План-конспект занятия «Архитектуры информационных систем»

План-конспект занятия по дисциплине  

«Эксплуатация подсистем безопасности автоматизированных систем»

Тема: «Архитектуры информационных систем»

Цель: Формирование первоначальных представлений о требованиях к организации программного обеспечения информационных систем, познакомить учащихся с различными видами архитектур информационных систем.

Задачи занятия:

Образовательные - познакомить учащихся с различными видами архитектур, концепциями построения информационных систем на базе клиент-серверных архитектур, принципами организации многопользовательского режима работы информационных систем.

Развивающие – продолжить формирование научного мировоззрения, расширить словарный запас учащихся

Воспитательные – формировать интерес к дисциплине, воспитывать настойчивость в преодолении трудностей в учебной работе.

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, экран, презентация «Архитектуры информационных систем».

Программное обеспечение: Microsoft PowerPoint, презентация к уроку.

План урока.

·        Организационный этап (приветствие, определение отсутствующих на уроке)

·        Актуализация опорных знаний.

·        Изложение нового материала.

·        Закрепление.

·        Домашнее задание.

Ход урока:

Слайд 1.

1.   Организационный момент. Цель, задачи урока – 3 мин.

Здравствуйте, ребята! Наше сегодняшнее занятие может быть условно разделено на 2 части:

§  Актуализация опорных знаний  - повторение основных понятий дисциплины «Базы данных».

§   Теоретическая часть – знакомство с концепцией построения систем на основе различных архитектур, изучение основных компонентов архитектур информационных систем, принципы организации многопользовательского режима работы систем.

2.     Актуализация опорных знаний

С целью формирования речи, закрепления основополагающих понятий данной темы проводится в виде фронтального устного опроса по следующим вопросам:

·        Что понимают под понятием «Информационная система»?

Предполагаемый ответ:

Информационная система - организованная совокупность программно-технических и дру­гих вспомогательных средств, технологических процессов и функционально-определенных групп работников, обеспечивающих сбор, представление и накопление информационных ресур­сов в определенной предметной области, поиск и выдачу све­дений, необходимых для удовлетворения информационных по­требностей установленного контингента пользователей — абонентов системы.

·        Какие подсистемы можно выделить в составе информационной системы?

Предполагаемый ответ:

В составе информационной системы можно выделить три подсистемы: подсистема сбора информации, подсистема представления и обработки информации, подсистема выдачи информации.

·        Из каких компонентов состоит информационная система?

Предполагаемый ответ:

Общую структуру ИС можно рассматривать как совокупность отдельных ее частей, независимо от сферы ее применения (части – подсистемы). В этом случае имеют в виду структурный признак классификации, а подсистемы называют обеспечивающими. Таким образом, структура любой ИС может быть представлена совокупностью обеспечивающих подсистем:

- программное обеспечение,

- математическое обеспечение,

- техническое обеспечение,

- информационное обеспечение,

- организационное обеспечение,

- правовое обеспечение

·        Дайте определение понятию «Программное обеспечение». Какие виды программного обеспечения информационных систем вы знаете?

Предполагаемый ответ:

Программное обеспечение – это совокупность программ для реализации целей и задач ИС, а также нормального функционирования комплекса технических средств.

Программное обеспечение делится на три группы:

1.     Операционные системы

2.     Системы программирования

3.     Приложения или пакеты прикладных программ

Дайте характеристику каждому виду программного обеспечения?

Предполагаемый ответ:

Операционная система предназначена для управления данными, задачами (процессами) и для организации связи с человеком – оператором

Система программирования представляет собой инструментальную среду программиста, которая позволяет ему разрабатывать прикладные программы, а в более общем случае и системные компоненты ПО для соответственных ЭВМ и ОС. Эта совокупность средств разработки программ (языки программирования, текст, редакторы, трансляторы, утилиты) обеспечивающих автоматизацию соответствия составления и отладки программ пользователем.

Приложения включают в себя программные продукты и оболочки систем.

Программным продуктом является полностью или частично замкнутый программный комплекс, настроенный на решение одной или нескольких задач, ориентированных на обработку стандартных входных форм и выпусканию стандартных выходных документов.

