Файл - серверные и клиент - серверные технологии. Распределение приложения между клиентом и сервером. Клиент-серверные технологии

Одной из базовых функций информационной системы организации любого масштаба является обеспечение обмена информацией как внутри организации, так и за ее пределами. Однако в этом процессе имеются проблемы, связанные со скоростью обмена информацией и работой с информацией в режиме коллективного доступа. Решают эти проблемы программные продукты, организующие обработку информации по определенным технологиям. В настоящее время наибольшее распространение получили следующие технологии:

Файл-серверная технология;

Технология клиент-сервер.

Файл-серверная технология – это работа в сетевом пространстве с доступом к файлам СУБД, хранящимся на сервере.

Обработка запроса одного пользователя:

· Обращение к БД (запрос)

· Перекачка данных с блокировкой доступа других пользователей

· Обработка данных на компьютере пользователя

В файл-серверной организации клиент работает с удаленными файлами, что вызывает существенную перегрузку трафика (поскольку СУБД-ФС работает на стороне клиента, то для выборки полезных данных в общем случае необходимо просмотреть на стороне клиента весь соответствующий файл целиком).

В целом, в файл-серверной архитектуре мы имеем "толстого" клиента и очень "тонкий" сервер в том смысле, что почти вся работа выполняется на стороне клиента, а от сервера требуется только достаточная емкость дисковой памяти.

Недостатки файл-серверной системы очевидны:

· Очень большая нагрузка на сеть, повышенные требования к пропускной способности. На практике это делает практически невозможной одновременную работу большого числа пользователей с большими объемами данных.

· Обработка данных осуществляется на компьютере пользователей. Это влечет повышенные требования к аппаратному обеспечению каждого пользователя. Чем больше пользователей, тем больше денег придется потратить на оснащение их компьютеров.

· Блокировка данных при редактировании одним пользователем делает невозможной работу с этими данными других пользователей.

· Безопасность. Для обеспечения возможности работы с такой системой Вам будет необходимо дать каждому пользователю полный доступ к целому файлу, в котором его может интересовать только одно поле.

Технология клиент-сервер разделяет приложение на две части, используя лучшие качества обеих сторон. Клиентская часть обеспечивает интерактивный, легкий в использовании, обычно графический интерфейс - находится на компьютере пользователя. Сервер (программа) обеспечивает управление данными, разделение информации, изощренное администрирование и безопасность - находится на специально выделенном компьютере - сервере).

Заметим, что интерфейс между клиентской частью приложения и клиентской частью сервера баз данных, как правило, основан на использовании языка SQL. Поэтому такие функции, как, например, предварительная обработка форм, предназначенных для запросов к базе данных, или формирование результирующих отчетов выполняются в коде приложения, а все обращения к серверу баз данных сводятся к передаче текста операторов языка SQL.

Поскольку вся работа с БД (выборка, добавление, выполнение триггеров и процедур) происходит на стороне сервера, то в клиент-серверной организации клиенты могут являться достаточно "тонкими", а сервер должен быть "толстым" настолько, чтобы быть в состоянии удовлетворить потребности всех клиентов.

При необходимости произвести обработку информации, хранящейся в БД, запущенное на компьютере пользователя клиентское приложение, работающее с БД, формирует запрос на языке SQL. Сервер базы данных принимает запрос и обрабатывает его самостоятельно. Никакой массив данных (файл) по сети не передается. После обработки запроса на компьютер пользователя передается только результат - то есть, в предыдущем примере, - список платежных поручений, удовлетворяющих нужным критериям. Сам же файл, в котором хранились данные, послужившие источником для обработки, остается незаблокированным для доступа самого сервера по запросам других пользователей.

В серьезных клиент-серверных СУБД существуют дополнительные механизмы, снижающие нагрузку на сеть, снижающие требования к пользовательским компьютерам. В качестве примера приведем хранимые процедуры - то есть целые программы обработки данных, хранящихся в БД. В этом случае от пользователя к серверу не передается даже SQL выражения - передается вызов функции с параметрами вызова. Таким образом, рабочее место пользователя еще сильнее упрощается, логика работы программы переносится на сервер. Пользовательское место становится всего лишь средством отображения информации. Все это означает дальнейшее снижение нагрузки на сеть и пользовательские рабочие станции.

Таким образом, все вышеперечисленные недостатки файл-серверной схемы устраняются в архитектуре клиент-сервер :

Массивы данных не перекачиваются по сети от сервера БД на компьютер пользователя. Требования к пропускной способности сети понижаются. Это делает возможным одновременную работу большого числа пользователей с большими объемами данных.
Обработка данных осуществляется на сервере БД, а не в компьютере пользователей. Что позволяет использовать более простые, а значит, дешевые компьютеры на клиентских местах.
Блокировки (захвата) данных одним пользователем не происходит.
Обеспечивается доступ пользователя не к целому файлу, а только к тем данным из него, с которыми пользователь имеет право работать.

Следует заметить, что как и любая классификация, наша классификация архитектур информационных систем не является абсолютно жесткой. В архитектуре любой конкретной информационной системы часто можно найти влияния нескольких общих архитектурных решений. Тем не менее, при архитектурном проектировании системы кажется полезным иметь хотя бы частично ортогонализированный архитектурный базис. В следующих частях курса мы подробно рассмотрим особенности каждой архитектуры и остановимся на методологиях и инструментально-технологических средствах, поддерживающих проектирование и разработку информационных систем в соответствующей архитектуре.

2.1. Файл-серверные приложения

По всей видимости, организация информационных систем на основе использования выделенных файл-серверов все еще является наиболее распространенной в связи с наличием большого количества персональных компьютеров разного уровня развитости и сравнительной дешевизны связывания PC в локальные сети. Чем привлекает такая организация не очень опытных в области системного программирования разработчиков информационных систем? Скорее всего, тем, что при опоре на файл-серверные архитектуры сохраняется автономность прикладного (и большей части системного) программного обеспечения , работающего на каждой PC сети. Фактически, компоненты информационной системы, выполняемые на разных PC, взаимодействуют только за счет наличия общего хранилища файлов, которое хранится на файл-сервере. В классическом случае в каждой PC дублируются не только прикладные программы, но и средства управления базами данных . Файл-сервер представляет собой разделяемое всеми PC комплекса расширение дисковой памяти (рисунок 2.1).

Не останавливаясь подробно на имеющихся на сегодняшнем рынке перспективных инструментальных средствах разработки файл-серверных приложений и не приводя анализа тенденций развития соответствующих технологий (этому посвящается третья часть курса), мы кратко перечислим основные достоинства и недостатки файл-серверных архитектур.

Конечно, основным достоинством является простота организации. Проектировщики и разработчики информационной системы находятся в привычных и комфортных условиях IBM PC в среде MS-DOS, Windows или какого-либо облегченного варианта Windows NT. Имеются удобные и развитые средства разработки графического пользовательского интерфейса, простые в использовании средства разработки систем баз данных и/или СУБД. Но во многом эта простота является кажущейся. (Как гласит русская пословица, "Простота хуже воровства", а здесь мы, как правило, имеем простоту на основе воровства программных продуктов для PC.)

