Распределенные информационные системы: особенности применения и построения

Актуальность исследования

Представленная тема исследования остается актуальной и важной в современном мире информационных технологий. Многие компании и организации используют распределенные информационные системы для управления бизнес-процессами, обработки данных и обеспечения взаимодействия между различными филиалами и подразделениями. Эффективное построение и использование таких систем помогает повысить производительность, сократить затраты и улучшить обслуживание клиентов. Облачные технологии стали неотъемлемой частью многих информационных систем. Эти системы часто распределены по разным серверам и центрам обработки данных, что требует эффективной организации и управления данными и ресурсами.

Цель исследования

Целью исследования является анализ и характеристика существующих распределенных информационных систем с целью понимания их архитектуры, принципов работы и применения в различных областях.

Материал и методы исследования

Изучением вопросов, посвященных особенностям распределенных информационных систем, занимались такие ученые как Д.А. Градусов, А.В. Шутов, А.Н. Алпатов, И.Б. Бурдонов, А.С. Косачев, В.Н. Пономаренко, В.З. Шнитман, В.Я. Цветков и др.

Методами исследования являются: метод кейс-исследования, метод теоретического и практического анализа, метод сравнительного анализа.

Результаты исследования

Распределенные информационные системы (РИС) – это комплекс программных и аппаратных средств, которые позволяют организовывать совместный доступ к данным и ресурсам, размещенным на различных компьютерах и серверах через сети. РИС широко применяются в современном мире из-за своей гибкости, масштабируемости и надежности. Можно выделить следующие особенности применения и построения распределенных информационных систем:

1. Распределенность. Основная особенность РИС – это то, что они распределены по разным физическим и/или логическим местоположениям. Это позволяет легко масштабировать систему при увеличении нагрузки или обеспечивать отказоустойчивость, так как вы можете иметь несколько серверов, работающих параллельно.
2. Клиент-серверная архитектура. РИС часто построены на основе клиент-серверной архитектуры, где клиенты (пользовательские приложения) обращаются к серверам (компьютерам или службам), чтобы получить доступ к данным и ресурсам. Это облегчает управление и обновление системы.
3. Распределенная база данных. В РИС часто используются распределенные базы данных, где данные хранятся на разных серверах и могут синхронизироваться между ними. Это позволяет обеспечивать доступность данных и уменьшать риск потери информации.
4. Коммуникация. Компоненты РИС обмениваются данными и командами через сеть. Это требует хорошей системы коммуникации, протоколов и безопасности, чтобы обеспечить целостность и конфиденциальность данных.
5. Масштабируемость. РИС должны быть спроектированы с учетом возможности масштабирования, чтобы удовлетворить растущие потребности. Это может включать в себя добавление новых серверов, балансировку нагрузки и оптимизацию производительности.
6. Отказоустойчивость. Отказ одного из компонентов РИС не должен привести к полной недоступности системы. Для этого могут использоваться резервирование, репликация данных и другие методы обеспечения отказоустойчивости.
7. Безопасность. Защита данных и ресурсов важна для РИС. Это включает в себя аутентификацию, авторизацию, шифрование и другие меры безопасности.
8. Управление ресурсами. РИС должны эффективно управлять ресурсами, такими как процессорное время, память и сетевая пропускная способность, чтобы обеспечить высокую производительность.
9. Согласованность данных. Важно обеспечить согласованность данных в распределенных системах, чтобы избежать конфликтов и ошибок.
10. Мониторинг и управление. РИС должны быть оборудованы средствами мониторинга и управления, чтобы операторы могли отслеживать состояние системы и принимать меры по ее поддержанию [1, c. 94].

Основной вызов, стоящий перед развитием распределенных информационных систем в современности, заключается в необходимости объединения разнообразных компонентов, предназначенных для решения конкретных бизнес-задач предприятия. Эти компоненты включают в себя различные методы, подходы и технические средства, и их интеграция часто сопровождается проблемами, такими как техническая несовместимость, взаимная несогласованность данных и функций, выполняемой различными частями системы.

