Архитектура «Клиент-Сервер»
Определение
Архитектура «Клиент-Сервер» (также используются термины «сеть Клиент-Сервер» или «модель Клиент-Сервер») предусматривает разделение процессов предоставление услуг и отправки запросов на них на разных компьютерах в сети, каждый из которых выполняют свои задачи независимо от других.
В архитектуре «Клиент-Сервер» несколько компьютеров-клиентов (удалённые системы) посылают запросы и получают услуги от централизованной служебной машины – сервера (server – англ. «официант, обслуга»), которая также может называться хост-системой (host system, от host – англ. «хозяин», обычно гостиницы).
Клиентская машина предоставляет пользователю т.н. «дружественный интерфейс» (user-friendly interface), чтобы облегчить его взаимодействие с сервером.
Рис. 1. Архитектура «Клиент-Сервер».
Типы клиент-серверной архитектуры
Архитектуру «клиент-сервер» принято разделять на три класса: одно-, двух- и трёхуровневую. Однако, нельзя сказать, что в вопросе о таком разделении в сообществе ИТ-специалистов существует полный консенсус. Многие называют одноуровневую архитектуру двухуровневой и наоборот, то же можно сказать о соотношении двух- и трёхуровневой архитектур.
Постараемся внести ясность в этот вопрос.
Одноуровневая архитектура (1-Tier)
Одноуровневая архитектура «клиент-сервер» (1-Tier) – такая, где все прикладные программы рассредоточены по рабочим станциям, которые обращаются к общему серверу баз данных или к общему файловому серверу. Никаких прикладных программ сервер при этом не исполняет, только предоставляет данные.
Рис. 2. Одноуровневая архитектура «клиент-сервер» (1-Tier).
В целом, такая архитектура очень надёжна, однако, ей сложно управлять, поскольку в каждой рабочей станции данные будут присутствовать в разных вариантах. Поэтому возникает проблема их синхронизации на отдельных машинах. В общем, как можно видеть из рисунка, в этой архитектуре просматривается ещё один уровень – базы данных, что даёт повод во многих случаях называть её двухуровневой.
Двухуровневая архитектура (2-Tier)
К двухуровневой архитектуре «клиент-сервер» следует относить такую, в которой прикладные программы сосредоточены на сервере приложений (Application Server), например, сервере 1С или сервере CRM, а в рабочих станциях находятся программы-клиенты, которые предоставляют для пользователей интерфейс для работы с приложениями на общем сервере.
Рис. 3. Двухуровневая архитектура «клиент-сервер» (2-Tier).
Такая архитектура представляется наиболее логичной для архитектуры «клиент-сервер». В ней, однако, можно выделить два варианта. Когда общие данные хранятся на сервере, а логика их обработки и бизнес-данные хранятся на клиентской машине, то такая архитектура носит название “fat client thin server” (толстый клиент, тонкий сервер). Когда не только данные, но и логика их обработки и бизнес-данные хранятся на сервере, то это называется “thin client fat server” (тонкий клиент, толстый сервер). Такая архитектура послужила прообразом облачных вычислений (Cloud Computing).
Преимущества двухуровневой архитектуры:
Однако, у двухуровневой архитектуры есть и ограничения:
Трёхуровневая архитектура (3-Tier)
В трёхуровневой архитектуре сервер баз данных, файловый сервер и другие представляют собой отдельный уровень, результаты работы которого использует сервер приложений. Логика данных и бизнес-логика находятся в сервере приложений. Все обращения клиентов к базе данных происходят через промежуточное программное обеспечение (middleware), которое находится на сервере приложений. Вследствие этого, повышается гибкость работы и производительность.
Рис. 4. Трёхуровневая архитектура «клиент-сервер» (3-Tier).
Преимущества трёхуровневой архитектуры:
Многоуровневая архитектура (N-Tier)
В отдельный класс архитектуры «клиент-сервер» можно вынести многоуровневую архитектуру, в которой несколько серверов приложений используют результаты работы друг друга, а также данные от различных серверов баз данных, файловых серверов и других видов серверов.