Рис. 2.1. Классическое представление информационной системы в архитектуре "файл-сервер"

Во-первых, информационной системе предстоит работать с базой данных. Следовательно, эта база данных должна быть спроектирована. Почему-то часто разработчики файл-серверных приложений считают, что по причине простоты средств управления базами данных проблемой проектирования базы данных можно пренебречь. Конечно, это неправильно. База данных есть база данных. Чем качественнее она спроектирована, тем больше шансов впоследствии эффективно использовать информационную систему. Естественно, сложность проектирования базы данных определяется объективной сложностью моделируемой предметной области. Но, собственно, из чего должно следовать, что файл-серверные приложения пригодны только в простых предметных областях?

Во-вторых, как мы неоднократно подчеркивали в первой части курса, необходимыми требованиями к базе данных информационной системы являются поддержание ее целостного состояния и гарантированная надежность хранения информации. Минимальными условиями, при соблюдении которых можно удовлетворить эти требования, являются:

наличие транзакционного управления, хранение избыточных данных (например, с применением методов журнализации), возможность формулировать ограничения целостности и проверять их соблюдение.

В принципе, файл-серверная организация, как она показана на рисунке 2.1, не противоречит соблюдению отмеченных условий. В качестве примера системы, соблюдающей выполнение этих условий, но основанной на файл-серверной архитектуре, можно привести популярный в прошлом "сервер баз данных" Informix SE.

Длинноезамечание:
Для сохранения четкости дальнейшего изложения нам необходимо несколько уточнить терминологию. Мы недаром написали "сервер баз данных" в кавычках применительно к СУБД Informix SE. При использовании этой системы копия программного обеспечения СУБД поддерживалась для каждого инициированного пользователем сеанса работы с СУБД. Грубо говоря, для каждого пользовательского процесса, взаимодействующего с базой данных создавался служебный процесс СУБД, который выполнялся на том же процессоре, что и пользовательский процесс (т. е. на стороне клиента). Каждый из этих служебных процессов вел себя фактически так, как если бы был единственным представителем СУБД. Вся синхронизация возможной параллельной работы с базой данных производилась на уровне файлов внешней памяти, содержащих базу данных. Условимся впредь называть такие СУБД не серверами баз данных, а системами управления базами данных, основанными на файл-серверной архитектуре (СУБД-ФС).

Под истинным сервером баз данных мы будем понимать программное образование, привязанное к соответствующей базе (базам) данных, существующее, вообще говоря, независимо от существования пользовательских (клиентских) процессов и выполняемое, вообще говоря (хотя и не обязательно) на выделенной аппаратуре (мы намеренно используем не очень конкретные термины "программное образование" и "выделенная аппаратура", потому что их конкретное воплощение различается в разных серверах баз данных).

Истинные серверы баз данных существенно сложнее по организации, чем СУБД-ФС, на зато обеспечивают более тонкое и эффективное управление базами данных. Везде далее в этом курсе при употреблении термина "сервер баз данных" мы будем иметь в виду истинные серверы баз данных.

Но с другой стороны, в большинстве персональных СУБД эти условия не выполняются даже с помощью грубых приемов. В лучшем случае удается частично восполнить недостатки на уровне прикладных программ.

В третьих, интерфейс развитых серверов баз данных основан на использовании высокоуровневого языка баз данных SQL, что позволяет использовать сетевой трафик между клиентом и сервером баз данных только в полезных целях (от клиента к серверу в основном пересылаются операторы языка SQL, от сервера к клиенту - результаты выполнения операторов). В файл-серверной организации клиент работает с удаленными файлами, что вызывает существенную перегрузку трафика (поскольку СУБД-ФС работает на стороне клиента, то для выборки полезных данных в общем случае необходимо просмотреть на стороне клиента весь соответствующий файл целиком).

Рис. 2.2. "Толстый" клиент и "тонкий" сервер в файл-серверной архитектуре

Краткие выводы. Простое, работающее с небольшими объемами информации и рассчитанное на применение в однопользовательском режиме, файл-серверное приложение можно спроектировать, разработать и отладить очень быстро. Очень часто для небольшой компании для ведения, например, кадрового учета достаточно иметь изолированную систему, работающую на отдельно стоящем PC. Конечно, и в этом случае требуется большая аккуратность конечных пользователей (или администраторов, наличие которых в этом случае сомнительно) для надежного хранения и поддержания целостного состояния данных. Однако, в уже ненамного более сложных случаях (например, при организации информационной системы поддержки проекта, выполняемого группой) файл-серверные архитектуры становятся недостаточными.

Клиент-серверные приложения

Под клиент-серверным приложением мы будем понимать информационную систему, основанную на использовании серверов баз данных (см. длинное замечание в конце раздела 2.1). Общее представление информационной системы в архитектуре "клиент-сервер" показано на рисунке 2.3.

На стороне клиента выполняется код приложения, в который обязательно входят компоненты, поддерживающие интерфейс с конечным пользователем, производящие отчеты, выполняющие другие специфичные для приложения функции (пока нас не будет занимать, как строится код приложения). Клиентская часть приложения взаимодействует с клиентской частью программного обеспечения управления базами данных, которая, фактически, является индивидуальным представителем СУБД для приложения.

(Здесь опять проявляются недостатки в терминологии. Обычно, когда компания объявляет о выпуске очередного сервера баз данных, то неявно понимается, что имеется и клиентская составляющая этого продукта. Сочетание "клиентская часть сервера баз данных" кажется несколько странным, но нам придется пользоваться именно этим термином.)

Рис. 2.3. Общее представление информационной системы в архитектуре "клиент-сервер"

Наконец, клиентская часть сервера баз данных, используя средства сетевого доступа, обращается к серверу баз данных, передавая ему текст оператора языка SQL.

Здесь необходимо сделать еще два замечания.

Обычно компании, производящие развитые серверы баз данных, стремятся к тому, чтобы обеспечить возможность использования своих продуктов не только в стандартных на сегодняшний день TCP/IP-ориентированных сетях, но в сетях, основанных на других протоколах (например, SNA или IPX/SPX). Поэтому при организации сетевых взаимодействий между клиентской и серверной частями СУБД часто используются не стандартные средства высокого уровня (например, механизмы программных гнезд или вызовов удаленных процедур), а собственные функционально подобные средства, менее зависящие от особенностей сетевых транспортных протоколов. Когда мы говорим об интерфейсе на основе языка SQL, нужно отдавать себе отчет в том, что несмотря на титанические усилия по стандартизации этого языка, нет такой реализации, в которой стандартные средства языка не были бы расширены. Необдуманное использование расширений языка приводит к полной зависимости приложения от конкретного производителя сервера баз данных.

Посмотрим теперь, что же происходит на стороне сервера баз данных. В продуктах практически всех компаний сервер получает от клиента текст оператора на языке SQL.

