Автореферат по теме:
Разработка и исследование клиент-серверной системы для взаимодействия мобильных устройств с сервером c использованием технологии Java
Выполнил Шелуденков А. В.
Актуальность темы
Введение
1.Архитектура "клиент-сервер"
2.Модели взаимодействия клиент-сервер
3. Преимущества архитектуры клиент-сервер
4. Функции сервера
5. Java платформа
5.1 Объектно-ориентированность
5.2 Надежность
5.3 Безопасность
5.4 Независимость от архитектуры
5.5 Высокая производительность
6. CGI и Java технологи
Заключение
Литератута
В наше время практически во всех сферах жизни человеческого общества применяются те или иные системы обработки данных. Это могут быть банковские системы, промышленные программные комплексы, средства автоматизации торговли и многие другие приложения. Постоянное расширение областей применения вычислительной техники и всевозрастающая сложность решаемых задач требуют совершенствования методов создания современных информационных систем.
С начала 90-х годов XX века известна такая технология реализации программных приложений как архитектура "клиент-сервер". Ее основная особенность состоит в том, что приложение делится на два уровня - представление данных (клиент) и хранение данных (сервер БД). Обработка информации происходит на клиенте, на сервер посылаются запросы и обрабатываются полученные в ответ на них данные.
С появлением мульти-платформенных технологий программирования и телекоммуникационных систем возникла возможность внедрения архитектуры клиент-сервер в портативные устройства.
В рамках данной работы будет рассмотрены преимущества этой архитектуры для мобильных устройств с использованием технологии Java.
Архитектура клиент-сервер предполагает сервер баз данных, представляющий собой приложение, осуществляющее комплекс действий по управлению данными - выполнение запросов, хранение и резервное копирование данных, отслеживание ссылочной целостности, проверку прав и привилегий пользователей, ведение журнала транзакций.
Одним из важнейших преимуществ клиент-серверных информационных систем по сравнению с их аналогами является снижение сетевого трафика при выполнении запросов.
Вторым преимуществом архитектуры клиент-сервер является возможность хранения бизнес-правил на сервере, что позволяет избежать дублирования кода в различных приложениях, использующих общую базу данных. Кроме того, в этом случае любое редактирование данных, в том числе и редактирование нештатными средствами, может быть произведено только в рамках этих правил.
Помимо перечисленных возможностей, современные серверные СУБД обладают широкими возможностями управления пользовательскими привилегиями и правами доступа к различным объектам базы данных, резервного копирования и архивации данных, а нередко и оптимизации выполнения запросов. Они также, как правило, предоставляют возможность параллельной обработки данных, особенно в случае использования многопроцессорных компьютеров в качестве сервера баз данных.
Итак, клиент-серверная информационная система состоит в простейшем случае из двух основных компонентов:
• сервер баз данных, управляющий хранением данных, доступом и защитой, резервным копированием, отслеживающий целостность данных в соответствии с бизнес-правилами и, самое главное, выполняющий запросы клиента;
• клиент, предоставляющий интерфейс пользователя, выполняющий логику приложения, проверяющий допустимость данных, посылающий запросы к серверу и получающий ответы от него;
Как правило, компьютеры и программы, входящие в состав информационной системы, не являются равноправными. Некоторые из них владеют ресурсами (файловая система, процессор, принтер, база данных и т.д.), другие имеют возможность обращаться к этим ресурсам. Компьютер (или программу), управляющий ресурсом, называют сервером этого ресурса (файл-сервер, сервер базы данных, вычислительный сервер...). Клиент и сервер какого-либо ресурса могут находиться как в рамках одной вычислительной системы, так и на различных компьютерах, связанных сетью.
Основной принцип технологии "клиент-сервер" заключается в разделении функций приложения на три группы:
• ввод и отображение данных (взаимодействие с пользователем);
• прикладные функции, характерные для данной предметной области;
• функции управления ресурсами (файловой системой, базой данных и т.д.);
Поэтому, в любом приложении выделяются следующие компоненты:
• компонент представления данных;
• прикладной компонент;
• компонент управления ресурсом;
Связь между компонентами осуществляется по определенным правилам, которые называют "протокол взаимодействия".
Исторически первой появилась модель распределенного представления данных, которая реализовывалась на универсальной ЭВМ с подключенными к ней неинтеллектуальными терминалами. Управление данными и взаимодействие с пользователем при этом объединялись в одной программе, на терминал передавалась только "картинка", сформированная на центральном компьютере.
