ГЛАВА I. Понятия распределенных информационных систем
1.1. Предпосылки создания распределенных информационных систем
C самого начала развития вычислительной техники образовались два основных направления ее использования. Первое направление - применение вычислительной техники для выполнения численных расчетов, которые слишком долго или вообще невозможно производить вручную. Становление этого направления способствовало интенсификации методов численного решения сложных математических задач, развитию класса языков программирования, ориентированных на удобную запись численных алгоритмов, становлению обратной связи с разработчиками новых архитектур ЭВМ.
Второе направление - это использование средств вычислительной техники в автоматических или автоматизированных информационных системах. Обычно объемы информации, с которыми приходится иметь дело таким системам, достаточно велики, а сама информация имеет достаточно сложную структуру. Одними из естественных требований к таким системам являются средняя быстрота выполнения операций и сохранность информации.
Но поскольку информационные системы требуют сложных структур данных, эти индивидуальные дополнительные средства управления данными являлись существенной частью информационных систем и практически повторялись от одной системы к другой. Стремление выделить и обобщить общую часть информационных систем, ответственную за управление сложно структурированными данными, и явилось, судя по всему, первой побудительной причиной создания различных систем управления [12, 19].
Очень скоро стало понятно, что невозможно обойтись общей библиотекой программ, реализующей над стандартной базовой файловой системой более сложные методы хранения данных, например, хранение информации в нескольких файлах. Таким образом, все это способствовало созданию распределенных информационных систем.
Фактически, если информационная система поддерживает согласованное хранение информации в нескольких файлах, можно говорить о том, что она поддерживает базу данных. Если же некоторая вспомогательная система управления данными позволяет работать с несколькими файлами, обеспечивая их согласованность, можно назвать ее системой управления базами данных. Уже только требование поддержания согласованности данных в нескольких файлах не позволяет обойтись библиотекой функций: такая система должна иметь некоторые собственные данные (метаданные) и даже знания, определяющие целостность данных.
В мире существует громадное количество готовых к использованию информационно-вычислительных ресурсов. Они создавались в разное время, для их разработки использовались разные подходы. Почти всегда при разработке новой информационной системы можно найти подходящие по своим функциям уже работающие готовые компоненты.
Под распределенными понимаются ИС, которые не располагаются на одной контролируемой территории, на одном объекте.
Распределенная информационная система (РИС) - любая информационная система, позволяющая организовать взаимодействие независимых, но связанных между собой ЭВМ. Эти системы предназначены для автоматизации таких объектов, которые характеризуются территориальной распределенностью пунктов возникновения и потребления информации.
В общем случае распределенная информационная система (РИС) представляет собой множество сосредоточенных ИС, связанных в единую систему с помощью коммуникационной подсистемы
Сосредоточенными ИСмогут быть:
• отдельные ЭВМ, в том числе и ПЭВМ,
• вычислительные системы и комплексы,
• локальные вычислительные сети (ЛВС).
В настоящее время практически не используются неинтеллектуальные абонентские пункты, не имеющие в своем составе ЭВМ. Поэтому правомочно считать, что наименьшей структурной единицей РИС является ЭВМ (рис. 1).
Распределенные ИС строятся по сетевым технологиям и представляют собой вычислительные сети (ВСт).
Термин «распределенная система», подразумевает взаимосвязанный набор автономных компьютеров, процессов или процессоров. Компьютеры, процессы или процессоры упоминаются как узлы распределенной системы. Будучи определенными как «автономные», узлы должны быть, по крайней мере, оборудованы своим собственным блоком управления. Таким образом, параллельный компьютер с одним потоком управления и несколькими потоками данных (SIMD) не подпадает под определение распределенной системы. Чтобы быть определенными как «взаимосвязанными», узлы должны иметь возможность обмениваться информацией.
Так как процессы могут играть роль узлов системы, определение включает программные системы, построенные как набор взаимодействующих процессов, даже если они выполняются на одной аппаратной платформе. В большинстве случаев, однако, распределенная система будет, по крайней мере, содержать несколько процессоров, соединенный коммутирующей аппаратурой.
Коммуникационная подсистема включает в себя:
• коммуникационные модули (КМ);
• каналы связи;
• концентраторы;
• межсетевые шлюзы (мосты).
Основной функцией коммуникационных модулейявляется передача полученного пакета к другому КМ или абонентском пункту в соответствии с маршрутом передачи. Коммуникационный модуль называют также центром коммутации пакетов.