Оператор может относиться к классу операторов определения (или создания) объектов базы данных (точнее и правильнее было бы говорить про элементы схемы базы данных или про объекты метабазы данных). В частности, могут определяться домены, таблицы, ограничения целостности, триггеры, привилегии пользователей, хранимые процедуры. В любом случае, при выполнении оператора создания элемента схемы базы данных соответствующая информация помещается в таблицы-каталоги базы данных (в таблицы метабазы данных). Ограничения целостности обычно сохраняются в метабазе данных прямо в текстовом представлении. Для действий, определенных в триггерах, и хранимых процедур вырабатывается и сохраняется в таблицах-каталогах процедурный выполняемый код. Заметим, что ограничения целостности, триггеры и хранимые процедуры являются, в некотором смысле, представителями приложения в поддерживаемой сервером базе данных; они составляют основу серверной части приложения (см. ниже). При выполнении операторов выборки данных на основе содержимого затрагиваемых запросом таблиц и, возможно, с использованием поддерживаемых в базе данных индексов формируется результирующий набор данных (мы намеренно не используем здесь термин "результирующая таблица", поскольку в зависимости от конкретного вида оператора результат может быть упорядоченным, а таблицы, т. е. отношения неупорядочены по определению). Серверная часть СУБД пересылает результат клиентской части, и окончательная обработка производится уже в клиентской части приложения. При выполнении операторов модификации содержимого базы данных (INSERT, UPDATE, DELETE) проверяется, что не будут нарушены определенные к этому моменту ограничения целостности (те, которые относятся к классу немедленно проверяемых), после чего выполняется соответствующее действие (сопровождаемое модификацией всех соответствующих индексов и журнализацией изменений). Далее сервер проверяет, не затрагивает ли данное изменение условие срабатывания какого-либо триггера, и если такой триггер обнаруживается, выполняет процедуру его действия. Эта процедура может включать дополнительные операторы модификации базы данных, которые могут вызвать срабатывание других триггеров и т. д. Можно считать, что те действия, которые выполняются на сервере баз данных при проверке удовлетворенности ограничений целостности и при срабатывании триггеров, представляют собой действия серверной части приложения. При выполнении операторов модификации схемы базы данных (добавления или удаления столбцов существующих таблиц, изменения типа данных существующего столбца существующей таблицы и т. д.) также могут срабатывать триггеры, т. е., другими словами, может выполняться серверная часть приложения. Аналогично, триггеры могут срабатывать при уничтожении объектов схемы базы данных (доменов, таблиц, ограничений целостности и т. д.). Особый класс операторов языка SQL составляют операторы вызова ранее определенных и сохраненных в базе данных хранимых процедур. Если хранимая процедура определяется с помощью достаточно развитого языка, включающего и непроцедурные операторы SQL, и чисто процедурные конструкции (например, языка PL/SQL компании Oracle), то в такую процедуру можно поместить серьезную часть приложения, которое при выполнении оператора вызова процедуры будет выполняться на стороне сервера, а не на стороне клиента. При выполнении оператора завершения транзакции сервер должен проверить соблюдение всех, так называемых, отложенных ограничений целостности (к таким ограничениям относятся ограничения, накладываемые на содержимое таблицы базы целиком или на несколько таблиц одновременно; например, суммарная зарплата сотрудников отдела 999 не должна превышать 150 млн. руб.). Снова к проверке отложенных ограничений целостности можно относиться как к выполнению серверной части приложения.

Как видно, в клиент-серверной организации клиенты могут являться достаточно "тонкими", а сервер должен быть "толстым" настолько, чтобы быть в состоянии удовлетворить потребности всех клиентов (рисунок 2.4).

Рис. 2.4. "Тонкий" клиент и "толстый" сервер в клиент-серверной архитектуре

С другой стороны, разработчики и пользователи информационных систем, основанных на архитектуре "клиент-сервер", часто бывают неудовлетворены постоянно существующими сетевыми накладными расходами , которые следуют из потребности обращаться от клиента к серверу с каждым очередным запросом. На практике распространена ситуация, когда для эффективной работы отдельной клиентской составляющей информационной системы в действительности требуется только небольшая часть общей базы данных. Это приводит к идее поддержки локального кэша общей базы данных на стороне каждого клиента.

Фактически, концепция локального кэширования базы данных является частным случаем концепции реплицированных (или, как иногда их называют в русскоязычной литературе, тиражированных) баз данных. Как и в общем случае, для поддержки локального кэша базы данных программное обеспечение рабочих станций должно содержать компонент управления базами данных - упрощенный вариант сервера баз данных, который, например, может не обеспечивать многопользовательский режим доступа. Отдельной проблемой является обеспечение согласованности (когерентности) кэшей и общей базы данных. Здесь возможны различные решения - от автоматической поддержки согласованности за счет средств базового программного обеспечения управления базами данных до полного перекладывания этой задачи на прикладной уровень. В любом случае, клиенты становятся более толстыми при том, что сервер тоньше не делается (рисунок 2.5).

Рис. 2.5. "Потолстевший" клиент и "толстый" сервер в клиент-серверной архитектуре с поддержкой локального кэша на стороне клиентов

Сформулируем некоторые предварительные выводы. Архитектура "клиент-сервер" на первый взгляд кажется гораздо более дорогой, чем архитектура "файл-сервер". Требуется более мощная аппаратура (по крайней мере, для сервера) и существенно более развитые средства управления базами данных. Однако, это верно лишь частично. Громадным преимуществом клиент-серверной архитектуры является ее масштабируемость и вообще способность к развитию.

При проектировании информационной системы, основанной на этой архитектуре, большее внимание следует обращать на грамотность общих решений. Технические средства пилотной версии могут быть минимальными (например, в качестве аппаратной основы сервера баз данных может использоваться одна из рабочих станций). После создания пилотной версии нужно провести дополнительную исследовательскую работу, чтобы выяснить узкие места системы. Только после этого необходимо принимать решение о выборе аппаратуры сервера, которая будет использоваться на практике.

Увеличение масштабов информационной системы не порождает принципиальных проблем. Обычным решением является замена аппаратуры сервера (и, может быть, аппаратуры рабочих станций, если требуется переход к локальному кэшированию баз данных). В любом случае практически не затрагивается прикладная часть информационной системы. В идеале, которого, конечно же не бывает, информационная система продолжает нормально функционировать после смены аппаратуры.

Архитектура клиент-сервер применяется в большом числе сетевых технологий, используемых для доступа к различным сетевым сервисам. Кратко рассмотрим некоторые типы таких сервисов (и серверов).

Web-серверы

Изначально представляли доступ к гипертекстовым документам по протоколу HTTP (Huper Text Transfer Protocol). Сейчас поддерживают расширенные возможности, в частности работу с бинарными файлами (изображения, мультимедиа и т.п.).

Серверы приложений

Предназначены для централизованного решения прикладных задач в некоторой предметной области. Для этого пользователи имеют право запускать серверные программы на исполнение. Использование серверов приложений позволяет снизить требования к конфигурации клиентов и упрощает общее управление сетью.

Серверы баз данных

Серверы баз данных используются для обработки пользовательских запросов на языке SQL. При этом СУБД находится на сервере, к которому и подключаются клиентские приложения.

Файл-серверы

Файл-сервер хранит информацию в виде файлов и представляет пользователям доступ к ней. Как правило файл-сервер обеспечивает и определенный уровень защиты от несакционированного доступа.

Прокси-сервер

Во-первых, действует как посредник, помогая пользователям получить информацию из Интернета и при этом обеспечивая защиту сети.

Во-вторых, сохраняет часто запрашиваемую информацию в кэш-памяти на локальном диске, быстро доставляя ее пользователям без повторного обращения к Интернету.

Файрволы (брандмауэры)

Межсетевые экраны, анализирующие и фильтрующие проходящий сетевой трафик, с целью обеспечения безопасности сети.

Почтовые серверы

Представляют услуги по отправке и получению электронных почтовых сообщений.

