Архитектура информационных систем

1. Общее представление  об информационной  системе

В уже достаточно долгой истории компьютерной индустрии (скоро будем отмечать 50-летний юбилей) всегда можно было выделить два основных направления: вычисления, а также  накопление и обработка информации. Как известно, возникновение компьютеров главным образом стимулировалось необходимостью проведения массивных расчетов для создания ядерного оружия и ракетной техники. Объемы требуемых вычислений просто не позволяли произвести их в приемлемое время традиционным коллективом расчетчиков. Итак, первыми пользователями компьютеров и разработчиками компьютерных программ стали вычислительные математики. До сих пор многие представители старшего поколения программистов предпочитают называть себя математиками, даже если в последние 20-30 лет им не приходилось написать хотя бы одну вычислительную программу, не говоря уже о разработке методов и алгоритмов компьютерных вычислений.

Однако, почти  сразу на появление компьютеров  обратили внимание бизнесмены. Как  правило, в гражданском бизнесе не требуются массивные расчеты за исключением таких отраслей как, например, авиа- или автомобилестроение. В более распространенных видах гражданского бизнеса (банковское дело, биржевые операции, системы резервирования билетов или мест в гостиницах) основной проблемой всегда являлись объемы информации, которую необходимо собирать, надежно хранить и оперативно обрабатывать. Появление информационных систем, основным назначением которых является решение отмеченной проблемы, явилось ответом компьютерной индустрии на требования мира бизнеса.

В этой вводной  части курса будет введено  общее представление о сути понятия "информационная система". Основной целью является формулировка понятийной основы, на которой будет базироваться более конкретный материал следующих частей. Часть состоит из четырех разделов. В первом разделе определяются общие специфические черты класса программных систем, которые можно отнести к информационным системам. Второй раздел посвящен рассмотрению типовых задач, для решения которых используются информационные системы. В третьем разделе обсуждаются типичные проблемы, с которыми приходится сталкиваться при проектировании, разработке и сопровождении информационных систем. Наконец, в четвертом разделе анализируются требования к техническим средствам, на основе которых разумно строить информационную систему.

1.1. Специфика информационных  программных систем

Конечно, в зависимости  от конкретной области применения информационные системы могут очень сильно различаться  по своим функциям, архитектуре, реализации. Однако можно выделить, по крайней мере, два свойства, которые являются общими для всех информационных систем. Во-первых, любая информационная система предназначена для сбора, хранения и обработки информации. Поэтому в основе любой информационной системы лежит среда хранения и доступа к данным. Среда должна обеспечивать уровень надежности хранения и эффективность доступа, которые соответствуют области применения информационной системы. Заметим, что в вычислительных программных системах наличие такой среды не является обязательным. Основным требованием к программе, выполняющей численные расчеты (если, конечно, говорить о решении действительно серьезных задач), является ее быстродействие. Нужно, чтобы программа произвела достаточно точные результаты за установленное время. При решении серьезных вычислительных задач даже на суперкомпьютерах это время может измеряться неделями, а иногда и месяцами. Поэтому программисты-вычислители всегда очень скептически относятся к хранению данных во внешней памяти, предпочитая так организовывать программу, чтобы в течение как можно более долгого времени обрабатываемые данные помещались в основной памяти компьютера. Внешняя память обычно используется для периодического (нечастого) сохранения промежуточных результатов вычислений, чтобы в случае сбоя компьютера можно было продолжить работу программы от сохраненной контрольной точки.

Во-вторых, информационные системы ориентируются на конечного  пользователя, например, банковского  клерка. Такие пользователи могут быть очень далеки от мира компьютеров. Для них терминал, персональный компьютер или рабочая станция представляют собой всего лишь орудие их собственной профессиональной деятельности. Поэтому информационная система обязана обладать простым, удобным, легко осваиваемым интерфейсом, который должен предоставить конечному пользователю все необходимые для его работы функции, но в то же время не дать ему возможность выполнять какие-либо лишние действия. Иногда этот интерфейс может быть графическим с меню, кнопками, подсказками и т.д. Сейчас очень популярны графические интерфейсы, и как мы увидим в следующих частях курса, многие современные средства разработки информационных приложений прежде всего ориентированы на разработку графических интерфейсов. С другой стороны, немного странным фактом является то, что многие конечные пользователи (например, банковские операционисты) не любят графические терминалы, предпочитая более убогие интерфейсные средства доступа к информационной системе с современного, но традиционного алфавитно-цифрового терминала. Это кажется действительно несколько странным, потому что на Западе, где практически любой кассовый аппарат является в действительности персональным компьютером, невозможно увидеть ни одного алфавитно-цифрового монитора. Возможно, в России это просто временный социально-психологический эффект: после многих лет общения с низкокачественными отечественными цветными телевизорами люди считают, что использовать графический монитор более вредно, чем монохромный алфавитно-цифровой. Но в любом случае наличие развитых интерфейсных средств является обязательным для любой современной информационной системы.