По сути, предыдущий вариант, трёхуровневая архитектура – не более, чем частный случай многоуровневой архитектуры.
Рис. 5. Многоуровневая архитектура «клиент-сервер» (N-Tier).
Преимуществом многоуровневой архитектуры является гибкость предоставления услуг, которые могут являться комбинацией работы различных приложений серверов разных уровней и элементов этих приложений.
Очевидным недостатком является сложность, многокомпонентность такой архитектуры.
Характеристики архитектуры «клиент-сервер»
Практические применения архитектуры «клиент-сервер»
Хорошим примером работы системы «клиент-сервер» является автомобильный навигатор. Приложение навигации на сервере собирает данные с многих смартфонов пользователей, на которых установлены клиенты приложения. Кроме того, приложение навигации использует ещё и данные с сервера базы данных – геоинформационной системы, который предоставляет данные, например, о текущих ремонтах дорог, о появлении новых дорог и пр. Данные со многих клиентов (местоположение, скорость) обрабатывается сервером навигации и выдаётся на смартфоны пользователей в виде информации о средней скорости движения по тому или иному участку маршрута.
Практически любая корпоративная сеть или ИТ-система предприятия, как правило, строится по архитектуре «клиент-сервер». В небольших сетях (3-5 компьютеров в компании) функции сервера может выполнять один из рабочих компьютеров. Если число машин в организации более 10, то лучше сделать выделенный сервер (почтовый сервер, приложений, баз данных и пр.), который будет заниматься обслуживанием клиентов – компьютеров и телефонов сотрудников организации.
В домашних сетях архитектура «клиент-сервер» тоже используется довольно часто. Например, в домашнюю сеть могут быть объединены компьютеры членов семьи, один из которых выполняет функции сервера. В домашнюю сеть также могут быть включены такие устройства, как умные колонки, умные домашние устройства (пылесосы-роботы, фотоаппараты, DVD-плееры и пр.), а также «умные» счётчики (вода, электричество) и т.д. Тогда в системе управления сервера, будут видны все параметры, данные и медифайлы (музыка, видео, фото), а также «умные устройства».
Преимущества и недостатки архитектуры «клиент-сервер»
К преимуществам архитектуры «клиент-сервер» можно отнести:
К недостаткам архитектуры «клиент-сервер» следует отнести:
Заключение
В настоящее время можно встретить термин Serverless Architecture, т.н. «бессерверная архитектура». Однако, по сути, она представляет собой процесс получения функций сервера в виде облачной услуги. То есть, серверы в облаке тоже есть, но для конечного пользователя они не видны, и он получает их сервисы в виде абстрактной «функции как услуги» FaaS (Function as a Service).
Архитектура «клиент-сервер» является основой большинства корпоративных сетей и берёт свое начало от самых первых вычислительных машин, т.н. «мэйнфреймов». Программное обеспечение для локальных компьютерных сетей, подавляющее большинство которых основано на архитектуре «клиент-сервер», начало создаваться около 50 лет назад.
Дальнейшее развитие информационных технологий также будет происходить в значительной степени с использованием архитектуры «клиент-сервер».
Архитектура клиент-сервер
Веб-приложение – это клиент-серверное приложение, в котором клиентом выступает браузер, а сервером – веб-сервер (в широком смысле).
Основная часть приложения, как правило, находится на стороне веб-сервера, который обрабатывает полученные запросы в соответствии с бизнес-логикой продукта и формирует ответ, отправляемый пользователю. На этом этапе в работу включается браузер, именно он преобразовывает полученный ответ от сервера в графический интерфейс, понятный пользователю.
Архитектура «клиент-сервер» определяет общие принципы организации взаимодействия в сети, где имеются серверы, узлы-поставщики некоторых специфичных функций (сервисов) и клиенты (потребители этих функций).
Практические реализации такой архитектуры называются клиент-серверными технологиями.