Серверы удаленного доступа (RAS)

Эти системы обеспечивают связь с сетью по коммутируемым линиям. Удаленный сотрудник может использовать ресурсы корпоративной ЛВС, подключившись к ней с помощью обычного модема.

Это лишь несколько типов из всего многообразия клиент-серверных технологий, используемых как в локальных, так и в глобальных сетях.

Для доступа к тем или иным сетевам сервисам используются клиенты, возможности которых характеризуются понятием «толщины». Оно определяет конфигурацию оборудования и программное обеспечение, имеющиеся у клиента. Рассмотрим возможные граничные значения:

«Тонкий» клиент

Этот термин определяет клиента, вычислительных ресурсов которого достаточно лишь для запуска необходимого сетевого приложения через web-интерфейс. Пользовательский интерфейс такого приложения формируется средствами статического HTML (выполнение JavaScript не предусматривается), вся прикладная логика выполняется на сервере.
Для работы тонкого клиента достаточно лишь обеспечить возможность запуска web-браузера, в окне которого и осуществляются все действия. По этой причине web-браузер часто называют "универсальным клиентом".

«Толстый» клиент

Таковым является рабочая станция или персональный компьютер, работающие под управлением собственной дисковой операционной системы и имеющие необходимый набор программного обеспечения. К сетевым серверам «толстые» клиенты обращаются в основном за дополнительными услугами (например, доступ к web-серверу или корпоративной базе данных).
Так же под «толстым» клиентом подразумевается и клиентское сетевое приложение, запущенное под управлением локальной ОС. Такое приложение совмещает компонент представления данных (графический пользовательский интерфейс ОС) и прикладной компонент (вычислительные мощности клиентского компьютера).

В последнее время все чаще используется еще один термин: «rich»-client. «Rich«-клиент своего рода компромисс между «толстым» и «тонким» клиентом. Как и «тонкий» клиент, «rich»-клиент также представляет графический интерфейс, описываемый уже средствами XML и включающий некоторую функциональность толстых клиентов (например интерфейс drag-and-drop, вкладки, множественные окна, выпадающие меню и т.п.)

Прикладная логика «rich»-клиента также реализована на сервере. Данные отправляются в стандартном формате обмена, на основе того же XML (протоколы SOAP, XML-RPC) и интерпретируются клиентом.

Некоторые основные протоколы «rich»-клиентов на базе XML приведены ниже:

XAML (eXtensible Application Markup Language) - разработан Microsoft, используется в приложениях на платформе.NET;
XUL (XML User Interface Language) - стандарт, разработанный в рамках проекта Mozilla, используется, например, в почтовом клиенте Mozilla Thunderbird или браузере Mozilla Firefox;
Flex - мультимедийная технология на основе XML, разработанная Macromedia/Adobe.

Заключение

Итак, основная идея архитектуры «клиент-сервер» состоит в разделении сетевого приложения на несколько компонентов , каждый из которых реализует специфический набор сервисов. Компоненты такого приложения могут выполняться на разных компьютерах, выполняя серверные и/или клиентские функции. Это позволяет повысить надежность, безопасность и производительность сетевых приложений и сети в целом.

Дальнейшие распределенные вычислительные системы мы будем создавать с использованием технологии клиент-сервер. Эта технология обеспечивает единый подход к обмену информацией между устройствами, будь это компьютеры, расположенные на разных континентах и связанные через интернет или платы Ардуино, лежащие на одном столе и соединенные витой парой.

В дальнейших уроках я планирую рассказывать о создании информационных сетей с использованием:

контроллеров локальной сети Ethernet;
WiFi модемов;
GSM модемов;
Bluetooth модемов.

Все эти устройства осуществляют обмен данными, используя модель клиент-сервер. По такому же принципу происходит передача информации в сети Интернет.

Я не претендую на полное освещение этой объемной темы. Я хочу дать минимум информации, необходимой для понимания последующих уроков.

Технология клиент-сервер.

Клиент и сервер это программы, расположенное на разных компьютерах, в разных контроллерах и других подобных устройствах. Между собой они взаимодействуют через вычислительную сеть с помощью сетевых протоколов.

Программы-серверы являются поставщиками услуг. Они постоянно ожидают запросы от программ-клиентов и предоставляют им свои услуги (передают данные, решают вычислительные задачи, управляют чем-либо и т.п.). Сервер должен быть постоянно включен и “прослушивать” сеть. Каждая программа-сервер, как правило, может выполнять запросы от нескольких программ-клиентов.

Программа-клиент является инициатором запроса, который может произвести в любой момент. В отличие от сервера клиент не должен быть постоянно включен. Достаточно подключиться в момент запроса.

Итак, в общих чертах система клиент-сервер выглядит так:

Есть компьютеры, контроллеры Ардуино, планшеты, сотовые телефоны и другие интеллектуальные устройства.
Все они включены в общую вычислительную сеть. Проводную или беспроводную - не важно. Они могут быть подключены даже к разным сетям, связанным между собой через глобальную сеть, например через интернет.
На некоторых устройствах установлены программы-серверы. Эти устройства называются серверами, должны быть постоянно включены, и их задача обрабатывать запросы от клиентов.
На других устройствах работают программы-клиенты. Такие устройства называются клиентами, они инициируют запросы серверам. Их включают только в моменты, когда необходимо обратиться к серверам.

Например, если вы хотите с сотового телефона по WiFi включать утюг, то утюг будет сервером, а телефон – клиентом. Утюг должен быть постоянно включен в розетку, а управляющую программу на телефоне вы будете запускать по необходимости. Если к WiFi сети утюга подключить компьютер, то вы сможете управлять утюгом и с помощью компьютера. Это будет еще один клиент. WiFi микроволновая печь, добавленная в систему, будет сервером. И так систему можно расширять бесконечно.

Передача данных пакетами.

Технология клиент-сервер в общем случае предназначена для использования с объемными информационными сетями. От одного абонента до другого данные могут проходить сложный путь по разным физическим каналам и сетям. Путь доставки данных может меняться в зависимости от состояния отдельных элементов сети. Какие-то компоненты сети могут не работать в этот момент, тогда данные пойдут другим путем. Может изменяться время доставки. Данные могут даже пропасть, не дойти до адресата.

Поэтому простая передача данных в цикле, как мы передавали данные на компьютер в некоторых предыдущих уроках, в сложных сетях совершенно невозможна. Информация передается ограниченными порциями – пакетами. На передающей стороне информация разбивается на пакеты, а на приемной “склеивается” из пакетов в цельные данные. Объем пакетов обычно не больше нескольких килобайт.

Пакет это аналог обычного почтового письма. Он также, кроме информации, должен содержать адрес получателя и адрес отправителя.

Пакет состоит из заголовка и информационной части. Заголовок содержит адреса получателя и отправителя, а также служебную информацию, необходимую для “склейки” пакетов на приемной стороне. Сетевое оборудование использует заголовок для определения, куда передавать пакет.

Адресация пакетов.

На эту тему в интернете есть много подробной информации. Я хочу рассказать как можно ближе к практике.

Уже в следующем уроке для передачи данных с использованием клиент-серверной технологии нам придется задавать информацию для адресации пакетов. Т.е. информацию, куда доставлять пакеты данных. В общем случае нам придется задавать следующие параметры:

IP-адрес устройства;
маску подсети;
доменное имя;
IP-адрес сетевого шлюза;
MAC-адрес;
порт.

Давайте разбираться, что это такое.

IP-адреса.

