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"
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.
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.
Сервер производит компиляцию полученного оператора. На основе информации, содержащейся в таблицах-каталогах базы данных производится преобразование непроцедурного представления оператора в некоторую процедуру его выполнения.
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.
БД , на структурном языке запросов SQL (Structured Query Language ), являющемся промышленным стандартом в мире реляционных БД . Удаленный сервер принимает запрос и переадресует его SQL -серверу БД . SQL - сервер – специальная программа , управляющая удаленной базой данных. SQL - сервер обеспечивает интерпретацию запроса, его выполнение в базе данных, формирование результата выполнения запроса и выдачу его приложению-клиенту. При этом ресурсы клиентского компьютера не участвуют в физическом выполнении запроса; клиентский компьютер лишь отсылает запрос к серверной БД и получает результат, после чего интерпретирует его необходимым образом и представляет пользователю. Так как клиентскому приложению посылается результат выполнения запроса, по сети "путешествуют" только те данные, которые необходимы клиенту. В итоге снижается нагрузка на сеть . Поскольку выполнение запроса происходит там же, где хранятся данные (на сервере), нет необходимости в пересылке больших пакетов данных. Кроме того, SQL - сервер , если это возможно, оптимизирует полученный запрос таким образом, чтобы он был выполнен в минимальное время с наименьшими накладными расходами [ [ 3.2 ] , [ 3.3 ] ]. системы представлена на рис. 3.3 .Все это повышает быстродействие системы и снижает время ожидания результата запроса. При выполнении запросов сервером существенно повышается степень безопасности данных, поскольку правила целостности данных определяются в базе данных на сервере и являются едиными для всех приложений, использующих эту БД . Таким образом, исключается возможность определения противоречивых правил поддержания целостности. Мощный аппарат транзакций, поддерживаемый SQL -серверами, позволяет исключить одновременное изменение одних и тех же данных различными пользователями и предоставляет возможность откатов к первоначальным значениям при внесении в БД изменений, закончившихся аварийно [ [ 3.2 ] , [ 3.3 ] ].
Рис.
3.3.
Архитектура "клиент – сервер"
- Существует локальная сеть, состоящая из клиентских компьютеров, на каждом из которых установлено клиентское приложение для работы с БД.
- На каждом из клиентских компьютеров пользователи имеют возможность запустить приложение. Используя предоставляемый приложением пользовательский интерфейс, он инициирует обращение к СУБД, расположенной на сервере, на выборку/обновление информации. Для общения используется специальный язык запросов SQL , т.е. по сети от клиента к серверу передается лишь текст запроса.
- СУБД инициирует обращения к данным, находящимся на сервере, в результате которых на сервере осуществляется вся обработка данных и лишь результат выполнения запроса копируется на клиентский компьютер. Таким образом СУБД возвращает результат в приложение.
Рассмотрим, как выглядит разграничение функций между сервером и клиентом.
- Функции приложения-клиента:
- Посылка запросов серверу.
- Интерпретация результатов запросов, полученных от сервера.
- Представление результатов пользователю в некоторой форме (интерфейс пользователя).
- Функции серверной части:
- Прием запросов от приложений-клиентов.
- Интерпретация запросов.
- Оптимизация и выполнение запросов к БД.
- Отправка результатов приложению-клиенту.
- Обеспечение системы безопасности и разграничение доступа.
- Управление целостностью БД.
- Реализация стабильности многопользовательского режима работы.
В архитектуре " клиент – сервер " работают так называемые "промышленные" СУБД . Промышленными они называются из-за того, что именно СУБД этого класса могут обеспечить работу информационных систем масштаба среднего и крупного предприятия, организации, банка. К разряду промышленных СУБД принадлежат MS SQL Server , Oracle , Gupta, Informix , Sybase , DB2 , InterBase и ряд других [ [ 3.2 ] ].
Как правило, SQL - сервер обслуживается отдельным сотрудником или группой сотрудников (администраторы SQL -сервера). Они управляют физическими характеристиками баз данных, производят оптимизацию, настройку и переопределение различных компонентов БД , создают новые БД , изменяют существующие и т.д., а также выдают привилегии (разрешения на доступ определенного уровня к конкретным БД , SQL -серверу) различным пользователям [ [ 3.2 ] ].
Рассмотрим основные достоинства данной архитектуры по сравнению с архитектурой " файл - сервер ":
- Существенно уменьшается сетевой трафик.
- Уменьшается сложность клиентских приложений (большая часть нагрузки ложится на серверную часть), а, следовательно, снижаются требования к аппаратным мощностям клиентских компьютеров.
- Наличие специального программного средства – SQL-сервера – приводит к тому, что существенная часть проектных и программистских задач становится уже решенной.
- Существенно повышается целостность и безопасность БД.
К числу недостатков можно отнести более высокие финансовые затраты на аппаратное и программное обеспечение , а также то, что большое количество клиентских компьютеров, расположенных в разных местах, вызывает определенные трудности со своевременным обновлением клиентских приложений на всех компьютерах-клиентах. Тем не менее, архитектура " клиент – сервер " хорошо зарекомендовала себя на практике, в настоящий момент существует и функционирует большое количество БД , построенных в соответствии с данной архитектурой.
3.4. Трехзвенная (многозвенная) архитектура "клиент – сервер".
Трехзвенная (в некоторых случаях многозвенная ) архитектура (N- tier или multi- трехзвенной архитектуры ? Теперь при изменении бизнес-логики более нет необходимости изменять клиентские приложения и обновлять их у всех пользователей. Кроме того, максимально снижаются требования к аппаратуре пользователей.
Итак, в результате работа построена следующим образом:
- База данных в виде набора файлов находится на жестком диске специально выделенного компьютера (сервера сети).
- СУБД располагается также на сервере сети.
- Существует специально выделенный сервер приложений, на котором располагается программное обеспечение (ПО) делового анализа (бизнес-логика) [ [ 3.1 ] ].
- Существует множество клиентских компьютеров, на каждом из которых установлен так называемый "тонкий клиент" – клиентское приложение, реализующее интерфейс пользователя.
- На каждом из клиентских компьютеров пользователи имеют возможность запустить приложение – тонкий клиент. Используя предоставляемый приложением пользовательский интерфейс, он инициирует обращение к ПО делового анализа, расположенному на сервере приложений.
- Сервер приложений анализирует требования пользователя и формирует запросы к БД. Для общения используется специальный язык запросов SQL , т.е. по сети от сервера приложений к серверу БД передается лишь текст запроса.
- СУБД инкапсулирует внутри себя все сведения о физической структуре БД, расположенной на сервере.
- СУБД инициирует обращения к данным, находящимся на сервере, в результате которых результат выполнения запроса копируется на сервер приложений.
- Сервер приложений возвращает результат в клиентское приложение (пользователю).
- Приложение, используя пользовательский интерфейс, отображает результат выполнения запросов.