И снова заметим, что вычислительные программные  системы не обязательно обладают развитыми интерфейсами. Конечно, это  зависит от степени отчуждаемости программного продукта. Если система предназначена для продажи, то она должна обладать хорошим интерфейсом хотя бы в целях маркетинга. Но как правило, серьезные вычислительные программы почти уникальны. Расчеты выполняются либо разработчиками программ, либо людьми из того же окружения. Для них гораздо важнее быстродействие вычислений, чем удобство запуска программы, а наличие развитого интерфейса предполагает существенный расход компьютерных ресурсов. Как профессионалы компьютерного мира, эти люди могут справиться с некоторыми неудобствами при работе с компьютером.

1.2. Задачи информационных  систем

Конкретные задачи, которые должны решаться информационной системой, зависят от той прикладной области, для которой предназначена  система. Области применения информационных приложений разнообразны: банковское дело, страхование, медицина, транспорт, образование и т.д. Трудно найти область деловой активности, в которой сегодня можно было обойтись без использования информационных систем. С другой стороны, очевидно, что, например, конкретные задачи, решаемые банковскими информационными системами, отличаются от задач, решение которых требуется от медицинских информационных систем.

Но можно выделить некоторое количество задач, не зависящих  от специфики прикладной области. Естественно, такие задачи связаны с общими чертами информационных систем, рассмотренных в предыдущем разделе. Прежде всего, кажется бесспорным мнение о том, что наиболее существенной составляющей является информация, которая долго накапливается и утрата которой невосполнима.

В качестве примера  рассмотрим ситуацию, существующую в  Зеленчукской астрофизической лаборатории. В этой лаборатории в горах  в районе Нижнего Архыза установлен один из крупнейших в мире зеркальных телескопов (диаметр зеркала - 6 метров). Уникальные природные условия этого района Северного Кавказа позволяют максимально эффективно использовать возможности обсерватории. В самом Зеленчуке имеется крупнейший в России радиотелескоп. Комбинированное использование этих ресурсов в течение многих лет (более 10) позволило астрофизикам накопить уникальную информацию относительно разного рода космических объектов. К сожалению, компьютерные возможности лаборатории в первые годы ее существования были весьма ограничены, и поэтому накапливаемые данные хранились в основном на магнитных лентах. Известно, что любой магнитный носитель стареет, а магнитные ленты еще и пересыхают. В результате основной проблемой группы поддержки информационных ресурсов уже несколько лет является копирование старых магнитных лент на новые носители. Старые ленты часто не читаются, и приходится тратить громадные усилия и средства для их реанимирования. Здесь уже не до создания информационной системы. Успеть бы спасти информацию. Хотя, конечно, астрофизикам очень нужны информационные системы, позволяющие хотя бы частично автоматизировать огромные объемы работ по анализу и обобщению накопленной информации. Основной вывод, который можно сделать на основе этой нравоучительной истории, состоит в том, что если некоторая организация планирует долговременное накопление ценной информации, то с самого начала должны быть обдуманы надежные способы ее долговременного хранения. В частности, информация, накопленная Зеленчукской лабораторий, должна храниться вечно.

Конечно, уровень  надежности и продолжительность хранения информации во многом определяются конкретными требованиями корпорации к информационной системе. Например, можно представить себе малую торговую компанию с быстрым оборотом, в информационной складской системе которой достаточно поддерживать информацию о товарах, имеющихся на складе, и об еще неудовлетворенных заявках от потребителей. Но кто знает, не потребуется ли впоследствии полная история работы склада с момента основания компании.

Следующей задачей, которую должно выполнять большинство информационных систем, - это хранение данных, обладающих разными структурами. Трудно представить себе более или менее развитую информационную систему, которая работает с одним однородным файлом данных. Более того, разумным требованием к информационной системе является то, чтобы она могла развиваться. Могут появиться новые функции, для выполнения которых требуются дополнительные данные с новой структурой. При этом вся накопленная ранее информация должна остаться сохранной. Теоретически можно решить эту задачу путем использования нескольких файлов внешней памяти, каждый из которых хранит данные с фиксированной структурой. В зависимости от способа организации используемой системы управления файлами эта структура может быть структурой записи файла (как, например, в файловых системах DEC VMS) или поддерживаться отдельной библиотечной функцией, написанной специально для данной информационной системы (если, конечно, не удастся найти подходящую функцию в одной из существующих библиотек). Ко второму способу решения проблемы пришлось бы прибегать при работе в среде ОС UNIX.

