Перспективы применения многоуровневой сетевой архитектуры в модульных программных системах со встроенными средствами развития

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 519.683.2:681.3.02

Институт машиноведения УрО РАН

Перспективы применения многоуровневой сетевой архитектуры в модульных программных системах со встроенными средствами развития

А.А.Давлятов, Р.Н.Шакиров

1. Архитектурные особенности ПС со встроенными средствами развития

Концепция модульной ПС со встроенными средствами развития была положена в основу ряда ПС, разработанных в отделе вычислительных систем ИМаш УрО РАН, в их числе САПР логико-арифметических структур «Диско» [1] и конструктор экспертных систем «Совет» [2]. В основу концепции положен принцип разбиения системы на прикладные программы (модули), работающие под управлением интегрирующей компоненты - оболочки ПС.

Прикладные программы, за немногими исключениями, не нагружены функциями человеко-машинного взаимодействия. Потому их разработка может вестись с применением стандартизованных машинно-независимых языков программирования, таких, как C, Fortran и т.п. Использование стандартизованных языков предполагает отказ от любых нестандартных библиотек программирования. В частности, база данных должна быть реализована средствами файловой системы без использования каких-либо коммерческих СУБД. Прикладные программы транслируются в исполняемый формат, который зависит от применяемой аппаратно-программной платформы.

Оболочка ПС создается в рамках фиксированной модели человеко-машинного взаимодействия с использованием встроенных средств развития, обеспечивающих сборку и тестирование ПС без программирования [3]. Сборка ПС ведется на платформе разработчика и завершается автоматической генерацией формализованного функционального описания (ФО), которое передается на целевую платформу. Для организации работы с ПС на целевой платформе создается интерпретатор ФО (рис. 1).

Рис. 1. Технология кросс-платформенной разработки ПС

Описанная технология кросс-платформенной разработки позволяет с минимальными затратами переносить ПС на различные целевые платформы. Здесь мы рассмотрим одну из наиболее значимых областей ее применения, связанную с адаптацией ПС для работы в сети.

2. Применение штатных сетевых решений для организации коллегиальной работы с ПС

При внедрении ПС решается проблема, связанная с понятием «совокупной стоимости владения» (TCO - Total Cost of Ownership). Суть проблемы заключается в том, что реальные затраты на эксплуатацию ПС в несколько раз превышают затраты на ее приобретение. Затраты на эксплуатацию выражаются в необходимости непрерывного технического обслуживания и сопровождения ПС с учетом разнообразных рисков современной компьютерной среды [4].

Значительное влияние на TCO оказывает фактор информационной безопасности (ИБ), при этом наиболее уязвимыми оказываются большие ПС. Чтобы облегчить бремя технического обслуживания, разработчики больших ПС оснащают свои системы средствами автоматической диагностики и устранения неисправностей. Например, в наших ПС со встроенными средствами развития диагностируется нехватка необходимых системе ресурсов, автоматически восстанавливается целостность системы и базы данных, имеется встроенный антивирус. Альтернативный подход состоит в том, чтобы сократить размеры ПС до минимума с помощью рациональной технологии программирования [5].

Для снижения TCO активно применяются возможности, предоставляемые сетевыми технологиями. Установив ПС на сервере локальной сети (ЛС), разработчик предоставляет всем клиентам ЛС возможность использования ПС, в несколько раз сокращая затраты на установку и обновление ПС. Для доступа к ПС применяется техника разделяемых сетевых дисков. Если сервер является выделенным, т.е. находится под контролем администратора ЛС, то обеспечивается эффективная защита ПС от различных поражающих факторов, как-то программно-аппаратные сбои на клиентских компьютерах, неумелые действия пользователей, вторжения хакеров, вирусов и т.п. Подключение удаленных клиентов может выполняться через корпоративную сеть или Интернет с применением технологии виртуальных сетей (ВС) [6] (рис. 2).

Для клиентов сетевое решение привлекательно наличием совместного доступа к базе данных (БД), что исключает необходимость в обмене данными через дискеты, электронную почту и другие средства передачи информации.

Рис. 2. Сеть с выделенным сервером

ПС со встроенными средствами развития имеют в своем составе БД, которая основана на штатной файловой системе и не требует наличия дополнительной СУБД. Это означает, что с ними возможна работа в ЛС без каких-либо доработок при условии согласованного доступа пользователей к БД ПС.