В этом примере мы разработаем простой сервер и простую клиентскую программу, ведущих между собой "неспешный" диалог. Клиента построим по технике Windows Forms , а сервер - Windows Service . Сервер будет иметь набор готовых маркированных ответов, ждать маркированных запросов клиентов и отвечать им соответствующими сообщениями. Это настроит нас на создание еще более сложной системы - просмотру дистанционных рисунков из БД, которой мы займемся позже.
Создание клиента
Начнем с клиентской программы, которая может запускаться во многих экземплярах ("http://msdn.microsoft.com/ru-ru/library/system.net.sockets.tcplistener.accepttcpclient.aspx ")
| Элемент | Свойство | Значение |
|---|---|---|
| Form | Text | Client |
| Size | 300; 300 | |
| ListBox | (Name) | listBox |
| Dock | Top | |
| Font | Arial; 12pt | |
| Items |
|
|
| SelectionMode | One | |
| Size | 292; 119 | |
| Button | (Name) | btnSubmit |
| AutoSize | True | |
| Font | Arial; 10pt | |
| Location | 96; 127 | |
| Size | 101; 29 | |
| Text | Отправить | |
| TextBox | (Name) | textBox |
| Dock | Bottom | |
| Location | 0; 162 | |
| Multiline | True | |
| ScrollBars | Vertical | |
| Size | 292; 105 |
Остальные нужные настройки элементов формы добавим программно.
using System; using System.Collections.Generic; using System.ComponentModel; using System.Data; using System.Drawing; using System.Text; using System.Windows.Forms; // Дополнительные пространства имен using System.IO; using System.Net; using System.Net.Sockets; using System.Threading; namespace SimpleClient { public partial class Form1: Form { int port = 12000; String hostName = "127.0.0.1";// local TcpClient client = null;// Ссылка на клиента public Form1() { InitializeComponent(); // Выделить первый элемент списка listBox.SelectedIndex = 0; listBox.Focus(); // Контекстное меню для очистки TextBox ContextMenuStrip contextMenu = new ContextMenuStrip(); textBox.ContextMenuStrip = contextMenu; ToolStripMenuItem item = new ToolStripMenuItem("Очистить"); contextMenu.Items.Add(item); item.MouseDown += new MouseEventHandler(item_MouseDown); } // Отослать запрос и получить ответ private void btnSubmit_Click(object sender, EventArgs e) { if (listBox.SelectedIndices.Count == 0) { MessageBox.Show("Выделите сообщение"); return; } try { // Создаем клиента, соединенного с сервером client = new TcpClient(hostName, port); // Сами задаем размеры буферов обмена (Необязательно!) client.SendBufferSize = client.ReceiveBufferSize = 1024; } catch { MessageBox.Show("Сервер не готов!"); return; } // Записываем запрос в протокол AddString("Клиент: " + listBox.SelectedItem.ToString()); // Создаем потоки NetworkStream, соединенные с сервером NetworkStream streamIn = client.GetStream(); NetworkStream streamOut = client.GetStream(); StreamReader readerStream = new StreamReader(streamIn); StreamWriter writerStream = new StreamWriter(streamOut); // Отсылаем запрос серверу writerStream.WriteLine(listBox.SelectedItem.ToString()); writerStream.Flush(); // Читаем ответ String receiverData = readerStream.ReadLine(); // Записываем ответ в протокол AddString("Сервер: " + receiverData); // Закрываем соединение и потоки, порядок неважен client.Close(); writerStream.Close(); readerStream.Close(); } // Добавление строки, когда TextBox включен в режиме Multiline private void AddString(String line) { StringBuilder sb = new StringBuilder(textBox.Text); StringWriter sw = new StringWriter(sb); sw.WriteLine(line); textBox.Text = sw.ToString(); } // Очистка списка через контекстное меню void item_MouseDown(object sender, MouseEventArgs e) { textBox.Clear(); listBox.Focus(); } } }
Получив соединение с сервером, мы создаем два потока NetworkStream и упаковываем их в оболочки, удобные для управления чтением/записью. Обмен с сервером отображаем в протоколе TextBox . Для очистки протокола динамически создали контекстное меню.
Класс TcpClient , который мы использовали в коде, является высокоуровневой (и упрощенной) оболочкой сокета (класса Socket ). Если потребуется более низкоуровневое управление сокетом (более детальное), то ссылка на него хранится в свойстве TcpClient.Client . Но поскольку это свойство защищенное (protected ), то доступ к нему возможен только из производного от TcpClient класса.
Если сейчас запустить приложение SimpleClient , то оно будет работать, но при попытке что-то отослать на сервер, будет выдаваться сообщение, что сервер не готов. Сервера-то еще пока вообще нет, создадим его.
Создание сервера
Серверную программу сделаем резидентной по шаблону Windows Service , как мы это делали в предыдущем примере, хотя можно сделать и с интерфейсом, главное, чтобы он был запущен в единственном экземпляре на локальном компьютере. Если программа-сервер включена в глобальную сеть, то с используемым IP и портом она должна быть единственной в этой сети. Поэтому на использование сетевого IP для глобальной сети нужно получать разрешение.
using System; using System.ComponentModel; using System.Configuration.Install; using System.ServiceProcess; namespace SimpleServer { // Во время установки сборки следует вызвать установщик public partial class Installer1: Installer { private ServiceInstaller serviceInstaller; private ServiceProcessInstaller serviceProcessInstaller; public Installer1() { // Создаем настройки для Службы serviceInstaller = new ServiceInstaller(); serviceProcessInstaller = new ServiceProcessInstaller(); // Имя Службы для машины и пользователя serviceInstaller.ServiceName = "SimpleServerServiceName"; serviceInstaller.DisplayName = "SimpleServer"; serviceInstaller.StartType = ServiceStartMode.Manual;// Запуск вручную // Как будет запускаться Служба this.serviceProcessInstaller.Account = ServiceAccount.LocalService; this.serviceProcessInstaller.Password = null; this.serviceProcessInstaller.Username = null; // Добавляем настройки в коллекцию текущего объекта this.Installers.AddRange(new Installer { serviceInstaller, serviceProcessInstaller }); } } }
using System; using System.Collections.Generic; using System.Text; // Дополнительные пространства имен using System.IO; using System.Net; using System.Net.Sockets; using System.Threading; using System.ServiceProcess; using System.Collections; namespace SimpleServer { class Service1: ServiceBase { TcpListener server = null;// Ссылка на сервер int port = 12000; String hostName = "127.0.0.1";// local IPAddress localAddr; String answers = { "1. Ты кто?", "2. Привет, Лелик!", "3. Лучше всех!", "4. Конечно, на полную катушку", "5. До вечера!" }; // Конструктор public Service1() { localAddr = IPAddress.Parse(hostName);// Конвертируем в другой формат Thread thread = new Thread(ExecuteLoop); thread.IsBackground = true; thread.Start(); } private void ExecuteLoop() { try { server = new TcpListener(localAddr, port);// Создаем сервер-слушатель server.Start();// Запускаем сервер String data; // Бесконечный цикл прослушивания клиентов while (true) { if (!server.Pending())// Очередь запросов пуста continue; TcpClient client = server.AcceptTcpClient();// Текущий клиент // Сами задаем размеры буферов обмена (Необязательно!) // По умолчанию оба буфера установлены размером по 8192 байта client.SendBufferSize = client.ReceiveBufferSize = 1024; // Подключаем NetworkStream и погружаем для удобства в оболочки NetworkStream streamIn = client.GetStream(); NetworkStream streamOut = client.GetStream(); StreamReader readerStream = new StreamReader(streamIn); StreamWriter writerStream = new StreamWriter(streamOut); // Читаем запрос data = readerStream.ReadLine(); // Отправляем ответ int index; if (int.TryParse(data.Substring(0, data.IndexOf(".")), out index)) data = answers; else data = data.ToUpper(); writerStream.WriteLine(data); writerStream.Flush(); // Закрываем соединение и потоки, порядок неважен client.Close(); readerStream.Close(); writerStream.Close(); } } catch (SocketException) { } finally { // Останавливаем сервер server.Stop(); } } } }
Чтобы передать данные и получить ответ, клиентское приложение создает двунаправленный сокет (или два однонаправленных), в котором указывает адрес соединения с сокетом другого, серверного, приложения. Если соединение установлено (сервер работает), то клиентское приложение подключает к сокету сетевой поток NetworkStream и через него выполняет передачу и прием данных.