Расположение компонентов на стороне клиента или сервера определяет следующие основные модели их взаимодействия в рамках двухзвенной архитектуры:
Клиент – это браузер, но встречаются и исключения (в тех случаях, когда один веб-сервер (ВС1) выполняет запрос к другому (ВС2), роль клиента играет веб-сервер ВС1). В классической ситуации (когда роль клиента выполняет браузер) для того, чтобы пользователь увидел графический интерфейс приложения в окне браузера, последний должен обработать полученный ответ веб-сервера, в котором будет содержаться информация, реализованная с применением HTML, CSS, JS (самые используемые технологии). Именно эти технологии «дают понять» браузеру, как именно необходимо «отрисовать» все, что он получил в ответе.
Веб-сервер – это сервер, принимающий HTTP-запросы от клиентов и выдающий им HTTP-ответы. Веб-сервером называют как программное обеспечение, выполняющее функции веб-сервера, так и непосредственно компьютер, на котором это программное обеспечение работает. Наиболее распространенными видами ПО веб-серверов являются Apache, IIS и NGINX. На веб-сервере функционирует тестируемое приложение, которое может быть реализовано с применением самых разнообразных языков программирования: PHP, Python, Ruby, Java, Perl и пр.
База данных фактически не является частью веб-сервера, но большинство приложений просто не могут выполнять все возложенные на них функции без нее, так как именно в базе данных хранится вся динамическая информация приложения (учетные, пользовательские данные и пр).
Третьим звеном в трехзвенной архитектуре становится сервер приложений, т.е. компоненты распределяются следующим образом:
Трехзвенная архитектура может быть расширена до многозвенной (N-tier, Multi-tier) путем выделения дополнительных серверов, каждый из которых будет представлять собственные сервисы и пользоваться услугами прочих серверов разного уровня.
Двухзвенная архитектура проще, так как все запросы обслуживаются одним сервером, но именно из-за этого она менее надежна и предъявляет повышенные требования к производительности сервера.
Трехзвенная архитектура сложнее, но, благодаря тому, что функции распределены между серверами второго и третьего уровня, эта архитектура предоставляет:
Клиент-серверные технологии
Архитектура клиент-сервер применяется в большом числе сетевых технологий, используемых для доступа к различным сетевым сервисам.
Типы сервисов:
Изначально предоставляли доступ к гипертекстовым документам по протоколу HTTP (Hyper Text Transfer Protocol). Сейчас поддерживают расширенные возможности, в частности, работу с бинарными файлами (изображения, мультимедиа и т.п.).
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 используются для обработки пользовательских запросов на языке SQL. При этом, СУБД находится на сервере, к которому и подключаются клиентские приложения.
Файл-сервер хранит информацию в виде файлов и предоставляет пользователям доступ к ней. Как правило, файл-сервер обеспечивает и определенный уровень защиты от несанкционированного доступа
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.
Межсетевые экраны, анализирующие и фильтрующие проходящий сетевой трафик, с целью обеспечения безопасности сети.
Предоставляют услуги по отправке и получению электронных почтовых сообщений.
Эти системы обеспечивают связь с сетью по коммутируемым линиям. Удаленный сотрудник может использовать ресурсы корпоративной ЛВС, подключившись к ней с помощью обычного модема.
Для доступа к тем или иным сетевым 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).
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:
Протокол передачи данных — набор соглашений интерфейса логического уровня, которые определяют обмен данными между различными программами. Эти соглашения задают единообразный способ передачи сообщений и обработки ошибок при взаимодействии ПО.
Сетевой протокол — набор правил и действий (очерёдности действий), позволяющий осуществлять соединение и обмен данными между двумя и более включёнными в сеть устройствами.
Сетевые протоколы:
TCP/IP — набор протоколов передачи данных, получивший название от двух принадлежащих ему протоколов: TCP (англ. Transmission Control Protocol) и IP (англ. Internet Protocol).
Наиболее известные протоколы, используемые в сети Интернет:
HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) — это протокол передачи гипертекста.
SSL ( Secure Sockets Layer — уровень защищённых cокетов) — криптографический протокол, который подразумевает более безопасную связь.