Принципиальный недостаток сетевых дисков состоит в том, что информационная нагрузка на сеть растет пропорционально числу клиентов, в то время как производительность сетевых дисков ограничена возможностями коммуникационного оборудования. Поэтому работа ПС в ЛС может проходить с заметным падением производительности, а при увеличении числа клиентов приходится приобретать более производительное и дорогое оборудование - но даже это не всегда дает желаемый эффект.

При работе исходных (не модернизированных) вариантов ПС «Диско» и «Совет» в ЛС Ethernet некоторые операции замедлялись в 1.5-2 раза. Причина заключается в большой информационной нагрузке на ЛС: программы выполняются на клиентских компьютерах, но запускаются по ЛС с сервера, а также используют ЛС для обращения к данным. После перевода сети на технологию Fast Ethernet масштабируемость рассматриваемых ПС повысилась всего до 5-10 клиентов.

Для повышения масштабируемости практикуется применение промышленных СУБД, таких как SQL-сервер, но в нашем случае этот вариант неприемлем из-за необходимости глубокой переработки существующего программного обеспечения.

Попытки снизить нагрузку на коммуникационное оборудование без кардинальной переделки ПО приводят к появлению экспериментальных технологий. Примером может служить «Распределенная виртуальная память» [7], объединяющая в единый пул дисковую память всех компьютеров, включенных в ЛС (рис.3). Каждый файл в распределенной памяти копируется на те компьютеры, где он чаще всего используется; при этом все копии файла автоматически синхронизируются. Благодаря этому производительность пула растет пропорционально числу клиентов. Общее число клиентов может достигать 25.

Рис. 3. Сеть с распределенной виртуальной памятью

Несмотря на очевидную привлекательность распределенной памяти с точки зрения производительности, следует учитывать, что в данном случае речь идет об одноранговой ЛС со всеми присущими ей проблемами защиты данных.

Получается так, что при использовании штатных средств разделения ресурсов надо делать выбор между производительностью и безопасностью. Но существует и третье решение: если штатное сетевое обеспечение не вполне соответствуют требованиям ПС, то можно модернизировать сами ПС. Рассмотрим для начала двухуровневые методики «толстого» и «тонкого» клиента. программный интернет дистанционный архитектура

3. Модернизация ПС по методике «толстого» клиента

Методика «толстого» клиента заключается в сокращении нагрузки на ЛС и сервер за счет передачи возможно большего числа функций на клиентские компьютеры. Крайнее проявление такой методики - это установка отдельной копии ПС на каждый клиентский компьютер, когда на сервере остается только общая БД. Но данное упрощенное решение не отвечает целям снижения TCO, поэтому надо исключить необходимость установки ПС на каждый клиентский компьютер. Для этого применяется методика кэширования программ и данных на клиентском компьютере, которая дает примерно те же результаты по снижению нагрузки на сеть, что и технология распределенной памяти: общая производительность системы растет пропорционально числу клиентов.

Поскольку ПС со встроенными средствами развития имеют модульную структуру, то для использования методики «толстого клиента» достаточно модернизировать только оболочку ПС, какая-либо переделка прикладных программ при этом не требуется. Поэтому модернизация ПС была выполнена всего за 2 месяца, при том что общие затраты времени на разработку ПС «Диско» и «Совет» составляют десятки человеко-лет. Модернизация заключается в следующем:

· На клиентских компьютерах организовано кэширование программ, благодаря чему повторный запуск программ выполняется с локального диска, а не с сервера через ЛС.

· Данные, подлежащие обработке, копируются из общей БД на локальный диск клиента. После обработки данных пользователь может занести их обратно в общую БД.

В таком виде ПС «Диско» и «Совет» эксплуатируются с 1998 года. Модернизация обеспечила линейную масштабируемость ПС на несколько десятков сетевых клиентов. Пользователи сетевой ПС отмечают, что ее производительность не отличается от производительности локальной копии ПС. При этом ПС и БД размещаются на выделенном сервере, что обеспечивает их эффективную защиту, лучшую сохранность данных и возможность их совместного использования. После модернизации каждый пользователь получил собственное локальное рабочее пространство для обработки данных, поэтому согласование действий пользователей требуется только при записи изменений в общую БД на сервере.

Преимущества методики «толстого» клиента очевидны - как с точки зрения разработчика, так и с точки зрения пользователя. Основная проблема, которая остается и при таком решении - это большой сетевой трафик между клиентами и сервером. Производительность ПС будет высокой, только если она применяется в условиях офисной ЛС или ВС с достаточно высокой пропускной способностью (для ЛС Ethernet это минимум 3 Мбит/с). Но если пользователь подключается к ПС по узкому каналу (как пример - удаленный доступ по модему), то даже запуск небольшой программы объемом около 1 Мб будет выполняться несколько минут. А ведь программ в ПС может быть много и тот факт, что их повторный запуск - благодаря кэшированию - будет выполняться быстро, вряд ли сможет удовлетворить удаленного пользователя. К тому же, кроме запуска программ есть еще и обмен данными, которые тоже могут занимать много места.