Технология клиент-сервер предполагает, что все абоненты всех сетей мира подключены к единой глобальной сети. На самом деле во многих случаях это так и есть. Например, большинство компьютеров или мобильных устройств подключено к интернету. Поэтому используется формат адресации, рассчитанный на такое громадное количество абонентов. Но даже если технология клиент-сервер применяется в локальных сетях, все равно сохраняется принятый формат адресов, при явной избыточности.

Каждой точке подключения устройства к сети присваивается уникальный номер – IP-адрес (Internet Protocol Address). IP-адрес присваивается не устройству (компьютеру), а интерфейсу подключения. В принципе устройства могут иметь несколько точек подключения, а значит несколько различных IP-адресов.

IP-адрес это 32х разрядное число или 4 байта. Для наглядности принято записывать его в виде 4 десятичных чисел от 0 до 255, разделенных точками. Например, IP-адрес моего сервера 31.31.196.216.

Для того чтобы сетевому оборудованию было проще выстраивать маршрут доставки пакетов в формат IP-адреса введена логическая адресация. IP-адрес разбит на 2 логических поля: номер сети и номер узла. Размеры этих полей зависят от значения первого (старшего) октета IP-адреса и разбиты на 5 групп – классов. Это так называемый метод классовой маршрутизации.

Класс	Старший октет	Формат (С-сеть, У-узел)	Начальный адрес	Конечный адрес	Количество сетей	Количество узлов
A	0	С.У.У.У	0.0.0.0	127.255.255.255	128	16777216
B	10	С.С.У.У	128.0.0.0	191.255.255.255	16384	65534
C	110	С.С.С.У	192.0.0.0	223.255.255.255	2097152	254
D	1110	Групповой адрес	224.0.0.0	239.255.255.255	-	2 28
E	1111	Резерв	240.0.0.0	255.255.255.255	-	2 27

Класс A предназначен для применения в больших сетях. Класс B используется в сетях средних размеров. Класс C предназначен для сетей с небольшим числом узлов. Класс D используется для обращения к группам узлов, а адреса класса E зарезервированы.

Существуют ограничения на выбор IP-адресов. Я посчитал главными для нас следующие:

Адрес 127.0.0.1 называется loopback и используется для тестирования программ в пределах одного устройства. Данные посланы по этому адресу не передаются по сети, а возвращаются программе верхнего уровня, как принятые.
“Серые” адреса – это IP-адреса разрешенные только для устройств, работающих в локальных сетях без выхода в Интернет. Эти адреса никогда не обрабатываются маршрутизаторами. Их используют в локальных сетях.
- Класс A: 10.0.0.0 – 10.255.255.255
- Класс B: 172.16.0.0 – 172.31.255.255
- Класс C: 192.168.0.0 – 192.168.255.255
Если поле номера сети содержит все 0, то это означает, что узел принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет.

Маски подсетей.

При классовом методе маршрутизации число битов адресов сети и узла в IP-адресе задается типом класса. А классов всего 5, реально используется 3. Поэтому метод классовой маршрутизации в большинстве случаях не позволяет оптимально выбрать размер сети. Что приводит к неэкономному использованию пространства IP-адресов.

В 1993 году был введен бесклассовый способ маршрутизации, который в данный момент является основным. Он позволяет гибко, а значит и рационально выбирать требуемое количество узлов сети. В этом методе адресации применяются маски подсети переменной длины.

Сетевому узлу присваивается не только IP-адрес, но и маска подсети. Она имеет такой же размер, как и IP-адрес, 32 бит. Маска подсети и определяет, какая часть IP-адреса относится к сети, а какая к узлу.

Каждый бит маски подсети соответствует биту IP-адреса в том же разряде. Единица в бите маски говорит о том, что соответствующий бит IP-адреса принадлежит сетевому адресу, а бит маски со значением 0 определяет принадлежность бита IP-адреса к узлу.

При передаче пакета, узел с помощью маски выделяет из своего IP-адреса сетевую часть, сравнивает ее с адресом назначения, и если они совпадают, то это означает, что передающий и приемный узлы находятся в одной сети. Тогда пакет доставляется локально. В противном случае пакет передается через сетевой интерфейс в другую сеть. Подчеркиваю, что маска подсети не является частью пакета. Она влияет только на логику маршрутизации узла.

По сути, маска позволяет одну большую сеть разбить на несколько подсетей. Размер любой подсети (число IP-адресов) должен быть кратным степени числа 2. Т.е. 4, 8, 16 и т.д. Это условие определяется тем, что биты полей адресов сети и узлов должны идти подряд. Нельзя задать, например, 5 битов - адрес сети, затем 8 битов – адрес узла, а затем опять биты адресации сети.

Пример формы записи сети с четырьмя узлами выглядит так:

Сеть 31.34.196.32, маска 255.255.255.252

Маска подсети всегда состоит из подряд идущих единиц (признаков адреса сети) и подряд идущих нулей (признаков адреса узла). Основываясь на этом принципе, существует другой способ записи той же адресной информации.

Сеть 31.34.196.32/30

/30 это число единиц в маске подсети. В данном примере остается два нуля, что соответствует 2 разрядам адреса узла или четырем узлам.

Размер сети (количество узлов)	Длинная маска	Короткая маска
4	255.255.255.252	/30
8	255.255.255.248	/29
16	255.255.255.240	/28
32	255.255.255.224	/27
64	255.255.255.192	/26
128	255.255.255.128	/25
256	255.255.255.0	/24

Последнее число первого адреса подсети должно делиться без остатка на размер сети.
Первый и последний адреса подсети – служебные, их использовать нельзя.

Доменное имя.

Человеку неудобно работать с IP-адресами. Это наборы чисел, а человек привык читать буквы, еще лучше связно написанные буквы, т.е. слова. Для того, чтобы людям было удобнее работать с сетями используется другая система идентификации сетевых устройств.

Любому IP-адресу может быть присвоен буквенный идентификатор, более понятный человеку. Идентификатор называется доменным именем или доменом.

Доменное имя это последовательность из двух или более слов, разделенных точками. Последнее слово это домен первого уровня, предпоследнее – домен второго уровня и т.д. Думаю, об этом знают все.

Связь между IP-адресами и доменными именами происходит через распределенную базу данных, с использованием DNS-серверов. DNS-сервер должен иметь каждый владелец домена второго уровня. DNS-серверы объединены в сложную иерархическую структуру и способны обмениваться между собой данными о соответствии IP-адресов и доменных имен.

Но это все не так важно. Для нас главное, что любой клиент или сервер может обратиться к DNS-серверу с DNS-запросом, т.е. с запросом о соответствии IP-адрес – доменное имя или наоборот доменное имя – IP-адрес. Если DNS-сервер обладает информацией о соответствии IP-адреса и домена, то он отвечает. Если не знает, то ищет информацию на других DNS-серверах и после этого сообщает клиенту.

Сетевые шлюзы.

Сетевой шлюз это аппаратный маршрутизатор или программа для сопряжения сетей с разными протоколами. В общем случае его задача конвертировать протоколы одного типа сети в протоколы другой сети. Как правило, сети имеют разные физические среды передачи данных.

Пример – локальная сеть из компьютеров, подключенная к Интернету. В пределах своей локальной сети (подсети) компьютеры связываются без необходимости в каком-либо промежуточном устройстве. Но как только компьютер должен связаться с другой сетью, например выйти в Интернет, он использует маршрутизатор, который выполняет функции сетевого шлюза.

