Полезное

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.

|Синтаксис оператора |Выполняемое действие |
|SELECT |Выбрать данные из базы данных |
|INSERT |Вставить данные в таблицу |
|DELETE |Удалить данные из таблицы |
|UPDATE |Изменить данные в таблице |
|GRANT |Передать права на действие над |
| |объектом |
|REVOKE |Отобрать права на действие над |
| |объектом |
|COMMIT |Подтвердить транзакцию |
|ROLLBACK |Откатить транзакцию |
|CREATE |Создать объект базы данных |
|DROP |Удалить объект базы данных |

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 индексов для таблицы не существует, то для выполнения запроса
СУБД должна просмотреть всю таблицу, последовательно выбирая из нее строки и проверяя для каждой из них условие выбора. Для больших таблиц такой запрос будет выполняться очень долго.

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.

[pic]

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).

[pic]

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.

[pic]

Рис.1.3. Модель сервера баз данных.

На практике часто используется смешанные модели, когда поддержка целостности базы данных и некоторые простейшие прикладные функции выполняются хранимыми процедурами (DBS-модель), а более сложные функции реализуются непосредственно в прикладной программе, которая работает на компьютере-клиенте (RDA-модель). Так или иначе, современные многопользовательские СУБД опираются на RDA- и DBS-модели и при создании
ИС, предполагающем использование только СУБД, выбирают одну из этих двух моделей, либо их разумное сочетание.

В AS-модели процесс, выполняющийся на компьютере-клиенте, отвечает, как обычно, за интерфейс с пользователем (то есть реализует функции первой группы). Обращаясь за выполнением услуг к прикладному компоненту, этот процесс играет роль клиента приложения (Application Client - AC).
Прикладной компонент реализован как группа процессов, выполняющих прикладные функции и называется сервером приложения (Application Server -
AS). Все операции над информационными ресурсами выполняются соответствующим компонентом, по отношению к которому AS играет роль клиента. Из прикладных компонентов доступны ресурсы различных типов - базы данных, очереди, почтовые службы и др.

[pic]

Рис.1.4. Модель сервера приложений.

RDA- и DBS-модели опираются на двухзвенную схему разделения функций. В
RDA-модели прикладные функции приданы программе-клиенту, в DBS-модели ответственность за их выполнение берет на себя ядро СУБД. В первом случае прикладной компонент сливается с компонентом представления, во втором - интегрируется в компонент доступа к информационным ресурсам. В AS-модели реализована трехзвенная схема разделения функций, где прикладной компонент выделен как важнейший изолированный элемент приложения, для его определения используются универсальные механизмы многозадачной операционной системы, и стандартизованы интерфейсы с двумя другими компонентами. AS-модель является фундаментом для мониторов обработки транзакций (Transaction Processing
Monitors - TPM), или, проще, мониторов транзакций, которые выделяются как особый вид программного обеспечения.

В период создания первых СУБД технология "клиент-сервер" только зарождалась. Поэтому изначально в архитектуре систем не было адекватного механизма организации взаимодействия такого типа, в современных же системах он жизненно необходим.

Чтобы понять проблему, рассмотрим эволюцию серверов баз данных. Первое время доминировала модель, когда управление данными (функция сервера) и взаимодействие с пользователем были совмещены в одной программе. Затем функции управления данными были выделены в самостоятельную группу - сервер, однако модель взаимодействия пользователя с сервером соответствовала парадигме "один-к-одному", то есть сервер обслуживал запросы ровно одного пользователя (клиента), и для обслуживания нескольких клиентов нужно было запустить эквивалентное число серверов. Выделение сервера в отдельную программу - революционный шаг, позволяющий, в частности, поместить сервер на одну машину, а программный интерфейс с пользователем - на другую, осуществляя взаимодействие между ними по сети. Однако необходимость запуска большого числа серверов для обслуживания множества пользователей сильно ограничивала возможности такой системы.

Проблемы, возникающие в модели "один-к-одному", решаются в архитектуре систем с выделенным сервером, способным обрабатывать запросы от многих клиентов. Сервер единственный обладает монополией на управление данными и взаимодействует одновременно со многими клиентами. Логически каждый клиент связан с сервером отдельной нитью (thread) или потоком, по которому пересылаются запросы. Такая архитектура получила название многопотоковой
(multi-threaded).

Она позволяет значительно уменьшить нагрузку на операционную систему, возникающую при работе большого числа пользователей. С другой стороны, возможность взаимодействия с одним сервером многих клиентов позволяет в полной степени использовать разделяемые объекты (начиная с открытых файлов и кончая данными из системных каталогов), что сильно уменьшает потребности в памяти и общее число процессов операционной системы. Например, системой с архитектурой "один-к-одному" будет создано 50 копий процессов СУБД для 50 пользователей, тогда как системе с многопотоковой архитектурой для этого понадобиться только один сервер.

Однако такое решение создает новую проблему. Так как сервер может выполняться только на одном процессоре, возникает естественное ограничение на применение СУБД для мультипроцессорных платформ. Если компьютер имеет, например, четыре процессора, то СУБД с одним сервером используют только один из них, не загружая оставшиеся три.

В некоторых системах эта проблема решается заменой выделенного сервера на диспетчер или виртуальный сервер (virtual server), который теряет право монопольно распоряжаться данными, выполняя только функции диспетчеризации запросов к актуальным серверам. Таким образом, в архитектуру системы добавляется новый слой, который размещается между клиентом и сервером, что увеличивает трату ресурсов на поддержку баланса загрузки (load balancing) и ограничивает возможности управления взаимодействием "клиент-сервер". Во- первых, становится невозможным направить запрос от конкретного клиента конкретному серверу, во-вторых, серверы становятся равноправными - невозможно устанавливать приоритеты для обслуживания запросов.

Современное решение проблемы СУБД для мультипроцессорных платформ заключается в возможности запуска нескольких серверов базы данных, в том числе и на различных процессорах. При этом каждый из серверов должен быть многопотоковым. Если два эти условия выполнены, то есть основание говорить о многопотоковой архитектуре с несколькими серверами (multi-threaded, multi- server architecture).

1.2.2 Механизмы реализации активного ядра

Профессиональные СУБД обладают мощным активным сервером базы данных.
Идея активного сервера принципиально изменяет представление о роли, масштабах и принципах использования СУБД, а в чисто практическом плане позволяет выбрать современные, эффективные методы построения глобальных информационных систем.

Объекты реального мира, помимо непосредственных, прямых связей, имеют друг с другом иные, более сложные причинно-следственные связи. Эти связи и процессы должны каким-то образом отражаться в базе данных, если мы имеем в виду не статичное хранилище, а информационную модель части реального мира.
Иными словами, в базе, помимо собственно данных и непосредственных связей между ними, должны храниться знания о данных, а она сама должна адекватно отражать процессы, происходящие в реальном мире. Следовательно, необходимо иметь средства хранения и управления такой информацией.

Данные требования выливаются в решение следующих задач.

1. Необходимо, чтобы база данных в любой момент времени правильно отражала состояние предметной области - данные должны быть взаимно непротиворечивыми.

2. База данных должна отражать некоторые правила предметной области, законы, по которым она функционирует (business rules).

3. Необходим постоянный контроль за состоянием базы данных, отслеживание всех изменений, и адекватная реакция на них.

4. Необходимо, чтобы возникновение некоторой ситуации в базе данных четко и оперативно влияло на ход выполнения прикладной программы.

Многие программы требуют оперативного оповещения о всех происходящих в базе данных изменениях.

Важная проблема СУБД - контроль типов данных. Тип данных определяется при создании таблицы. Каждому столбцу присваивается один из стандартных типов данных, разрешенных в СУБД. Как правило, это данные стандартных типов
- числа, целые и вещественные, строки символов, а также данные типа "дата",
"время" и "денежная единица".

Идеи, реализованные в СУБД третьего поколения, заключаются в том, что знания выносятся за рамки прикладных программ и оформляются как объекты базы данных. Функции применения знаний начинает выполнять непосредственно сервер баз данных.

Такая архитектура является воплощением концепции активного сервера.
Она реализуется четырьмя сущностями:

. процедурами базы данных;

. правилами (триггерами);

. событиями в базе данных;

. типами данных, определяемыми пользователем;

1.2.3 Хранимые процедуры

В различных СУБД они носят название хранимых (stored), присоединенных, разделяемых и т.д. Ниже будем пользоваться терминологией, принятой в СУБД
InterBase.

Использование процедур базы данных преследует четыре цели:

. Обеспечивается новый независимый уровень централизованного контроля доступа к данным, осуществляемый администратором базы данных.

. Одна процедура может использоваться несколькими прикладными программами - это позволяет существенно сократить время написания программ за счет оформления их общих частей в виде процедур базы данных. Процедура компилируется и помещается в базу данных, становясь доступной для многократных вызовов. Так как план ее выполнения определяется единожды при компиляции, то при последующих вызовах процедуры фаза оптимизации пропускается, что существенно экономит вычислительные ресурсы системы.

. Использование процедур баз данных позволяет значительно снизить трафик сети в системах с архитектурой "клиент-сервер". Прикладная программа, вызывающая процедуру, передает серверу лишь ее имя и параметры. В процедуре, как правило, концентрируются повторяющиеся фрагменты из нескольких прикладных программ. Если бы эти фрагменты остались частью программы, они загружали бы сеть посылкой полных SQL- запросов.

. Процедуры базы данных в сочетании с правилами, предоставляют администратору мощные средства поддержки целостности базы данных.

В современных СУБД процедура хранится непосредственно в базе данных и контролируется ее администратором. Она имеет параметры и возвращает значение. Процедура базы данных создается оператором CREATE PROCEDURE
(СОЗДАТЬ ПРОЦЕДУРУ) и содержит определения переменных, операторы SQL
(например, SELECT, INSERT), операторы проверки условий (IF/THEN/ ELSE) операторы цикла (FOR, WHILE), а также некоторые другие.

1.2.4 Правила (триггеры)

Механизм правил (триггеров) позволяет программировать обработку ситуаций, возникающих при любых изменениях в базе данных. Правило придается таблице базы данных и применяется при выполнении над таблицей операций включения, удаления или обновления строк.

Применение правила заключается в проверке сформулированных в нем условий, при выполнении которых происходит вызов специфицированной внутри правила процедуры базы данных. Важно, что правило может быть применено как до, так и после выполнения обновления, следовательно, возможна отмена операции.

Таким образом, правило позволяет определить реакцию сервера на любое изменение состояния базы данных. Правила (так же, как и процедуры) хранятся непосредственно в базе данных независимо от прикладных программ. Одна из целей механизма правил - отражение некоторых внешних правил деятельности организации.
Важнейшая цель механизма правил - обеспечение целостности базы данных. Один из аспектов целостности - целостность по ссылкам (referential integrity) - относится к связи двух таблиц между собой. Эта связь поддерживается внешними ключами. Механизм правил позволяет реализовать и более общие ограничения целостности.

1.2.5 Механизм событий

Механизм событий в базе данных (database events) позволяет прикладным программам и серверу базы данных уведомлять другие программы о наступлении в базе данных определенного события и тем самым синхронизировать их работу.
Операторы языка SQL, обеспечивающие уведомление, называют сигнализаторами событий в базе данных (database event alerters). Функции управления событиями целиком ложатся на сервер базы данных.