Затем, с появлением персональных компьютеров (ПК) и локальных сетей, были реализованы модели доступа к удаленной базе данных. Некоторое время базовой для сетей ПК была архитектура файлового сервера. При этом один из компьютеров является файловым сервером, на клиентах выполняются приложения, в которых совмещены компонент представления и прикладной компонент (СУБД и прикладная программа). Протокол обмена при этом представляет набор низкоуровневых вызовов операций файловой системы. Такая архитектура, реализуемая, как правило, имеет очевидные недостатки - высокий сетевой трафик и отсутствие унифицированного доступа к ресурсам.
С появлением первых специализированных серверов баз данных появилась возможность другой реализации модели доступа к удаленной базе данных. В этом случае ядро СУБД функционирует на сервере, протокол обмена обеспечивается с помощью языка SQL. Такой подход по сравнению с файловым сервером ведет к уменьшению загрузки сети и унификации интерфейса "клиент-сервер". Однако, сетевой трафик остается достаточно высоким, кроме того, по- прежнему невозможно удовлетворительное администрирование приложений, поскольку в одной программе совмещаются различные функции.
Позже была разработана концепция активного сервера, который использовал механизм хранимых процедур. Это позволило часть прикладного компонента перенести на сервер (модель распределенного приложения). Процедуры хранятся в словаре базы данных, разделяются между несколькими клиентами и выполняются на том же компьютере, что и SQL-сервер. Преимущества такого подхода: возможно централизованное администрирование прикладных функций, значительно снижается сетевой трафик (т.к. передаются не SQL-запросы, а вызовы хранимых процедур). Недостаток - ограниченность средств разработки хранимых процедур по сравнению с языками общего назначения.
На практике сейчас обычно используется смешанный подход: простейшие прикладные функции выполняются хранимыми процедурами на сервере; более сложные реализуются на клиенте непосредственно в прикладной программе.
Сейчас ряд поставщиков коммерческих СУБД объявило о планах реализации механизмов выполнения хранимых процедур с использованием языка Java. Это соответствует концепции "тонкого клиента", функцией которого остается только отображение данных (модель удаленного представления данных).
В последнее время также наблюдается тенденция ко все большему использованию модели распределенного приложения. Характерной чертой таких приложений является логическое разделение приложения на две и более частей, каждая из которых может выполняться на отдельном компьютере. Выделенные части приложения взаимодействуют друг с другом, обмениваясь сообщениями в заранее согласованном формате. В этом случае двухзвеньевая архитектура клиент-сервер становится трехзвеньевой, а в некоторых случаях, она может включать и больше звеньев (рис 1).
Рисунок 1 - 3-х уровневая архитектура клиент-сервер
Силой, способствующей развитию систем с архитектурой клиент-сервер, служит то, что подключение к недорогим серверам недорогих ПК позволит получить оптимальное соотношение цены и производительности. Чаще всего это предположение верно.
Используя множество небольших компьютеров, разработчики систем клиент-сервер могут эмулировать вычислительную мощность больших ЭВМ, распределяя прикладную задачу по различным микрокомпьютерам и серверам.
Каждый из них берет на себя свою часть вычислительной нагрузки, используя информацию совместно с другими процессорами сети. Суть идеи в том, что чтобы повысить мощность системы, не наращивая производительность одного компьютера, а суммируя средства многих.
Быстродействие - основной фактор целесообразности разработки систем для архитектуры клиент-сервер. Технологи серверов баз данных становится проще в использовании и сочетаются в одних системах со средствами RAD. Таким образом, ожидается, что с помощью этой скоростной и практически защищенной платформы сократится время, необходимое для подготовки и передачи прикладной программы пользователю.
Привлекательность ГИП (графического интерфейса пользователя) - еще один фактор, склоняющий пользователей к применению архитектуры клиент-сервер . К преимуществам прикладных программ клиент-сервер относятся также простота использования и удобство для пользователей, работающих с такими ГИП, как Windows 3.1, Windows 95, Windows NT и OS/2 Warp. Пользователи чувствуют себя более комфортно и работают продуктивнее с такими прикладными программами, такими как текстовые процессоры, средства просмотра Internet (браузеры) и электронные таблицы, и подобными им .