Таким образом, методика «толстого» клиента обеспечивает удаленный доступ только при наличии подключения с высокой пропускной способностью. Посмотрим, что в этом плане может дать противоположный подход - методика «тонкого» клиента.

4. Модернизация ПС по методике «тонкого» клиента

Методика «тонкого» клиента заключается в сокращении нагрузки на сеть и ее клиентов за счет передачи возможно большего числа функций на сервер. Помимо хранения данных, сервер выполняет их обработку. Клиентский компьютер служит терминалом, с которого пользователь вводит исходные данные, управляет их обработкой на сервере и наблюдает результаты. Соответственно, ПС делится на 2 взаимодействующие части: клиентскую и серверную.

Методика «тонкого» клиента позволяет сократить нагрузку на каналы связи. Информация, передаваемая между сервером и «тонким» клиентом, исходит от человека или воспринимается им. А человек может вводить и воспринимать информацию с ограниченной скоростью - по одной из оценок не более чем 800 бит/с. Даже если учесть то, что предъявляемая человеку информация будет избыточной, требования к каналам связи все равно будут укладываться в рамки характеристик коммутируемых линий. Эти соображения подтверждаются опытом использования Интернет. По сети быстро передаются текст, таблицы и векторная графика, несколько медленнее - растровые изображения, для которых требуются специальные алгоритмы сжатия.

Современный Интернет позволяет обойтись без прокладывания собственных коммуникаций для осуществления удаленного доступа к вычислительным ресурсам, в том числе и к наукоемким ПС. И если мы предполагаем постоянное увеличение количества удаленных пользователей ПС, то экономически выгоднее использовать Интернет, нежели обеспечить каждого вновь подключаемого пользователя персональным каналом данных. Само применение Интернет-технологий не должно вызывать серьезных трудностей, поскольку развитие Интернет происходит достаточно быстро, и для многих классов задач существуют опробованные решения.

Для взаимодействия клиентской и серверной части выбирается согласованный протокол. Удобным протоколом является HTTP. Клиент, который взаимодействует с сервером по HTTP, присутствует в подавляющем большинстве современных операционных систем - это программа обозревателя Интернет. Таким образом, методика «тонкого» клиента дает реальную возможность работать с одной и той же копией ПС на любом сетевом компьютере в любой точке земного шара.

Клиентская часть ПС может быть реализована в виде системы диалоговых окон и программ на языках Dynamic HTML (DHTML) и Java [8]. Такое решение позволяет запускать клиентскую часть на самых различных сетевых компьютерах - начиная с рабочих станций и кончая смартфонами и коммуникаторами. Определенный интерес представляет также технология Microsoft.NET, которая дает большую свободу в выборе языков программирования, но пока ограничивает область применения клиентской части компьютерами с операционной системой Windows.

Серверная часть, наоборот, может быть машинно-зависимой, поскольку будет выполняться на одном или на нескольких однотипных компьютерах. Она представляется в виде системы прикладных программ, выполняемых на сервере по командам клиентской части. Для поддержки протокола с серверной стороны подходит любой из предлагаемых на сегодня Web-серверов. Для связи клиентской и серверной частей может применяться универсальный протокол HTTP совместно со стандартным расширением CGI или более эффективные машинно-зависимые протоколы, а также RPC [9] (либо протоколы более высокого уровня на основе RPC) или сокеты TCP/IP.

Для рассматриваемых нами ПС была реализована технология автоматической генерации DHTML-интерфейса по формализованному функциональному описанию ПС [10-11]. Такая технология возможна, поскольку прикладная часть ПС разнесена с интерфейсом пользователя. Для запуска прикладных программ на сервере планируется использовать механизм CGI, а для вывода графических результатов - векторную графику SVG. Интерактивные прикладные программы, в их числе графический редактор схем, требуют модернизации для организации их работы в клиент-серверном режиме, предположительно с применением технологии Java. Поэтому общий объем работ для модернизации ПС по методике «тонкого» клиента существенно больше, чем в случае методики «толстого клиента». Работа выполняется (с перерывами), начиная с 2000 года, требуемые общие затраты времени оцениваются нами в 5 человеко-лет.