Механизм событий используется следующим образом. Вначале в базе данных для каждого события создается флажок, состояние которого будет оповещать прикладные программы о том, что некоторое событие имело место (оператор
CREATE DBEVENT - СОЗДАТЬ СОБЫТИЕ). Далее, во все прикладные программы, на ход выполнения которых может повлиять это событие, включается оператор
REGISTER DBEVENT (ЗАРЕГИСТРИРОВАТЬ СОБЫТИЕ), который оповещает сервер базы данных, что программа заинтересована в получении сообщения о наступлении события. Теперь любая прикладная программа или процедура базы данных может вызвать событие оператором RAISE DBEVENT (ВЫЗВАТЬ СОБЫТИЕ). Как только событие произошло, каждая зарегистрированная программа может получить его, для чего она должна запросить очередное сообщение из очереди событий
(оператор GET DBEVENT - ПОЛУЧИТЬ СОБЫТИЕ) и запросить информацию о событии, в частности, его имя (оператор SQL INQUIRE_SQL).

1.3 Обработка распределенных данных

Одна из главных особенностей современных информационных систем - распределенный характер. Возрастает их масштаб, они охватывают все больше число точек по всему миру. Современный уровень принятия решений, оперативное управление информационными ресурсами требует все большей их децентрализации. Информационные системы находятся в постоянном развитии - в них добавляются новые сегменты, расширяется диапазон функций уже действующих.

Главная проблема таких систем - организация обработки распределенных данных. Данные находятся на компьютерах различных моделей и производителей, функционирующих под управлением различных операционных систем, а доступ к данным осуществляется разнородным программным обеспечением. Сами компьютеры территориально удалены друг от друга и находятся в различных географических точках планеты.

Ответом на задачи реальной жизни стали две технологии: технология распределенных баз данных (Distributed Database) и технология тиражирования данных (Data Replication).

Под распределенной базой данных подразумевают базу, включающую фрагменты из нескольких баз данных, которые располагаются на различных узлах сети компьютеров, и, возможно, управляются различными СУБД.
Распределенная база данных выглядит с точки зрения пользователей и прикладных программ как обычная локальная база. В этом смысле слово
"распределенная" отражает способ организации базы данных, но не внешнюю ее характеристику ("распределенность" базы не должна быть видна извне).

В отличие от распределенных баз, тиражирование данных предполагает отказ от их физического распределения и опирается на идею дублирования данных в различных узлах сети компьютеров.

Ранее были рассмотрены четыре модели технологии "клиент-сервер".
Традиционной и наиболее популярной является модель доступа к удаленным данным (RDA-модель). В соответствии с этой моделью, имеется компьютер, на котором запускаются программы переднего плана (в которых реализованы как функции интерфейса с пользователем, так и прикладные функции) - клиент
(называемый обычно локальным узлом - local node), соединенный в сети с компьютером, на котором выполняется сервер базы данных и находится сама база данных (обычно его называют удаленным узлом - remote node). Все проблемы, возникающие при взаимодействии клиента и сервера, должен решать специальный компонент СУБД, называемый коммуникационным сервером
(Communication Server, DBMS Server Net). Для поддержки взаимодействия клиента и сервера он должен функционировать на удаленном узле; в то же время на локальном узле должна выполняться программа связи, взаимодействующая с коммуникационным сервером (DBMS Client Net).

В основу взаимодействия прикладных программ - клиентов и сервера базы данных, положен ряд фундаментальных принципов, определяющих функциональные возможности современных СУБД в части, касающейся сетевого взаимодействия и распределенной обработки данных, среди которых:

. Прозрачность расположения;

. Прозрачность сети;

. Автоматическое преобразование форматов данных;

. Автоматическая трансляция кодов;

. Межоперабельность;

. Прозрачность расположения.

Прозрачный (для пользователя) доступ к удаленным данным предполагает использование в прикладных программах такого интерфейса с сервером БД, который позволяет переносить данные в сети с одного узла на другой, не требуя при этом модификации текста программы. Иными словами, доступ к информационным ресурсам должен быть полностью прозрачен относительно расположения данных.

Любой пользователь или любая прикладная программа оперирует с одной или несколькими базами данных. В том случае, когда прикладная программа и сервер БД выполняются на одном и том же узле, проблемы расположения не возникает. Для получения доступа к базе данных, пользователю или программе достаточно указать имя базы.

Однако в том случае, когда прикладная программа запускается на локальном узле, а база данных находится на удаленном, возникает проблема идентификации удаленного узла. Для того, чтобы получить доступ к базе данных на удаленном узле, необходимо указать имя удаленного узла и имя базы данных. Если использовать жестко фиксированное имя узла в паре "имя_узла, имя_БД", то прикладная программа становится зависимой от расположения БД.
Например, обращение к БД "host::stock", где первый компонент есть имя узла, будет зависимым от расположения.

Одно из возможных решений этой проблемы состоит в использовании виртуальных имен узлов. Управление ими обеспечивается специальным программным компонентом СУБД - сервером имен (Name Server), который адресует запросы клиентов к серверам.

При установке компонентов DBMS Client Net на локальных узлах выполняется процедура идентификации узлов, когда реальному имени удаленного узла ставится в соответствие виртуальное имя, которое затем используется при обращении к базе данных. Если база данных перенесена на другой узел, то никаких изменений в прикладную программу вносить не нужно - достаточно лишь поставить в соответствие виртуальному имени имя нового узла.

Клиент и сервер взаимодействуют по сети с конкретной топологией; для поддержки взаимодействия всегда используется определенный протокол.
Следовательно, оно должно быть организовано таким образом, чтобы обеспечивать независимость как от используемого сетевого аппаратного обеспечения, так и от протоколов сетевого обмена. Чтобы обеспечить прозрачный доступ пользователей и программ к удаленным данным в сети, объединяющей разнородные компьютеры, коммуникационный сервер должен поддерживать как можно более широкий диапазон сетевых протоколов (TCP/IP,
DECnet, SNA, SPX/IPX, NetBIOS, AppleTalk, и др.).

Как только несколько компьютеров различных моделей под управлением различных операционных систем соединяются в сеть, сразу возникает вопрос о согласовании форматов представления данных. Действительно, в сети могут быть компьютеры, отличающиеся разрядностью (16-ти, 32-х и 64-х разрядные процессоры), порядком следования байт в слове, представлением чисел с плавающей точкой и т.д. Задача коммуникационного сервера состоит в том, чтобы на уровне обмена данными обеспечить согласование форматов между удаленным и локальным узлами с тем, чтобы данные, извлеченные сервером из базы на удаленном узле и переданные по сети, были правильно истолкованы прикладной программой на локальном узле.

В неоднородной компьютерной среде при взаимодействии клиента и сервера возникает также задача трансляции кодов. Сервер может работать с одной кодовой таблицей (например, EBCDIC), клиент - с другой (например, ASCII), при этом происходит рассогласование трактовки кодов символов. Поэтому, если на локальном узле используется одна кодовая таблица, а на удаленном - другая, то при передаче запросов по сети и при получении ответов на них необходимо обеспечить трансляцию кодов. Решение этой задачи также ложится на коммуникационный сервер.

В реальной жизни сервер базы данных должен обслуживать одновременно множество запросов от клиентов - следовательно, в один момент времени таких пар «клиент-сервер» может быть несколько. Таким образом, все проблемы взаимодействия должны решаться коммуникационным сервером для всех этих взаимодействующих пар.

Системы с архитектурой "один-к-одному" для обслуживания сервером базы данных одновременно множества клиентов вынуждены загружать отдельный коммуникационный сервер для каждой пары "клиент-сервер". В результате нагрузка на операционную систему увеличивается, резко возрастает общее число ее процессов, расходующих вычислительные ресурсы. Это - один из недостатков архитектуры "один-к-одному".

Именно поэтому для современных распределенных СУБД важно иметь многопотоковый коммуникационный сервер, который берет на себя задачи сетевой поддержки множества клиентов, одновременно обращающихся к серверу.
На каждом узле сети он поддерживает множество пар соединений "клиент- сервер" и позволяет существовать одновременно множеству независимых сеансов работы с базами данных.

С точки зрения клиента доступ к распределенной базе данных должен выглядеть точно так же, как доступ к централизованной БД. При организации прозрачного доступа к распределенной базе данных возникают следующие задачи:

. Управление именами в распределенной среде;

. Оптимизация распределенных запросов;

. Управление распределенными транзакциями.

Первая решается путем использования глобального словаря данных. Он хранит информацию о распределенной базе: расположение данных, возможности других СУБД (если используется шлюз), сведения о скорости передачи по сети с различной топологией и т.д.

Глобальный словарь данных - это механизм отслеживания расположения объектов в распределенной БД. Данные могут храниться на локальном узле, на удаленном узле, или на обоих узлах - их расположение должно оставаться прозрачным как для конечного пользователя, так и для программ. Не нужно явным образом указывать место расположения данных - программа должна быть полностью независима от того, на каких узлах размещаются данные, с которыми она оперирует.

Что касается второй задачи, то она требует интеллектуального решения.
Распределенный запрос затрагивает несколько баз данных на различных узлах, причем объемы выборки могут быть весьма различными. Возможны ситуации, когда результирующая таблица запроса представляет собой объединение (join) двух таблиц, причем одна из них находится на локальном узле, а другая - на удаленном. Данный запрос - распределенный, так как затрагивает таблицы, принадлежащие различным базам данных. Для его нормального выполнения необходимо иметь обе исходные таблицы на одном узле. Следовательно, одна из таблиц должна быть передана по сети. Очевидно, что это должна быть таблица меньшего размера. Поэтому оптимизатор распределенных запросов обязательно должен учитывать размеры таблиц. В противном случае запрос будет выполняться непредсказуемо долго.

Помимо размера таблиц, оптимизатор распределенных запросов должен учитывать также множество дополнительных параметров, в том числе статистику распределения данных по узлам, объем данных, передаваемых между узлами, скорость коммуникационных линий, структуры хранения данных, соотношение производительности процессоров на разных узлах и т.д. Все эти данные как раз и содержатся в глобальном словаре данных.

Решение всех трех задач, возложено на специальный компонент СУБД - сервер распределенных баз данных (Distributed Database Server).

Если база данных расположена на одном узле, а сервер БД и прикладная программа выполняются там же, то не требуется ни коммуникационный сервер, ни сервер распределенной БД. Когда же прикладная программа выполняется на локальном узле, БД находится на удаленном узле и там же выполняется сервер
БД, то на удаленном узле необходим коммуникационный сервер, а на локальном
- сервисная коммуникационная программа.

Если локальные БД расположены на нескольких узлах, то для доступа к распределенной БД необходим и сервер распределенной БД, и коммуникационный сервер.

Важнейшее требование к современным СУБД - межоперабельность (или интероперабельность). Это качество можно трактовать как открытость системы, позволяющую встраивать ее как компонент в сложную разнородную распределенную среду. Межоперабельность достигается как за счет использования интерфейсов, соответствующих международным, национальным и промышленным стандартам, так и за счет специальных решений.

Для СУБД это качество означает следующее:

. способность приложений, созданных средствами разработки данной СУБД, оперировать над базами данных в "чужом" формате так, как будто это собственные базы данных;

. свойство СУБД, позволяющее ей служить в качестве поставщика данных для любых приложений, созданных средствами разработки третьих фирм, поддерживающих некоторый стандарт обращения к базам данных.

