прилсжений)

Сервер

Компонент

доступа

цанным(8^^

•

сервер -

машина данных)

Сервер

Рис. 5.5. Модель сервера

прилолсепий

(А8-модель)

Как и в

ВВ8-модели,

на клиентских установках распола-

гается только интерфейсная часть системы, т. е. компонент

представления. Однако вызовы функций обработки данных на-

правляются на сервер нрилоэ/сений, где эти функции совместно

выполняются для всех

пользователей

системы. За выполнени-

ем низкоуровневых операций по доступу и измененито данных

сервер приложений, как в КВА-модели, обращается к 8^^-сер-

веру, направляя ему вызовы

8рЬ-процедур,

и получая, соответ-

ственно, от него наборы даннььх. Как известно, последователь-

ная совокупность операций

надданными

(ЗрЬ-инструкций),

имеющая отдельное смысловое значение, называется транзак-

цией. В этом отношении сервер приложений от клиентов сис-

темы управляет формированием транзакций, которые вьшол-

няет

8рЬ-сервер.

Поэтому программный компонент СУБД, ин-

сталлируемый на сервере приложений, еще называют

также монитором обработки

траизакций

(Тгапзасйоп

211

Распределенные

пнформацпониыс

системы

Ргосе551пё

Моп11;ог5

—

ТКМ),

или просто монитором транзак-

ций.

А8-модель, сохраняя

сильные

стороны

ОВ8-модели,

позво-

ляет более оптимально построить вычислительную схему ин-

формационной системы, однако, как и в случае

КОА-модели,

повышает трафик сети.

В еще не устоявшейся до конца терминологии по моделям

и технологиям «ЬСлиент-сервер» КОА-модель характеризуют еще

как модель

так называемыми

«пголстыми»,

ОВЗ-модель

А5-модель

как модели, соответственно, с «тонкими» клиен-

тами. По критерию звеньев системы

КОА-моделъ

ОВ5-лю-

дель называют

двухзвеннылш

(двухуровневыми)

системалш,

А5-модель

трсхзвснной

{трехуровневой)

системой.

В практических случаях используются смешанные моде-

ли, когда простейшие прикладные функции и обеспечение ог-

раничений целостности данных поддерживаются хранимыми

на сервере процедурами

(ОВ8-модель),

а более сложные функ-

ции предметной области (так называемые «правила бизнеса»)

реализуются прикладными программами на клиентских уста-

новках

(КОА-модель)

или на сервере приложений (А8-модель).

5.2.5. Мониторы транзакций

Сердцевиной и основой эффективности функционирова-

ния

янюгопользовательских систем «Клиетп-сервер» является

эффективное

управление транзакциями. Собственно само

понятие транзакции возникло именно в процессе исследования

принципов построения и функционирования центрсШизованных

многопользовательских реляционных СУБД. Транзакции

ш-ра-

ют важную роль

механизме обеспечения СУБД ограничений

целостности базы данных. Ограничения целостности непос-

редственно проверяются по завершению очередной транзакции.

Если условия ограничений целостности данных не выполня-

ются, то происходит «откат» транзакции (выполняется

8рЬ-

инструкция

КОЬЬВА

СК), в противном случае транзакция фик-

сируется

(вьшолняется

8рЬ-инструкция

С0ММ1Т).

212

5.2.

Технологии

модели «Клиент-сервер»

Помимо обеспечения целостности данных механизм тран-

закций оказался чрезвычайно полезным для практической реа-

лизации одного из основополагающих принципов распределен-

ных многопользовательских систем — изолированности

пользователей. Как уже отмечалось,

единичные

действия

пользователей с базой данных ассоциированы с транзакциями.

В том случае, когда от разных пользователей

поетупают

тран-

закции, время выполнения которых

перекрывается,

монитор

транзакций обеспечивает специальную технологию их взаим-

ного выполнения

изоляции с тем, чтобы избежать нарушений

согласованного состояния данных и других издержек совмес-

тной обработки. К числу подобных издержек относятся:

• потерянные изменения;

• «грязные» данные;

• неповторяющиеся чтения.

Потерянные изменения возникают тогда, когда две тран-

закции одновременно изменяют один и тот

э/се

объект базы

данных. В том случае, если в силу каких-либо причин, напри-

мер, из-за нарушений целостности данных, происходит откат,

скажем, второй транзакции, то вместе с этим отменяются и все

изменения, внесенные в соответствующий период времени пер-

вой транзакцией. В результате первая еще не завершившаяся

транзакция при

повтор^юм

чтении объекта не «видит» своих

ранее сделанных изменений данных. Очевидным способом пре-

одоления подобных ситуаций является запрет изменения дан-

ных любой другой транзакцией до момента завершения пер-

вой транзакции — так называемая блокировка объекта.