На другой стороне соединения сервер TcpListener в бесконечном цикле прослушивает очередь соединений с клиентами. Если какой-то клиент с ним соединился (server.Pending()!=false ), то сервер извлекает этого клиента методом AcceptTcpClient() - создает сокет для приема/передачи с готовым обратным адресом, создает двунаправленный поток (или два однонаправленных), затем читает запрос и передает ответ.
Обратите внимание, что если код работы нашей серверной программы не упаковать в отдельную нить Thread (поток выполнения), то в окне служб эта программа операционной системой запускаться не будет (попробуйте!). Причина в том, что в коде метода ExecuteLoop() в сервере используется бесконечный цикл прослушивания очереди запросов клиентов. Если этот цикл оставить в основном потоке выполнения (Thread ) приложения, то оно просто зациклится и не сможет само нормально завершиться. Поэтому код с циклом мы помещаем в отдельный поток (трэд) и делаем его фоновым, чтобы он закрывался вместе с основным потоком приложения (трэдом сервера).
Важное замечание
Поток NetworkStream является двухсторонним фиксированной длины. Методом GetStream() он только устанавливает адресное соединение между сокетами клиента и сервера. Но реальная его длина определяется сообщением отправляющей стороны. Можно для приема/передачи использовать один поток, но тогда длина сообщения, отправляемого сервером, не должна превышать длину сообщения, принятого им от клиента (чуть глаза не отсидел!). Поэтому мы и используем на каждой стороне два потока для раздельной однонаправленной передачи между двумя узлами сетевого соединения.
Пример 3. Клиент-серверное приложение просмотра рисунков из БД
На предыдущем простом примере мы познакомились (чуть-чуть) с пронципами создания сетевых приложений. А теперь построим более сложный пример, когда клиент запрашивает рисунки, а сервер извлекает их из хранилища и посылает клиенту. В Упражнении 7 нами было разработано три разных хранилища рисунков и три программы просмотра. В данном примере воспользуемся БД Pictures.my2.mdb с готовыми рисунками и на ее основе создадим сетевое приложение (для тех, кто не делал Упражнение 7 , БД прилагается в каталоге Source/Data ).
Построение клиента
Для клиента построим оконное приложение типа WPF с пользовательским интерфейсом, частично заимствованным из Примера 6 Упражнения 7 .
Для вывода заставки с текстом о неготовности сервера мы применили элемент Viewbox , в который поместили еще один элемент Border с текстовым содержимым. Такой "огород" позволит увеличивать заставку пропорционально размеру окна. Однако введение элемента Viewbox начинает заметно притормаживать перерисовку интерфейса при перемещениях окна, потому что он пытается постоянно пересчитывать масштабы своих дочерних элементов. Имена мы присвоили только тем интерфейсным элементам, которыми собираемся управлять в процедурном коде.
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
using System.Windows;
using System.Windows.Controls;
using System.Windows.Data;
using System.Windows.Documents;
using System.Windows.Input;
using System.Windows.Media;
using System.Windows.Media.Animation;
using System.Windows.Media.Imaging;
using System.Windows.Shapes;
// Дополнительные пространства имен для Stream
using System.IO;
using IO = System.IO; // Псевдоним для адресации Path
using System.Windows.Threading; // Для DispatcherTimer
// Дополнительные пространства имен для Socket
//using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Collections; // List
Обратите внимание, что при отображении рисунков мы отказались от традиционного элемента Image , как это делали в предыдущем упражнении. А для разнообразия поступили совершенно нетрадиционно (по турецки). Теперь мы рисунки будем отображать кистью ImageBrush в фоне прямоугольника Border через привязанный к нему объект Pictures . Конечно, в жизни так извращаться вряд ли придется, но и такой вариант где-нибудь может пригодиться.
Заставка появится сразу же, как будет обнаружен факт отсутствия или остановки сервера. А после обнаружения сервера заставка исчезнет. Этот механизм немедленно сработает благодаря используемому нами системному таймеру . Однако, сервера пока еще совсем нет и следует его изготовить.