Оболочка ИС (системы программирования ИС) – представляют собой гибкие программные комплексы, настроенные на задачи пользователя.

·        Раскройте понятие СУБД (системы управлении базами данных)?

Предполагаемый ответ:

СУБД – это комплекс про­граммных средств, реализующих создание баз данных, их поддержание в актуальном состоянии, а также обеспечивающих различным категориям пользователей возможность получать из БД необходимую информацию.

3.     Изложение нового материала

Архитектура информационных систем - концепция,  определяющая модель, структуру, выполняемые функции  и взаимосвязь компонентов информационной системы.

         В зависимости от расположения БД и приложения для работы с ней выделяют локальные и удаленные БД.  Соответственно, для работы с локальными БД разрабатываются  локальные приложения, а для работы с удаленными  БД : клиент – серверные приложения. Естественно, что

взаимное расположение БД и приложений в целом влияют на производительность системы.   

         Это обусловило появление таких схем обработки данных, как: локальная; файл-сервер; клиент-сервер, которая включает в себя 2х и 3х – уровневую архитектуру.

При использовании локальной БД в сети возможна организация многопользовательского доступа. В этом случае БД и приложение располагаются на сервере локальной сети. Каждый из пользователей запускает со своего ПК это приложение, при этом у него запускается локальная копия.

         Приложение осуществляет доступ к БД через процессор БД, который должен обязательно быть установлен на ПК пользователя. Приложение через Процессор БД передает запрос, а обратно получает требуемые данные. Работа с БД как правило осуществляется в однопользовательском режиме. При необходимости на этом же ПК можно запустить и другое приложение, одновременно осуществляющее доступ к этим же данным. В этом случае речь идет о совместном доступе к данным. Для управления совместным доступом к БД необходимы специальные средства контроля и защиты. Эти средства могут понадобиться, например, в случае, когда приложение пытается изменить запись, которую редактирует другое приложение. Каждая разновидность БД осуществляет подобный контроль своими способами и обычно имеет встроенные средства разграничения доступа.

Архитектура «файл  - сервер» обычно применяется в сетях с небольшим количеством пользователей, для ее реализации подходят персональные СУБД, например, Paradox, FoxPro, Access.

         Она является самой простой архитектурой для реализации, но она же обладает и самым большим количеством недостатков, ограничивающих спектр решаемых ею задач. Простейшим случаем является случай, когда данные располагаются физически на том же компьютере, что и само приложение.

         Информационная система этого типа состоит из трех компонентов: сервер баз данных, клиент (персональный компьютер с клиентскими приложениями и СУБД), сеть и коммуникационное программное обеспечение.

Архитектура "файл-сервер" предусматривает концентрацию обработки на рабочих станциях. Основным преимуществом этого варианта является простота и относительная дешевизна. Подобное решение приемлемо, пока число пользователей, одновременно работающих с базой данных, не превышает 5-10 человек. При увеличении количества пользователей система может "захлебнуться" из-за перегруженности ЛВС большими потоками необработанной информации.

         Сервер, как правило — самый мощный и самый надежный компьютер. Он обязательно подключается через источник бесперебойного питания, в нем предусматриваются системы двойного или даже тройного дублирования. В особо ответственных случаях можно подключить вместе несколько серверов так, что при выходе из строя одного из них в работу автоматически включится "дублер". Таким образом, при концентрации обработки данных на сервере надежность системы в целом ограничивается только материальными средствами, которые заказчики готовы вложить в техническое оснащение.

При использовании локальной БД в сети возможна организация многопользовательского доступа. В этом случае БД и предназначенное для работы с ней приложение располагаются на сервере локальной сети.  Каждый пользователь запускает со своего компьютера это приложение, при этом у него запускается локальная копия этого приложения. Такой сетевой вариант использования локальной БД соответствует архитектуре «файл – сервер». Приложение при данной архитектуре так же может быть записано на каждый ПК пользователя, но при этом приложению должно быть известно местонахождения общей БД. При работе с данными на каждом компьютере пользователя используется локальная копия БД. Это копия периодически обновляется данными, содержащимися в БД на сервере.