Рис. 1. Фрагмент распределенной информационной системы
Каналы связи объединяют элементы сети в единую сеть, каналы могут иметь различную скорость передачи данных.
Концентраторы используются для уплотнения информации перед передачей ее по высокоскоростным каналам.
Межсетевые шлюзы и мосты используются для связи сети с ЛВС или для связи сегментов глобальных сетей. С помощью мостов связываются сегменты сети с одинаковыми сетевыми протоколами.
В любой РИС в соответствии с функциональным назначением может быть выделено три подсистемы:
• пользовательская подсистема;
• подсистема управления;
• коммуникационная подсистема [8, 28].
Пользовательская или абонентская подсистема включает в себя информационные системы пользователей (абонентов) и предназначается для удовлетворения потребностей пользователей в хранении, обработке и получении.
Наличие подсистемы управления позволяет объединить все элементы РИС в единую систему, в которой взаимодействие элементов осуществляется по единым правилам. Подсистема обеспечивает взаимодействие элементов системы путем сбора и анализа служебной информации и воздействия на элементы с целью создания оптимальных условий для функционирования всей сети.
Коммуникационная подсистема обеспечивает передачу информации в сети в интересах пользователей и управления РИС.
Функционирование РИС можно рассматривать как взаимодействие удаленных процессов через коммуникационную подсистему.
Процессы вычислительной сети порождаются пользователями (абонентами) и другими процессами.
Взаимодействие удаленных процессов заключается в:
• обмене файлами,
• пересылке сообщений по электронной почте,
• посылке заявок на выполнение программ и получение результатов,
• обращении к базам данных и т. д.
Концептуально распределенная обработка данных подразумевает тот или иной вид организации сети связи и децентрализацию трех категорий ресурсов:
• аппаратных вычислительных средств и собственно вычислительной мощности;
• баз данных;
• управление системой.
В распределенных информационных системах в той или иной степени осуществляется реализация следующих основных функций:
• доступ к ресурсам (вычислительным мощностям, программам, данным и т.п.) с терминалов и из пользовательских программ в режиме «файл-сервер»;
• выполнение заданий и интерактивное общение пользователей с запущенными по их требованию программами в режиме «клиент-сервер»;
• сбор статистики о функционировании системы;
• обеспечение надежности и живучести системы в целом.
В настоящее время применяют различные подходы к классификации распределенных информационных систем по разным критериям.
По степени однородности различают:
• полностью неоднородные РИС;
• частично неоднородные РИС;
• однородные РИС.
Полностью неоднородные РИС характеризуются тем, что в них объединены ЭВМ, построенные на основе различных архитектур и функционирующие под управлением разных операционных систем (ОС).
Как правило, РИС этого типа в качестве коммуникационной службы используют глобальные сети, базирующиеся на протоколах Х.25, Framerelay, ATM, Internet-технология.
Частично неоднородные РИС строят на базе однотипных ЭВМ, работающих под управлением различных ОС, либо они включают в себя компьютеры различных типов, работающие под управлением одной ОС.
Например, IBM PC компьютеры управляются различными ОС; MS DOS, OS/2, Windows.
Однородные распределенные системы строятся на однотипных вычислительных средствах, оснащенных одинаковыми ОС.
По архитектурным особенностям выделяют:
• РИС на основе систем телеобработки;
• РИС на основе сетевой технологии.
Под сетевой технологией понимается такая форма взаимодействия ЭВМ, при которой любой из процессов одной из машин по своей инициативе может установить логическую связь с любым процессом в любой другой ЭВМ.
В отличие от таких систем РИС на основе систем телеобработки не обеспечивают полного, симметричного и независимого взаимодействия процессов.
По степени распределенности с позиций пользователя РИС делятся на 2 группы: региональные и локальные.
К региональным РИС относятся распределенные конфигурации, характеризующиеся следующими основными параметрами:
- неограниченной географической распределенностью;
- наличием тех или иных механизмов маршрутизации;
- каждые два узла связаны собственным каналом, и отсутствует проблема его разделения;
- широким диапазоном скоростей передачи - 103... 108 бит/с;
- произвольной топологией.
В них можно выделить несколько способов организации взаимодействия между ЭВМ:
• коммутация каналов;
• коммутация сообщений;
• коммутация пакетов;
• коммутация фреймов - Frame relay;
• коммутация ячеек - ATM-технология [1, 6, 21, 32].