Построение сервера БД как службу
- Командой File/Add/New Project добавьте к решению NetworkStream новый проект с именем PicturesServerDB типа Windows Service
using System; using System.Collections.Generic; using System.ComponentModel; using System.Data; using System.Diagnostics; using System.ServiceProcess; using System.Text; // Дополнительные пространства имен для ADO.NET using System.Data.OleDb; using System.Data.Common; // Дополнительные пространства имен using System.IO; using System.Net; using System.Net.Sockets; using System.Threading; using System.Collections; namespace PicturesServerDB { public partial class Service1: ServiceBase { int port = 12000; String hostName = "127.0.0.1"; // local IPAddress localAddr; TcpListener server = null; // Ссылка на сервер String separator = "#"; // Разделитель имен в строке ответа String connectionString; // Строка соединения с БД public Service1() { // Извлекаем в поле строку соединения с БД из файла App.config connectionString = System.Configuration.ConfigurationManager. ConnectionStrings["PicturesDB"].ConnectionString; // Конвертируем IP в другой формат localAddr = IPAddress.Parse(hostName); // Запускаем в новом потоке (ните) Thread thread = new Thread(ExecuteLoop); thread.IsBackground = true; thread.Start(); } private void ExecuteLoop() { try { server = new TcpListener(localAddr, port);// Создаем сервер-слушатель server.Start();// Запускаем сервер // Бесконечный цикл прослушивания клиентов while (true) { // Проверяем очередь соединений if (!server.Pending())// Очередь запросов пуста continue; TcpClient client = server.AcceptTcpClient();// Текущий клиент // Создаем потоки сетевых соединений StreamReader readerStream = new StreamReader(client.GetStream()); NetworkStream streamOut = client.GetStream(); StreamWriter writerStream = new StreamWriter(streamOut); // Читаем команду клиента String receiverData = readerStream.ReadLine(); // Распознаем и исполняем switch (receiverData) { case "!!!GetNames!!!":// Посылаем имена, разделенные сепаратором String names = GetNames(); writerStream.WriteLine(names); // Используем через оболочку writerStream.Flush(); break; default:// Посылаем рисунок Byte bytes = GetPicture(receiverData); streamOut.Write(bytes, 0, bytes.Length);// Используем напрямую streamOut.Flush(); break; } // Закрываем соединение и потоки, порядок неважен client.Close(); readerStream.Close(); writerStream.Close(); } } finally { // Останавливаем сервер server.Stop(); } } // Извлечение из БД имен рисунков и упаковка их в одну строку для пересылки клиенту string GetNames() { // Создаем и настраиваем инфраструктуру ADO.NET OleDbConnection conn = new OleDbConnection(connectionString); OleDbCommand cmd = new OleDbCommand("SELECT FileName FROM MyTable"); cmd.Connection = conn; conn.Open(); // Извлекаем имена рисунков OleDbDataReader reader = cmd.ExecuteReader(CommandBehavior.CloseConnection); // Формируем строку исходящих данных StringBuilder sb = new StringBuilder(); foreach (DbDataRecord record in reader)// Равносильно чтению reader.Read() sb.Append(((string)record["FileName"]).Trim() + separator); // Соединение здесь закроет сам объект DataReader после прочтения всех данных // в соответствии с соглашением при его создании CommandBehavior.CloseConnection // Удаляем лишний последний символ сепаратора sb.Replace(separator, String.Empty, sb.ToString(). LastIndexOf(separator), separator.Length); return sb.ToString(); } // Извлечение из БД самого рисунка для отправки клиенту byte GetPicture(String name) { // Создаем и настраиваем инфраструктуру ADO.NET OleDbConnection conn = new OleDbConnection(); conn.ConnectionString = connectionString; // Создаем и настраиваем объект команды, параметризованной по имени рисунка OleDbCommand cmd = new OleDbCommand(); cmd.Connection = conn; cmd.CommandType = CommandType.Text; // Необязательно! Установлено по умолчанию cmd.CommandText = "SELECT Picture FROM MyTable WHERE FileName=?"; cmd.Parameters.Add(new OleDbParameter()); cmd.Parameters.Value = name;// Имя рисунка OleDbDataAdapter adapter = new OleDbDataAdapter(cmd); // Извлекаем рисунок из БД DataTable table = new DataTable(); adapter.Fill(table); byte bytes = (byte)table.Rows["Picture"]; // Подключаемся к рисунку return bytes; } } }
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"
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.
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.
Мы остановимся на этих вопросах более подробно в четвертой части курса.
Посмотрим теперь, что же происходит на стороне сервера баз данных. В продуктах практически всех компаний сервер получает от клиента текст оператора на языке SQL.
- Сервер производит компиляцию полученного оператора. Не будем здесь останавливаться на том, какой целевой язык используется конкретным компилятором; в разных реализациях применяются различные подходы (примеры см. в части 4). Главное, что в любом случае на основе информации, содержащейся в таблицах-каталогах базы данных производится преобразование непроцедурного представления оператора в некоторую процедуру его выполнения.
- Далее (если компиляция завершилась успешно) происходит выполнение оператора. Мы снова не будем обсуждать технические детали, поскольку они различаются в реализациях. Рассмотрим возможные действия операторов 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.
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 (рисунок 2.2).
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.
Архитектура терминал – главный компьютер
Архитектура терминал – главный компьютер (terminal – host computer architecture) – это концепция информационной сети, в которой вся обработка данных осуществляется одним или группой главных компьютеров.
Рис. 7.1. Архитектура терминал – главный компьютер
Рассматриваемая архитектура предполагает два типа оборудования: главный компьютер, где осуществляется управление сетью, хранение и обработка данных и терминалы, предназначенные для передачи главному компьютеру команд на организацию сеансов и выполнения заданий, ввода данных для выполнения заданий и получения результатов.
Одноранговая архитектура
Одноранговая архитектура (peer-to-peer architecture) – это концепция информационной сети, в которой ее ресурсы рассредоточены по всем системам. Данная архитектура характеризуется тем, что в ней все системы равноправны.
К одноранговым сетям относятся малые сети, где любая рабочая станция может выполнять одновременно функции файлового сервера и рабочей станции. В одноранговых ЛВС дисковое пространство и файлы на любом компьютере могут быть общими. Чтобы ресурс стал общим, его необходимо отдать в общее пользование, используя службы удаленного доступа сетевых одноранговых операционных систем. В зависимости от того, как будет установлена защита данных, другие пользователи смогут пользоваться файлами сразу же после их создания. Одноранговые ЛВС достаточно хороши только для небольших рабочих групп.
Рис. 7.2. Одноранговая архитектура
Одноранговые ЛВС являются наиболее легким и дешевым типом сетей для установки. Однако увеличение количества компьютеров в сети и рост объема пересылаемых данных приводит к тому, что пропускная способность сети становится узким местом.
Архитектура клиент – сервер
Архитектура клиент – сервер (client-server architecture) – это концепция информационной сети, в которой основная часть ее ресурсов сосредоточена в серверах, обслуживающих своих клиентов (рис. 7.3.). Рассматриваемая архитектура определяет два типа компонентов: серверы и клиенты.
Сервер - это объект, предоставляющий сервис другим объектам сети по их запросам. Сервис – это процесс обслуживания клиентов.
Рис. 7.3. Архитектура клиент – сервер
Сервер работает по заданиям клиентов и управляет выполнением их заданий. После выполнения каждого задания сервер посылает полученные результаты клиенту, пославшему это задание.
Сервисная функция в архитектуре клиент – сервер описывается комплексом прикладных программ, в соответствии с которым выполняются разнообразные прикладные процессы.
Процесс, который вызывает сервисную функцию с помощью определенных операций, называется клиентом. Им может быть программа или пользователь.
Топология (конфигурация) – это способ соединения компьютеров в сеть. Тип топологии определяет стоимость, защищенность, производительность и надежность эксплуатации рабочих станций, для которых имеет значение время обращения к файловому серверу.
Существуют три основных топологии: общая шина (Bus); кольцо (Ring) и звезда (Star).