Достоинства архитектура «файл-сервер» (по отношению к клиент-серверным приложениям):

1.Простота реализации.

2.Разработка  приложения осуществляется фактически в расчете на одного пользователя и не зависит от компьютера сети, на который оно устанавливается.

3.Низкая стоимость

1. Пользователь работает со своей локальной копией БД, данные которой обновляются при каждом запросе к какой-либо из таблиц. При этом с сервера пересылается новая копия всей таблицы, данные которой затребованы. Таким образом, если пользователю необходимо несколько записей таблицы, с сервера по сети пересылается вся таблица. В результате циркуляции в сети больших объемов избыточной информации резко возрастает нагрузка на сеть, что приводит к соответствующему снижению ее быстродействия и производительности АИС в целом.

2. Изменения, сделанные в БД одним пользователем в течение некоторого времени являются неизвестными для другого пользователя, следовательно, требуется организовывать постоянные обновления БД.

3. Поскольку на время обновления данных одним пользователем  происходит блокировка таблиц БД для других пользователей, то возникает необходимость обеспечения синхронной работы этих пользователей.

4. Управление БД осуществляется с разных компьютеров, поэтому в значительной степени затруднена организация контроля доступа, соблюдения конфиденциальности и поддержания целостности БД.

Архитектура, в которой задания или сетевая нагрузка распределены между серверами, и клиентами. Физически клиент и сервер — это программное обеспечение. Обычно они взаимодействуют через сеть с помощью сетевых протоколов и находятся на разных ЭВМ, но могут выполняться также и на одной машине. Программы — сервера, ожидают от клиентских программ запросы и предоставляют им свои ресурсы в виде данных или сервисных функций.

         К ним относятся двух – и трехуровневая архитектура клиент – сервер.

Если удаленная БД размещается на компьютере – сервере сети, а приложение, осуществляющее работу с ней, находится на компьютере пользователя. В этом случае мы имеем дело с архитектурой «клиент - сервер».

         Одной из таких архитектур является – двухуровневая клиент – серверная архитектура.

         Основана она на использовании только сервера баз данных, когда клиентская часть содержит уровень представления данных, а на сервере находится база данных вместе с СУБД и прикладными программами.
Сервер баз данных отличается от файл-сервера тем, что в его оперативной памяти, помимо операционной системы, функционирует централизованная СУБД, обеспечивающая совместное использование рабочими станциями базы данных, размещённой во внешней памяти этого сервера.
Сервер баз данных даёт возможность отказаться от пересылки по сети файлов данных и передавать только ту выборку из базы данных, которая удовлетворяет запросу пользователя.

         Для реализации архитектуры «клиент-сервер» обычно используются многопользовательские СУБД, например, Interbase, Oracle, SQL Server, MySQL. Подобные СУБД так же называют промышленными, т.к. они позволяют создать информационную систему организации или предприятия с большим числом пользователей. Промышленные СУБД являются сложными системами и требуют мощной вычислительной техники и соответствующего обслуживания. Обслуживание выполняет специалист (или группа специалистов), называемый системным администратором.

         Клиентское приложение также называется «толстым» клиентом.

Для получения данных клиент (приложение на компьютере пользователя) формирует и отсылает запрос удаленному серверу, на котором расположена БД. Запрос формулируется на языке SQL, который является стандартным средством доступа к серверу при использовании реляционных моделей данных. После получения запроса удаленный сервер направляет его серверу БД. Сервер БД – это специальное программное обеспечение, управляющее удаленной БД и обеспечивающая выполнение запроса и выдачу его результатов клиенту. Таким образом, в архитектуре «клиент-сервер» клиент посылает запрос на предоставление данных и получает только те данные, которые действительно были затребованы, а не все таблицы целиком, данные которых запрашивались клиентом. Вся обработка запроса выполняется на удаленном сервере.

1. Снижение нагрузки на сеть, поскольку теперь в ней циркулируют только нужные данные.

2. Повышение безопасности информации, связанное с тем, что обработка запросов всех клиентов выполняется единой программой, расположенной на сервере. Сервер устанавливает общие для всех пользователей правила использования БД, управляет режимами доступа к данным, запрещая, в частности, одновременное изменение одной записи различными пользователями.