Основу локальных РИС составляют локальные сети со следующими характеристиками:
• небольшая географическая распределенность;
• использование единой коммуникационной среды и, следовательно, физическая полно связность всех узлов сети, приводящая к замене маршрутизации адресацией;
• высокие и очень высокие скорости обмена - 107... 109 бит/с;
• применение специальных методов и алгоритмов доступа к единой среде для обеспечения высокой скорости передачи при одновременном использовании среды всеми узлами коммуникационной службы;
• ограниченность возможных топологий.
Под архитектурой РИС понимают взаимосвязь её логической, физической и программной структур.
Логическая структура РИС отражает состав сетевых служб и связи между ними (рис. 2).
В данной структуре информационно-вычислительная служба предназначена для решения задач пользователей сети.
Терминальная служба обеспечивает взаимодействие терминалов с сетью.
В эту службу входит:
• преобразование форматов и кодов,
• управление разнотипными терминалами,
• обработка процедур обмена информацией между терминалами и сетью и т. д.
Рис. 2. Логическая структура распределенной информационной системы
Транспортная служба предназначена для решения всех задач, связанных с передачей сообщений в сети.
Она управляет:
• маршрутами,
• потоками и данными,
• декомпозицией сообщений на пакеты и рядом других функций.
Интерфейсная служба решает задачи обеспечения взаимодействий разнотипных ЭВМ, функционирующих под управлением различных ОС, имеющих разную архитектуру, длину слова, форматы представления данных и др.
Кроме того, служба управления интерфейсами осуществляет взаимодействие ЭВМ, входящих в состав различных сетей.
Административная служба
• управляет сетью,
• реализует процедуры реконфигурации и восстановления,
• собирает статистику о функционировании сети,
• осуществляет тестирование сети.
Приведенный полный состав элементов логической структуры не является обязательным для всех реальных систем.
Так, в однородных сетях отпадает необходимость в интерфейсной службе, в простейших сетях может отсутствовать административная служба и т. д.
Информационно-вычислительная (ИВС) и терминальная службы образуют абонентскую службу.
Интерфейсная и транспортная службы образуют коммуникационную службу.
Из этого следует, что административная служба не осуществляет непосредственно какие-либо функции, связанные с сетевым обслуживанием пользователей, и может рассматриваться как механизм обслуживания самой сети.
Распределение элементов логической структуры по различным ЭВМ задает физическую структуру РИС (рис.3).
Элементами такой структуры являются ЭВМ, связанные между собой и с терминалами.
В зависимости от реализации в ЭВМ той или иной сетевой службы в физической структуре можно выделить:
1 - главные ЭВМ;
2 - коммуникационные ЭВМ;
3 - интерфейсные ЭВМ;
4 - терминальные ЭВМ;
5 - административные ЭВМ.
В одной ЭВМ могут реализовываться несколько служб.
Рис. 3. Физическая структура распределенной информационной системы
Программная структура РИС отражает состав компонентов сетевого программного обеспечения (ПО) и связи между ними.
Очевидно, что состав сетевого ПО определяется логической структурой, т. е. функциями, выполняемыми ее службами,
В то же время связи между компонентами ПО во многом зависят от физической структуры.
Сложность задач, выполняемых сетевым ПО распределенной информационной системы требует, чтобы это сетевое ПО было разработано высоко структурированным способом. В настоящее время сетевое ПО всегда организовывается как совокупность модулей, каждый из которых выполняет очень специфические функции и основывается на услугах, предлагаемых другими модулями. В сетевых организациях имеется всегда строгая иерархия между этими модулями, потому что каждый модуль исключительно использует услуги, предлагаемые предыдущим модулем. Модули названы уровнями в контексте сетевой реализации [3, 10].
Сетевое ПО имеет многоуровневую иерархическую организацию, что обусловлено двумя факторами:
• необходимостью минимизации затрат на модификацию сетевого ПО при изменении состава используемого оборудования;
• любые осуществляемые в сети изменения не должны отражаться на пользовательских программах, использующих сетевые возможности.
Для иерархической организации необходимо четкое описание интерфейсов и протоколов, т.е. правила взаимодействия:
• программ, выполняемых в одной ЭВМ и находящихся на различных уровнях,
• и программ, находящихся на одном уровне, но расположенных в различных ЭВМ.