Роутеры, которые есть у каждого, кто подключен к проводному интернету, являются одним из примеров сетевого шлюза. Сетевой шлюз это точка, через которую обеспечивается выход в Интернет.

В общем случае использование сетевого шлюза выглядит так:

Допустим у нас система из нескольких плат Ардуино, подключенных через локальную сеть Ethernet к маршрутизатору, который в свою очередь подключен к Интернету.
В локальной сети мы используем ”серые” IP-адреса (выше об этом написано), которые не допускают выхода в Интернет. У маршрутизатора два интерфейса: нашей локальной сети с “серым” IP-адресом и интерфейс для подключения к Интернету с ”белым” адресом.
В конфигурации узла мы указываем адрес шлюза, т.е. “белый” IP-адрес интерфейса маршрутизатора, подключенного к Интернету.
Теперь, если маршрутизатор получает от устройства с ”серым” адресом пакет с запросом на получение информации из Интернета, он заменяет в заголовке пакета ”серый” адрес на свой ”белый” и отправляет его в глобальную сеть. Получив из Интернета ответ, он заменяет ”белый” адрес на запомненный при запросе ”серый” и передает пакет локальному устройству.

MAC-адрес.

MAC-адрес это уникальный идентификатор устройств локальной сети. Как правило, он записывается на заводе-производителе оборудования в постоянную память устройства.

Адрес состоит из 6 байтов. Принято записывать его в шестнадцатеричной системе исчисления в следующих форматах: c4-0b-cb-8b-c3-3a или c4:0b:cb:8b:c3:3a. Первые три байта это уникальный идентификатор организации-производителя. Остальные байты называются ”Номер интерфейса” и их значение является уникальным для каждого конкретного устройства.

IP-адрес является логическим и устанавливается администратором. MAC-адрес – это физический, постоянный адрес. Именно он используется для адресации фреймов, например, в локальных сетях Ethernet. При передаче пакета по определенному IP-адресу компьютер определяет соответствующий MAC-адрес с помощью специальной ARP-таблицы. Если в таблице отсутствуют данные о MAC-адресе, то компьютер запрашивает его с помощью специального протокола. Если MAC-адрес определить не удается, то пакеты этому устройству посылаться не будут.

Порты.

С помощью IP-адреса сетевое оборудование определяет получателя данных. Но на устройстве, например сервере, могут работать несколько приложений. Для того чтобы определить какому приложению предназначены данные в заголовок добавлено еще одно число – номер порта.

Порт используется для определения процесса приемника пакета в пределах одного IP-адреса.

Под номер порта выделено 16 бит, что соответствует числам от 0 до 65535. Первые 1024 портов зарезервированы под стандартные процессы, такие как почта, веб-сайты и т.п. В своих приложениях их лучше не использовать.

Статические и динамические IP-адреса. Протокол DHCP.

IP-адреса могут назначаться вручную. Достаточно утомительная операция для администратора. А в случае, когда пользователь не обладает нужными знаниями, задача становится трудноразрешимой. К тому же не все пользователи находятся постоянно подключенными к сети, а выделенные им статические адреса другие абоненты использовать не могут.

Проблема решается применением динамических IP-адресов. Динамические адреса выдаются клиентам на ограниченное время, пока они непрерывно находятся в сети. Распределение динамических адресов происходит под управлением протокола DHCP.

DHCP – это сетевой протокол, позволяющий устройствам автоматически получать IP-адреса и другие параметры, необходимые для работы в сети.

На этапе конфигурации устройство-клиент обращается к серверу DHCP, и получает от него необходимые параметры. Может быть задан диапазон адресов, распределяемых среди сетевых устройств.

Просмотр параметров сетевых устройств с помощь командной строки.

Существует много способов, как узнать IP-адрес или MAC-адрес своей сетевой карты. Самый простой – это использовать CMD команды операционной системы. Я покажу, как это делать на примере Windows 7.

В папке Windows\System32 находится файл cmd.exe. Это интерпретатор командной строки. С помощь него можно получать системную информацию и конфигурировать систему.

Открываем окно выполнить. Для этого выполняем меню Пуск -> Выполнить или нажимаем комбинацию клавиш Win + R .

Набираем cmd и нажимаем OK или Enter. Появляется окно интерпретатора команд.

Теперь можно задавать любые из многочисленных команд. Пока нас интересуют команды для просмотра конфигурации сетевых устройств.

Прежде всего, это команда ipconfig , которая отображает настройки сетевых плат.

Подробный вариант ipconfig/all .

Только MAC-адреса показывает команда getmac .

Таблицу соответствия IP и MAC адресов (ARP таблицу) показывает команда arp –a .

Проверить связь с сетевым устройством можно командой ping .

ping доменное имя
ping IP-адрес

Сервер моего сайта отвечает.

Основные сетевые протоколы.

Я коротко расскажу о протоколах, необходимых нам в дальнейших уроках.

Сетевой протокол это набор соглашений, правил, которые определяют обмен данными в сети. Мы не собираемся реализовывать эти протоколы на низком уровне. Мы намерены использовать готовые аппаратные и программные модули, которые реализуют сетевые протоколы. Поэтому нет необходимости подробно разбирать форматы заголовков, данных и т.п. Но, зачем нужен каждый протокол, чем он отличается от других, когда используется знать надо.

Протокол IP.

Inernet Protocol (межсетевой протокол) доставляет пакеты данных от одного сетевого устройства к другому. IP протокол объединяет локальные сети в единую глобальную сеть, обеспечивая передачу пакетов информации между любыми устройствами сетей. Из представленных в этом уроке протоколов IP находится на самом низком уровне. Все остальные протоколы используют его.

IP протокол работает без установления соединений. Он просто пытается доставить пакет по указанному IP-адресу.

IP обрабатывает каждый пакет данных, как отдельную независимую единицу, не связанную с другими пакетами. Невозможно используя только IP протокол, передать значительный объем связанных данных. Например, в сетях Ethernet максимальный объем данных одного IP-пакета составляет всего 1500 байт.

В протоколе IP нет механизмов, позволяющих контролировать достоверность конечных данных. Контрольные коды используются только для защиты целостности данных заголовка. Т.е. IP не гарантирует, что данные в полученном пакете будут правильными.

Если во время доставки пакета произошла ошибка, и пакет был потерян, то IP не пытается заново послать пакет. Т.е. IP не гарантирует, что пакет будет доставлен.

Коротко о протоколе IP можно сказать, что:

он доставляет небольшие (не более 1500 байт) отдельные пакеты данных между IP-адресами;
он не гарантирует, что доставленные данные будут правильными;

Протокол TCP.

Transmission Control Protocol (протокол управления передачей) основной протокол передачи данных Интернета. Он использует способность IP протокола доставлять информацию от одного узла другому. Но в отличии от IP он:

Позволяет переносить большие объемы информации. Разделение данных на пакеты и “склеивание” данных на приемной стороне обеспечивает TCP.
Данные передаются с предварительной установкой соединения.
Производит контроль целостности данных.
В случае потери данных инициирует повторные запросы потерянных пакетов, устраняет дублирование при получении копий одного пакета.

По сути, протокол TCP снимает все проблемы доставки данных. Если есть возможность, он их доставит. Не случайно это основной протокол передачи данных в сетях. Часто используют терминологию TCP/IP сети.