Топология Общая шина (рис. 7.4.) предполагает использование одного кабеля, к которому подключаются все компьютеры сети.
Рис. 7.4. Топология Общая шина
В случае топологии Общая шина кабель используется всеми станциями по очереди. Принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и принимать данные. Все сообщения, посылаемые отдельными компьютерами, принимаются и прослушиваются всеми остальными компьютерами, подключенными к сети. Рабочая станция отбирает адресованные ей сообщения, пользуясь адресной информацией. Надежность здесь выше, так как выход из строя отдельных компьютеров не нарушит работоспособность сети в целом. Поиск неисправности в сети затруднен. Кроме того, так как используется только один кабель, в случае обрыва нарушается работа всей сети. Шинная топология – это наиболее простая и наиболее распространенная топология сети.
Кольцо – это топология ЛВС, в которой каждая станция соединена с двумя другими станциями, образуя кольцо (рис. 7.5.). Данные передаются от одной рабочей станции к другой в одном направлении (по кольцу). Каждый ПК работает как повторитель, ретранслируя сообщения к следующему ПК, т.е. данные, передаются от одного компьютера к другому как бы по эстафете. Если компьютер получает данные, предназначенные для другого компьютера, он передает их дальше по кольцу, в ином случае они дальше не передаются. Очень просто делается запрос на все станции одновременно. Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них, вся сеть парализуется.
Рис. 7.5. Топология Кольцо
Звезда – это топология ЛВС (рис. 7.6.), в которой все рабочие станции присоединены к центральному узлу (например, к концентратору), который устанавливает, поддерживает и разрывает связи между рабочими станциями.
Рис. 7.6. Топология Звезда
Преимуществом такой топологии является возможность простого исключения неисправного узла. Однако, если неисправен центральный узел, вся сеть выходит из строя.
Звездообразная топология обеспечивает защиту от разрыва кабеля. Если кабель рабочей станции будет поврежден, это не приведет к выходу из строя всего сегмента сети. Она позволяет также легко диагностировать проблемы подключения, так как каждая рабочая станция имеет свой собственный кабельный сегмент, подключенный к концентратору. Для диагностики достаточно найти разрыв кабеля, который ведет к неработающей станции. Остальная часть сети продолжает нормально работать.
Благодаря использованию мостов, специальных устройств, объединяющих локальные сети с разной структурой, из вышеперечисленных типов структур могут быть построены сети со сложной иерархической структурой.
Протоколы. Адресация
Для обеспечения согласованной работы в сетях передачи данных используются различные коммуникационные протоколы передачи данных – наборы правил, которых должны придерживаться передающая и принимающая стороны для согласованного обмена данными.
Передача данных по сети, с технической точки зрения, должна состоять из последовательных шагов, каждому из которых соответствуют свои процедуры или протокол. Таким образом, сохраняется строгая очередность в выполнении определенных действий. Кроме того, все эти действия должны быть выполнены в одной и той же последовательности на каждом сетевом компьютере. На компьютере-отправителе действия выполняются в направлении сверху вниз, а на компьютере-получателе снизу вверх.
Компьютер-отправитель в соответствии с протоколом выполняет следующие действия: Разбивает данные на небольшие блоки, называемыми пакетами, с которыми может работать протокол, добавляет к пакетам адресную информацию, чтобы компьютер-получатель мог определить, что эти данные предназначены именно ему, подготавливает данные к передаче через плату сетевого адаптера и далее – по сетевому кабелю.
Компьютер-получатель в соответствии с протоколом выполняет те же действия, но только в обратном порядке: принимает пакеты данных из сетевого кабеля; через плату сетевого адаптера передает данные в компьютер; удаляет из пакета всю служебную информацию, добавленную компьютером-отправителем, копирует данные из пакета в буфер – для их объединения в исходный блок, передает приложению этот блок данных в формате, который оно использует.
И компьютеру-отправителю, и компьютеру-получателю необходимо выполнить каждое действие одинаковым способом, с тем чтобы пришедшие по сети данные совпадали с отправленными.
Если, например, два протокола будут по-разному разбивать данные на пакеты и добавлять информацию (о последовательности пакетов, синхронизации и для проверки ошибок), тогда компьютер, использующий один из этих протоколов, не сможет успешно связаться с компьютером, на котором работает другой протокол.
Согласованный набор протоколов разных уровней, достаточный для организации межсетевого взаимодействия, называется стеком протоколов. Существует достаточно много стеков протоколов, широко применяемых в сетях. Это и стеки, являющиеся международными и национальными стандартами, и фирменные стеки, получившие распространение благодаря распространенности оборудования той или иной фирмы. Примерами популярных стеков протоколов могут служить стек IPX/SPX фирмы Novell, стек TCP/IP, используемый в сети Internet и во многих сетях на основе операционной системы UNIX, стек OSI международной организации по стандартизации, стек DECnet корпорации Digital Equipment и некоторые другие.
Стеки протоколов разбиваются на три уровня:
– сетевые;
– транспортные;
– прикладные.
Сетевые протоколы предоставляют следующие услуги: адресацию и маршрутизацию информации, проверку на наличие ошибок, запрос повторной передачи и установление правил взаимодействия в конкретной сетевой среде. Ниже приведены наиболее популярные сетевые протоколы.
– DDP (Datagram Delivery Protocol – Протокол доставки дейтаграмм). Протокол передачи данных Apple, используемый в Apple Talk.
– IP (InternetProtocol – ПротоколInternet). Протокол стека TCP/IP, обеспечивающий адресную информацию и информацию о маршрутизации.
– IPX (Internetwork Packet eXchange – Межсетевой обмен пакетами) в NWLink. Протокол Novel NetWare, используемый для маршрутизации и направления пакетов.
– NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface – расширенный пользовательский интерфейс базовой сетевой системы ввода вывода). Разработанный совместно IBM и Microsoft, этот протокол обеспечивает транспортные услуги для NetBIOS .
Транспортные протоколы предоставляют услуги надежной транспортировки данных между компьютерами. Ниже приведены наиболее популярные транспортные протоколы.
– ATP (Apple Talk Protocol – Транзакционный протокол Apple Talk) и NBP (Name Binding Protocol – Протокол связывания имен). Сеансовый и транспортный протоколы Apple Talk.
– NetBIOS (Базовая сетевая система ввода вывода). NetBIOS Устанавливает соединение между компьютерами, а NetBEUI предоставляет услуги передачи данных для этого соединения.
– SPX (Sequenced Packet eXchange – Последовательный обмен пакетами) в NWLink. Протокол Novel NetWare, используемый для обеспечения доставки данных.
– TCP (Transmission Control Protocol – Протокол управления передачей). Протокол стека TCP/IP, отвечающий за надежную доставку данных.
Прикладные протоколы отвечают за взаимодействие приложений. Ниже приведены наиболее популярные прикладные протоколы.