«Грязные» данные возникают тогда, когда одна транзак-

ция

изменяет

какой-либо объект данных, а другая транзакция

в этот момент читает данные из того же объекта. Так как

первая транзакция еще не завершена, и, следовательно, не про-

верена согласованность данных после проведенных, или вовсе

еще только частично проведенных изменений, то вторая тран-

закция может «видеть» соответственно несогласованные, т. е.

«грязные» данные. Опять-таки способом

недопущет/я

таких

ситуаций может быть запрет чтения объекта любой другой

213

5. Распределенные информационные системы

транзакцией, пока не завершена первая транзакция, его изме-

няющая.

Неповторяющиеся

чтения возникают тогда, когда одна

транзакция читает какой-либо объект базы данных, а другая

до завершения первой его изменяет и успешно фиксируется.

Если при этом первой, еще не завершенной, транзакции требу-

ется повторно прочитать данный объект, то она «видит» его в

другом состоянии, т. е. чтение не повторяется. Способом недо-

пущения подобных ситуаций в противоположность предыду-

щему случаю является запрет измеиепия объекта любой дру-

гой транзакцией, когда первая транзакция на чтение еще не за-

вершена.

Механизм изоляции транзакций и преодоления ситуаций

несогласованной обработки данных в общем виде основывает-

ся на технике

сериализации

транзакций. План (способ) вы-

полнения совокупности транзакций называется сериальным,

если результат совместного выполнения транзакций эквива-

лентен результату некоторого последовательного их выпол-

нения. Сериализацией транзакций в этом смысле является орга-

низация их выполнения по некоторому сериальному плану.

Существуют два различных подхода сериализации транзакций:

а синхронизационные захваты (блокировки) объектов базы

данных;

а временные метки объектов базы данных.

В первом подходе

определяется

два

основных/;е:?/б'1/.ис/

зах-

ватов — совместный

резким

(ЗЬагес!)

монополы1ый

режим

(еХс1и51уе).

При совместном режиме осуществляется разделя-

емый захват, требующий только операций чтения. Поэтому та-

кой захват еще называют захвато.м но чтению. При монополь-

ном режиме осуществляется

неразделяемый

захват, требующий

операций обновления данных. Такой захват, соответственно,

еще называют захватом по записи.

Наиболее распространенным вариантом первого подхода

является реализация двухфазного протокола синхронизаци-

онных захватов (блокировок) объектов базы данных —

2РЬ

(Т\У0-РЬа8е

Ьоскз).

В соответствии с данным протоколом вы-

214

5.2. Технологии и модели «Клиеит-сервер»

полнение транзакции происходит в два этапа. На

первом

этапе

{первая фаза) перед выполнением любой операции транзакция

запрашивает и накапливает захваты необходимых объектов в со-

ответствующем режиме. После получения и накопления необхо-

димых захватов (блокировок) осуществляется вторая фаза —

фиксация изменений (или

откатно

соображениям

целостности

данных) и освобождение захватов.

При построении сериальных

птшой.допускается

совме-

щепие

только захватов по

чтепию.

В остальных случаях тран-

закции должны «ждать», когда необходимые объекты разбло-

кируются (освободятся).

Более

изощренные стратегии сериа-

лизации транзакций основываются на «граиулироваиии»

объектов захвата (файл базы данных, отдельная таблица, стра-

ница файла данных, отдельная запись-кортеж). Соответствен-

но при

этой

расширяется номенклатура

сипхропизациоппых

реэюимов

захватов, например в совместном режиме (по чте-

нию) может быть захвачен и в целом файл и отдельные его стра-

ницы, или в другом случае обеспечивается совместный режим

захвата файла с возможностью монопольного захвата отдель-

ных его объектов — таблиц, страниц или записей-кортежей).

Грануляция синхронизационных блокировок позволяет строить

более эффективные планы сериализации транзакций.

Существенным недостатком синхронизационных захва-

тов является возможность возникновения тупиковых ситуа-

ций

(ВеасИоск).

Предположим, одна транзакция на первой фазе

установила монопольный захват одного

объекта,

а другая тран-

закция монопольный захват второго объекта. Для осуществле-

ния полного набора своих операций первой транзакции еще тре-

буется совместный захват второго объекта, а второй транзак-

ции, соответственно, совместный захват первого объекта. Ни

одна из транзакций не может закончить первую фазу, т. е. пол-

ностью накопить все необходимые захваты, так как требуемые

объекты уже монопольно захвачены, хотя были свободны к мо-

менту начала осуществления транзакций.