Протокол UDP.

User Datagram Protokol (протокол пользовательских датаграмм) простой протокол для передачи данных без установления соединения. Данные отправляются в одном направлении без проверки готовности приемника и без подтверждения доставки. Объем данных пакета может достигать 64 кБайт, но на практике многие сети поддерживают размер данных только 1500 байт.

Главное достоинство этого протокола – простата и высокая скорость передачи. Часто применяется в приложениях критичных к скорости доставки данных, таких как видеопотоки. В подобных задачах предпочтительнее потерять несколько пакетов, чем ждать отставшие.

Протоколу UDP свойственно:

это протокол без установления соединений;
он доставляет небольшие отдельные пакеты данных между IP-адресами;
он не гарантирует, что данные вообще будут доставлены;
он не сообщит отправителю, были ли доставлены данные и не повторит передачу пакета;
нет упорядоченности пакетов, порядок доставки сообщений не определен.

Протокол HTTP.

Скорее всего, об этом протоколе в следующих уроках буду писать подробнее. А сейчас коротко скажу, что это протокол передачи гипертекста (Hyper Text Transfer Protocol). Он используется для получения информации с веб-сайтов. При этом веб-браузер выступает в роли клиента, а сетевое устройство в качестве веб-сервера.

В следующем уроке будем применять технологию клиент-сервер на практике, используя сеть Ethernet.

В сознании многих пользователей сервер ассоциируется с высоким шкафом или хотя бы с корпусом типа Big Tower. Само понятие "сервер" окружено некой завесой таинственности и значимости. Невзначай оброненное слово "сервер" вызывает уважительные мысли о мощи и надежности информационных технологий, а также к человеку, его произнесшему. В этой статье будет рассказано как о серверах, действительно занимающих целую комнату, так и о серверах начального уровня, внешне неотличимых от обычных ПК. Статья будет состоять из нескольких частей, в которых будет дана подробная классификация серверов, рассказано об аппаратных технологиях, отличающих сервер от обычного ПК, о возможностях связки сервер-программное обеспечение и многом другом.

Стоит отметить, что сама тема серверных технологий бесконечна - все зависит лишь о степени детализации излагаемого материала. В этой статье я постарался изложить материал максимально подробно, настолько, что кое-где речь зайдет об архитектуре серверов на уровне, соприкасающемся с тонкостями программирования на ассемблере. Впрочем, я надеюсь, что моя статья будет интересна как можно более широкому кругу читателей - от технических специалистов до рядовых пользователей.

История

Чтобы лучше понять, что представляют собой современные серверы, кратко рассмотрим историю их возникновения. Изначально, вся электронная обработка данных проходила на мощных ЭВМ - мейнфреймах, у пользователей был лишь терминал для доступа к данным. Терминал представлял собой алфавитно-цифровой дисплей и клавиатуру, которые подключались к мейнфрейму. Сам по себе мейнфрейм (от англ. mainframe - основная стойка) представлял собой мощную, универсальную ЭВМ для массового одновременного обслуживания нескольких тысяч пользователей. Мейнфреймы на тот момент поставляли всего несколько компаний, но, как правило, их продукция была несовместима между собой, а, следовательно, компании-потребители были замкнуты на решения одного поставщика, который поставлял все аппаратное и программное обеспечение. Компьютерные системы были очень дорогими, а переход с одной системы на другую был очень болезненным. В 1971 г. компанией Intel был разработан первый микропроцессор (i4004), что сделало возможным появление персонального компьютера - IBM PC. С ростом мощности и количества ПК произошел постепенный переход от централизованной обработки информации к распределенной (на персональных компьютерах). Терминалы стали замещаться ПК, а от мэйнфреймов постепенно отказались.

Однако с ростом количества ПК и их мощности, развитием локальных сетей вновь возникла потребность в централизованном хранении и обработке данных.

Появилась необходимость в сервере для персональных компьютеров. Сервер - устройство в сети, предназначенное для обслуживания доступа к общим ресурсам (файлы, принтеры, базы данных, приложения и т.д.).

Изначально распространение получили файловые серверы, где пользователи хранили свои данные и обменивались ими. С ростом глобальной компьютерной сети интернет возникло новое направление - телекоммуникационные серверы (веб-серверы, ftp, доменных имен, почтовые). С развитием СУБД, в силу изменения формата хранения и доступа к данным, файловые серверы утратили свою популярность, и их во многом заменили серверы баз данных. Файловые серверы остаются и по сей день, но они приобрели второстепенное значение - их используют для хранения пользовательских файлов и различных архивов. Также на файловых серверах хранятся данные, предназначенные для совместной работы нескольких пользователей. В последнее время выросла популярность терминальных серверов - ПК пользователей служат лишь терминалом для отображения и ввода данных, а все пользовательские задачи выполняются на сервере. Таким образом достигается значительная экономия на ПК (на роль терминала годятся даже маломощные компьютеры), снижаются затраты на установку и поддержку программного обеспечения, решаются вопросы конфиденциальности и сохранности данных.

Для снижения совокупной стоимости владения (Total Cost of Ownership - TCO), куда входят затраты на оборудование, программное обеспечение и обслуживание техники, многие компании сегодня возвращаются к централизованной обработке данных.

Классификация серверных решений

Сегодня компании не замкнуты на одного поставщика аппаратного и программного обеспечения, имея возможность использовать различные программные и аппаратные решения от различных производителей - в первую очередь речь, идет о разнице в "глобальных" подходах (выбор между Windows - Unix системами и архитектурами CISC/RISC).

На сегодняшний день основным представителем архитектуры CISC (Complete Instruction Set Computer - компьютер с полным набором команд) являются процессоры x86 от AMD и Intel. Строго говоря, CISC/RISC архитектуры на самом деле являются идеализированными концепциями, поэтому классификация процессоров на их основе является несколько условной. Но процессоры х86 относят к CISC процессорам, поскольку они соответствуют наиболее важным характеристикам, свойственным CISC-системам:

сравнительно небольшое число регистров общего назначения (16 регистров у классических CISC-архитектур);
большое количество машинных команд (набор команд постоянно пополняется за счет нововведений производителей - MMX, SSE, 3DNow! и пр.);
большое количество методов адресации;
большое количество поддерживаемых форматов команд различной разрядности;
преобладание двухадресного формата команд.

Поскольку на сегодняшний день AMD только обозначил свое присутствие на рынке серверных процессоров, то далее речь пойдет о развитии серверных процессоров Intel.

В 1995 г. компанией Intel был разработан процессор Pentium Pro (150МГц, 512Кб кэш), позиционирующийся как серверный. Он отличался от настольных аналогов большим кэшем и продвинутой архитектурой, частично заимствованной у процессоров с архитектурой RISC. В процессоре Pentium Pro Intel впервые включила технологию динамического исполнения (Dynamic Execution), то есть инструкции могут исполняться не только последовательно, но и параллельно с помощью предсказания ветвей кода и переупорядоченного исполнения инструкций. Тем самым значительно повысилась эффективность процессора - количество команд, выполняемых за такт.