Первое достигается использованием шлюзов, второе - использованием интерфейсов ODBC (Open Database Connectivity) и BDE (Borland Database
Engine).

Современные информационные системы требуют доступа к разнородным базам данных. Это означает, что в прикладной программе для реализации запросов к базам данных должны быть использованы такие средства, чтобы запросы были понятны различным СУБД, как реляционным, так и опирающимся на другие модели данных. Одним из возможных путей является обобщенный набор различных диалектов языка SQL.

Существует альтернатива технологии распределенных БД - тиражирование данных. Принципиальное отличие технологии тиражирования данных от технологии распределенных баз данных (которую часто для краткости называют технологией STAR) заключается в отказе от распределенных данных. Ее суть состоит в том, что любая БД (как для СУБД, так и для работающих с ней пользователей) всегда является локальной; данные всегда размещаются локально на том узле сети, где они обрабатываются; все транзакции в системе завершаются локально.

Тиражирование данных - это асинхронный перенос изменений объектов исходной базы данных (source database) в БД, принадлежащие различным узлам распределенной системы. Функции тиражирования данных выполняет специальный модуль СУБД - сервер тиражирования данных, называемый репликатором
(replicator). Его задача - поддержка идентичности данных в принимающих базах данных (target database) данным в исходной БД. Сигналом для запуска репликатора служит срабатывание триггера, перехватывающего любые изменения тиражируемого объекта БД. Возможно и программное управление репликатором посредством сигнализаторов о событиях в базе данных.

В качестве базиса для тиражирования выступает транзакция к БД. В то же время возможен перенос изменений группами транзакций, периодически или в некоторый момент времени, что дает возможность исследовать состояние принимающей БД на определенный момент времени.

Детали тиражирования данных полностью скрыты от прикладной программы; ее функционирование никак не зависит от работы репликатора, который целиком находится в ведении администратора БД. Следовательно, для переноса программы в распределенную среду с тиражируемыми данными не требуется ее модифицировать.

Особенность технологии распределенных БД - синхронное завершение транзакций одновременно на нескольких узлах распределенной системы, то есть синхронная фиксация изменений в распределенной БД. Недостаток технологии
STAR - жесткие требования к производительности и надежности каналов связи.
Если БД распределена по нескольким территориально удаленным узлам, объединенным медленными и ненадежными каналами связи, а число одновременно работающих пользователей составляет десятки и выше, то вероятность того, что распределенная транзакция будет зафиксирована в обозримом временном интервале, становится чрезвычайно малой. В таких условиях обработка распределенных данных практически невозможна.

Реальной альтернативой технологии STAR является технология тиражирования данных, не требующая синхронной фиксации изменений. В действительности далеко не во всех задачах требуется обеспечение идентичности БД на различных узлах в любое время. Достаточно поддерживать тождественность данных лишь в определенные критичные моменты времени.
Следовательно, можно накапливать изменения в данных в виде транзакций в одном узле и периодически копировать эти изменения на другие узлы.

Преимущества технологии тиражирования данных:

1. Данные всегда расположены там, где они обрабатываются - следовательно, скорость доступа к ним существенно увеличивается.

2. Передача только операций, изменяющих данные (а не всех операций доступа к удаленным данным, как в технологии STAR), и к тому же в асинхронном режиме позволяет значительно уменьшить трафик.

3. Со стороны исходной БД для принимающих БД репликатор выступает как процесс, инициированный одним пользователем, в то время как в физически распределенной среде с каждым локальным сервером работают все пользователи распределенной системы, конкурирующие за ресурсы друг с другом.

4. Никакой продолжительный сбой связи не в состоянии нарушить передачу изменений. Дело в том, что тиражирование предполагает буферизацию потока изменений (транзакций); после восстановления связи передача возобновляется с той транзакции, на которой тиражирование было прервано.

Технология тиражирования данных имеет и недостатки, вытекающие из ее специфики. Например, невозможно полностью исключить конфликты между двумя версиями одной и той же записи. Они могут возникнуть, когда вследствие асинхронности передачи данных два пользователя на разных узлах исправят одну и ту же запись в тот момент, пока изменения в данных из первой базы данных еще не были перенесены во вторую. Следовательно, при проектировании распределенной среды с использованием технологии тиражирования данных необходимо предусмотреть конфликтные ситуации и запрограммировать репликатор на какой-либо вариант их разрешения.

1.4 Взаимодействие с PC-ориентированными СУБД

Первоначально профессиональные СУБД создавались для мощных высокопроизводительных платформ - IBM, DEC, Helwett-Packard, Sun. Но затем, учитывая все возрастающую популярность и широкое распространение персональных компьютеров, разработчики приступили к переносу (портированию)
СУБД в операционные среды desktop-компьютеров (OS/2, NetWare, UnixWare, SCO
UNIX).

В настоящее время большинство компаний - поставщиков СУБД развивает три направления своих систем. Во-первых, совершенствование СУБД для корпоративных информационных систем, которые характеризуются большим числом пользователей (от 100 и выше), базами данных огромного объема (их часто называют сверхбольшими базами данных - Very Large Data Base - VLDB), смешанным характером обработки данных (решение задач оперативной обработки транзакций и поддержки принятия решений) и т.д. Это - традиционная область mainframe-систем и приближающихся к ним по производительности RISC- компьютеров.

Другое направление - СУБД, поддерживающие так называемые рабочие группы. Это направление характеризуется относительно небольшим количеством пользователей с сохранением, тем не менее, всех "многопользовательских" качеств. Системы этого класса ориентированы преимущественно на "офисные" применения, не требующие специальных возможностей. Так, большинство современных многопользовательских СУБД имеют версии системы, функционирующие в сетевой операционной системе Novell NetWare. Ядро СУБД оформлено здесь как загружаемый модуль NetWare (NetWare Loadable Module -
NLM), выполняющийся на файловом сервере. База данных также располагается на файловом сервере. SQL-запросы поступают к ядру СУБД от прикладных программ, которые запускаются на станциях сети - персональных компьютерах (отметим, что, несмотря на использование файлового сервера, здесь мы имеем дело с RDA- моделью).

Наконец, новый импульс в развитии получило направление настольных
(desktop) версий СУБД, ориентированных на персональное использование - преимущественно в операционной среде MS Windows (системы этого класса получили неформальное определение "light" или "local").

Стремление компаний - поставщиков СУБД иметь фактически по три варианта своих систем, покрывающих весь спектр возможных применений, выглядит для пользователей чрезвычайно привлекательно. Действительно, для специалиста исключительно удобно иметь на своем портативном компьютере локальную базу данных (постоянно используемую во время командировок) в том же формате и обрабатываемую по тем же правилам, что и стационарную корпоративную базу фирмы, куда собранные данные могут быть без труда доставлены.

В последние годы (1987-94) в нашей стране было разработано множество программ, ориентированных на использование СУБД типа PARADOX, FoxPRO, dBASE
IV, Clipper. При переходе на более мощную многопользовательскую СУБД у пользователей возникает естественное желание интегрировать уже существующие разработки в эту среду. Например, может возникнуть потребность хранить локальные данные на персональном компьютере и осуществлять к ним доступ с помощью системы FoxPRO, и одновременно иметь доступ к глобальной базе данных под управлением СУБД Oracle. Организация такого доступа, когда программа может одновременно работать и с персональной, и с многопользовательской СУБД, представляет собой сложную проблему по следующей причине.

Как известно, разработчики PC-ориентированных СУБД первоначально использовали свой собственный интерфейс к базам данных, никак не учитывая требования стандарта языка SQL. Лишь впоследствии они стали постепенно включать в свои системы возможности работы с базой данных при помощи SQL. В то же время для истинно многопользовательских СУБД интерфейс SQL - фактический стандарт. При этом возникла задача согласования интерфейсов
СУБД различных классов. Она может решаться несколькими способами, но большинство из них имеют частный характер. Рассмотрим наиболее общее решение этой задачи.

Специалисты фирмы Microsoft разработали стандарт Open Database
Connectivity (ODBC). Он представляет собой стандарт прикладного программного интерфейса прикладных (Application Programming Interface -
API) и позволяет программам, работающим в среде Microsoft Windows, взаимодействовать (посредством операторов языка SQL) с различными СУБД, как персональными, так и многопользовательскими, функционирующими в различных операционных системах. Фактически, интерфейс ODBC универсальным образом отделяет чисто прикладную, содержательную сторону приложений (обработка электронных таблиц, статистический анализ, деловая графика) от собственно обработки и обмена данными с СУБД. Основная цель ODBC - сделать взаимодействие приложения и СУБД прозрачным, не зависящим от класса и особенностей используемой СУБД (мобильным с точки зрения используемой
СУБД).

Отметим, что стандарт ODBC является неотъемлемой частью семейства стандартов, облегчающих написание и обеспечивающих вертикальную открытость приложений (WOSA - Windows Open Services Architecture - открытая архитектура сервисов системы Windows).

Интерфейс ODBC обеспечивает взаимную совместимость серверных и клиентских компонентов доступа к данным. Для реализации унифицированного доступа к различным СУБД было введено понятие драйвера ODBC
(представляющего собой динамически загружаемую библиотеку).

ODBC-архитектура содержит четыре компонента:

. приложение;

. менеджер драйверов;

. драйверы;

. источники данных.

Роли среди них распределены следующим образом. Приложение вызывает функции ODBC для выполнения SQL-инструкций, получает и интерпретирует результаты; менеджер драйверов загружает ODBC-драйверы, когда этого требует приложение; ODBC-драйверы обрабатывают вызовы функций ODBC, передают операторы SQL СУБД и возвращают результат в приложение; источник данных
(data source) - объект, скрывающий СУБД, детали сетевого интерфейса, расположение и полное имя базы данных и т.д.

Действия, выполняемые приложением, использующим интерфейс ODBC, сводятся к следующему. Для начала сеанса работы с базой данных приложение должно подключиться к источнику данных, ее скрывающему. Затем приложение обращается к базе данных, посылая SQL-инструкции, запрашивает результаты, отслеживает и реагирует на ошибки и т.д., то есть имеет место стандартная схема взаимодействия приложения и сервера БД, характерная для RDA-модели.
Важно, что стандарт ODBC включает функции управления транзакциями (начало, фиксация, откат транзакции). Завершив сеанс работы, приложение должно отключиться от источника данных.

Слой доступа к данным, подобный ODBC использует в своих продуктах компания Borland. Эта система носит название Borland Database Engine (BDE) и имеет некоторые преимущества по сравнению с ODBC.

1.5 Обработка транзакций

Транзакция представляет собой последовательность операторов языка SQL, которая рассматривается как некоторое неделимое действие над базой данных, осмысленное с точки зрения пользователя. В то же время, это логическая единица работы системы. Транзакция реализует некоторую прикладную функцию, например, перевод денег с одного счета на другой в банковской системе.

Существуют различные модели транзакций, которые могут быть классифицированы на основании различных свойств, включающих структуру транзакции, параллельность внутри транзакции, продолжительность и т.д. Чаще всего имеют в виду традиционные транзакции, характеризуемые четырьмя классическими свойствами: атомарности, согласованности, изолированности, долговечности (прочности) - ACID (Atomicity, Consistency, Isolation,
Durability). Иногда традиционные транзакции называют ACID-транзакциями.
Упомянутые выше свойства означают следующее:

1. Свойство атомарности выражается в том, что транзакция должна быть выполнена в целом или не выполнена вовсе.

