3.4.1. Разновидности архитектуры компьютерных сетей
Концепция вычислительных сетей является логическим результатом эволюции компьютерной технологии. По мере эволюции вычислительных систем сформировались следующие разновидности архитектуры компьютерных сетей:
• классическая архитектура «клиент – сервер»;
• архитектура «клиент – сервер» на основе Web-технологии.
Правильно выбранная архитектура компьютерной сети позволяет достигнуть выдвинутых требований по общей производительности, надежности защиты сетевых ресурсов, гибкости настройки сети, а также минимизации денежных затрат на ее построение и администрирование.
Одноранговая сеть – это сеть, в которой отсутствует выделенный сервер, а клиентские компьютеры могут использовать ресурсы друг друга. В одноранговой сети все компьютеры равноправны: нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного сервера. Каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер, нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Все пользователи самостоятельно решают, что на своем компьютере можно сделать общедоступным по сети. Централизованно управлять защитой в одноранговой сети сложно, так как каждый пользователь устанавливает ее самостоятельно, да и «общие» ресурсы могут находиться на всех компьютерах, а не только на центральном сервере. Такая ситуация представляет серьезную угрозу для всей сети.
Явные недостатки, свойственные одноранговой архитектуре, и развитие инструментальных средств привели к появлению вычислительных систем с архитектурой «клиент – сервер». Клиент-серверная технология – это стиль работы приложений, где клиентский процесс запрашивает обслуживание у процесса сервера. Сервер – это программа, предоставляющая доступ к каким-либо услугам, например к электронной почте, файлам, ftp, Web, или данным (в качестве сервера баз данных). Клиент – это приложение, которое соединяется с сервером, чтобы воспользоваться предоставляемыми им услугами.
Компьютеры и программы, входящие в состав информационной системы, не являются равноправными. Некоторые из них владеют ресурсами (файловая система, процессор, принтер, база данных и т. д.), другие имеют возможность обращаться к этим ресурсам. Компьютер (или программу), управляющий ресурсом, называют сервером этого ресурса (файл-сервер, сервер базы данных, вычислительный сервер. ). Клиент и сервер какого-либо ресурса могут находиться как в рамках одной вычислительной системы, так и на различных компьютерах, связанных сетью.
Модели архитектуры «клиент–сервер». Основной принцип технологии «клиент–сервер» заключается в разделении функций приложения на три группы:
• ввод и отображение данных (взаимодействие с пользователем);
• прикладные функции, характерные для данной предметной области;
• функции управления ресурсами (файловой системой, базой данных и т. д.).
Поэтому в любом приложении выделяются следующие компоненты:
• компонент представления данных;
• компонент управления ресурсом.
На основе распределения перечисленных компонентов между рабочей станцией и сервером сети выделяют следующие модели архитектуры «клиент–сервер»:
• модель доступа к удаленным данным;
• модель сервера управления данными;
• модель комплексного сервера;
• трехзвенная архитектура «клиент – сервер».
Модель доступа к удаленным данным, при которой на сервере расположены только данные, имеет следующие особенности:
• невысокую производительность, так как вся информация обрабатывается на рабочих станциях;
• снижение общей скорости обмена при передаче больших объемов информации для обработки с сервера на рабочие станции.
При использовании модели сервера управления данными кроме самой информации на сервере располагается менеджер информационных ресурсов (например, система управления базами данных). Компонент представления и прикладной компонент совмещены и выполняются на компьютере-клиенте, который поддерживает как функции ввода и отображения данных, так и чисто прикладные функции. Доступ к информационным ресурсам обеспечивается либо операторами специального языка (например, SQL в случае использования базы данных), либо вызовами функций специализированных программных библиотек. Запросы к информационным ресурсам направляются по сети менеджеру ресурсов (например, серверу базы данных), который обрабатывает запросы и возвращает клиенту блоки данных. Наиболее существенные особенности данной модели:
• уменьшение объемов информации, передаваемых по сети, так как выборка необходимых информационных элементов осуществляется на сервере, а не на рабочих станциях;
• унификация и широкий выбор средств создания приложений;
• отсутствие четкого разграничения между компонентом представления и прикладным компонентом, что затрудняет совершенствование вычислительной системы.
Модель сервера управления данными целесообразно использовать в случае обработки умеренных, не увеличивающихся со временем объемов информации. При этом сложность прикладного компонента должна быть невысокой.
Модель комплексного сервера строится в предположении, что процесс, выполняемый на компьютере-клиенте, ограничивается функциями представления, а собственно прикладные функции и функции доступа к данным выполняются сервером.
Преимущества модели комплексного сервера:
Модель комплексного сервера является оптимальной для крупных сетей, ориентированных на обработку больших и увеличивающихся со временем объемов информации.
Архитектура «клиент-сервер», при которой прикладной компонент расположен на рабочей станции вместе с компонентом представления (модели доступа к удаленным данным и сервера управления данными) или на сервере вместе с менеджером ресурсов и данными (модель комплексного сервера), называют двухзвенной архитектурой.