– AFP (Apple Talk File Protocol – Файловыйпротокол Apple Talk). ПротоколудаленногоуправленияфайламиMacintosh.
– FTP (FileTransferProtocol – Протоколпередачифайлов). Протокол стека TCP/IP, используемый для обеспечения услуг по передачи файлов.
– NCP (NetWare Core Protocol – Базовыйпротокол NetWare). Оболочка и редиректоры клиента Novel NetWare.
– SNMP (Simple Network Management Protocol – Простой протокол управления сетью). Протокол стека TCP/IP, используемый для управления и наблюдения за сетевыми устройствами.
– HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) – протокол передачи гипертекста.
Наиболее распространенным стеком протоколов в операционных системах семейства Windows является TCP/IP.
Рассмотрим подробнее принципы адресации компьютеров, работающих через протокол TCP/IP.
Каждый компьютер в сетях TCP/IP имеет адреса трех уровней: физический (MAC-адрес), сетевой (IP-адрес) и символьный (DNS-имя).
Физический , или локальный адрес узла, определяется технологией, с помощью которой построена сеть, в которую входит узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС–адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС – адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем.
Сетевой , или IP-адрес, состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла - гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.
Символьный адрес, или DNS-имя , например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.
Компоненты ЛВС. Сетевое оборудование и среды передачи данных
Компьютерная сеть состоит из трех основных аппаратных компонент и двух программных, которые должны работать согласованно. Для корректной работы устройств в сети их нужно правильно инсталлировать и установить рабочие параметры.
Основными аппаратными компонентами сети являются следующие:
1. Абонентские системы:
Компьютеры (рабочие станции или клиенты и серверы);
Принтеры;
Сканеры и др.
2. Сетевое оборудование:
Сетевые адаптеры;
Концентраторы (хабы);
Маршрутизаторы и др.
3. Коммуникационные каналы:
Разъемы;
Устройства передачи и приема данных в беспроводных технологиях.
Сетевые адаптеры. Для подключения ПК к сети требуется устройство сопряжения, которое называют сетевым адаптером, интерфейсом, модулем, или картой (рис. 7.7.). В сетевом адаптере имеется один разъем для подключения сетевого кабеля.
Сетевой адаптер вставляется в свободное гнездо (слот) материнской платы. В большинстве современных ПК сетевые адаптеры интегрированы в материнскую плату, в этом случае разъем для подключения сетевого кабеля находится на блоке разъемов материнской платы.
Рис. 7.7. Сетевой адаптер
К адаптеру подключается сетевой кабель – провод, по которому осуществляется передача информации по локальной сети. В качестве среды передачи данных в ЛВС используются различные виды кабелей: коаксиальный кабель, кабель на основе экранированной и неэкранированной витой пары и оптоволоконный кабель. Наиболее популярным видом среды передачи данных на небольшие расстояния (до 100 м) становится неэкранированная витая пара (рис. 7.8.), которая включена практически во все современные стандарты и технологии локальных сетей и обеспечивает пропускную способность до 100 Мб/с (на кабелях категории 5). Оптоволоконный кабель широко применяется как для построения локальных связей, так и для образования магистралей глобальных сетей. Оптоволоконный кабель может обеспечить очень высокую пропускную способность канала (до нескольких Гб/с) и передачу на значительные расстояния (до нескольких десятков километров без промежуточного усиления сигнала).
Рис. 7.8. Сетевой кабель типа «Витая пара»
Кабель типа «витая пара» соединяется с сетевым адаптером и другими сетевыми устройствами посредством разъема RJ-45 (рис. 7.9.)
Рис. 7.9. Разъем RJ-45
Следует отметить, что в настоящее время широкое развитие получила технология беспроводной передачи данных в пределах локальной сети. Она имеет ряд преимуществ, в особенности применительно к мобильным устройствам, однако основным недостатком такой технологии является скорость передачи данных.
В основе качестве сетевого оборудования ЛВС используется 3 типа устройств для связи компьютеров - концентраторы , коммутаторы и маршрутизаторы . Каждый из них важен и исполняет различные роли в упрощении коммуникации между сетевыми компьютерами. Снаружи эти устройства могут выглядеть одинаковыми: маленькие, металлические коробочки с множеством соединителей или портов, куда подсоединяются кабели ethernet (рис. 7.10.). Термины «концентратор», «коммутатор» и «маршрутизатор» часто используются взаимозаменяемо, но неправильно – на самом деле, устройства отличаются друг от друга.
Рис. 7.10. Сетевой коммутатор
Сетевой концентратор. По сравнению с коммутаторами и маршрутизаторами, концентраторы – самые дешёвые, самые простые устройства в сети. Все данные, которые поступают в один порт концентратора, отсылаются на все другие порты. Следовательно, все компьютеры, подсоединённые к одному концентратору, «видят» в сети друг друга. Концентратор не обращает никакого внимания на передаваемые данные, он просто посылает их на другие порты. Значение концентратора в том, что он довольно дешёвый и предлагает быстрый и простой способ объединить компьютеры в маленькую сеть.
Сетевой коммутатор. Работа коммутатора во многом схожа с предназначением концентратора, но он делает это более эффективно. Каждый пакет данных, передаваемый в сети, имеет источник и адрес MAC адресата. Коммутатор имеет способность «запоминать» адрес каждого компьютера, подключённого к его портам и действовать как регулировщик - только передавать данные на компьютер адресата и ни на какие другие. Это может оказать существенный положительный эффект на производительность всей сети, потому устраняются ненужные передачи и освобождается сетевая пропускная способность. Коммутатор можно представить как центральный компонент одной сети. Коммутатор отличается от концентратора тем, что он не передаёт повторно рамки на все другие устройства - он создаёт прямое соединение между передающими и принимающими устройствами.
Сетевой маршрутизатор. По сравнению с коммутаторами, маршрутизаторы медленны и относительно дорогостоящи. Маршрутизатор – это интеллектуальное устройство, связывающее две или более сети, а также соединяющее локальную сеть с глобальной. Поскольку может быть множество возможных путей доставки пакетов в рамках глобальной сети, маршрутизатор принимает во внимание множество критериев при определении пути посылки пакета данных.
Порядок выполнения работы
Настройка сетевого подключения в ОС Windows XP
В случае, если. Входящие в состав компьютера сетевой адаптер и драйвера установлены корректно, то подключение по локальной сети появится в системе автоматически. Задача состоит в настройке этого подключения. Для отображения полного списка сетевых подключений выберите раздел:Пуск →Настройка →Панель управления (рис. 7.11.)
Рис. 7.11. Диалоговое окно «Панель управления»
В раскрывшемся списке отображены все сетевые подключения данного компьютера (рис. 7.12.). Выберите пункт меню Подключения по локальной сети , обозначеное значком .