2. Свойство согласованности гарантирует, что по мере выполнения транзакций данные переходят из одного согласованного состояния в другое - транзакция не разрушает взаимной согласованности данных.

3. Свойство изолированности означает, что конкурирующие за доступ к базе данных транзакции физически обрабатываются последовательно, изолированно друг от друга, но для пользователей это выглядит так, как будто они выполняются параллельно.

4. Свойство долговечности трактуется следующим образом: если транзакция завершена успешно, то те изменения в данных, которые были ею произведены, не могут быть потеряны ни при каких обстоятельствах

(даже в случае последующих ошибок).

Расширенные транзакции допускают формирование из ACID-транзакций иерархических структур. Если конкретная модель ослабляет некоторые из требований ACID, то речь идет об ослабленной транзакции.

Возможны два варианта завершения транзакции. Если все операторы выполнены успешно, и в процессе выполнения транзакции не произошло никаких сбоев программного или аппаратного обеспечения, транзакция фиксируется.

Фиксация транзакции - это действие, обеспечивающее запись на диск изменений в базе данных, которые были сделаны в процессе выполнения транзакции. До тех пор, пока транзакция не зафиксирована, возможно аннулирование этих изменений, восстановление базы данных в то состояние, в котором она была на момент начала транзакции. Фиксация означает, что все результаты выполнения транзакции становятся постоянными. Они станут видимыми другим транзакциям только после того, как текущая транзакция будет зафиксирована. До этого момента все данные, затрагиваемые транзакцией, будут "видны" пользователю в состоянии на начало текущей транзакции.

Если в процессе выполнения транзакции произошла ошибка, база данных должна быть возвращена в исходное состояние. Откат транзакции - это действие, обеспечивающее аннулирование всех изменений данных, которые были сделаны операторами SQL в теле текущей незавершенной транзакции.

Каждый оператор в транзакции выполняет свою часть работы, но для успешного завершения всей работы в целом требуется безусловное завершение их всех. Группирование операторов в транзакции сообщает СУБД, что вся эта группа должна быть выполнена как единое целое, причем такое выполнение должно поддерживаться автоматически.

В стандарте ANSI/ISO SQL определены модель транзакций и функции операторов COMMIT и ROLLBACK. Стандарт определяет, что транзакция начинается с первого SQL-оператора, инициируемого пользователем или содержащегося в программе. Все последующие SQL-операторы составляют тело транзакции. Транзакция завершается одним из четырех возможных способов:

. оператор COMMIT означает успешное завершение транзакции; его использование делает постоянными изменения, внесенные в базу данных в рамках текущей транзакции;

. оператор ROLLBACK прерывает транзакцию, отменяя изменения, сделанные в базе данных в рамках этой транзакции; новая транзакция начинается непосредственно после использования ROLLBACK;

. успешное завершение программы, в которой была инициирована текущая транзакция, означает успешное завершение транзакции (как будто был использован оператор COMMIT);

. ошибочное завершение программы прерывает транзакцию (как будто был использован оператор ROLLBACK).

Откат и фиксация транзакций становятся возможными благодаря журналу транзакций. Он используется следующим образом.

Известно, что все операции над реляционной базой данных - это операции над строками таблиц. Следовательно, для обеспечения отката таблиц к предыдущим состояниям достаточно хранить не состояния всей таблицы, а лишь те ее строки, которые подверглись изменениям.

При выполнении любого оператора SQL, который модифицирует базу данных,
СУБД автоматически заносит очередную запись в журнал транзакций. Запись состоит из двух компонентов: первый - это состояние строки до внесения изменений, второй - ее же состояние после внесения изменений. Только после занесения записи в журнал транзакций (идеология «write ahead log»), СУБД действительно модифицирует базу данных. Если после данного оператора SQL был выполнен оператор COMMIT, то в журнале транзакций делается отметка о завершении текущей транзакции. Если же после оператора SQL следовал оператор ROLLBACK, то СУБД просматривает журнал транзакций и отыскивает записи, отражающие состояние измененных строк до модификации. Используя их,
СУБД восстанавливает те строки в таблицах базы данных, которые были модифицированы текущей транзакцией - таким образом аннулируются все изменения в базе данных.

Важные проблемы многопользовательских СУБД связаны с организацией с помощью механизма транзакций одновременного доступа множества пользователей к одним и тем же данным. Они кратко могут быть сформулированы как потеря изменений, незафиксированные изменения и ряд других, более сложных проблем.

Потеря изменений происходит в ситуации, когда две или несколько программ читают одни и те же данные, вносят в них какие-либо изменения и затем пытаются одновременно записать результат по прежнему месту.
Разумеется, в базе данных могут быть сохранены изменения, выполненные только одной программой - другие изменения будут потеряны.

Проблема незафиксированных изменений возникает в случае, когда в процессе выполнения транзакции одной программой в данные были внесены изменения, которые тут же прочитала другая программа, однако затем в первой программе транзакция была прервана оператором ROLLBACK. Получается, что вторая программа прочитала неверные, незафиксированные данные.
Для устранения подобных проблем применяются следующие правила:

1. В процессе выполнения транзакции пользователь (или программа)

"видит" только согласованные состояния базы данных. Пользователь

(или программа) никогда не может получить доступ к незафиксированным изменениям в данных, достигнутым в результате действий другого пользователя (программы).

2. Если две транзакции, A и B, выполняются параллельно, то СУБД полагает, что результат будет такой же, как если бы:

. транзакция A выполнялась первой, а за ней была выполнена транзакция B;

. транзакция B выполнялась первой, а за ней была выполнена транзакция A.

Это так называемая сериализация транзакций. Фактически она гарантирует, что каждый пользователь (программа), обращающаяся к базе данных, работает с ней так, как будто не существует других пользователей
(программ), одновременно с ним обращающихся к тем же данным. Для практической реализации этой дисциплины большинство коммерческих СУБД используют механизм блокировок.

Транзакции могут попасть в тупиковую ситуацию, состояние неразрешимой взаимоблокировки. Для её предотвращения СУБД периодически проверяет блокировки, установленные активными транзакциями. Если СУБД обнаруживает взаимоблокировки, она выбирает одну из транзакций, вызвавшую ситуацию взаимоблокировки, и прерывает ее. Это освобождает данные для внесения изменений конкурирующей транзакцией, разрешая тупиковую ситуацию.
Программа, которая инициировала прерванную транзакцию, получает сообщение об ошибке, информирующее ее о причине прерывания (имела место тупиковая ситуация). Избежать их может и правильная стратегия внесения изменений в базу данных. Одним из наиболее простых и эффективных правил может быть следующее: все программы, которые обновляют одни и те же таблицы, должны, по мере возможности, делать это в одинаковой последовательности.

В современных СУБД предусмотрен так называемый протокол двухфазовой
(или двухфазной) фиксации транзакций (two-phase commit). Фаза 1 начинается, когда при обработке транзакции встретился оператор COMMIT. Сервер распределенной БД (или компонент СУБД, отвечающий за обработку распределенных транзакций) направляет уведомление "подготовиться к фиксации" всем серверам локальных БД, выполняющим распределенную транзакцию. Если все серверы приготовились к фиксации (то есть откликнулись на уведомление и отклик был получен), сервер распределенной БД принимает решение о фиксации. Серверы локальных БД остаются в состоянии готовности и ожидают от него команды "зафиксировать". Если хотя бы один из серверов не откликнулся на уведомление в силу каких-либо причин, будь то аппаратная или программная ошибка, то сервер распределенной БД откатывает локальные транзакции на всех узлах, включая даже те, которые подготовились к фиксации и оповестили его об этом.

Фаза 2 - сервер распределенной БД направляет команду "зафиксировать" всем узлам, затронутым транзакцией, и гарантирует, что транзакции на них будут зафиксированы. Если связь с локальной базой данных потеряна в интервал времени между моментом, когда сервер распределенной БД принимает решение о фиксации транзакции и моментом, когда сервер локальной БД подчиняется его команде, то сервер распределенной БД продолжает попытки завершить транзакцию, пока связь не будет восстановлена.

1.6 Средства защиты данных в СУБД

Существенным аспектом современных СУБД является защита данных. В самом общем виде требования к безопасности реляционных СУБД формулируются так:

. данные в любой таблице должны быть доступны не всем пользователям, а лишь некоторым из них

. некоторым пользователям должно быть разрешено обновлять данные в таблицах, в то время как для других допускается лишь выбор данных из этих же таблиц

. для некоторых таблиц необходимо обеспечить выборочный доступ к ее столбцам

. некоторым пользователям должен быть запрещен непосредственный (через запросы) доступ к таблицам, но разрешен доступ к этим же таблицам в диалоге с прикладной программой.
Схема доступа к данным во всех реляционных СУБД выглядит примерно одинаково и базируется на трех принципах:

. Пользователи СУБД рассматриваются как основные действующие лица, желающие получить доступ к данным. СУБД от имени конкретного пользователя выполняет операции над базой данных, то есть добавляет строки в таблицы (INSERT), удаляет строки (DELETE), обновляет данные в строках таблицы (UPDATE). Она делает это в зависимости от того, обладает ли конкретный пользователь правами на выполнение конкретных операций над конкретным объектом базы данных.

. Объекты доступа - это элементы базы данных, доступом к которым можно управлять (разрешать доступ или защищать от доступа). Обычно объектами доступа являются таблицы, однако ими могут быть и другие объекты базы данных - формы, отчеты, прикладные программы и т.д.

Конкретный пользователь обладает конкретными правами доступа к конкретному объекту.

. Привилегии (priveleges) - это операции, которые разрешено выполнять пользователю над конкретными объектами.

Таким образом, в СУБД авторизация доступа осуществляется с помощью привилегий. Установление и контроль привилегий - задача администратора базы данных.

Привилегии устанавливаются и отменяются специальными операторами языка
SQL - GRANT (ПЕРЕДАТЬ) и REVOKE (ОТОБРАТЬ). Оператор GRANT указывает конкретного пользователя, который получает конкретные привилегии доступа к указанной таблице.

Конкретный пользователь СУБД опознается по уникальному идентификатору
(user-id). Любое действие над базой данных, любой оператор языка SQL выполняется не анонимно, но от имени конкретного пользователя.
Идентификатор пользователя определяет набор доступных объектов базы данных для конкретного физического лица или группы лиц. Однако он ничего не сообщает о механизме его связи с конкретным оператором SQL. Для этого в большинстве СУБД используется сеанс работы с базой данных. Для запуска на компьютере-клиенте программы переднего плана (например, интерактивного SQL) пользователь должен сообщить СУБД свой идентификатор и пароль. Все операции над базой данных, которые будут выполнены после этого, СУБД свяжет с конкретным пользователем, который запустил программу.

Некоторые СУБД (Oracle, Sybase, InterBase) используют собственную систему паролей, в других (Ingres, Informix, MS SQL Server) применяется идентификатор пользователя и его пароль из операционной системы.

Для облегчения процесса администрирования большого количества пользователей их объединяют в группы. Традиционно применяются два способа определения групп пользователей:

1. Один и тот же идентификатор используется для доступа к базе данных целой группы физических лиц. Это упрощает задачу администратора базы данных, так как достаточно один раз установить привилегии для этого

"обобщенного" пользователя. Однако такой способ в основном предполагает разрешение на просмотр, быть может, на включение, но ни в коем случае - на удаление и обновление. Как только идентификатор

(и пароль) становится известен большому числу людей, возникает опасность несанкционированного доступа к данным посторонних лиц.