Непростой проблемой является

автоматическое

обпару-

ж-ение (распознавание) таких тупиковых ситуаций

их разре-

215

Распределенные

информационные системы

шение (разрушение). Распознавание тупиков основывается на

построении и анализе графа

оэ/сидания

транзакций, состояще-

го из вершин-транзакций и вершин-объектов захвата. Исходя-

щие из вершин-транзакций дуги к вершинам-объектам соответ-

ствуют требуемым захватам, а дуги, исходящие из вершин-

объектов к вершинам-транзакциям соответствуют полученным

захватам. При тупиковых ситуациях в графе ожидания тран-

закций наблюдаются петли (циклы), обнаружение которых обес-

печивается специальным алгоритмизируемым механизмом ре-

дукции графа, подробное изложение которого можно найти в

специальной литературе по теории графов. Отметим только, что

применение подобного механизма распознавания тупиков тре-

бует построения и постоянного поддержания (обновления) гра-

фа ожидания транзакций, что увеличивает накладные расходы

при выполнении транзакции и снижает производительность

обработки данных.

Еще одной проблемой является технология, или, лучше

сказать, алгорипт разрушения тупиков. В общем плане такие

алгоритмы основываются на выборе траизакции-эюертвы, ко-

торая временно откатывается для предоставления возможнос-

ти завершения выполнения операций другим транзакциям, что,

конечно же, в определенной степени нарушает принцип изоли-

рованности пользователей. В качестве

«жертвьш

выбирается или

самая «дешевая» транзакция в смысле затрат на выполнение,

или транзакция с наименьшим приоритетом.

Более простой алыпернативой технике синхронизационных

захватов является техника временных меток. Суть этого ме-

тода заключается в том, что каждой транзакции приписывает-

ся временная метка, соответствующая моменту начала вы-

полнения транзакции. При выполнении операции над объектом

транзакция «помечает» его своей меткой и типом операции

(чтение или изменение). Если при этом другой транзакции тре-

буется операция над уже «помеченным» объектом, то выполня-

ются действия по следующему алгоритму:

• проверяется, не закончилась ли транзакция, первой «по-

метившая» объект;

216

5.3. Технологии

объектного

связывания данных

• если первая транзакция закончилась, то вторая транзак-

ция помечает его своей меткой и выполняет необходимые опе-

рации;

• если первая транзакция не закончилась, то проверяется

конфликтность операций (напомним, что конфликтно любое

сочетание, кроме «чтение-чтение»);

• если операции неконфликтны, то они выполняются для

обеих транзакций, а объект до завершения операций помечает-

ся меткой более поздней, т. е. более молодой транзакции;

• если операции конфликтны, то далее происходит откат

более поздней транзакции и выполняется операция более ран-

ней (старшей) транзакции, а после ее завершения объект поме-

чается меткой более молодой транзакции и цикл действий по-

вторяется.

В результате того что при таком алгоритме конфликтность

транзакций определяется более грубо, чем при синхронизаци-

онных блокировках, реализация метода временных меток вы-

зывает более частые откаты транзакций. Несомненным же

достоинством метода временных меток является отсутствие

тупиков, и, следовательно, отсутствие накладных расходов на

их распознавание и разрушение.

СУБД идеологии «Клиент-сервер», называемые иногда в

противовес однопользовательским («настольным») «тяжелыми»

системами (Огас1е,

ЗуВазе,

1пГогт1х,

1п§ге5

и др.), составляют

одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений цен-

трализованных многопользовательских

систем,

охватывая сво-

им управлением сотни тысяч гигабайтов фактографических дан-

ных, и в этом отношении еще долгое время будут играть роль

фактического стандарта корпоративных информационных си-

стем.

5.3. Технологии объектного связывания

данных

Унификация взаимодействия прикладных компонентов

ядром информационных систем в виде

8^^-серверов,

нарабо-

217

Распределенные

информационные системы

тайная

для клиент-серверных систем, позволила выработать

аналогичные решения и для интеграции разрозненных локаль-

ных баз данных под управлением настольных СУБД в

слоэ/спые

децентрализованные гетерогенные распределенные системы.

Такой подход получил название объектного связывания дан-

ных.

С узкой точки зрения, технология объектного связывания

данных решает задачу обеспечения доступа из одной локаль-

ной базы, открытой одним пользователем, к данным в другой

локальной

базе^(в

другом файле), возможно находящейся на

другой вычислительной установке, открытой и эксплуатируе-

мой другим пользователем.