При использовании  такого подхода информационная система  перегружается деталями организации  хранилища данных. При выполнении функций уровня пользовательского  интерфейса информационной системе самой приходится выполнять выборку информации из файлов по заданному критерию. Некоторые системы управления файлами позволяют выбирать записи по простому критерию, например, по заданному значению ключа записи. Но, во-первых, такие возможности выборки всегда ограничены, и с большой вероятностью придется вынести хотя бы часть функций выборки в код самой информационной системы. Во-вторых, наличие нескольких файлов данных разной структуры неявно предполагает, что при выполнении некоторых функций информационной системы потребуется выборка согласованной (по заданному критерию) информации из нескольких файлов. Такие возможности никогда не поддерживаются файловыми системами.

Известны примеры  реально функционирующих информационных систем, в которых хранилище данных планировалось основывать на файлах. В результате развития большинства таких систем в них выделился отдельный компонент, который представляет собой примитивную разновидность системы управления базами данных (СУБД). Самодельные СУБД - главный бич информационных систем. Поначалу кажется, что все очень просто: набор возможных запросов становится известным при проектировании информационной системы; для каждого типа запроса можно придумать эффективный способ выполнения запроса. После этого остается простая программистская работа, и специализированная СУБД готова. Однако, потом оказывается, что не все возможные запросы были учтены при проектировании. Бедный разработчик СУБД постоянно добавляет в нее новые функции, пока не решает создать общий язык запросов, на котором можно сформулировать любой запрос к базе данных соответствующей информационной системы. Через некоторое время в корпорации принимают решение разработать еще одну информационную систему, структуры хранимых данных которой, естественно, отличаются от тех, что были в базе данных первой информационной системы. Что же, делать еще одну специализированную СУБД? Нет, говорит начальство. У нас уже есть одна. Давайте попробуем применить ее. И это приводит к тому, что наивный самодельщик вынужден сделать простую (скорее всего, персональную) СУБД общего назначения, которая может получить из базы данных информацию о структуре ее файлов (т.е. в базе данных хранятся теперь еще и метаданные, определяющие структуры обычных данных, - схема базы данных), а также выполнить произвольный запрос к этой базе данных. В результате, даже если удается добиться работоспособности разработанной СУБД, это означает всего лишь изобретение еще одного велосипеда, поскольку СУБД такого уровня существует великое множество. Они дешевы и поддерживаются производителями.

До сих пор  мы говорили о тех функциях информационной системы, которые требуют выборки  данных из внешнего хранилища, например, производят отчеты. Но откуда берутся  данные во внешнем хранилище? Каким  образом поддерживается соответствие хранимой информации состоянию предметной области? Конечно, для этого должны существовать дополнительные функции информационной системы, которые обеспечивают ввод, обновление и удаление данных. Поддержка этих функций существенно повышает уровень требований к СУБД.

Если говорить о групповых или корпоративных  информационных системах, то их наличие  предполагает возможность работы с  системой с нескольких рабочих мест. Некоторые из конечных пользователей  изменяют содержимое базы данных (вводят, обновляют, удаляют данные). Другие выполняют операции, связанные с выборкой из базы данных. Третьи делают и то, и другое. Вся проблема состоит в том, что такая коллективная работа должна производиться согласованно и желательно, чтобы согласованность действий обеспечивалась автоматически. Под согласованностью действий мы понимаем то, что оператор, формирующий отчеты, не сможет воспользоваться данными, которые начал, но еще не закончил формировать другой оператор. Оператор формирующий данные, не сможет выполнить операцию над данными, которыми пользуется другой оператор, начавший, но не закончивший формировать отчет. Оператор, желающий обновить или удалить данные, не сможет выполнить операцию до тех пор, пока не закончится аналогичная операция над теми же данными, которую ранее начал, но еще не закончил другой оператор. При поддержке согласованности действий все результаты, получаемые от информационной системы, будут соответствовать согласованному состоянию базы данных, т.е. будут достоверны и непротиворечивы.

Подобные рассуждения  вызвали появления понятия классической транзакции. Будем понимать под целостным состоянием базы данных информационной системы такое ее состояние, которое соответствует требованиям прикладной области (или, вернее, требованиям модели прикладной области, на основе которой проектировалась информационная система). Тогда классической транзакцией называется последовательность операций изменения базы данных и/или выборки из базы данных, воспринимаемая СУБД как атомарное действие. Это означает, что при успешном завершении транзакции СУБД гарантирует наличие в базе данных результатов всех операций изменения, произведенных при выполнении транзакции. Условием успешного завершения транзакции является то, что база данных находится в целостном состоянии. Если это условие не выполняется, то СУБД производит полный откат транзакции, ликвидируя в базе данных результаты всех операций изменения, произведенных при выполнении транзакции. Тем самым, легко видеть, что база данных будет находиться в целостном состоянии при начале любой транзакции и останется в целостном состоянии после успешного завершения любой транзакции.