2. Конкретному физическому лицу присваивается уникальный идентификатор.

В этом случае администратор базы данных должен позаботиться о том, чтобы каждый пользователь получил собственные привилегии. Если количество пользователей базы данных возрастает, то администратору становится все труднее контролировать привилегии. В организации, насчитывающей свыше 100 пользователей, решение этой задачи потребует от него массу внимания.

3. Поддержка, помимо идентификатора пользователя, еще и идентификатора группы пользователей. Каждый пользователь, кроме собственного идентификатора, имеет также идентификатор группы, к которой он принадлежит. Чаще всего группа пользователей соответствует структурному подразделению организации, например, отделу. Привилегии устанавливаются не только для отдельных пользователей, но и для их групп.

Одна из проблем защиты данных возникает по той причине, что с базой данных работают как прикладные программы, так и пользователи, которые их запускают. Часто необходимость запуска некоторых прикладных программ пользователями, которые обладают различными правами доступа к данным, приводит к нарушению схемы безопасности.

Одно из решений проблемы заключается в том, чтобы прикладной программе также были приданы некоторые привилегии доступа к объектам базы данных. В этом случае пользователь, не обладающий специальными привилегиями доступа к некоторым объектам базы данных, может запустить прикладную программу, которая имеет такие привилегии.

В СУБД Ingres и Oracle это решение обеспечивается механизмом ролей
(role). Роль представляет собой именованный объект, хранящийся в базе данных. Роль связывается с конкретной прикладной программой для придания последней привилегий доступа к базам данных, таблицам, представлениям и процедурам базы данных. Роль создается и удаляется администратором базы данных, ей может быть придан определенный пароль. Как только роль создана, ей можно предоставить привилегии доступа к объектам базы данных.

Современные информационные системы обеспечивают также другую схему безопасности - обязательный или принудительный контроль доступа (mandatory access control). Он основан на отказе от понятия владельца данных и опирается на так называемые метки безопасности (security labels), которые присваиваются данным при их создании. Каждая из меток соответствует некоторому уровню безопасности. Метки служат для классификации данных по уровням.

Так как данные расклассифицированы по уровням безопасности метками, конкретный пользователь получает ограниченный доступ к данным. Он может оперировать только с данными, расположенными на том уровне секретности, который соответствует его статусу. При этом он не является владельцем данных.

Эта схема безопасности опирается на механизм, позволяющий связать метки безопасности с каждой строкой любой таблицы в базе данных. Любой пользователь может потребовать в своем запросе отобразить любую таблицу из базы данных, однако увидит он только те строки, у которых метки безопасности не превышают уровень его компетенции.

Это означает, например, что строки таблицы, отмеченные как строки уровня максимальной безопасности, может увидеть только тот пользователь, у которого уровень безопасности - наивысший. Пользователи определенного уровня секретности могут видеть строки таблицы, отмеченные для их уровня безопасности, равно как и для всех уровней ниже данного. СУБД проверяет уровень безопасности пользователя и, в ответ на его запрос, возвращает только те строки таблицы, которые удовлетворяют запросу и соответствуют этому уровню.

По оценкам экспертов, концепция многоуровневой безопасности в ближайшие годы будет использована в большинстве коммерческих СУБД.

1.7 Применение CASE-средств для информационного моделирования в системах обработки данных .

В условиях рынка все большее число компаний осознают преимущества использования информационных систем (ИС). Чтобы получить выгоду от использования информационной системы, ее следует создавать в короткие сроки и с уменьшенными затратами. Кроме того, информационная система должна быть легко сопровождаемой и управляемой.

Создание информационной системы предприятия - сложный и многоступенчатый процесс, который содержит фазу информационного моделирования. Информационная модель - это спецификация структуры данных и бизнес правил (правил предметной области). Для построения информационной модели предприятия используют так называемые CASE-средства.

Computer Aided Software Engineering (CASE) - это технология автоматизированного проектирования информационных систем, позволяющая значительно ускорить процесс их разработки, сократить затраты труда, а также повысить качество проектирования.

Под этим следует понимать совокупность методов и средств, применяемых в программной инженерии.

Основное отличие методов программной инженерии от непосредственного программирования, во-первых, то, что программная инженерия отделяет анализ и проектирование от программирования (кодирования) как такового. Во-вторых, программная инженерия выделяет в общем ходе разработки различные типы деятельности, выполняемые на различных фазах жизненного цикла.

Стандартный подход выделяет в жизненном цикле программной разработки несколько этапов:

. анализ;

. проектирование;

. программирование;

. тестирование;

. сопровождение.

Первоначально считалось, что эти этапы проходят последовательно. В настоящее время принята модель так называемой быстрой прототипизации, в которой возвраты к началу основной последовательности происходят регулярно, с каждым циклом проектирования. Другими словами требуется одновременное выполнение всех задач всех фаз жизненного цикла, что не отменяет разделение действий в соответствии с фазами процесса проектирования.

Такое возможно только с использованием CASE-средств.

На этапах анализа и проектирования принимаются решения, которые оказывают решающее влияние на конечный продукт. Поэтому обычно CASE- средства применяют прежде всего на этих этапах.

Основной частью этапа проектирования является построение информационной модели объекта. При разработке прикладной системы по схеме
“сверху - вниз”, информационная модель постепенно дополняется и детализируется.

На завершающий стадии этапа проектирования на основе информационной модели выполняется генерация объектов БД: таблиц, индексов, ключей последовательностей и т.д.

2. Реализация распределенной базы данных с удаленным доступом

В качестве примера реализации распределенной базы данных рассмотрим информационную систему для автоматизации расчетов с абонентами АО
«Связьинформ» РМ.

В данной организации возникает задача учета финансовых поступлений за оказанные услуги связи. Сейчас для ее выполнения используется программный комплекс «Парус», который реализует часть необходимых функций. В последнее время возникла задача повременной тарификации и учета проведенных телефонных разговоров, что приводит к резкому увеличению объемов данных, циркулирующих в системе. Кроме того, для выработки политики тарификации услуг связи необходимо анализировать объем и структуру начислений, что требует постоянного хранения данных об оказанных услугах. С увеличением потока информации необходимо увеличить число операторских мест для занесения данных, следовательно система должна хорошо работать в многопользовательской среде. Программа «Парус» построена по идеологии настольных систем и поэтому её перенос в сетевую среду возможен только по архитектуре файл-сервера. Такой подход отличается плохой масштабируемостью и делает практически невозможной работу удаленных пользователей,
Существующая система не может обрабатывать накапливаемый объем данных, поэтому возникает необходимость создания новой системы обработки информации, построенной по идеологии клиент-сервер.

Основные требования к системе таковы:

система автоматизации расчетов с абонентами должна обрабатывать данные по имеющимся клиентам; система должна учитывать начисления по оказанным услугам; система должна учитывать оплату, поступившую с клиента за оказанные услуги; система должна иметь механизм регистрации изменений и возможность отката к одному из предыдущих состояний; система должна обеспечивать возможность оперативного доступа к информации; система должна иметь развитые механизмы обеспечения информационной безопасности (защита от несанкционированного доступа, избыточность хранения информации).

2.1 Анализ существующей системы

Для определения потребностей в построении системы расчета с абонентами и определения её структуры проведем анализ уже существующей схемы обмена данными.

Схема функционирования организации в первом приближении такова:

1. АО «Связьинформ» оказывает своим клиентам услуги в области связи.

2. Клиенты оплачивают оказанные услуги.

[pic]

Рис.2.1. Схема функционирования в первом приближении.

Внутренняя структура предприятия в самом общем виде может быть представлена следующим образом:

1. Имеется центральное отделение (управление связи), которое осуществляет контроль за деятельностью всего предприятия.

2. В каждом районе Республики Мордовия функционируют районные узлы связи (РУС) или эксплуатационно-технические узлы связи (ЭТУС), которые напрямую подчиняются управлению связи.

3. Существуют филиалы АО «Связьинформ», такие как ГТС, МТС, СТС и т.д.

4. Каждое из подразделений направляет в управлений связи ежемесячные отчеты.

Существующая система обмена информацией и её хранения такова:

1. Расчет за услуги связи каждый клиент проводит с РУС или ЭТУС по месту установки телефона.

2. В каждом из РУС или ЭТУС установлен персональный компьютер, на котором функционирует программный комплекс «Парус». В конце каждого месяца проводится расчет за услуги связи, в соответствие с которым выставляются счета клиентам.

3. Отчеты по проведенным расчетам пересылаются по электронной почте в управление связи.

Недостатки этой схемы проявляются в отсутствии оперативного доступа к информации по предоставленным услугам и поступившим средствам, низкой нагрузочной способности системы, невозможности анализа данных за достаточно длительный промежуток времени.

2.2 Новая схема обмена информацией

Учитывая перечисленные недостатки возникла необходимость организации единого информационного пространства для решения поставленных задач. Суть решения в следующем:

1. Провести установку в каждом из РУС или ЭТУС серверов для обработки и хранения данных по отдельно взятому району.

2. В управлении связи установить сервер, который будет хранить данные расчетов с абонентами по всей республике Мордовия.

3. Наладить каналы связи между районными узлами и управлением.

4. Построить распределенную базу данных по расчетам за услуги связи по всей Мордовии.

5. Разместить полученную базу на районных серверах с репликацией данных на сервер управления связи.

6. Для тех районов, установка в которых выделенных серверов экономически нецелесообразна, обеспечить удаленный доступ к базам данных других районов.

[pic]

Рис. 2.2. Идеология информационной системы расчетов с абонентами.

Данная схема обладает следующими достоинствами по сравнению с предыдущей:

1. За счет использования выделенных серверов резко возрастает нагрузочная способность системы.

2. Из-за использования технологии клиент-сервер снижается трафик в каналах связи, что позволяет получить оперативный доступ к информации, находящейся на удаленном сервере.

3. Появляется возможность централизованного администрирования полученной системы.

4. Возможно гибкое распределение прав пользователей на доступ к данным.

5. За счет реализации принципа избыточности при хранении данных повышается надежность хранения. (В любой момент времени в системе существует две копии данных: одна на сервере управления связи, другая распределена между районными серверами).

6. Возможно практически неограниченное масштабирование системы.

2.3 Выбор операционной системы

В данное время на рынке операционных систем широко представлены несколько продуктов:

. UNIX-системы

. Системы семейства Novell NetWare

. Системы на основе Windows NT

К достоинствам систем UNIX (Solaris, AIX, Linux, BSD UNIX, UNIX System
V) относится вытесняющая многозадачность, стабильность, высокая производительность, поддержка мультипроцессорных систем и систем с массовым параллелизмом. Эти системы представлены на рынке очень давно, что позволяет говорить об их надежности. К их недостаткам относится высокая стоимость программного и аппаратного обеспечения (большинство систем функционируют на
RISC платформах). Кроме того, системы на базе UNIX сложны в администрировании и слабо стандартизованы, что затрудняет построение на их основе интегрированных решений.

Системы на основе Novell NetWare построены на основе корпоративной многозадачности, что делает практически невозможным их применение в качестве серверов приложений и баз данных. Длительная транзакция со стороны одного из клиентов сервера Novell NetWare приводит к невозможности доступа других клиентов к ресурсам сервера. Все процессы на сервере выполняются в нулевом кольце защиты процессора, таким образом ошибка в одном из них с большой вероятностью приводит к краху всей системы вплоть до потери файлов. Это приводит к невозможности выполнения пользовательских процессов на сервере. В настоящее время системы на базе Novell NetWare используются в большинстве случаев как файл-серверы.