Решение

этой задачи основывается на поддержке современ-

ными «настольными» СУБД

(М8

Ассезз,

М8

РохРго,

ёВазе

др.) технологии

«объектов

доступа к данным» — ОАО. При

этом следует отметить, что под объектом понимается интегра-

ция данных и методов их обработки в одно целое (объект), на

чем, как известно, основываются объектно-ориентированное

программирование и современные объектно-ориентированные

операционные среды. Другими словами, СУБД, поддерживаю-

щие ОАО, получают возможность внедрять и оперировать в

локальных базах объектами доступа к

данным,-

физически на-

ходящимся в других файлах, возможно на других вычислитель-

ных установках и под управлением других СУБД.

Технически технология ОАО основана на уже упоминав-

шемся протоколе ООВС, который принят за стандарт досту-

па не только

данным на

8^^-сервераx

клиент-серверных сис-

тем, но и в качестве стандарта доступа к любым данным под

управлением реляционных СУБД. Непосредственно для дос-

тупа к данным на основе протокола

ООВС.используются

ини-

циализируемые на тех установках, где находятся данные, спе-

циальные программные компоненты, называемые драйвералш

ООВС, или инициализируемые ядра тех СУБД, под управлени-

ем которых были созданы и эксплуатируются внешние базы

' На практике другой

лок;ц1ьнон

базой может быть и

база

данных сервера центра-

лизованной многопользовательской корпоративной системы.

218

5.3. Технологии объектного связывания данных

данных. Схематично принцип и особенности доступа к

вне-

шним базам данных на

основе

объектного связывания иллюст-

рируются на рис. 5.6.

Доступ

"своим"

файлам

БД

в т. ч.

1С

таблидам

данных из

другой,

-не

открытой БД "

Доступ к БД наиболее

оаспространен -

ных

форматов(с1ВА8Е,

РохРго)

табличным данным

элеетронных

таблиц(Вхсе1,„.)

__^

установсаЧ

Доступ к базам данных

оов с

•I,*»:-"-

.•:•{„-•••

•.;*/: , •

.•»»;«.:

.:"

/Г-

: Рабочая

обявсл.

гфялюго

досгщ'пак

источника'» данных

ООБС

•У'

Црлгая

рлчжапщала я

уеганоаса -

•",.р.г/-*'/

Рис. 5.6. Принцип доступа к

впеити.м

данным на основе прото-

кола ООВС

Прежде всего, современные настольные

СУБД

обеспечива-

ют возможность прямого доступа к

объектам

(таблицам,

зап-

росам, формам) внешних баз данных «своих» форматов. Ина-

че говоря, в открытую в текущем сеансе работы базу данных

пользователь имеет возможность вставить специальные

ссьшки-

объекты и оперировать с данными из другой (внешней, т. е. не

открываемой

специсшьно

в данном сеансе) базы данных. Объек-

ты из внешней базы данных, вставленные в текущую базу дан-

ных, называются связанными, и, как правило, имеют специаль-

ные обозначения для отличия от внутренних объектов. При этом

219

Распределенные

пнформацнонные

системы

следует подчеркнуть, что сами данные физически в файл (фай-

лы) текущей базы данных не помещаются, а остаются в файлах

«своих» баз данных. В системный каталог текущей базы данных

помещаются все необходимые для доступа сведения о связан-

ных объектах — внутреннее имя и внешнее, т. е. истинное имя

объекта во внешней базе данных, полный путь к файлу внешней

базы

т. п.

Связанные объекты шя пользователя ничем не отличаются

от внутренних объектов. Пользователь может также открывать

связанные во внешних базах таблицы данных, осуществлять по-

иск, изменение, удаление и добавление данных, строить запро-

сы по таким таблицам и т. д. Связанные объекты можно интег-

рировать в схему внутренней базы данных, т. е. устанавливать

связи

между

внутренними

связанными таблицами.

Технически оперирование связанными объектами из вне-

шних баз данных

«своего»

формата мало отличается от опериро-

вания

сданными

из текущей базы данных. Ядро

СУБД

при об-

ращении к данным связанного объекта по системному

катсшогу

текущей базы данных находит сведения о месте нахождения и

других параметрах соответствующего файла (файлов) внешней

базы данных и прозрачно, т. е. невидимо для

пользоватепя

от-

крывает этот файл (файлы), а далее обычным порядком органи-

зует в оперативной памяти буферизацию страниц внешнего файла

данных для непосредственно доступа

манипулирования дан-

ными. Следует также заметить, что на основе возможностей мно-

гопользовательского режима работы с файлами данных совре-

менных операционных систем, с файлом внешней базы данных,

если он находится на другой вычислительной установке, может

в тот же люмент времени работать и другой пользователь,

что и обеспечивает коллективную обработку общих распреде-

ленных данных.

Для иллюстрации на рис. 5.7 приведен пример схемы БД,

организованной на основе техники объектного связывания дан-

ных распределенной системы коллективной обработки данных

трех подразделений некоторой

организации—-службы

ДОУ, от-

220