Затонский А.В. Пособие по полному жизненному циклу информационных систем
Подождите немного. Документ загружается.
321
В среднем, рекомендации сводятся к обеспечению каждого пользователя
потоком не менее 2-3 Мбит/с. Дальнейший выбор сетевых средств
производится, исходя из их надежности, дополнительного сервиса,
совместимости с уже существующим оборудованием и сетевой
инфраструктурой.
Использование кластеров
Постановка задачи
Все серверы (терминальный сервер, сервер приложений, сервер баз
данных, файловый сервер для хранения библиотеки приложения) являются
уязвимыми компонентами ИС. Во-первых, при выходе из строя компьютера, на
котором работает сервер, ИС перестанет функционировать, а во-вторых, при
увеличении нагрузки на сервер, например, вследствие увеличения количества
клиентских обращений, он перестанет выполнять запросы за допустимое время.
Первая проблема решается использованием отказоустойчивых серверов, а
вторая – использованием кластеров (систем из нескольких серверов,
способных параллельно выполнять одну задачу). В кластер можно объединить
как терминальные серверы, так и серверы приложений, и серверы баз данных.
Кластерные системы отличаются следующими достоинствами:
• Большая надёжность. При выходе из строя компьютера, входящего в
кластер, используются ресурсы прочих серверов, входящих в кластер.
• Высокая масштабируемость. В случае если нагрузка на кластер возрастёт,
в него просто добавляют ещё один сервер.
• Возможность перераспределения ресурсов серверов. Можно сделать
кластер для серверов приложений и другой кластер – для серверов баз
данных. Далее в случае, если нагрузка на сервер баз данных будет выше,
чем предполагалось, то рассматривается вопрос о передаче одного
сервера из первого кластера во второй или даже вопрос о совместном
использовании одной или нескольких машин в двух кластерах.
Можно выделить технологии кластеризации серверов приложений:
• с использованием кластера Windows;
• без использования кластера Windows.
Технология кластеризации Microsoft
Кластеризация предполагает установление физических и программных
связей между серверами и координацию их взаимодействия при решении
общих задач [76]. При возможном сбое одного из серверов процесс,
называемый передачей нагрузки при сбое (failover), автоматически перемещает
его нагрузку на другой сервер, обеспечивая непрерывность обслуживания.
Кроме метода передачи нагрузки, некоторые виды кластеризации используют
также средства балансировки нагрузки, позволяющие распределить
вычислительную нагрузку в сети связанных компьютеров.
322
Технологии кластеризации Windows Server в сочетании возможностями
симметричной мультипроцессорной обработкой (SMP) и поддержкой больших
объемов памяти позволяют организациям гарантировать отказоустойчивость
важнейших приложений и удовлетворять возрастающие потребности путем
расширения этих приложений «вверх» и «вширь».
Кластер – это группа независимых компьютеров, совместно
выполняющих общий набор приложений, которая воспринимается клиентами и
приложениями как единая система. Компьютеры физически связаны кабелями,
а программно – с помощью программного обеспечения кластера. Эти связи
позволяют компьютерам использовать методы передачи нагрузки при сбое и
балансировки нагрузки, которые неприменимы к одиночному компьютеру.
Технологии кластеризации Windows обеспечивают высокую
отказоустойчивость, масштабируемость и управляемость.
• Высокая отказоустойчивость. Кластер создается для предотвращения
возможных отказов. Приложения могут быть распределены между
несколькими компьютерами, что повышает степень параллелизма,
ускоряет процесс восстановления после сбоев и обеспечивает большую
отказоустойчивость.
• Масштабируемость. Производительность кластера может быть увеличена
за счет добавления процессоров или компьютеров.
• Управляемость. Конечные пользователи, приложения и сеть
воспринимают кластер как единую систему, и в таком же целостном виде
он управляется администраторами. Управление кластером может быть и
удаленным.
Корпорация Microsoft предлагает две технологии кластеризации, которые
могут использоваться независимо или совместно, предоставляя организациям
возможность выбора такого решения, которое отвечало бы требованиям к
определенному приложению или службе.