Стремление создать единую, универсальную и открытую к изменениям логической и физической структур сетевую архитектуру обусловило стандартизацию уровней иерархии ПО сетей ЭВМ.
Сегодня практически все крупнейшие производители систем управления базами данных предлагают решения в области управления распределенными ресурсами. Однако все эти решения поддерживают ограниченные функции построения неоднородных распределенных систем.
Среди многочисленных прототипов и научно-исследовательских систем следует упомянуть систему SDD-1, созданную в конце 70-х - начале 80-х годов в научно-исследовательском отделении фирмы Computer Corporation of America; систему R* , которая является распределенной версией системы System R и создана в начале 80-х годов фирмой IBM; а также систему Distributed INGRES, которая является распределенной версией системы INGRES и создана также в начале 80-х годов в Калифорнийском университете в Беркли.
Что касается коммерческих продуктов, то в настоящее время в большинстве реляционных систем предусмотрены разные виды поддержки использования распределенных баз данных с разной степенью функциональности. Среди таких систем наиболее известны система INGRES/STAR отделения Ingres Division фирмы The ASK Group Inc., система ORACLE фирмы Oracle Corporation, а также модуль распределенной работы системы DB2 фирмы IBM.
Сегодня многие фирмы - разработчики СУБД заявляют о том, что они поддерживают работу с распределенными БД, однако при ближайшем рассмотрении в большинстве случаев эти заявления оказываются несколько преувеличенными. Специалисты в области СУБД считают, что только несколько пакетов СУБД позволяют в некоторой степени реализовать распределенную базу данных.
Подчеркнем следующее определение распределенной БД: "Распределенная БД - это множество физических баз данных, которые выглядят для пользователя как одна логическая БД". К сожалению, на сегодняшний день ни одна СУБД полностью не реализует это определение. Наиболее близко к его реализации подошли следующие СУБД:
- Informix On-Line фирмы Informix Software;
- Ingres Intelligent Database фирмыIngres Corp;
- Oracle (version 7) фирмы Oracle Corp;
- Sybase System 10 фирмы SybaseInc.
Хотя ни одна из этих 4 СУБД полностью не реализует все функции распределенной СУБД, однакокаждая из них реализует или в скором времени будет реализовывать поддержку работы с распределенной БД.
Наиболее полно функции распределенной СУБД реализованы в СУБД Ingres и Oracle. Коротко рассмотрим возможности этих пакетов.
СУБД Ingres работает на множестве UNIX-платформ, на платформах DEC VMS, Hewlett-Packard MPE, DOS, Microsoft Windows 3.1, OS/2, Macintosh. Она также работает со многими сетевыми протоколами, включая Open System Interconnection Transport Class 4. Ingres имеет средства для доступа к данным СУБД DB2, Rdb, Allbase. Основные функции распределенной СУБД обеспечиваются дополнительной компонентой Ingres/Star. Она поддерживает оптимизацию распределенных запросов, позволяет читать и обновлять в рамках одной транзакции данные разных узлов, обеспечивает возможность удалять записи одновременно в нескольких узлах.
СУБД Informix-Online разработана для среды UNIX, но может также работать под Novell. Informix-Online имеет оптимизатор запросов и реализуетте же функции работы с распределенной БД, что и Ingres, однако у Informix более жесткие требования к ресурсам компьютера, в частности ему требуется больше оперативной памяти.
СУБД System 10фирмы Sybase в настоящее время находится в состоянии разработки. Она должна работать на UNIX-платформах, на платформах OS/2, Window, NetWare. System 10 будет работать с несколькими сетевыми протоколами и поддерживать связь с СУБД DB2, Oracle 7, Informix-Online, Rdb. System 10 будет иметь оптимизатор распределенных запросов, она позволит читать и обновлять данные нескольких узлов. Функции работы с распределенной БД будут реализованы с помощью дополнительной компоненты Replication Server [15, 34].
В 7 версии СУБД Oracle реализовано множество функций для работы с распределенной БД. Среди них следует выделить оптимизатор распределенных запросов и средство чтения и обновления данных нескольких узлов в рамках одной транзакции. Oracle v 7 работает на более чем 80 вычислительных платформах, поддерживает большинство существующих коммерческих сетевых протоколов и может обмениваться данными с СУБД DB2, SQL/DS, Tandem Computers, NonStop SQL, Rdb, HP Turbo Image. Разрабатываются шлюзы еще к 18 СУБД.