Вторым нововведением стал большой встроенный кэш L2. Для серверных систем наличие большего кэша является очень важным. Процессоры всегда работают на частотах, в несколько раз превышающих частоту памяти. Половина инструкций стандартных приложений представляет собой команды работы с памятью - загрузку и выгрузку данных (Load-Store). Работа с памятью происходит по следующей схеме: если данные не были найдены в кэше L1, то следует обращение к кэшу L2, на это уходит 9-16 процессорных циклов, если данных нет и в кэше L2, то на обращение к памяти уходит до 150 процессорных циклов, в течение которых процессор ждет данные. Большой кэш L2 повышает вероятность быстрого доступа к данным, а, следовательно, увеличивает эффективность работы процессора.

Можно говорить о том, что Intel впервые применяет и обкатывает свои новые продвинутые технологии именно на серверных процессорах, потом эти технологии постепенно распространяются и на персональные компьютеры. Это уже произошло с интегрированным кэшем L2, динамическим исполнением, многопоточностью (hyper-threading). На очереди 64 битная адресация памяти (ЕM64Т).

За Pentium Pro последовали другие серверные процессоры: в 1998 г. - Intel Pentium II Xeon (400-450МГц, 1-2Мб кэш), Pentium III Xeon (700-900Мгц, 1-2Мб кэш). В 2001 г. был выпущен серверный аналог Pentium 4, Хeon, который развивается и используется и в настоящее время.

Так сложилось, что на сегодняшний день на долю Intel приходится около 90% всех поставок рынка серверов, но лишь половина доходов этого рынка попадает в ее карманы: сегмент серверов начального уровня, где Intel доминирует с середины 90х, велик, но прибыли от него, в силу дешевизны продукции, несравнимы с сегментом мощных серверов. К примеру, по моей информации, на сегодняшний день в Республике Беларусь установлено несколько тысяч одно- и двухпроцессорных серверов начального уровня и только несколько 48-процессорных серверов RISC - общая стоимость систем примерно одинакова. При одинаковой общей стоимости прибыль, полученная производителями от продажи этих систем, существенно разнится. Дело в том, что Intel позволяет производить серверы на основе своих процессоров целому ряду сторонних производителей, получая прибыль не со всей стоимости сервера (5000-15000 USD), а только со стоимости своих комплектующих - в основном, процессоров (т.е. с 1000-3000 USD).

В последнее время Intel активно борется за этот самый прибыльный сегмент серверного рынка (системы с количеством процессоров от 4 до 256), где достаточно прочно обосновались системы на базе RISC архитектуры. Основной надеждой Intel являются 64-битные процессоры Intel Itanium 2. Предыдущий процессор Intel Itanium так и остался непопулярным - с момента начала поставок работоспособных систем на его основе и до выпуска Itanium 2, по данным Gartner, было продано лишь около 3 тысяч серверов на его основе (за тот же период серверов с процессорами RISC было продано 4.7 млн.).

Архитектура, называемая компьютером с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Computer - RISC), появилась благодаря тому, что еще в середине 70-х годов XX века некоторые разработчики компьютерных архитектур заметили, что даже у компьютеров сложной архитектуры большая часть времени уходит на выполнение простых команд. Справедливым оказалось правило 20/80, а именно - 20% команд используется в 80% случаев, а оставшиеся 80% команд используются в 20% случаев.

Основными чертами концепции RISC-архитектуры являются:

одинаковая длина команд;
единый формат команд. Или, по крайней мере, использование не более двух-трех форматов;
операндами всех арифметических и логических команд могут быть только регистры;
команды выполняют только простые действия;
выполнение любой команды производится не дольше, чем за один такт;
большой регистровый файл;
только простая адресация.

Основными чертами RISC архитектуры обладают процессоры SPARC (масштабируемая процессорная архитектура - Scalable Processor ARChitecture). Всеобщим заблуждением среди любителей является соотнесение архитектуры SPARC только с компанией Sun. На самом деле архитектура SPARC - это стандартизированная архитектура, в рамках которой целый ряд производителей выпускают процессоры и крупные вычислительные системы на их основе. Первый процессор SPARC был изготовлен компанией Fujitsu на базе вентильной матрицы, работающей на частоте 16.67 МГц еще в 1987 году.

Основными конкурентами на этом рынке долгое время оставались компании Sun Microsystems и Fujitsu. Но не так давно эти компании объявили о новом направлении сотрудничества, результатом которого станет появление новой линейки систем APL (Advanced Product Line) на платформе SPARC/Solaris. Эта линейка появится в 2006 году и соединит все достоинства существующих линеек Sun Fire и PrimePower. На европейском рынке линейку PrimePower поставляет концерн Fujitsu Siemens Computers.

Эти системы изначально проектировались как масштабные 64-разрядные вычислительные системы enterprise уровня. Как уже отмечалось, системы RISC доминируют в классе мощных серверов. На это есть ряд причин, а именно - архитектура SPARC позволяет организовать максимальную масштабируемость, кроме того, немаловажную роль играет наличие специализированного программного обеспечения для масштабных систем. В серверах PrimePower используется операционная система Solaris, достаточно давно разрабатываемая специально для этих целей. А на рынке программного обеспечения для CISC систем ситуация плачевна: оригинального программного обеспечения для процессоров Itanium мало, а то, что есть - еще не опробовано и "сыро", чтобы на него делали ставку заказчики мощных серверов. Задачи, для решения которых нужны такие машины (финансовое моделирование, построение крупных электронно-коммерческих систем и т.п.), требуют идеальной надежности и проверки временем. Системы на базе SPARC такую проверку уже прошли.

Следующий параметр для классификации серверов - используемое программное обеспечение. Можно долго и бесплодно спорить, что же лучше - системы на базе Windows или *nix систем, но серверный рынок самостоятельно решил для себя этот вопрос - в серверах начального уровня в подавляющем большинстве случаев используется Windows 2000/2003 Server, тогда как в серверах enterprise уровня - *nix системы (большей частью Solaris).

На мой взгляд, это связано прежде всего с тем, что, кроме непосредственной стоимости оборудования, в общую стоимость (ТСО) серверов входят также затраты на администрирование. И в этом свете администраторы Windows "стоят" куда "дешевле" своих коллег, администрирующих *nix системы, что связано с достаточной сложностью администрирования таких систем и явным недостатком соответствующих квалифицированных специалистов. Поэтому доля подобных расходов в ТСО серверов начального уровня значительно превосходит такую же долю в ТСО мощных серверов. А владельцы дорогостоящих RISC систем зачастую готовы платить соответствующие деньги своим специалистам, зная, что один час простоя такого сервера обойдется им в сумму, превышающую десятки годовых зарплат системного администратора.

В следующей статье я расскажу о классификации серверов по их назначению, основных требованиях к серверам и способах достижения соответствия этим требованиям и др.

Если в ходе прочтения этой статьи у вас возникли вопросы или замечания, направляйте их на мой электронный адрес.

Кроме того, 27 сентября в Минске состоится семинар, проводимый компанией Fujitsu Siemens Computers и ее партнером в Беларуси ИП "ИТЦ-М", посвященный современным серверным технологиям, системам хранения данных, опыту внедрения, эксплуатации и сопровождения серверов в крупных ВЦ и др. В ходе проведения семинара специалисты и руководители служб ИТ/АСУ, работающие в этой области, смогут пообщаться со специалистами крупнейшего в Европе производителя серверов и компьютерного оборудования и получить исчерпывающую информацию по всем интересующим их вопросам. Следите за объявлением о регистрации на сайте www.itc.by и в прессе.