• Служба кластеров (Cluster service). Основным назначением этой службы
является реализация метода передачи нагрузки при сбое для поддержки
таких приложений, как базы данных, системы передачи сообщений и
службы файлов/печати. Эта служба является идеальным решением для
обеспечения доступности важнейших бизнес-приложений и других
серверных систем, таких, например, как сервер Microsoft Exchange Server
или база данных Microsoft SQL Server, используемая в качестве
хранилища данных для веб-узла.
• Балансировка нагрузки сети (NLB, Network Load Balancing). Эта служба
распределяет IP-трафик (протокола IP) в рамках кластеров. Применение
метода балансировки нагрузки сети NLB повышает как
отказоустойчивость, так и масштабируемость серверных интернет-
программ, таких как веб-серверы, серверы потокового мультимедиа и
службы терминалов. Эта служба может быть интегрирована в
существующие инфраструктуры ферм веб-серверов. В таких
распределенных средах веб-ферм служба NLB в будущем позволит также
323
создавать совершенную архитектуру балансировки нагрузки при ее
использовании совместно с системой Microsoft Application Center.
Балансировка нагрузки сети
Критически важные интернет-приложения, такие как системы
финансового учета, базы данных, корпоративные интрасети и другие ключевые
бизнес-приложения, должны бесперебойно и непрерывно функционировать
24 часа в сутки 7 дней в неделю. Сети должны обладать способностью
масштабирования производительности для обработки большого количества
клиентских запросов без нежелательных задержек. Кластерные технологии
представляют интерес для крупных компаний. Кластеризация позволяет
управлять группой независимых серверов как единой системой, что повышает
отказоустойчивость, упрощает управление и позволяет добиться большей
масштабируемости.
Служба кластеров предназначена для предотвращения сбоев критически
важных бизнес-приложений, таких как базы данных, почтовые системы,
службы печати и файловые службы. Служба балансировки нагрузки сети (БНС)
обеспечивает распределение потока IP-данных между узлами кластера [6].
Технология распределения нагрузки обеспечивает масштабируемость
и высокую отказоустойчивость таких служб, как веб-серверы, службы
терминалов, прокси-серверы, виртуальные частные сети (VPN) и службы
потокового мультимедиа-вещания. Применение технологии БНС особенно
эффективно для корпоративных TCP/IP-служб, например приложений
электронной коммерции, обеспечивающих взаимодействие клиента
с транзактными приложениями и базами данных внутреннего уровня.
Серверы кластера, задействованные в балансировке нагрузки сети
(называемые также узлами), работают совместно, позволяя добиться
следующих преимуществ.
• Масштабируемость. Балансировка нагрузки сети обеспечивает
масштабируемость производительности серверных приложений, таких
как веб-сервер, распределяя клиентские запросы среди множества
серверов, включенных в кластер. При увеличении потока поступающих
данных в кластер можно добавить дополнительные серверы. Всего
кластер может содержать до 32 серверов.
• Высокая отказоустойчивость. Служба БНС обеспечивает высокую
отказоустойчивость, автоматически определяя сбой сервера и в течение
10 секунд перераспределяя поток данных от клиентов между
оставшимися серверами, не прерывая обслуживание клиентских
запросов.
Служба БНС распределяет поток данных по протоколу IP между
несколькими копиями (или экземплярами) TCP/IP-службы (например, веб-
сервера), каждая из которых выполняется на узле кластера. Эта служба
прозрачно распределяет запросы клиентов между узлами и обеспечивает
доступ к кластеру посредством одного или нескольких виртуальных IP-адресов.
324
С точки зрения клиента кластер представляется единым сервером,
обрабатывающим поступающие запросы. При увеличении потока данных
сетевые администраторы могут просто включить в кластер дополнительные
серверы.