Рис. 7.12. Диалоговое окно «Сетевые подключения»
Нажав правой кнопкой мыши, выберите в контекстном меню пункт Свойства .Воткрывшемся диалоговом окне (рис. 13), по умолчанию, установлены следующие компоненты:
– Клиент для сетей Microsoft;
– Служба доступа к файлам и принтерам сетей Microsoft;
– Планировщик пакетов QoS;
– Протокол Интернета TCP/IP.
Рис. 7.13. Диалоговое окно «Подключение по локальной сети - свойства»
Выберите компонент Протокол Интернета TCP/IP и нажмите на кнопку Свойства в диалоговом окне. В новом открывшемся диалоговом окне (рисунок 14) настройте IP-адрес компьютера, маску подсети, шлюз и сервера DNS.
Рис. 7.14. Диалоговое окно «Свойства: протокол Интернета (TCP/IP)»
В случае, если ваш компьютер подключен к многоранговой сети, в которой функционирует выделенный сервер, на этом сервере может быть настроен протокол DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol - протокол динамической конфигурации узла). Это сетевой протокол, позволяющий клиентским компьютерам автоматически получать IP-адрес и другие параметры, необходимые для работы в сети TCP/IP. Если протокол DHCP на сервере вашей сети активирован, то вся настройка сетевого подключения сводится к выбору пункта «Получить IP-адрес автоматически». В противном случае настройку адреса придется проводить вручную.
Для каждого из компьютеров сети необходимо выбрать свой IP-адрес, причем так, чтобы эти адреса находились в одной логической IP-сети. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. В случае изолированной сети её адрес может быть выбран администратором из специально зарезервированных для таких сетей блоков адресов (192.168.0.0÷16, 172.16.0.0÷12 или 10.0.0.0÷8). Если же сеть должна работать как составная часть Интернета, то адрес сети выдаётся провайдером. IP-адрес не может начинаться с числа 127, так как адреса в диапазоне 127.х.х.х зарезервированы для обозначения так называемого «локального хоста». Обращение по адресу 127.0.0.1 приводит к активированию так называемой «внутренней петли», образующей сеть из одного компьютера, что используется для самодиагностики сетевых протоколов.
Маска подсети в простых одноранговых сетях, как правило, выражается значением 255.255.255.0. В поле «основной шлюз» необходимо занести IP-адрес компьютера, управляющего доступом из локальной сети в глобальную сеть Интернет.
DNS сервер – компьютер, обрабатывающий DNS-запросы - осуществляющий преобразование IP-адресов (например 192.168.0.4) в адреса доменного имени (например www.google.com). В случае многоранговой сети адрес DNS-сервера либо совпадает с адресом шлюза, либо выдается провайдером Интернет. В случае одноранговой сети адрес DNS-сервера оставляют пустым.
После определения всех необходимых настроек, нажмите кнопку «ОК». В случае, если выбранный вами IP-адрес уже используется в сети, то вскоре после нажатия на кнопку «ОК» операционная система выдаст соответствующее предупреждение.
Для завершения настройки сети выберите сетевое имя компьютера и рабочую группу (домен). Для этого: на рабочем столе (или в меню «Пуск») найдите значок «Мой компьютер», нажмите на нем правой кнопкой мыши, выберите пункт «Свойства», а в открывшемся окне перейдите на вкладку «Имя компьютера» (рис. 7.15). В поле «Описание» внесите произвольный текст для опознания вашего компьютера пользователями сети. Нажатие на кнопку «Изменить» открывает диалоговое окно (рис. 16), позволяющее дать вашему компьютеру сетевое имя и присоединить его к определенной рабочей группе или домену.
Рис. 7.15. Диалоговое окно «Свойства системы: Имя компьютера»
Рис. 7.16. Диалоговое окно «Изменение имени компьютера»
Использование команд командной строк и WindowsXP для проверки работоспособности сети и определения текущих настроек.
Для запуска командной строки нажмите в главном меню Windows на кнопку Пуск → Выполнить , а в открывшемся диалоговом окне наберите “cmd”. Общий вид окна командной строки представлен на рис.7.17.
Рис. 7.17. Окно командной строки Windows
Для получения информации о настройках протокола TCP/IP используется команда «ipconfig» (рис.7.18.). Команда выдает информацию о базовых настройках всех сетевых подключений, настроенных на компьютере. Более полная информация, включающая названия и физические адреса (MAC-адреса) сетевых адаптеров, сетевое имя компьютера и др. может быть получена при использовании команды «ipconfig» с ключом «-all».
Рис. 7.18. Результат выполнения команды ipconfig
Для диагностики работоспособности всей цепочки Операционная система первого компьютера → сетевой адаптер первого компьютера → кабель → концентратор(коммутатор) → кабель → сетевой адаптер второго компьютера → операционная система второго компьютера используется команда «ping». В качестве аргумента команды используется IP-адрес (либо доменный адрес) удаленного компьютера. В случае успешного обмена эхо-пакетами, на экране появится информация о времени отклика удаленного компьютера, количестве потерянных пакетов и др. (рис. 7.19.)
Рис. 7.19. Результат выполнения команды ping
Общее использование ресурсов в Windows XP
Важным преимуществом локальных компьютерных сетей является возможность обмена файлами между разными рабочими станциями без использования сменных носителей, а также совместное использование оборудования (принтеры, сканеры и т.д.). Операционная система Windows XP позволяет легко получать доступ к ресурсам других компьютеров и организовывать общий доступ к ресурсам локального компьютера.
Для обзора компьютеров, находящихся в локальной сети, найдите на рабочем столе или в основном меню значок «Сетевое окружение» и дважды щелкните на нем левой кнопкой мыши. В открывшемся окне выбирайте: Вся сеть → Microsoft Windows Network .
Открывшееся окно (рис. 7.20.) содержит список рабочих групп локальной сети. Выбрав одну из рабочих групп, вы переходите к обзору рабочих станций (компьютеров), входящих в эту рабочую группу (рис. 7.21.). Выбрав одну из рабочих станций, вы получаете доступ к списку общих ресурсов этой рабочей станции (рис. 7.22.). В этом списке будут перечислены как общие папки с данными, так и общее оборудование (принтеры, сканеры и т.д.). Далее, перемещаясь по структуре папок удаленной рабочей станции, вы можете копировать находящиеся там файлы, а при соответствующих настройках – изменять их, удалять или копировать файлы со своего компьютера на удаленный компьютер.
Рис. 7.20. Список рабочих групп локальной сети
Рис. 7.21. Список рабочих станций рабочей группы
Рис. 7.22. Список общих ресурсов рабочей станции
Альтернативным способом получения доступа к папке на удаленном компьютере является подключение сетевого диска . В этом случае папка общего доступа будет добавлена в систему в качестве логического диска (как, например, диски «С», «D»).Для подключения сетевого диска в окне любой открытой папки Windows выберите в главном меню Сервис → Подключить сетевой диск . Откроется диалоговое окно, представленное на рис.7.23.