Системы Windows NT появились на рынке достаточно давно, но широкое распространение они получили только с момента выхода версии 3.5.
В них реализована вытесняющая многозадачность, что делает эти системы хорошей основой для серверов приложений. Системы на базе Windows NT отвечают требованиям уровня безопасности C2 Министерства обороны США, что позволяет их использовать в самых ответственных приложениях. Windows NT функционирует как на платформе Intel, так и на RISC платформах, что дает возможность легко наращивать мощность системы по мере увеличения потока данных. Так как в качестве клиентских мест в системе будут использоваться компьютеры под управлений Windows 95/Windows 3.11, использование Windows NT в качестве сервера позволит создать целостную информационную систему.
Следует учитывать также и наличие достаточно большого количества программистов, имеющих опыт работы с Windows 95, которые могут после дополнительной подготовки разрабатывать серверные части приложений под управлением Windows NT.

Учитывая тенденции развития рынка операционных систем в качестве платформы для реализации информационной системы выбрана Windows NT 4.0.

2.4 Выбор сервера баз данных

Основные требования, предъявляемые к серверу баз данных таковы:

. Хорошая масштабируемость

. Высокая производительность

. Легкость в администрировании

. Наличие мощных инструментов для разработки приложений

. Низкая цена рабочего места

В настоящее время на рынке серверов баз данных представлено множество систем. Среди них Oracle, Informix, Sybase, Open Ingres, IBM DB2, Borland
InterBase, Microsoft SQL Server и др.

Одна из особенностей поставленной задачи - установка серверов баз данных в районах Республики Мордовия. При этом особую роль играет отсутствие в местах установки серверов квалифицированных администраторов, способных управлять базой данных. Таким образом, одним из основных требований к серверу баз данных наряду с высокой производительностью и хорошей масштабируемостью является простота администрирования. Кроме того, сервер должен поддерживать распределенные базы данных.

Исходя из сравнительных характеристик данных серверов баз данных в качестве платформы для реализации корпоративной информационной системы был выбран сервер Borland InterBase 4.0 для Windows NT.

Borland InterBase Workgroup Server - сервер реляционных баз данных, оптимизированный для реализации технологии upsizing (укрупнения) многопользовательских приложений.

Версия InterBase 4.0 - сервера, традиционно доступного на всех основных UNIX-платформах (IBM, Sun, HP), оптимизирована для использования на Novell NetWare и Windows NT и обладает рядом функций, обязательных для современного SQL-сервера баз данных. К таким функциям относятся наличие хранимых процедур, расширенная поддержка триггеров, декларативная ссылочная целостность и т.д. Эти функции соответствуют стандарту ANSI/ISO SQL92 или, где возможно, проекту SQL3.

Важной особенностью InterBase является поддержка технологии C/S
Express. Это особенно полезно при использовании InterBase 4.0 в качестве upsizing средства, т.к. позволяет сохранить привычную навигационную нотацию файл-серверной модели при переходе к архитектуре C/S.

Возможность обеспечивать как навигационный, так и SQL доступ к данным, является уникальной и делает InterBase 4.0, привлекательным средством для построения информационных систем различного масштаба - от небольшой рабочей группы до целого предприятия.

Borland InterBase Workgroup Server обладает рядом свойств, позволяющих решать задачи оперативной обработки транзакций и обеспечивать режим поддержки принятия решений. Среди таких свойств важнейшими являются технология многоверсионности (Versioning Engine), поддержка распределенных баз данных и наличие нестандартных типов данных.

Технология многоверсионности ядра обеспечивает бесконфликтный доступ к данным за счет ведения нескольких поколений записей. Когда транзакция модифицирует запись, InterBase создает новую запись. Во многих случаях новая запись представляет собой компактную запись изменений. InterBase связывает все такие записи и образует многоверсионную запись. Когда транзакция стартует, ей доступна наиболее поздняя версия записи, созданная завершенной транзакцией.

Если в процессе работы длинной транзакции, такой как получение архивной копии базы данных, будут внесены изменения в базу данных, это не нарушит целостный вид архивной копии, так как эта транзакция имеет дело с предыдущей версией записи. Таким образом, транзакция по чтению никогда не конфликтует с транзакцией по записи.

Побочным эффектом такой архитектуры является повышенная готовность системы, т.к. в случае аппаратных сбоев осуществляется откат к предыдущему состоянию с отменой незавершенных транзакций и результата их работы по обновлению базы данных.

Предыдущие версии записей ведутся до тех пор, пока существует активная транзакция, начавшаяся до момента модификации данной версии. Версии записи, более старые, чем самая старая активная транзакция, удаляются из системы следующей транзакцией с освобождением занимаемых системных ресурсов.

Технология построения InterBase позволяет создавать распределенные базы данных и обеспечивает возможность для приложения-клиента открыть необходимое количество БД, что обеспечивается механизмом двухфазной фиксации транзакций (two-phase commit).

Помимо общепринятых типов данных, таких как алфавитно-цифровая информация, даты и т.д., InterBase обладает возможностью работы с неструктурированными данными, сохраняя их в виде объектов типа BLOB (Binary
Large Objects - большие двоичные объекты). В виде BLOB может быть сохранена любая двоичная информация: изображения, оцифрованный звук, исполняемые модули программ. Особенностью реализации BLOB в InterBase является сегментированный доступ к ним, что позволяет увеличить производительность прикладных систем.

Другим нетрадиционным типом данных, допустимым в InterBase, является многомерный массив. В InterBase в качестве поля записи может быть сохранен массив произвольных данных (кроме BLOB) с размерностью от 1 до 16. Наличие такого типа данных позволяет эффективно строить приложения, работающие в финансовой, промышленной и научно-исследовательской области.

InterBase предлагает разработчику прикладных систем ряд возможностей по реализации активных функций ядра. Это позволяет перенести часть приложения с компьютера - клиента на сервер, что повышает производительность и облегчает сопровождение прикладных систем

Декларативная целостность обеспечивает непротиворечивость данных на сервере. В отличие от реализации целостности с помощью триггеров декларативная целостность проще в применении и отладке. Существуют четыре категории средств обеспечения декларативной целостности:

. Unique and Primary Key (уникальный первичный ключ) - гарантирует уникальность значения ключевого поля записи;

. Referential Integrity (ссылочная целостность) - гарантирует соответствие значения ключевого поля записи подчиненной таблицы значению ключевого поля в главной таблице;

. Check Constraint (ограничение допустимости) - гарантирует, что правило допустимости, связанное с данным ограничением, истинно для каждой записи в таблице;

. Domain (домен) - позволяет создать новые подтипы с описанием допустимых значений и значений по умолчанию.

. Хранимые процедуры - хранимые процедуры InterBase соответствуют проекту ANSI/ISO SQL 3. В хранимых процедурах допустимы конструкции begin....end, if...then...else, while, for, when и т. д. Внутри хранимых процедур может быть предусмотрена обработка исключений.

Исключения затем могут быть обработаны, используя оператор WHEN.

Хранимые процедуры могут быть вложенными, а также рекурсивными, т.е. вызывать сами себя.

Триггеры - В InterBase возможно явное указание порядка выполнения триггеров, если триггерное условие выполняется для нескольких триггеров одновременно.

Сигнализаторы событий. InterBase полностью поддерживает механизм оповещения о событиях в базе данных.

PC-клиенты подключаются к InterBase 4.0 с помощью технологии интегрированного интерфейса к базам данных (Integrated Database Application
Programming Interface - IDAPI) фирмы Borland, которая является общей технологией промежуточного уровня, используемой в таких программных продуктах Borland, как Paradox и dBASE. Сегодня IDAPI поддерживает связь c dBASE и Paradox через ориентированный на интерактивную работу интерфейс, а подключение к InterBase, Oracle и Sybase - через ориентированный на работу с наборами интерфейс SQL (Borland SQL Link).

Альтернативным способом доступа к данным InterBase может быть технология ODBC. В комплект поставки InterBase входит ODBC драйвер, а все
IDAPI-приложения имеют возможность взаимодействовать с ODBC-совместимым источником данных.

С появлением InterBase 4.0 средства IDAPI поддерживают для InterBase
4.0 специальную технологию связи с базой данных, которая называется Express
Link. Являясь частью технологии IDAPI фирмы Borland, Express Link, минуя собственные средства персонального приложения, обеспечивает через IDAPI прямую связь между персональными приложениями и сервером InterBase.

Подобные функциональные возможности требуют наличия двух компонентов: драйвера и сервера, который может отвечать на команды персонального приложения. С помощью InterBase 4.0 сервер базы данных поддерживает две модели взаимодействия с сервером. С использованием Express Link, InterBase
4.0 может функционировать, как подлинный сервер для клиентов Paradox и dBASE с непосредственной поддержкой в механизме базы данных таких средств, как перемещение по записям и их обновление. Через динамические и встроенные вызовы SQL InterBase 4.0 может также поддерживать операционную среду для традиционных SQL-приложений.

Таким образом, InterBase 4.0 поддерживает две интерфейсных операционных среды:

. Технологию Express Link (использующую IDAPI) с поддержкой таких персональных инструментов, как dBASE, Paradox и другие продукты

Windows на базе IDAPI.

. SQL, позволяющую реализовать доступ на базе статических или динамических операторов SQL.

Основываясь на конкретных потребностях, приложение может свободно сочетать эти модели.

Для взаимодействия с сервером персональное приложение на PC, включая
Paradox и dBASE, может вызывать администратор IDAPI. Сами функции IDAPI по характеру выполняемой ими работы подразделяются на функции перемещения и функции SQL. Вызовы SQL в IDAPI основаны на спецификации X-Open Call Level
Interface, в то время как расширения вызовов персональных приложений IDAPI предназначены для реализации характерной технологии программирования персональных приложений. Для получения общей рабочей среды некоторые вызовы используются совместно как в режиме SQL, так и в режиме перемещения. Режим взаимодействия приложения с сервером InterBase 4.0 обычно определяется режимом текущего вызова IDAPI. Использование SQL или режима перемещения прозрачно для пользователя.

Для поддержки ориентированного на записи доступа обычно требуется выполнение на промежуточном уровне трансляции, преобразующей запросы персонального приложения в команды SQL. Например, чтобы открыть индексный курсор, транслирующий уровень строит оператор SQL с предложением Order By, соответствующим столбцам индекса, а затем выполняет его на сервере.
Фильтрующие выражения завершаются предложением Where сгенерированного оператора SQL. Сервер реляционной базы данных эмулирует через SQL семантику данных работающего с упорядоченной информацией персонального приложения, что ведет к заметному снижению производительности.

Позволяя открывать курсоры для таблиц и индексов без использования операторов SQL, InterBase 4.0 с помощью многопользовательской среды клиент- сервер обеспечивает производительность, близкую к производительности локального персонального приложения. Это означает, что когда курсор открывается для таблицы, то записи возвращаются в естественном порядке, а когда он открывается для индекса, то они возвращаются в отсортированном порядке.