Например, типична совместная работа серверов в составе кластера для
обработки потока данных, поступающих из интернета. Например, на каждом
сервере кластера выполняется Internet Information Server (IIS), а служба БНС
распределяет между этими серверами сетевую нагрузку. Это повышает
скорость обработки запросов, благодаря чему подключенные через интернет
клиенты быстрее получают данные в ответ на свои запросы. Для повышения
отказоустойчивости системы серверное приложение (например, база банных)
может функционировать на двухузловом кластере под управлением службы
кластеров.
Полностью распределенная структура программной службы
балансировки нагрузки сети позволяет обеспечивать наилучшую
производительность при распределении нагрузки и высокую
отказоустойчивость системы.
Описание работы службы БНС
Служба балансировки нагрузки сети обеспечивает масштабируемость
производительности серверных приложений, таких как веб-сервер, распределяя
клиентские запросы среди множества серверов, включенных в кластер. При
использовании службы БНС каждый входящий IP-пакет передается каждому
узлу, однако обрабатывается только выбранным узлом-получателем. При этом
узлы кластера одновременно обрабатывают запросы разных клиентов или даже
разные запросы одного клиента.
К примеру, веб-обозреватель при загрузке одной страницы может
получать несколько изображений с различных узлов кластера, в котором
нагрузка распределяется службой БНС. Такой механизм ускоряет обработку
и снижает время отклика на запросы клиентов.
Для каждого узла, участвующего в распределении нагрузки, можно
указать долю нагрузки, которую тот будет обрабатывать (в процентах);
в противном случае нагрузка будет равномерно распределяться между узлами.
При указании процента нагрузки каждый сервер отбирает и обрабатывает
заданную долю суммарной нагрузки сети. Запросы клиентов статистически
распределяются между узлами, чтобы каждый сервер обрабатывал свою часть
клиентских запросов. Это распределение нагрузки динамически изменяется при
включении в кластер нового узла или выводе из кластера функционирующего
узла. В данной версии службы распределение нагрузки не изменяется при
изменении параметров нагрузки сервера (например, использования
центрального процессора или памяти). Для приложений с большим
количеством клиентов и порождаемых ими коротких запросов (таких как веб-
серверы) функция статистического сопоставления службы БНС обеспечивает
325
эффективную балансировку нагрузки и быструю реакцию на изменение состава
узлов кластера.
Каждый сервер кластера под управлением службы балансировки нагрузки
рассылает ритмические сообщения другим узлам и принимает такие же
сообщения от других членов кластера. При сбое сервера оставшиеся узлы
перераспределяют нагрузку, обеспечивая непрерывное обслуживание клиентов.
Несмотря на то, что данные существующих подключений к выбывшему узлу
теряются, интернет-службы остаются доступными для всех клиентов.
В большинстве случаев (например, при балансировке нагрузки веб-серверов)
программное обеспечение на стороне клиента автоматически повторяет
подключения, закончившиеся сбоем, и сбой отражается на клиенте только
в виде короткой задержки отклика на запрос.
Производительность балансировки нагрузки сети
Влияние балансировки нагрузки сети на производительность отмечается
в следующих четырех областях:
1. Накладные расходы ресурсов ЦП на узлах кластера, то есть процент
вычислительной мощности процессора, необходимый для анализа
и фильтрации сетевых пакетов (предпочтительно меньшее значение).
2. Время отклика на запрос клиента, которое возрастает
пропорционально неперекрывающейся части накладных расходов ресурсов
ЦП, называется задержкой (предпочтительно меньшее значение).
3. Пропускная способность к клиентам, увеличивающаяся при росте
потока данных от клиентов, который кластер может обработать
до достижения максимальной нагрузки на узлы (предпочтительно большее
значение).
4. Загрузка коммутатора, растущая при увеличении потока данных
от клиентов (предпочтительно меньшее значение). Загрузка не должна
критически влиять на пропускную способность портов.
5. Кроме того, масштабируемость службы БНС определяет степень
роста производительности кластера при добавлении новых узлов. Для
масштабируемости производительности необходимо, чтобы накладные
расходы ресурсов ЦП и время задержки увеличивались медленнее, чем
число узлов.