3. Уменьшение сложности клиентских приложений за счет отсутствия в них кода, связанного с контролем БД и разграничением доступа к ней.

Недостатки двухуровневой архитектуры информационной системы:

1. Сложность реализации.

2. Дороговизна.

3. Сложная процедура настройки всех клиентов для обеспечения единого их поведения.

Дальнейшее развитие двухуровневой архитектуры привело к появлению трехуровневого варианта «клиент-сервер» - приложение-клиент, сервер приложений и сервер БД.

По сравнению с Файл - серверной архитектурой трёхуровневая архитектура обеспечивает, как правило, большую масштабируемость, большую конфигурируемость, более широкие возможности по обеспечению безопасности и отказоустойчивости. Кроме того, в сравнении с клиент-серверными приложениями, использующими прямые подключения к серверам баз данных, снижаются требования к скорости и стабильности каналов связи между клиентом и серверной частью.

Реализация приложений, доступных из Web  -браузера или из тонкого клиента, как правило, подразумевает развёртывание программного комплекса в трёхуровневой архитектуре. При этом обычно разработка приложений для трёхуровневых программных комплексов сложнее, чем для клиент-серверных приложений, также наличие дополнительного связующего программного обеспечения может налагать дополнительные издержки в администрировании таких комплексов.

Клиент — это интерфейсный компонент комплекса, предоставляемый конечному пользователю. Этот уровень не должен иметь прямых связей с базой данных, быть нагруженным основной бизнес - логикой и хранить состояние приложения. На этот уровень обычно выносится только простейшая бизнес-логика: интерфейс авторизации, алгоритмы шифрования, проверка значений на допустимость и соответствие формату, несложные операции с данными, уже загруженными на терминал.

Сервер приложений - располагается на втором уровне, на нём сосредоточена большая часть бизнес - логики. Вне его остаются только фрагменты, экспортируемые на клиента, а также элементы логики, погруженные в базу данных. Реализация данного компонента обеспечивается связующим ПО. Серверы приложений проектируются таким образом, чтобы добавление к ним дополнительных экземпляров обеспечивало горизонтальное масштабирование производительности программного комплекса и не требовало внесения изменений в программный код приложения.

Сервер баз данных - обеспечивает хранение данных и выносится на отдельный уровень, реализуется, как правило, средствами СУБД, подключение к этому компоненту обеспечивается только с уровня сервера приложений.

В трехуровневой архитектуре часть средств и кода, предназначенных для организации доступа к данным и их обработке, из приложения клиента выделяется в сервер приложений. Само клиентское приложение при этом называется «тонким» клиентом. В сервере приложений удобно размещать средства и код, общие для всех клиентских приложений, например, средства доступа к БД.

Основные достоинства трехуровневой архитектуры:

1. Разгрузка сервера от выполнения части операций, перенесенных на сервер приложений.

2. Уменьшение размера клиентских приложений за счет разгрузки их от лишнего кода.

3. Единое поведение всех клиентов.

4. Упрощение настройки клиентов – при изменении общего кода сервера приложений автоматически изменяется поведение приложений-клиентов.

Недостатки трехуровневой архитектуры ИС:

1. Сложность архитектуры.

2. Дороговизна.

3. Уязвимость системы за счет сервера приложений.

Закрепление материала.

Вопросы к аудитории:

1.     Каковы принципы взаимодействия компонентов файл-серверной архитектуры информационной системы?

2.     Каковы ограничения по использованию файл-серверной архитектуры для построения ИС.

3.     Каковы принципы взаимодействия компонентов двухуровневой архитектуры информационной системы?

4.     Сделайте выводы по достоинствам и недостаткам двухуровневой архитектуры «клиент-сервер».

5.     Каков наиболее значимый недостаток в трёхуровневой архитектуре «клиент-сервер».

Домашнее задание.

·        Выучить опорный конспект к уроку.

·        На основе пройденного материала провести сравнительный анализ архитектур и представить ответ в табличной форме (критерии для сравнения выбрать самостоятельно).