Важным аспектом дизайна InterBase 4.0 является прямая, осуществляемая на уровне механизма базы данных поддержка подобных операций перебора. Для более быстрой выборки записей из таблиц и индексов InterBase 4.0 использует специальные структуры данных, алгоритмы и протоколы. Для подготовки и выполнения таких операций операторы SQL не требуются, поэтому отпадает необходимость в промежуточных транслирующих модулях, а буферизация результирующего набора сводится с минимуму. Кроме того, к данным параллельно могут обращаться как пользователи Express Link, так и SQL.

Закладка - это метка записи относительно ее позиции среди других записей. Механизм InterBase 4.0 поддерживает закладки непосредственно на уровне сервера, позволяя использовать вызовы для установки, получения и сравнения закладок. Закладка действует в течение всего подключения к базе данных и допустима даже после закрытия исходного курсора и завершения первоначальной транзакции. Используя внутренние идентификаторы записи,
InterBase 4.0 поддерживает быстрые операции с закладками.

Многие персональные приложения не используют понятия множественной транзакции и предполагают обычно, что каждая операция базы данных выполняется немедленно. Для поддержки такого представления InterBase 4.0 использует возможность автоматической фиксации, которая принудительно интерпретирует каждое обновление как полную транзакцию.

С этой целью в InterBase 4.0 поддерживается сохранение контекста курсора. Это позволяет поддерживать текущий курсор даже после завершения транзакции.

Когда сервер использует в качестве своего интерфейса исключительно
SQL, он ограничен налагаемыми SQL правилами блокировок транзакций. В соответствии с правилами SQL пользователь может определить уровень выделения, но не может управлять блокировками (их установкой и отменой).
Персональные приложения используют парадигмы явных и монопольных блокировок и в общем случае не применяют неявных блокировок. Более того, может потребоваться, чтобы запрашиваемые приложением блокировки сохранялись в течение транзакции, пока не будут явным образом отменены пользователем.

Для обеспечения потребностей пользователей персональных приложений PC,
InterBase 4.0 поддерживает явные блокировки, но следует также и стандартной модели сервера, которая обеспечивает явные блокировки для традиционных пользователей SQL.

Персональные приложения часто позволяют пользователю просматривать большие объемы данных. Устанавливать для таких записей блокировки по чтению непрактично. В типичной системе клиент-сервер клиентское приложение выводит пользователю набор данных, не устанавливая на сервере никаких блокировок.
Для поддержки целостности и согласованности данных клиентское приложение вынуждено следовать одним из путей:

. Через регулярные интервалы обновлять данные путем опроса сервера.

. Игнорировать изменения и продолжать выводить старые данные.

Изменения распознаются, только если пользователь пытается обновить данные. В этом случае приложение информирует пользователей, что другое приложение изменило данные, и отражает это изменение.

. Блокировать все кэшируемые данные

В InterBase 4.0 предусмотрена специальная технология, которая называется обновлением кэша. Используя это средство, приложение IDAPI может идентифицировать диапазон интересующих его записей и регистрирует это на сервере. Когда в записи из этого диапазона происходит изменение (например, параллельно работающий пользователь модифицирует запись), сервер инициирует событие, которое уведомляет клиентское приложение с помощью механизмов уведомления о событиях - InterBase 4.0 Event Alerters. Клиентское приложение получает это событие и может либо игнорировать его, либо запросить изменение записей в данном диапазоне.

InterBase 4.0 допускает использование для хранения данных и работы с ними нескольких национальных наборов символов. Для всех строковых операций и операций с объектами BLOB поддерживаются как 8-битовые, так и 16-битовые наборы. Заданный по умолчанию набор символов и порядок сравнения можно определить для базы данных в целом. Сравнение можно также определить с помощью предложения Order By в операторе Select. Для спецификации символов национальных алфавитов можно использовать строковые литералы с префиксом имени набора символов. В стандартный комплект поставки включена поддержка кодовой таблицы ANSI 1251, являющейся стандартом при работе с русским языком в среде Windows.

2.5 Выбор средств разработки

В качестве CASE-средства использован программный продукт ERWin 2.5 фирмы Logic Works. ERwin - средство разработки структуры базы данных. ERwin сочетает графический интерфейс Windows, инструменты для построения ER- диаграмм, редакторы для создания логического и физического описания модели данных и прозрачную поддержку ведущих реляционных СУБД и настольных баз данных. С помощью ERwin можно создавать или проводить обратное проектирование (реинжиниринг) баз данных.

Предыдущие версии ERwin - 1.5 и 2.1 - завоевали все возможные призы среди программ своего класса, в том числе DBMS Readers' Choice в 1992,
1993, 1994, 1995 годах, Software Development Productivity Award 1993, Data
Based Advisor Readers' choice 1992 и 1994. Текущая версия продукта - 2.6.

ERWin позволяет проводить анализ системы как в стандарте IDEF1X, так и в стандарте IE, что увеличивает удобство работы с продуктом. ERwin объединяет логический и физический уровни представления модели в единую диаграмму, что позволяет провести анализ предметной области и полностью разработать структуры базы данных используя только один программный продукт. Выбор этого продукта обусловлен также возможностью легкого переноса разработанной модели на другой сервер баз данных.

Для написания клиентской части приложений использована среда разработчика Borland Delphi C/S 2.01. Delphi относится к средствам быстрой разработки приложений (RAD - Rapid Applications Development). Определяющим фактором при выборе Delphi в качестве средства разработки клиентской части является наличие большой библиотеки объектов для быстрого построения приложений, работающих с базами данных. Кроме того, Delphi поддерживает интерфейс PVCS, что позволяет вести параллельную разработку проекта несколькими программистами.

Для разработки процессов, функционирующих на стороне сервера использована среде разработки Microsoft Visual C 4.2 из пакета Microsoft
Developer Studio. Эта среда сочетает в себе мощь языка C++, удобные средства отладки программ и навигации по тексту. Кроме того, она позволяет использовать в программах все возможности операционной системы (RPC, RAS,
TAPI, сервисы Windows NT).

2.6 Организация взаимодействия между серверами

2.6.1 Выбор модели распределенной базы данных

Так как для обмена данными между серверами предполагается использовать медленные асинхронные каналы связи, а также учитывая большое количество серверов в данной информационной системе использован механизм репликации данных. Недостатки этого механизма, такие как задержка синхронизации различных копий данных, для данной системы играют малую роль.

2.6.2 Модель взаимодействия

Для организации репликации данных и удаленного администрирования серверов в районах необходимо предусмотреть средства взаимодействия между серверами. При анализе процесса взаимодействия серверов можно выделить следующие компоненты системы:

. Процесс-клиент (сервер 1)

. Среда передачи данных

. Процесс-сервер (сервер 2)

В этой схеме в каждый конкретный момент времени в качестве клиента выступает один из взаимодействующих серверов. Таким образом, на каждом из серверов в любой момент времени должен быть запущен процесс, отвечающий за взаимодействие с удаленным узлом сети. В Windows NT в качестве такого процесса может выступать специально разработанный сервис операционной системы (system service). Он должен «уметь» обслуживать подключения удаленных клиентов, а также при необходимости сам выступать в роли клиента.
Кроме того, на него можно возложить функции удаленного администрирования и резервного копирования данных.

Для организации обмена информацией в общем случае необходимо разработать протокол этого обмена, что само по себе является достаточно сложной задачей. Кроме того, необходимо реализовать поддержку сервисом различных транспортных протоколов (TCP/IP, NetBIOS, IPX/SPX), что выливается в многократное дублирование программного кода. Для решения этой задачи использован слой вызова удаленных процедур Microsoft RPC (Microsoft
Remote Procedure Call).

2.6.3 Использование слоя RPC для распределенной обработки данных на платформе Windows NT

В соответствие с моделью RPC любой сервер может рассматриваться как сервер вычислений, т.е. он может предоставлять свои вычислительные мощности клиентам. Рабочая станция может послать запрос серверу на выполнение определенных вычислений и возврат результатов. Используя RPC, клиент не только использует файлы и принтеры сервера, но и разделяет его центральный процессор с другими компьютерами в сети.

Слой Microsoft RPC - только часть стандарта среды для распределенных вычислений, названной OSF (Open Software Foundation), разработанной группой компаний для определения компонентов сетевой среды, которая поддерживает распределенные вычисления.

2.6.4 Компоненты Microsoft RPC

Microsoft RPC включает следующие основные компоненты:

. Компилятор MIDL (Microsoft IDL)

. Библиотеки времени выполнения и заголовочные файлы.

. Модули транспортного интерфейса

. Сервис разрешения имен

. Сервис поддержки конечной точки

В модели PRC можно формально определить интерфейс для удаленной процедуры, используя язык, специально разработанный для этой цели. Этот язык – IDL (Interface Definition Language - язык определения интерфейсов).
Диалект языка, реализованный фирмой Microsoft, назван MIDL (Microsoft IDL).

После создания интерфейса его описание обрабатывается компилятором
MIDL. MIDL компилятор генерирует «заглушки» (stubs), которые транслируют вызовы локальных процедур в вызовы процедур, находящихся на сервере.
«Заглушка» -- это процедура-заполнитель, которая делает вызовы библиотечных функций RPC для управления вызовами удаленных процедур. Применение заглушек обеспечивает прозрачность сетевого уровня для распределенных приложений.
Клиентская программа вызывает их как локальные процедуры, весь код, который передает данные по сети и принимает результаты, генерируется MIDL компилятором и невидим для разработчика.

2.6.5 Механизм работы RPC

RPC позволяет клиенту напрямую вызывать процедуры, находящиеся в программе на удаленном сервере. Клиент и сервер имеют различные адресные пространства; так, каждый имеет свою собственную память, в которой распределены данные, используемые процедурами. Следующий рисунок иллюстрирует архитектуру RPC:

[pic]

Рис.2.3. Механизм работы RPC.

Как показано на рис.2.3, клиентское приложение вызывает локальную заглушку вместо кода, непосредственно реализующего необходимую процедуру.
Заглушка компилируется и линкуется с клиентским приложением. Заглушка клиента выполняет следующие действия:

. Запрашивает необходимые параметры из адресного пространства клиента

. Переводит параметры в стандартную форму представления данных в сети

(NDR - standard network data representation)

. Вызывает необходимые функции из библиотеки времени выполнения RPC для отсылки запроса с параметрами на сервер.

Заглушка сервера выполняет следующие шаги:

. Библиотека времени выполнения RPC принимает запрос и вызывает процедуру заглушки сервера

. Заглушка сервера принимает параметра из буфера и конвертирует их из формата NDR в формат, процедуры сервера.

. Заглушка вызывает необходимую процедуру на сервере.

Удаленная процедура выполняется, генерирует выходные параметры и возвращаемое значение. Когда процедура завершена, следующие шаги возвращают данные клиенту:

. Удаленная процедура возвращает данные заглушке сервера

. Заглушка сервера конвертирует возвращаемые параметры в формат NDR и возвращает их функции библиотеки времени выполнения RPC

. Библиотечные функции передают данные через сеть на клиентский компьютер

Клиент завершает процесс принятием данных из сети и их возвратом вызывающей функции:

. Клиентская библиотека времени выполнения RPC принимает значения, возвращаемые удаленной процедурой и возвращает их заглушке

. Заглушка клиента конвертирует данные из формата NDR в формат, используемый клиентским приложением

. Приложение клиента продолжает свою работу.

Для Microsoft Windows и Windows NT библиотеки времени выполнения используются двумя путями: как статическая библиотека, линкуемая в приложение; и библиотека, реализованная как DLL.