Служба БНС снабжена всеми необходимыми администраторам
средствами управления, в том числе возможностью (после ввода пароля)
удаленно управлять кластером с любого компьютера в сети. Кроме того,
администраторы имеют возможность настраивать кластер под специальные
задачи, управляя потоком данных на уровне портов. Узлы добавляются
и исключаются из кластера без прекращения обслуживания. Кроме того,
программное обеспечение на узлах кластера можно обновлять без прекращения
обработки клиентских запросов.
Служба БНС использует для распределения нагрузки между узлами
полностью распределенный алгоритм. В отличие от решений на основе
326
диспетчеризации такая архитектура обеспечивает высокую производительность
и низкие накладные расходы ресурсов на распределение потока запросов
от клиентов. Кроме того, для этой архитектуры характерна высокая
отказоустойчивость. Все эти характеристики достигаются без необходимости
использовать специальные аппаратные или программные решения.
Тесты производительности демонстрируют, что использование
программной службы БНС дает низкие накладные расходы на обработку потока
данных и превосходные возможности масштабирования производительности,
ограниченные только пропускной способностью подсети.
Возможности службы кластеров
Центральное место в работе организаций занимают бизнес-приложения, к
которым относятся такие системы, как базы данных, серверы передачи
сообщений, системы управления предприятиями (ERP, Enterprise Resource
Planning) и основные службы печати и файлов. Служба кластеров гарантирует
высокую отказоустойчивость этих важнейших приложений. Единственный
физический сервер больше не является «узким местом» системы.
В случае аппаратного или программного сбоя на одном из узлов
выполнявшееся на нем приложение (или группа приложений) перемещается
службой кластеров на один из работающих узлов и там перезапускается. Во
время такой передачи нагрузки данные не теряются, так как служба кластеров
использует конфигурацию с общими дисками и архитектуру с общей шиной
типа SCSI или Fibre Channel.
Использование службы кластеров дает следующие преимущества.
•
Сокращение внеплановых простоев. Незапланированные простои из-за
сбоев аппаратных или программных средств могут привести к потере
прибыли, рабочего времени обслуживающего персонала и недовольству
клиентов. Существенно уменьшить время простоя приложений,
вызванного такими неожиданными сбоями, поможет использование
службы кластеров с размещением важнейших бизнес-приложений на
общих дисках.
•
Простое развертывание дополнительных ресурсов с использованием
чередующихся обновлений. Служба кластеров идеально подходит для
выполнения «прозрачных» обновлений приложений без прерывания
обслуживания клиентов. Обновление аппаратных и программных
ресурсов и даже операционных систем возможно без вывода приложения
из рабочего режима. Для этого приложения перемещаются на один узел,
производится обновление освободившегося узла, а затем приложения
возвращаются обратно на исходный узел.
•
Развертывайте критически важные приложения. Служба кластеров
поддерживается множеством приложений, которые выполняют
различные функции и предлагаются большим числом поставщиков.
Номенклатура таких приложений включает:
• базы данных,
327
• почтовые серверы,
• средства управления инфраструктурой,
• средства восстановления при сбоях,
• системы управления предприятиями (ERP),
• службы DNS, DHCP, WINS, SMTP и другие.
• Развертывание кластеров на базе стандартных аппаратных ресурсов
позволяет существенно снизить затраты по сравнению с применением
дорогих фирменных отказоустойчивых серверов.
Программные средства информационных технологий
Программные средства информационных технологий можно разделить на
две большие группы: базовые и прикладные [57].
Базовые программные средства относятся к инструментальной страте
информационных технологий и включают в себя:
• операционные системы (ОС);
• языки программирования;
• программные среды;
• системы управления базами данных (СУБД).
Прикладные программные средства предназначены для решения
комплекса задач или отдельных задач в различных предметных областях.