FTP (File Transfer Protocol) — это протокол передачи файлов со специального файлового сервера на компьютер пользователя.
POP3 (Post Office Protocol) — это стандартный протокол почтового соединения.
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — протокол, который задает набор правил для передачи почты.
TELNET — это протокол удаленного доступа.
DTN — протокол, предназначенный для сетей дальней космической связи IPN, которые используются NASA.
Всё ПО для работы с протоколом HTTP разделяется на три большие категории:
Как видно из названия, главные «действующие лица»:
· клиент – компьютерное устройство, которое отсылает запросы серверу, касающиеся выполнения определенных задач или предоставления конкретной информации.
· сервер – компьютерное устройство, гораздо мощнее обычного ПК.
Система работает по следующему принципу:
1. Клиент отправляет запрос серверной машине.
2. Сервер принимает обращение с требованием выполнить определенное действие и выполняет поставленную задачу.
3. Программно-аппаратный комплекс отправляет клиенту результат выполненной работы, обработанного запроса.
Модель клиент-сервер предоставляет возможность разграничить поставленные задачи и работу над вычислениями между теми, кто заказывает услуги и теми, кто их поставляет.
Основные компоненты системы:
· клиент. Рабочая станция считается входной точкой конечного пользователя в данной системе. Отправляет запросы, получает ответы;
· сервер. Взаимодействует с многочисленными клиентами и решает поставленные ими задачи;
· сеть. Здесь происходит передача данных. Посредством сети можно соединить рабочие машины общими ресурсами;
· приложения. Могут обрабатывать информацию, организовывать физическое распределение данных между сервером и клиентом. Программным обеспечением оснащают серверные устройства для сбора данных, работы с ними и хранения. А также ПО устанавливают на компьютерной станции-клиенте.
О технологии клиент-сервер
Серверное устройство поддерживает многопользовательский режим и обеспечивает одновременно работу с несколькими клиентами. Конечно, машина не может решать в прямом смысле слова одновременно несколько поставленных задач, она выстраивает запросы в очередь по мере поступления, обрабатывает обращения и отправляет результаты работы. Запросы можно выстраивать в списке по приоритетности. Чем важнее запрос, тем быстрей его обрабатывают, даже, если он поступил позже.
Рядовые пользователи сети интернет даже не догадываются о том, как их запросы моментально обслуживаются, чтобы они читали новости, книги, тематические статьи, смотрели интересные видео и фильмы, ходили по форумам, «зависали» в социальных сетях, оплачивали счета, общались с друзьями, оформляли заказы на покупку товаров и т.д. Главное, что ответная реакция быстрая.
Именно технология клиент сервер предоставляет возможность реализовать вышеуказанные многочисленные поставленные задачи. Обычно клиент – это браузер конкретного пользователя. А серверами зачастую выступают:
· любые серверы http;
· наборы серверных машин (например, Denwer);
Обмен информацией между клиентом и сервером происходит благодаря сетевым протоколам в интернете. Каждой услуге соответствует определенный протокол, их предостаточно. Запросы, отсылаемые клиентом, классифицируют как http сообщения. Здесь четко указано, какие сведения нужно предоставить, в каком оформлении. Серверное устройство после анализа и обработки запроса, обычно отвечает html документом – дает свой http ответ.
Сообщение от клиента поступает с дополнительными данными, чтобы серверу было понятно, как с ним работать. Ответ машины также отправляется с кодами помимо полезных запрашиваемых данных, чтобы браузер оценил понятливость аппаратно-программного комплекса при обработке его запроса.
Смотря на каком уровне осуществляется взаимосвязь клиента с сервером, отсылаемые сообщения браузером упаковываются по-разному. Как будто они оборачиваются клиентом в несколько слоем обертки. После того, как послание поступило серверной станции, она приступает к разворачиванию всех этих слоев, проводит анализ информации и сбор данных.
Говоря больше о технологии клиент-сервер, следует уточнить, что браузер первый выходит на контакт и делает