Методика «тонкого» клиента дает уникальные возможности по организации дистанционного доступа, но у нее есть минусы концептуального характера. Сервер должен трудиться за всех своих клиентов, выполняя прикладные программы - иные из которых загружают даже самые мощные компьютеры многочасовой или многодневной работой. Проблема отчасти решается установкой ПС на многопроцессорный SMP-сервер, который сможет обслужить несколько активно работающих клиентов. Иначе придется ограничить число клиентов и сложность решаемых ими задач - на практике это приведет к тому, что наукоёмкую ПС удастся использовать только для решения лабораторных задач на учебных курсах. А для выполнения более или менее сложной работы придется устанавливать локальную версию ПС.

Данная проблема масштабируемости решается в трехуровневой сетевой архитектуре ПС [12].

5. Трехуровневая сетевая архитектура ПС

В трехуровневой архитектуре выделяется сервер данных и работающие с ним серверы приложений, каждый из которых обслуживает нескольких «тонких» клиентов (рис.4). Взаимодействие сервера данных и серверов приложений выполняется по методике «толстого» клиента, благодаря чему производительность комплекса растет пропорционально количеству серверов приложений. Несомненный плюс такой архитектуры - ее масштабируемость. Нагрузки на сеть сбалансированы, так как между клиентом и сервером приложений передаются только данные для взаимодействия с пользователем, а трафик между серверами приложений и сервером данных оптимизируется по методике, описанной выше в разделе 2. Нагрузка на сервера приложений регулируется путем динамического распределения клиентов, а если суммарная производительность серверов будет недостаточной, то проблема решается увеличением их числа.

Рис. 4. Сеть с выделенными серверами данных и приложений

Описанная трехуровневая архитектура напоминает небольшой мэйнфрейм, хотя в наше время ее сборка может выполняться на основе существующих технологий массового применения, т.к. практически все серверные операционные системы поддерживают объединение серверов в кластеры с динамическим распределением нагрузки.

На рынке существует несколько платформ для реализации приложений в трехуровневой архитектуре. Самые известные из них - WebLogic от компании BEA и WebSphere от IBM. В основе этих платформ лежит спецификация J2EE (http://java.sun.com/j2ee/). Однако для рассматриваемых нами ПС такие платформы не годятся, поскольку они предполагают создание приложений с нуля.

Рассмотрим подробнее трехуровневую архитектуру в отношении применимости к ПС со встроенными средствами развития. Уровень взаимодействия сервера данных и сервера приложений уже присутствует в ПС с момента перевода ПС на модель «толстого» клиента. Здесь каждый «толстый» клиент играет роль сервера приложений. Уровень взаимодействия клиента и сервера приложений - это модель «тонкого» клиента. Она пока не реализована для указанных ПС в полной мере, т.к. для надлежащего масштабирования надо решить задачи расчета требуемого количества серверов приложений и оптимального распределения клиентов по серверам.

С учетом сказанного, перевод ПС на трехуровневую архитектуру не требует значительных затрат времени. Целесообразность этого шага зависит от фактических требований к рабочей нагрузке ПС, т.к. определенной масштабируемостью обладают и двухуровневые архитектуры. Для рассматриваемых нами ПС двухуровневая масштабируемость ожидается в пределах нескольких активно работающих удаленных клиентов и нескольких десятков локальных клиентов. Подключить к ПС сотни различных (локальных и удаленных) клиентов, по-видимому, удастся только в трехуровневой архитектуре.

А теперь оценим выбранную архитектуру с точки зрения устойчивости и безопасности.

6. Информационная безопасность и минимизация TCO

Вопрос о влиянии ИБ на TCO стоит двояким образом. С одной стороны, незащищенная ПС подвергается различным рискам, последствия которых приводят к росту TCO. С другой стороны, меры по обеспечению безопасности сами по себе могут затруднить эксплуатацию ПС. Как было показано в разделе 1, эти меры могут привести к снижению производительности и масштабируемости, а также породить проблемы организационного характера. При возникновении указанных проблем персонал может начать игнорировать требования ИБ, поэтому для надлежащего соблюдения ИБ необходимо обеспечить беспроблемную работу защищенной ПС. Фактически, необходимость снижения TCO при соблюдении ИБ должны учитываться на самых ранних этапах разработки ПС, начиная с выбора ее архитектуры.

Рассмотренная нами трехуровневая архитектура имеет в этом плане следующие преимущества:

1. ПС размещается на серверах и не требует установки на клиентские компьютеры, благодаря чему вопросы ИБ будут решаться системным администратором.

2. ПС хорошо масштабируется, что позволяет наращивать ее общую производительность путем добавления серверов приложений при сохранении высокого уровня ИБ.