ОС предназначены для управления ресурсами ЭВМ и процессами,
использующими эти ресурсы. В настоящее время существуют две основные
линии развития ОС: Windows и Unix. Генеалогические линии данных ОС
развивались следующим образом:
1. СР/М → QDOS → 86-DOS → MS-DOS → Windows 95, 98, ME→
Windows NT → Windows 2000 → Windows XP → Windows Vista;
2. Multics → UNIX → Minix → Linux.
В свою очередь каждый элемент линии имеет свое развитие. Каждая
версия может отличаться добавлением новых функциональных возможностей
(сетевые средства, ориентация на разные процессоры, многопроцессорные
конфигурации и др.).
Большинство алгоритмических языков программирования (Си, Паскаль)
созданы на рубеже 60-х и 70-х годов (за исключением Java). За прошедший
период времени периодически появлялись новые языки программирования,
однако на практике они не получили широкого и продолжительного
распространения. Другим направлением в эволюции современных языков
программирования были попытки создания универсальных языков (Алгол,
PL/1, Ада), объединявших в себе достоинства ранее разработанных.
Появление ПК и ОС с графическим интерфейсом (Mac OS, Windows)
привело к смещению внимания разработчиков программного обеспечения в
сферу визуального или объектно-ориентированного программирования,
сетевых протоколов, баз данных. Это привело к тому, что в настоящее время в
качестве инструментальной среды используется конкретная среда
328
программирования (Delphi, Access и др.) и знания базового языка
программирования не требуется. Поэтому можно считать, что круг
используемых языков программирования стабилизировался.
Анализ синтаксиса и семантики языков программирования показывает,
что их родственные конструкции различаются главным образом «внешним
видом» (набором ключевых слов или порядком следования компонентов).
Содержимое практически идентично, за исключением небольших различий, не
имеющих существенного значения. Таким образом, конструкции современных
языков имеют общее содержание (семантику), различный порядок следования
компонент (синтаксис) и разные ключевые слова (лексику). Следовательно,
различные языки предоставляют пользователю одинаковые возможности при
различном внешнем виде программ.
Стандартизацию языков программирования в настоящее время
осуществляют комитеты ISO/ANSI, однако их деятельность направлена в
основном на неоправданное синтаксическое расширение языков. Для
исключения существующих недостатков предложены способы задания
семантического и синтаксического стандартов языков программирования.
Семантическое описание любой конструкции языка (оператора, типа
данных, процедуры и т.д.) должно содержать не менее трех обязательных
частей:
• список компонент (в Типе Указателя это компоненты Имя Типа и
Базовый Тип);
• описание каждой компоненты;
• описание конструкции в целом.
Для синтаксического описания обычно используется формальное
описание конструкции, например, в виде БНФ. Синтаксическое описание
присутствует в любом языке, начиная с Алгола.
Среди большого числа языков самую заметную роль в развитии
программирования сыграли три пары: Алгол-60 и Фортран, Паскаль и Си, Java
и Си++. Эти языки не случайно объединены в пары, так как противостояние
заложенных в них идей способствовало прогрессивному развитию.
Важно различать язык программирования и его реализацию. Сам язык –
это система записи, набор правил, определяющих синтаксис и семантику
программы. Реализация языка – это программа, которая преобразует запись
высокого уровня в последовательность машинных команд. Существуют два
способа реализации языка: компиляция и интерпретация.
При компиляции специальная рабочая программа (компилятор)
осуществляет перевод рабочей программы в эквивалентную на машинном коде
и в дальнейшем ее выполнение совместно с данными. В методе интерпретации
специальная программа (интерпретатор) устанавливает соответствие между
языком и машинными кодами, применяя команды к данным. В принципе любой
язык программирования может быть как интерпретируемым, так и
компилируемым, но в большинстве случаев есть свой предпочтительный
способ реализации. К сожалению, в настоящее время не существует
универсального компилятора, который мог бы работать с любым
329
существующим языком. Это объясняется отсутствием единой семантической
базы. Хотя современные языки программирования похожи друг на друга,
идентичность их далеко не полная. Таким образом, существует общая
семантическая зона, в которую входят конструкции, принадлежащие всем
языкам программирования (или большинству из них), и область объединения,
содержащая конструкции специфические для данного языка. Поэтому создание
универсального компилятора возможно двумя путями:
• Использование общих конструкций (область пересечения), исключение
специфических конструкций языков (область объединения). Это приведет
к «обеднению» всех языков программирования.