Серверное приложение содержит вызовы библиотеки времени выполнения сервера, которая регистрирует интерфейсы сервера и позволяет серверу принимать вызовы удаленных процедур. Серверное приложение также содержит специфичные для каждого приложения процедуры, которые вызываются с клиента.

Таким образом, реализовав коммуникационный сервис на базе слоя RPC, можно существенно сэкономить время на разработке протоколов обмена информацией, а также получить систему, работающую по любым транспортным протоколам.

2.6.6 Организация логического канала передачи данных

Другой компонент модели - среда передачи данных может быть реализована несколькими способами. В простейшем случае она может быть построена на базе асинхронных каналов связи с использованием протоколов PPP
(Point to Point Protocol), а также на базе существующих сетей X.25. На системный сервис можно также возложить ответственность за установление логического канала между серверами.

В случае каналов X.25 для установления соединения используется специальная каналообразующая аппаратура (коммутаторы X.25).

Решением начального уровня может служить удаленный доступ по протоколу
PPP (Point to Point Protocol). Организация удаленного доступа по асинхронным каналам связи по протоколу PPP рассмотрена ниже.

2.7 Организация доступа удаленных пользователей

2.7.1 Необходимость удаленного доступа

При реализации данной системы экономически целесообразно устанавливать серверы баз данных только в тех районах республики, в которых количество абонентов достаточно велико. Для районов с малым числом абонентов наилучшим решением является использование сервера баз данных ближайшего РУС. Для этого необходимо организовать доступ операторов к территориально удаленному серверу. Средой передачи данных в этом случае являются телефонные линии, протоколом передачи на сетевом уровне - PPP (или SLIP).

2.7.2 Использование слоя RAS для удаленного доступа на платформе

Windows NT

На платформе Windows NT задача удаленного доступа по протоколу PPP решается с помощью сервера RAS (Remote Access Server - сервер удаленного доступа). Сервер RAS - это процесс, который принимает и обрабатывает запросы клиентов на подключение через асинхронные линии и передачу данных.
Схема взаимодействия удаленного клиента с сервером RAS приведена на рис.2.4.

[pic]

Рис.2.4. Схема удаленного доступа с использованием RAS.

В качестве транспортного протокола могут использоваться протоколы
TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS. Подключение клиента через сервер удаленного доступа абсолютно прозрачно, т.е. клиент может работать с удаленными серверами так, как если бы он находился в локальной сети.

В системе Windows NT существует программный интерфейс приложений
(Application Program Interface), который позволяет установить логический канал с удаленной сетью по асинхронному соединению. Он носит название RAS
API (Remote Access Service API).

Сервис удаленного доступа (RAS) позволяет удаленным пользователям получить доступ к одному или нескольким RAS серверам также, как и по локальной сети.

Win32 RAS позволяет RAS-клиенту установить соединение, получить информацию о существующих соединениях и завершить соединение. Связь осуществляется по протоколам PPP или SLIP. В качестве транспортного протокола могут быть использованы стеки TCP/IP, IPX/SPX и NetBIOS.

В Windows существуют стандартные программы для связи через RAS, таким образом для работы с удаленной базой данных можно использовать стандартные средства Windows.

2.7.3 Обеспечение информационной безопасности при удаленном доступе

Учитывая то, что информация на серверах баз данных носит коммерческий характер, особую роль играет вопрос её защиты от несанкционированного доступа. Система Windows NT имеет сертификат соответствия уровню безопасности C2 Министерства обороны США. Данный уровень безопасности предполагает обязательную идентификацию пользователей системы для определения прав доступа к отдельным ресурсам системы. Удаленный вход в сеть также требует соответствующих привилегий, кроме того, все попытки удаленного доступа обязательно фиксируются в журнале событий. В систему
Windows NT встроена возможность шифрования трафика в каналах передачи данных, таким образом злоумышленник, имеющий возможность перехвата данных в каналах связи, не получает доступа к жизненно важным данным (пароли и имена пользователей, финансовая информация).

Одним из способов ограничения доступа удаленных пользователей к ресурсам сети является использования так называемых серверов-барьеров
(FireWalls) на стыке внутренней и внешней (какой в данном случае является удаленный пользователь) сетей. В данном случае можно гибко регулировать права удаленного пользователя на доступ к отдельным компьютерам в сети.
Кроме того, серверы-барьеры скрывают топологию сети от внешнего пользователя. На платформе Windows NT функции сервера-барьера выполняет продукт Microsoft Proxy Server. Одним из побочных эффектов использования этого класса продуктов является экономия IP-адресов.

2.8 Проектирование структуры базы данных

Построим информационную модель системы расчета с абонентами.
В ходе исследования существующей схемы расчетов были выявлены следующие основные сущности:

. Клиент (абонент, владелец телефона)

. Услуга

. Подразделение

. Начисление

. Телефонный разговор, подлежащий повременной тарификации

. Начисление за повременные разговоры (за один день)

. Оплата

. Категория клиента

. Проведенные расчеты

IDEF1X-диаграмма взаимодействия между этими сущностями представлена в
Приложении 6.

После нормализации данных и разрешения связей «многие ко многим» путем введения граничных сущностей диаграмма принимает вид, указанный в

Приложении 6. Кроме того, для сущностей «Подразделение» и «Категория абонента» введена обратная неидентифицирующая связь для иерархического представления данных.

Постановка задачи требует наличия механизма поддержки истории для сущностей, влияющих на результаты расчетов. К сущностям, для которых должен поддерживаться механизм регистрации изменений относятся:

. Клиент (владелец телефона)

. Услуга

. Подразделение

. Начисление

. Постоянное начисление

. Категория клиента

Для регистрации изменений используется структура данных, представленная на рис.2.5.

[pic]

Рис.2.5. Структура данных для поддержки механизма регистрации изменений

Суть данной модели такова:

1. Каждая сущность характеризуется набором состояний, изменяющихся во времени.

2. Каждое состояние характеризуется набором атрибутов сущности, а также датой начала и датой окончания состояния.

3. Сущность однозначно идентифицируется своим внешним ключом и актуальной датой.

4. Дочерние таблицы ссылаются на сущность по её внешнему ключу.

5. При смене состояния внешний ключ не меняется.

Целостность данных обеспечивается с помощью триггеров на сервере.

Для дальнейшего анализа выделим в структуре базы данных несколько подсистем:

. Картотека абонентов

. Начисления

. Повременный учет

После определения атрибутов сущностей схема данных с учетом механизма поддержки истории принимает вид, приведенный в Приложении 6.

SQL-скрипт для генерации базы данных представлен в Приложении 1.

2.9 Схема репликации данных

Тиражирование данных в системе построено по схеме с одним сервером подписки (центральный сервер) и множеством серверов репликации (районы).

[pic]

Рис.2.6. Организация репликации данных.

Данные на центральном сервере доступны только для чтения чтобы избежать конфликтов по модификации записи.

[pic]

Рис.2.7. Подробная схема репликации данных.

Схема репликации приведена на рис.2.7. Рассмотрим процесс передачи изменений подробнее:

1. При изменении данных в реплицируемой таблице новые данные через триггер записываются в журнал изменений. Кроме того, туда заносится имя таблицы, код сделанного изменения и первичный ключ измененной записи.

2. При возникновении в базе определенного события (например при большом количестве записей в журнале изменений) или в определенный момент времени коммуникационный сервис запускает процесс репликации.

3. Процесс репликации устанавливает соединение с сервером подписки и начинает синхронизацию данных.

4. Сервер подписки принимает измененную запись и модифицирует соответствующим образом таблицу на своей стороне.

5. Если в процессе изменения записи был сгенерирован новый ключ, то он передается на сервер репликации.

6. Сервер репликации заменяет первичный ключ реплицируемой записи на ключ, возвращаемый с сервера подписки и удаляет соответствующую запись из журнала изменений.

При передаче изменений коммуникационным сервисом используется протокол двухфазной фиксации транзакций (Two-phase commit transactions), что позволяет застраховаться от ошибок.

При синхронизации данных подобным методом процесс репликации может быть прерван в любой момент времени и продолжен позднее с той же точки.
Данная особенность позволяет использовать такую схему тиражирования даже на очень плохих каналах связи.

2.10 Проектирование коммуникационного сервера

2.10.1 Постановка задачи

Для решения задач репликации, резервного копирования, удаленного доступа и удаленного управления на сервере баз данных необходим процесс, планирующий запуск процессов и обрабатывающий подключения удаленных пользователей. Основные требования, предъявляемые к коммуникационному серверу таковы:

1. Так как информационная система носит распределенный характер, а также учитывая отсутствие квалифицированных кадров в местах установки сервера необходимо предусмотреть возможность удаленного конфигурирования системы.

2. Для облегчения задач администрирования необходимо как можно более полно автоматизировать выполнение наиболее часто встречающихся задач, таких как резервное копирование данных и репликация.

3. Учитывая необходимость дальнейшего расширения системы необходимо предусмотреть возможность наращивания функциональности коммуникационного сервера.

4. Учитывая разнородность сети необходимо обеспечить возможность подключения пользователей по нескольким протоколам: TCP/IP, Named

Pipes, IPX/SPX, NetBIOS.

2.10.2 Архитектура коммуникационного сервера

Учитывая специфику платформы Windows NT коммуникационный сервер построен по архитектуре системного сервиса (System Service). Для разработки коммуникационного сервера применялась среда разработчика Microsoft
Developer Studio 4.2/Visual C++ Enterprise Edition.

Архитектура сервера представлена в Приложении 2.

Для обеспечения наращиваемости системы проведено разделение функциональности сервера на две части:

. Ядро сервера - обслуживает подключения удаленных пользователей, планирует запуск пользовательских задач а также обеспечивает возможность удаленного конфигурирования системы.

. Пользовательские задачи - обеспечивают реплицирование, резервное копирование, синхронизацию картотек, съем данных с аппаратуры повременного учета.

Пользовательские задачи реализованы в виде многопоточных DLL. Каждая пользовательская задача должна обеспечивать две точки входа:

. void TaskProc(void) - основной поток - реализует необходимую функциональность.

. void Terminate(void) - функция для принудительного останова задачи

(например при останове сервера)

Информация о пользовательских задачах хранится в реестре Windows NT
(ключ HKEY_LOCAL_MACHINESOFTWARESvyazinformCommServiceTasks, рис.2.8).
[pic]

Рис.2.8. Конфигурация задач коммуникационного сервера в реестре

Windows NT.

Ядро cервера построено по многопоточной архитектуре и включает в себя следующие модули:

. Модуль инициализации - основная точка входа сервиса - регистрирует сервис в диспетчере сервисов.

. Модуль управления сервисом - реализует функции запуска и останова сервера.

. Планировщик задач - осуществляет запуск пользовательских задач в заданное время.

. Модуль обслуживания подключений - обрабатывает запросы удаленных пользователей, а также отвечает за удаленное конфигурирование системы.

. Модуль регистрации событий - записывает информацию о состоянии сервера в системный журнал событий.

2.10.3 Вспомогательное программное обеспечение

Для установки коммуникационного сервиса разработана программа, регистрирующая сервис в системе и создающая необходимые ключи в реестре
Windows NT. Исходный код программы представлен в Приложении 4.

Для удаления сервера разработана программа, выполняющая чистку системного реестра. Исходный текст программы представлен в Приложении 5.

Для удаленного конфигурирования пользовательских задач разработано клиентское приложение «Менеджер задач коммуникационного сервера».