Наконец, клиент-сервер - это технология, предоставляющая больше самостоятельности пользователям. Прикладные программы и данные находятся на небольших, более доступных системах, а не в недрах мини-ЭВМ и мощных вычислительных центров.
Наиболее простая форма архитектуры клиент-сервер - это разделение вычислительной нагрузки между двумя отдельными процессами: клиентом и сервером. Хотя и клиент, и сервер могут находиться на одном и том же компьютере, большинство систем этой архитектуры запускают клиентский процесс на одном компьютере, а процесс-сервер на другом, используя для обмена информацией сетевые связи. В этой модели один процесс может работать независимо от другого, выполнять определенные задания и разделять вычислительную нагрузку.
Обычно клиентом служит настольный ПК, выполняющий программное обеспечение конечного пользователя. Программное обеспечение (ПО) конечного пользователя (front-end software) - это любая прикладная программа или пакет, способные направлять запросы по сети серверу и обрабатывать получаемую в ответ информацию. Сервер, в свою очередь, получает запросы и предпринимает действия от имени клиента.
Промежуточное обеспечение (middleware) предоставляет общий интерфейс для ПО конечного пользователя и сервера, проникающий сквозь слои ГИП, ОС, вычислительной сети и собственных драйверов базы данных с помощью общих вызовов. Для завершения операции сервер базы данных выполняет запрос и передает клиенту затребованные данные для обработки их программой клиента.
Серверы баз данных занимаются не только обслуживанием данных. В них предусмотрены также механизмы блокировок и элементы управления многопользовательским доступом, которые обеспечивают защиту данных от опасности параллельного доступа. Кроме этого, серверу баз данных приходится ограждать данные от несанкционированного доступа, оптимизировать запросы к базе данных, обеспечивать кэширование и предоставлять место для размещения словаря данных.
Две другие важные особенности, на которые стоит обратить внимание, - способность сервера обеспечивать целостность ссылочных данных и обоюдный контроль завершения транзакции. Ссылочная целостность данных (referential integrity) - это механизм, обеспечивающий каждому внешнему ключу соответствующий первичный ключ. Обоюдный контроль завершения транзакций (two-phase commit) - гарантия того, что ваши данные не будут повреждены даже при аппаратном сбое.
С помощью хранимых процедур, триггеров и правил разработчики могут составить программу непосредственно самого сервера баз данных и, таким образом, появляется еще одно место для размещения логики программы. Хранимые процедуры (stored procedures) - это группа предложений на языке SQL и процедурная логика, которые разработчики могут компилировать и хранить на сервере баз данных в качестве объектов. Программы-клиенты способны выполнять хранимые процедуры, также как и другой вид хранимых процедур или триггеров, путем посылки сообщений серверу баз данных.
Триггеры (triggers) - это хранимые процедуры, которые активизируются автоматически, как только серверу баз данных встречается связанное с данными событие. Правило (rule) - это специальный тип триггера, который проверяет данные до внесения их в базу данных.
Большая часть имеющихся на данный момент хранимых процедур, триггеров и правил обладает весьма узкой специализацией и отличающимися возможностями. SQL Server способен запускать только один триггер для операции вставки, в то время как CA-OpenIngres обеспечивает работу нескольких триггеров. Более того, расширения процедур SQL у разных изготовителей разные.
"Написано однажды, работает везде!" Технология Java - это объектно-ориентированная, платформо-независимая, многопоточная среда программирования.
Когда программный продукт, написанный на языке программирования Java компилируется с использованием технологии Java, получается байткод. Виртуальная машина Java может интерпретировать этот байткод на любой платформе, на которой установлена виртуальная машина Java. Это означает, что нет необходимости в портировании программ.
В Java не включены некоторые редко используемые, плохо понимаемые и усложняющие работу возможности С++, которые приносят больше проблем, чем преимуществ. Пришлось отказаться от перегрузки операторов (но перегрузка методов в Java осталась), множественного наследования, автоматического расширяющего приведения типов.
Добавилась автоматическая сборка мусора, упрощающая процесс программирования, но несколько усложняющая систему в целом. В С и С++ управление памятью вызывало всегда массу проблем, теперь же об этом не придется много заботиться.
5.1 Объектно-ориентированность
Язык Java с самого начала проектировался как объектно-ориентированный. Задачам распределенных систем клиент-сервер отвечает объектно-ориентированная парадигма: использование концепций инкапсуляции, наследования и полиморфизма. Java предоставляет ясную и действенную объектно-ориентированную платформу разработки.