• Использование всех имеющихся конструкций (область объединения +
область пересечения). Такой подход приведет к значительному
расширению семантической базы и использованию дополнительных
ресурсов.
Многие годы идет спор о том, что такое программирование — наука,
искусство или производственный процесс. Надо признать, что право на
существование имеют все три определения. Однако в связи с появлением
информационных технологий на первый план выходит промышленный
характер программирования, который соответствует традиционным стадиям
жизненного цикла (ЖЦ) программного продукта. Подробно ЖЦ
рассматривался выше, но, в целом, не будет ошибкой считать, что в любую
модель ЖЦ входят следующие шаги:
• анализ требований;
• разработка спецификаций;
• проектирование;
• макетирование;
• написание исходного текста;
• отладка;
• документирование;
• тестирование и сопровождение.
Наряду с этим направлением развивается так называемое
исследовательское программирование. Например, предложенное Э. Раймондом
самоорганизующееся, анархичное программирование, получившее название
«базар». Отличительными чертами его являются отсутствие четкого плана,
минимальное управление проектом, большое число сторонних территориально
удаленных разработчиков, свободный обмен идеями и кодами.
Программные среды реализуют отдельные задачи и операции
информационных технологий. К их числу относятся:
1. Текстовые процессоры (например, Microsoft Word, Open Office Writer).
2. Электронные таблицы (например, Microsoft Excel).
3. Личные информационные системы (например, Microsoft Outlook).
4. Программы презентационной графики: (например, Microsoft Power Point).
5. Браузеры (Microsoft Internet Explorer, Netscape Navigator, Firefox, Opera и
др.)
330
6. Почтовые клиенты (Microsoft Outlook, Microsoft Outlook Express, The Bat!
и др.)
7. Редакторы растровой и векторной графики (Adobe Photoshop, Corel др.)
8. Средства разработки (Borland Delphi, Microsoft Visual Basic, Borland C++
Builder, Microsoft Visual C++ и др.)
Управление разработкой информационной системы
Назначение и процессы управления разработкой программного
средства
Управление разработкой ИС (software management) – это деятельность,
направленная на обеспечение необходимых условий для работы коллектива
разработчиков ИС, на планирование и контроль деятельности этого коллектива
с целью обеспечения требуемого качества ИС, выполнения сроков и бюджета
разработки ИС [0]. Часто эту деятельность называют также управлением
программным проектом (software project management). Здесь под программным
проектом (software project) понимают всю совокупность работ, связанную с
разработкой ИС, а ход выполнения этих работ называют развитием
программного проекта (software project progress). К необходимым условиям
работы коллектива относятся помещения, аппаратно-программные средства
разработки, документация и материально-финансовое обеспечение.
Планирование и контроль предполагает разбиение всего процесса разработки
ИС на отдельные конкретные работы (задания), подбор и расстановка
исполнителей, установление сроков и порядка выполнения этих работ, оценка
качества выполнения каждой работы. Финальной частью этой деятельности
является организация и проведения аттестации (сертификации) ИС, которой
завершается стадия разработки ИС.
Хотя виды деятельности по управлению разработкой ИС могут быть
весьма разнообразными в зависимости от специфики разрабатываемого ИС и
организации работ по его созданию, можно выделить некоторые общие
процессы (виды деятельности) по управлению разработкой ИС:
1. составление плана-проспекта по разработке ИС;
2. планирование и составление расписаний по разработке ИС;
3. управление издержками по разработке ИС;
4. текущий контроль и документирование деятельности коллектива по
разработке ИС.
5. подбор и оценка персонала коллектива разработчиков ИС.
Составление плана-проспекта по разработке ИС включает
формулирование предложений о том, как выполнять разработку ИС. Прежде
всего, должно быть зафиксировано, для кого разрабатывается ИС:
• для внешнего заказчика,
• для других подразделений той же организации,
• или является инициативной внутренней разработкой.