С использованием веб-сервисов возможно разрабатывать и приобретать компоненты для интеграции их в информационные системы. Есть возможность приобретать доступ к работе этих компонентов и создавать программную среду, которая осуществляет вызовы модулей из компонентов, поддерживаемых различными независимыми поставщиками. Таким образом, любой функционал программы, находящейся в сети, может стать доступным через веб-сервисы. Примером такого веб-сервиса является система Passport на Hotmail, которая предоставляет возможность аутентификации пользователей на собственных веб-сайтах.

Основу веб-сервисов составляют следующие технологии, которые представлены в таблице.

Таблица

Технологии, составляющие основу веб-сервисов

Указанные технологии обладают универсальностью и представляют собой основу для понимания веб-сервисов. Интернет-технологии основаны на открытых, формально независимых от поставщиков стандартах, что придает им основное преимущество в концепции разработки распределенных информационных систем. Использование таких технологий как TCP/IP, HTML и XML позволяет их применять на различных операционных системах, серверах приложений и так далее. В результате веб-сервисы допускают интеграцию приложений различного типа и обеспечивают создание распределенных информационных систем [2, c. 25].

Организация РИС становится обязательной для предприятий и организаций, занимающихся различными видами деятельности, которая распределена пространственно. Это необходимо для упрощения последующего централизованного анализа данных и создания отчетов из обобщенной базы данных, как для всей компании в целом, так и для каждого ее структурного подразделения. Внедрение информационной системы с распределенной структурой выполняется, когда требуется обеспечить централизованный контроль над изменениями данных в удаленных отделениях организации.

Задачи организации функционирования и развития распределенной информационной системы состоит из следующих компонентов:

• Обеспечение непрерывного соответствия отдельных компонентов (служб) ИС бизнес-потребностям на протяжении всего их срока службы в составе системы.
• Определение оптимального состава и количества узлов (серверов приложений) в распределенной системе, а также эффективного размещения компонентов между этими узлами.
• Согласование жизненных циклов отдельных компонентов системы с целью максимизации функционального покрытия потребностей бизнеса на протяжении всего существования ИС предприятия.
• Организация оптимального взаимодействия между компонентами системы для повышения ее способности к автоматизации как стандартных, так и уникальных бизнес-процессов.
• Проведение реструктуризации ИС с целью устранения излишней функциональности с целью повышения гибкости системы и улучшения ее эксплуатационных характеристик [3, c. 104].

Можно выделить следующий алгоритм построения распределенных ИС, который представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Алгоритм построения распределенных ИС

На первом этапе осуществляется начальное разделение корпоративной информационной системы, разбивая систему бизнес-процессов на различные компоненты, которые обслуживают разные потоки данных, задачи, а также отдельные подразделения и другие аспекты. Итогом данной фазы является создание модели бизнес-процессов предприятия, которые объединены в подсистемы и логические группы на основе их характеристик.

На этапе выделения информационных, функциональных и пользовательских связей, происходит разделение подсистем на отдельные бизнес-задачи, анализ информационных взаимосвязей между службами и оптимизация их структуры. Этап масштабирования подзадач связан с техническим анализом структуры корпоративной информационной системы, решением задач балансировки нагрузки между узлами распределенного приложения, выбором технологии взаимодействия служб, с учетом факторов развертывания системы, надежности ее работы, отказоустойчивости, среднего времени отклика на запрос и других соответствующих аспектов. Особое внимание следует уделить выбору метода обмена сообщениями между компонентами распределенной системы.