3. Подключение высокопроизводительных рабочих мест может выполняться по технологии «толстого» клиента, в то же время допускается подключение «тонких» клиентов, программное обеспечение которых может эффективно контролироваться системным администратором.

4. «Толстые» клиенты и серверы приложений могут работать с сервером данных через немаршрутизируемые протоколы (как NetBEUI), ограничивающие распространение «сетевых червей».

5. При необходимости, может быть организована работа с ПС в режиме дистанционного доступа через Интернет, вопросы безопасности при этом решаются системным администратором.

Заключение

Несомненно, в каждой архитектуре ПС есть и плюсы и минусы. Трехуровневая архитектура является сбалансированным компромиссом между моделями «толстого» и «тонкого» клиента и, на наш взгляд, оптимальна с точки зрения снижения TCO при эксплуатации ПС. Поэтому она выбрана в качестве стратегического направления развития ПС «Диско» и «Совет». Трехуровневая архитектура не исключает прежней архитектуры «толстого» клиента, потому что пользователи ПС при работе в ЛС могут использовать ее в прежнем режиме. А для удаленных пользователей появляется возможность достаточно комфортной работы с ПС через Интернет.

Такие свойства ПС со встроенными средствами развития, как разделение интерфейса пользователя и прикладной части ПС, а также файловая БД позволяют существенно снизить влияние фактора возможного переписывания ПС при выборе сетевой архитектуры. Возможно, что в иных ПС трудоемкость перевода на трехуровневую модель была бы существенно больше и даже сравнима со стоимостью отдачи от такого перехода. И выбор в таком случае мог быть иным.

Литература

1. С.А.Галицына, Г.Б.Захарова, И.А.Кононенко, В.Г.Титов, Л.В.Халиуллина, В.П.Чистов, Р.Н.Шакиров. САПР логико-арифметических структур ДИСКО // Новые инф. технологии в исслед. дискретных структур: Екатеринбург, 1996. С.80-83.

2. Г.Б.Захарова, В.В.Майборода, В.П.Чистов, Р.Н.Шакиров Конструктор экспертных систем промышленного назначения. // Там же, С.35-39.

3. А.М.Князев, Р.Н.Шакиров. Технология кросс-платформенной разработки модульных программных систем // Новые информационные технологии в исследовании дискретных структур: Докл. III Всеросс. конф. с межд. участием. Томск, 12-15 сентября 2000. С.33-38.

4. Стивен Норткат, Джуди Новак. Обнаружение нарушений безопасности в сетях. Третье издание. С.313-318.

5. Н.В.Невесенко. Язык программирования AZ // Век радио. Екатеринбург: УрО РАН, 1996. С.254-258.

6. Огранизация VPN с помощью Сети. // PC Magazine. /Rus.Ed. 1998. N 3. С.129-131.

7. Боб Меткалф. «Пул» Mango - лучшая идея в мире после сетевых компьютеров // ComputerWorld Россия. 1998. N 7. С.26.

8. Ян Дарвин. Java. Сборник рецептов для профессионалов. СПб. 2002. С470-498.

9. Уильям Стивенс. Unix. Взаимодействие процессов. СПб. 2002. С415-469.

10. А.А.Давлятов, Р.Н.Шакиров. Методика и средства автоматической генерации html-интерфейса модульной программной системы по ее функциональной модели // Новые информационные технологии в исследовании дискретных структур: Докл. III Всеросс. конф. с межд. участием. Томск, 12-15 сентября 2000. С.13-18.

11. А.А.Давлятов, Д.В.Пикарин, Р.Н.Шакиров. Доступ к табличным данным модульной программной системы из среды Интернет // Интеллектуальные САПР-2003: Докл. XVIII международной конференции. Дивноморское, 3-10 сентября 2003.

12. Валерий Коржов. Многоуровневые системы клиент-сервер // Сети. 1997. N 6. С.72-75.

Аннотация

В статье рассматриваются вопросы выбора архитектуры для новой сетевой версии наукоемких программных систем (ПС) «Диско» и «Совет». Обсуждаются цели и методы модернизации ПС для коллегиальной работы в ЛС, возможность применения Интернет-технологий для организации дистанционного доступа, плюсы и минусы различных архитектур в отношении упомянутых ПС, вопросы информационной безопасности и снижения совокупной стоимости владения ПС.

Ключевые слова: Модернизация ПС, разделение данных, кэширование, HTML-интерфейс, сервер приложений, сервер данных, TCO.

Размещено на Allbest.ru