5.2 Надежность
Платформа Java разработана для создания высоконадежного прикладного программного обеспечения. Большое внимание уделено проверке программ на этапе компиляции, за которой следует второй уровень - динамическая проверка (на этапе выполнения).
Модель управления памятью предельно проста: объекты создаются с помощью оператора new. В Java, в отличие от С++, механизм указателей исключает возможность прямой записи в память и порчи данных: при работе с указателями операции строго типизированы, отсутствуют арифметические операции над указателями. Работа с массивами находится под контролем управляющей системы. Существует автоматическая сборка мусора.
Данная модель управления памятью исключает целый класс ошибок, так часто возникающих у программистов на С и С++. Программы на Java можно писать, будучи уверенным в том, что машина не "повиснет" из-за ошибок при работе с динамически выделенной памятью.
5.3 Безопасность
Java разработана для оперирования в распределенных средах, это означает, что на первом плане должны стоять вопросы безопасности. В сетевых средах приложения, написанные на Java, защищены от вторжения неавторизованного кода, пытающегося внедрить вирус или разрушить файловую систему.
5.4 Независимость от архитектуры
Java разработан для поддержки приложений, внедряемых в гетерогенные сетевые среды. В подобных средах приложения должны исполняться на различных аппаратных архитектурах, под управлением различных операционных систем и во взаимодействии с интерфейсами различных языков программирования. Для обеспечения платформо-независимости программ компилятор Java генерирует байт-код - архитектурно-нейтральный промежуточный формат программы, создаваемый для эффективной передачи кода на различные аппаратные и программные платформы. При выполнении программы байт-код интерпретируется исполняющей машиной Java. Один и тот же Java-байткод будет исполняться на любой платформе.
5.5 Высокая производительность
Производительность всегда заслуживает особого внимания. Java достигает высокой производительности благодаря специально оптимизированному байт-коду, легко переводимому в машинный код. Автоматическая сборка мусора выполняется как фоновый поток с низким приоритетом, обеспечивая высокую вероятность доступности требуемой памяти, что ведет к увеличению производительности. Приложения, требующие больших вычислительных ресурсов, могут быть спроектированы так, чтобы те части, которые требуют интенсивных вычислений, были написаны на языке ассемблера и взаимодействовали с Java платформой. В основном, пользователи ощущают, что приложения взаимодействуют быстро, несмотря на то, что они являются интерпретируемыми.
При помощи сервлетов можно извлекать данные из баз данных. Предлагаемый подход актуален для широкого спектра задач объектно–ориентированного дизайна для построения объектно–ориентированных моделей обеспечивающих работу с базами данных различных организаций.
Рассмотрим разницу между CGI и Fast CGI технологиями и работой Java based Web Server. Когда Web-сервер получает CGI (Common Gateway Interface) - запрос, ему нужно запустить постороннюю программу, дать возможность этой программе выполниться и затем завершиться, и после этого вернуть полученный в результате выполнения текст в Web-браузер. Ещё больше осложняет ситуацию то, что большинство современных Web-приложений предполагают наличие некоего подобия доступа к базам данных. Каждый раз во время выполнения CGI должно создаваться новое обращение к базе данных, которое занимает несколько секунд. Процесс получения ответа от CGI скрипта изображён на рисунке 2.
Рисунок 2 - CGI
Время отработки скрипта часто сопоставимо со временем создания нового процесса. Технология FastCGI даёт 6-10 кратное увеличение производительности по сравнению с CGI за счёт того, что отработавший процесс не удаляется из памяти. Также в FastCGI предусмотрены API-функции, с помощью которых скрипт использует может использовать некоторые ресурсы сервера, что также повышает производительность системы. FastCGI изображён на рисунке 3.
Рисунок 3 - FastCGI
Сервлеты являются объектами, которые образуют специфический интерфейс, с помощью которого их можно свободно встраивать в Java-ориентированные Web-сервера. На рис. 4. показана работа Java Web Server. Отметим многопоточность в едином процессе. Множество сервлетов выполняются параллельно в рамках одного процесса на сервере и по своей производительности превосходят как CGI, так и Fast-CGI приложения. Сервлетам нет необходимости перезагружать процесс при каждом новом запросе, и это также повышает их быстродействие.