Существует два основных метода обмена сообщениями:

1. Синхронный обмен предполагает мгновенную коммуникацию между компонентами системы в реальном времени с двусторонним контролем процесса. Технологии синхронного обмена сообщениями просты и быстры, но требуют значительных ресурсов сетевой инфраструктуры предприятия.
2. Асинхронный обмен, наоборот, осуществляется в одностороннем порядке, где ответ на сообщение не ожидается. Обмен сообщениями между компонентами реализуется с помощью инфраструктурных механизмов, таких как очереди и стеки сообщений. Этот способ обмена более надежен и не требует высоких требований к аппаратному обеспечению, но может делать время реакции системы непредсказуемым и потребляет более сложные алгоритмы управления сообщениями [4, c. 178].

В настоящее время доступны технологии, которые позволяют комбинировать возможности как синхронного, так и асинхронного обмена данными. Однако выбор метода обмена сообщениями имеет значительное воздействие на архитектурные решения, принимаемые на этапе проектирования системы. Поэтому критически важно определить этот выбор именно в начальной стадии разработки распределенной информационной системы.

Последним этапом в создании распределенной системы является выполнение реализации отдельных серверов приложений и служб в соответствии с разработанной архитектурой, проведение тестирования и внедрение их в эксплуатацию.

Для достижения оптимальной производительности и гибкости структуры распределенной системы часто требуется рассмотрение следующих ключевых характеристик:

• Минимизация связей в системе. Когда в информационной системе (ИС) существует множество взаимосвязанных компонентов (служб), возникают проблемы с их повторным использованием. Эти проблемы могут быть решены путем снижения уровня связности между компонентами. Под связностью системы мы понимаем количество информационных и функциональных связей между отдельными службами в корпоративной ИС [5, c. 63].

Для устранения избыточной связности в системе могут быть использованы следующие методы:

а) перераспределение функциональности между разными службами;

б) перемещение служб между серверами приложений с акцентом на превращение межузловых связей во внутриузловые;

в) разработка диспетчерских и управляющих служб, которые выполняют расширенные функции управления связями между другими службами в системе.

• Высокая функциональная связность (High Cohesion) в службах корпоративной информационной системы. Функциональная связность – это мера фокусировки служб в распределенной системе на выполнении конкретных задач. Компонент обладает высокой связностью, если его обязанности тесно взаимосвязаны и он не выполняет множество разнообразных задач. Служба с низкой связностью, наоборот, выполняет много разнородных функций или задач, не имеющих между собой четкой связи. Идеальным считается компонент, который выполняет наименьшее количество специфических задач и имеет четко определенную область применения.
• Равномерное распределение служб между узлами распределенной сети является ключевым фактором для улучшения технических характеристик распределенной системы. Этот баланс может быть оценен с нескольких точек зрения:

а) с точки зрения производительности, равномерность достигается путем согласования времени выполнения служб на разных узлах сети;

б) с учетом использования памяти, цель состоит в обеспечении максимальной средней емкости системы;

в) с точки зрения реализуемой функциональности, стремятся достичь максимальной автономности отдельных узлов в распределенной системе [6, c. 51].

График зависимости изменения производительности от количества узлов, составляющих распределенную сеть, представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Зависимость критичности сбоя одного узла для распределенной системы от количества узлов

Исходя из данной диаграммы, наиболее существенное уменьшение рисков, связанных с добавлением узлов в распределенную систему, наблюдается в случаях, когда количество серверов ограничено. Если распределенная система уже включает в себя множество разнообразных серверов и каждый из них выполняет дублирующую логику, то добавление дополнительного сервера лишь незначительно снизит риски.

Тем не менее, следует отметить, что дополнительные серверы, внедренные в распределенную систему, будут способствовать увеличению ее производительности [7, c. 60].

Выводы

РИС позволяют адаптироваться к изменяющимся потребностям и масштабироваться по мере необходимости. Это важно для организаций, которые стремятся расти и развиваться. РИС обладают распределенной архитектурой, что повышает отказоустойчивость. Они способны функционировать даже при отказе одного или нескольких компонентов. Для обеспечения стабильной работы РИС необходимы системы мониторинга и обнаружения сбоев, которые позволяют оперативно реагировать на проблемы.