При существенном усложнении и увеличении ресурсоемкости прикладного компонента для него может быть выделен отдельный сервер, называемый сервером приложений. В этом случае говорят о трехзвенной архитектуре «клиент-сервер». Первое звено – компьютер-клиент, второе – сервер приложений, третье – сервер управления данными. В рамках сервера приложений могут быть реализованы несколько прикладных функций, каждая из которых оформляется как отдельная служба, предоставляющая некоторые услуги всем программам. Серверов приложения может быть несколько, каждый из них ориентирован на предоставление некоторого набора услуг.
Принцип работы архитектуры «клиент-сервер», основанной на Web-технологии. В настоящее время она является наиболее перспективной. Обмен информацией по Web-технологии не отличается от информационного обмена, реализуемого по принципу «клиент-сервер», когда программа-сервер осуществляет обработку запросов, поступающих от программы-клиента.
В соответствии с Web-технологией на сервере размещаются так называемые Web-документы, которые визуализируются и интерпретируются программой навигации (Web-навигатор, Web-браузер), функционирующей на рабочей станции. В Web-технологии существует система гиперссылок, включающая ссылки на следующие объекты:
• другую часть Web-документа;
• другой Web-документ или документ другого формата (например, документ Word или Excel), размещаемый на любом компьютере сети;
• мультимедийный объект (рисунок, звук, видео);
• программу, которая при переходе на нее по ссылке будет передана с сервера на рабочую станцию для интерпретации или запуска на выполнение навигатором;
• любой другой сервис – электронную почту, копирование файлов с другого компьютера сети, поиск информации и т. д.
Передачу с сервера на рабочую станцию документов и других объектов по запросам, поступающим от навигатора, обеспечивает функционирующая на сервере программа, называемая Web-сервером. Когда Web-навигатору необходимо получить документы или другие объекты от Web-сервера, он отправляет серверу соответствующий запрос. При достаточных правах доступа между сервером и навигатором устанавливается логическое соединение. Далее сервер обрабатывает запрос, передает Web-навигатору результаты обработки и разрывает установленное соединение. Таким образом, Web-сервер выступает в качестве информационного концентратора, который доставляет информацию из разных источников, а потом в однородном виде предоставляет ее пользователю.
Виды серверов в клиент-серверных компьютерных системах
Клиент-серверная архитектура распределенных систем весьма широко распространена и поддержана операционными системами. Поэтому очень важно знать, какие виды и функции серверов предлагают современные распределенные системы.
Файл-сервер (file server) – компьютер и программное обеспечение, предоставляющие доступ к подмножеству файловых систем, расположенных на дисках компьютера-сервера, другим компьютерам локальной сети (LAN). Пример – серверное программное обеспечение SAMBA (SMB – сокращение от Server Message Block) для ОС типа UNIX (Linux, FreeBSD, Solaris и т.д.), обеспечивающее доступ с Windows-компьютеров локальной сети к файловым системам UNIX-машин. Samba также реализована для платформы Macintosh / MacOS.
Сервер приложений (application server) – компьютер и программное обеспечение, предоставляющее вычислительные ресурсы (память и процессор) и необходимое окружение для удаленного запуска определенных классов (как правило, больших) приложений с других компьютеров локальной сети. Примеры серверов приложений — WebSphere (IBM), WebLogic (BEA) – наилучшие из известных серверов приложений, работающих в Java Enterprise Edition (JEE).
Сервер баз данных (database server) – компьютер и программное обеспечение, предоставляющее доступ другим компьютерам сети к базам данных, расположенным на компьютере-сервере. Пример: серверное программное обеспечение для доступа к базам данных Microsoft SQL Server.
Веб-сервер (Web server) – компьютер и программное обеспечение, предоставляющее доступ клиентам через WWW к Web-страницам, расположенным на компьютере-сервере. Пример: свободно распространяемый Web-сервер Apache.
Прокси-сервер – компьютер и программное обеспечение, являющиеся частью локальной сети и поддерживающие эффективное обращение компьютеров локальной сети к Интернету, фильтрацию трафика, защиту от внешних атак. Proxy-сервер обычно встроен в операционную систему.
Сервер электронной почты – компьютер и программное обеспечение, выполняющие отправку, получение и «раскладку» электронной почты для компьютеров некоторой локальной сети. Могут обеспечивать также криптование почты (email encryption) – шифрование электронных писем перед отправкой адресатам из определенного сетевого домена (как правило, заказчику) и их дешифровку после получения от заказчика.
Серверный бэк-энд (Server back-end) – группа (пул) связанных в локальную сеть серверных компьютеров, используемых вместо одного сервера, в целях большей надежности и предоставления большего объема ресурсов. Другой термин, близкий к этому, — центр обработки данных (data center). Эти понятия особенно актуальны в связи со все более широким распространением облачных вычислений, являющихся, с этой точки зрения, наиболее современной реализацией клиент-серверной схемы взаимодействия.