Рис. 7.23. Подключение сетевого диска
В верхнем поле ввода выберите букву для сетевого диска, а в нижнем поле ввода введите имя сервера и имя сетевой папки в формате «\\server\share» (имя сервера может быть заменено IP-адресом). Поставив отметку в поле «Восстанавливать при входе в систему », вы активируете опцию повторного подключения сетевого диска при последующей загрузке системы.
Рис. 7.24. Диалоговое окно «Мой компьютер» с подключенными сетевыми дисками
Для того, чтобы произвести отключение ранее подключенного сетевого диска, в окне любой открытой папки Windows выберите в главном меню Сервис → Отключить сетевой диск , выберите желаемый диск и нажмите ОК .
Для того чтобы иметь возможность пользоваться периферийным оборудованием, подключенным к удаленному компьютеру (например, принтером), необходимо произвести установку драйверов для этого оборудования в систему.
Процесс установки драйвера для сетевого принтера: нажмите . В открывшемся диалоговом окне выберите пункт Установка принтера , после чего запустится Мастер установки принтеров . В первом диалоговом окне мастера нажмите Далее . Во втором диалоговом окне мастера выберите пункт Сетевой принтер или принтер, подключенный к другому компьютеру и также нажмите Далее . Откроется диалоговое окно, представленное на рис.7.25.
Рис. 7.25. Мастер установки принтеров
Если вы не знаете доменного имени или IP-адреса компьютера, к которому подключен интересующий вас принтер, выберите пункт Обзор принтеров и нажмите Далее , после чего система произведет поиск доступных принтеров в локальной сети. В зависимости от размера локальной сети, этот процесс может быть достаточно долгим. Чтобы ускорить его, выберите пункт «Подключиться к принтеру или выполнить обзор принтеров» и в поле ввода «имя» введите доменное имя или IP-адрес компьютера, к которому подключен сетевой принтер, в следующей форме: «\\host\» («\\ххх.ххх.ххх.ххх\»). В этом случае поиск принтеров будет производиться только на указанном вами компьютере и займет значительно меньше времени. После того, как сетевой принтер будет обнаружен, произведите установку его драйверов в систему нажатием на кнопку Установить .
Созданиепапки открытой для общего доступа .
В диалоговом окне Мой компьютер или Проводник найдите интересующую вас папку, нажмите на ней правой кнопкой мыши и в появившемся контекстном меню выберите пункт Свойства . В открывшемся диалоговом окне (рис. 7.26.) перейдите на вкладку Доступ .
Рис. 7.26. Вкладка «Доступ» диалогового окна «Свойства папки»
Поставьте флажок напротив пункта Открыть общий доступ к этой папке . Для открытой папки можно назначить сетевое имя – имя, под которым эта папка будет отображаться при просмотре ресурсов вашего компьютера с других компьютеров сети. Следует отметить, что если поставить в конце сетевого имени значок доллара ($), то сетевая папка не будет видна при просмотре ресурсов вашего компьютера из сети, однако ее можно будет подключить как сетевой диск.
Открытие общего доступа к папке дает возможность пользователям сети только копировать файлы с вашего компьютера и открывать их в режиме чтения. Для того, чтобы дать им возможность изменять и удалять файлы, находящиеся в папке общего доступа на вашем компьютере, поставьте флажок напротив пункта «Разрешить изменение файлов по сети».
Чтобы разрешить пользователям сети пользоваться принтером, установленным на вашем компьютере, запустите Пуск → Настройка → Принтеры и факсы . Нажмите правой кнопкой мыши на интересующем вас принтере, в контекстном меню выберите пункт Свойства . В открывшемся диалоговом окне перейдите на вкладку Доступ (рис. 7.27.). Доступ к принтеру можно открыть аналогично доступу к папке - установив флажок напротив пункта Общий доступ к данному принтеру и выбрав его сетевое имя.
Рис. 7.27. Вкладка «Доступ» диалогового окна «Свойства принтера»
Контрольные вопросы
1. Что такое компьютерная сеть?
2. Назовите основные сетевые топологии. Какая из них наиболее надежная и почему?
3. В чем заключается функция сервера? Расскажите о технологии клиент-сервер.
4. Перечислите основные аппаратные сетевые компоненты и их назначение.
5. Что такое сетевой протокол? Расскажите о протоколе TCP/IP.
6. Как узнать основные сетевые настройки вашего компьютера?
7. Как получить доступ к папке, открытой для общего доступа на удаленном компьютере?
8. Как установить в системе сетевой принтер?
9. Как предоставить общий доступ к папке, находящейся на вашем компьютере?
Отчет должен содержать: название и цель работы, список используемых программных средств, результаты выполнения заданий и ответ на индивидуальный вопрос соответствующего варианта.
Задания
1. Определите IP-адрес вашего компьютера, его сетевое имя и рабочую группу, в которую он входит.
2. Создайте на локальном компьютере новую папку. Откройте общий доступ к созданной папке.
3. Создайте в папке текстовый файл, в который поместите ответы на задание 1, а также на индивидуальный вопрос вашего варианта.
4. Составьте список папок, открытых для общего доступа на сервере кафедры.
5. Подключите одну из папок, открытых для общего доступа на сервере кафедры, в качестве сетевого диска. Сделайте скриншот, подтверждающий подключение сетевого диска, сохраните его в графический файл, который поместите в папку, созданную в задании 2.
6. Установите в системе сетевой принтер, подключенный к серверу кафедры.
7. Разрешите сетевым пользователям изменение файлов, содержащихся в папке, созданной в задании 2.
8. Скопируйте в папку, созданную в задании 2, текстовый файл, созданный другим студентом вашей группы с ответом на вопросы его варианта. Нужный файл найдите на компьютере этого студента.
9. После демонстрации результатов работы преподавателю удалите созданные вами файлы и папки и сетевой принтер, отключите сетевые диски.
Индивидуальные вопросы
Вариант 1: Определите архитектуру локальной сети кафедры.
Вариант 2: Определите топологию локальной сети кафедры.
Вариант 3: Определите MAC-адрес сетевого адаптера вашего компьютера.
Вариант 4: Определите среднее время отклика сервера кафедры
Вариант 5: Определите, является ли IP-адрес 127.168.0.1 допустимым в локальной сети.
Вариант 6: Определите, является ли IP-адрес 168.127.1.0 допустимым в локальной сети.
Вариант 7: Определите тип сетевого кабеля, использованный для построения локальной сети в вашей аудитории.
Вариант 8: Определите, функционирует ли в сети кафедры DHCP-сервер.
Вариант 9: Определите адрес DNS-сервера локальной сети кафедры.
Вариант 10: Каким способом можно получить доступ к файлу, находящемуся на удаленном компьютере в папке общего доступа с названием «shared$».
©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27