Рисунок 4 - Servlet
Сервлеты устойчивы, платформенно независимы, обладают всеми необходимыми качествами, включая защиту данных, упрощённый доступ к данным и облегченный способ интеграции с Java-аплетами. Сервлеты, являющиеся частью предлагаемого проекта, имеют целый ряд преимуществ по сравнению с CGI – технологиями. Основные преимущества сервлетов таковы:
Независимость от платформы. Сервлеты могут выполняться на любой платформе без необходимости рекомпилирования или модификации. Скрипты на PERL тоже могут мигрировать с платформы на платформу, однако расширения для CGI и серверов, написанные на языках высокого уровня типа С, не так подвижны.
Сервлеты загружаются только один раз, в то время как программы CGI должны загружаться в ответ на каждый новый запрос. Используемый в сервлетах метод init() позволяет программисту осуществлять ресурсопоглощающие операции (типа соединения с базой данных) в момент загрузки и многократно использовать их при повторных обращениях к сервлетам. Другими словами, вместо того чтобы входить в базу и обратно многократно, достаточно подсоединиться к ней один раз.
Расширяемость. Java является устойчивым, хорошо продуманным и полностью объектно-ориентированным языком. Специализированные библиотеки Java, инструментальные средства разработки и драйверы для работы с базами данных постоянно пополняются и обновляются. Фактически, сервлеты - это ключевой элемент для Java Server API (Application Programming Interface), который должен работать везде, начиная с Web-серверов и заканчивая сетевыми компьютерами.
Сервлеты часто используются при разработке Web-приложений. Применение сервлетов позволяет значительно упростить процесс динамического формирования содержимого Web- документов. Web –приложение представляет собой совокупность следующих компонентов: Java–сервлеты, Java Server Page, библиотека пользовательских дескрипторов, библиотека классов Java, дескриптор доставки, статические компоненты (HTML-страницы, изображения и т.д.), прочие ресурсы.
Для обеспечения работы данных приложения подходит любой сервер, поддерживающий эти компоненты. Если Web–приложение содержит сервлеты, JSP или библиотеки пользовательских дескрипторов, то Web-сервер должен быть снабжён специальным контейнером, поддерживающим данные компоненты. Это может быть либо контейнер, специально ориентированный для работы с Java-сервлетами и JSP, либо полнофункциональный сервер, предназначенный для обеспечения работы J2EE-приложений, например, Borland Enterprise Application Server. Одно из преимуществ использования языка Java для создания программ состоит в том, что написанный и скомпилированный код можно переносить с одной платформы на другую. В идеальном случае Web- приложение должно представлять собой автономную структуру, содержащую все необходимые файлы и определяющие особенности доставки и выполнения программных компонентов. Таким образом, преимущества, присущие языку Java , переносятся на целую платформу, содержащую корректное представление информации на различных серверах. Содержимое Web-узла и размещённых на них Web-приложений представляет собой сочетание статической, т.е. не изменяемой с течением времени, информации и динамически формируемых данных. К Web–узлам предъявляются требования, предполагающие формирование информации с учетом интересов конкретных пользователей. Кроме того, Web-страницы часто, например, в нашем случае, приходится формировать на основании информации, содержащейся в базах данных.
В ходе выполнения работы магистра по данной теме было получено представление об архитектуре клиент-сервер и о роли этой технологии.
Были выполнены экспериментальные наработки клиент-серверной системы, базирующейся на Java Servlet и MIDlet технологиях. Производится передача контента между клиентом и сервером, связывающихся посредством GPRS.
В перспективе создание портала, способного принимать широкую разновидность контентов, расширение клиентской базы, адаптация одной из существующих БД для хранения специализированных типов информации.
Я считаю, что данная работа может быть использована как основа для дальнейшего изучения технологий, объединенных концепцией веб-серверов.
1. H. Мухамедзянов, Java. Серверные приложения, - Издательство: СОЛОН - Р, 2003
2. Роберт Орфали, Дэн Харки, "JAVA и CORBA в приложениях клиент-сервер"
3. Дуглас Камер, Дэвид Л. Стивенс, Сети TCP/IP, том 3. Разработка приложений типа клиент/сервер, издательство «Вильямс», 2002 г., 592 стр.
4. Фленов М.Е., Web-сервер глазами хакера: Проблемы безопасности Web-серверов; Ошибки в сценариях на PHP, Perl, ASP; SQL-инъекции
