Kliens–szerver architektúra: definíció, működés és példák
Kliens–szerver architektúra: átfogó definíció, működés, előnyök és gyakorlati példák P2P összehasonlítással — mindent a hálózati alkalmazások tervezéséhez.
A számítástechnikában a kliens–szerver egy olyan szoftverarchitektúra-modell, amely két jól elkülöníthető szereplőből áll: kliensrendszerekből és szerverrendszerekből. Ezek a komponensek vagy egy számítógépes hálózaton, vagy ugyanazon a számítógépen kommunikálnak egymással. A kliens–kiszolgáló alkalmazás jellemzően egy kliensprogramból és egy kiszolgálószoftverből álló elosztott rendszer, amely hatékony munkamegosztást tesz lehetővé: a kliens folyamat általában kapcsolatot kezdeményez a kiszolgáló felé, míg a kiszolgáló folyamat folyamatosan várja a beérkező klienskéréseket.
Ha az ügyfélfolyamat és a kiszolgálófolyamat ugyanazon a számítógépen fut, ezt nevezzük egyhelyes telepítésnek. Ebben az esetben a kommunikáció helyi erőforrás-megosztással és operációs rendszer által biztosított IPC (inter-process communication) csatornákkal történik, de logikailag ugyanazok a kliens–szerver elvek érvényesülnek.
A kapcsolódó szoftverarchitektúra másik fő típusa a peer-to-peer, ahol minden egyes állomás vagy alkalmazáspéldány egyszerre viselkedhet ügyfélként és kiszolgálóként. A P2P rendszerekben nincs központi szerver; az egyes csomópontok egyenlő felelősséggel és státusszal működnek. A peer-to-peer architektúrákat gyakran rövidítik a P2P rövidítéssel.
Működési alapok
Az ügyfél–kiszolgáló kapcsolat azt írja le, hogyan nyújt be az ügyfél szolgáltatási kérelmet a kiszolgálóhoz, és hogyan fogadja, dolgozza fel és válaszolja meg ezeket a kéréseket a kiszolgáló. A kliens tipikusan felhasználói interakciót vagy automatikus folyamatot indít, amely helyi igényt generál (például oldalbetöltés vagy adatlekérdezés), majd protokollok (pl. HTTP, SMTP, FTP, TCP) segítségével eljuttatja a kérést a szerverhez. A szerver validálja, feldolgozza a kérést, hozzáférhet helyi vagy távoli erőforrásokhoz (adatbázisok, fájlok, szolgáltatások), majd választ küld vissza a kliensnek.
Az ügyfél és a kiszolgáló közötti kölcsönhatás modellezésére gyakran használnak szekvencia-diagramokat; ezek szabványos leírását az Unified Modeling Language (UML) tartalmazza, és jól szemléltetik a hívások sorrendjét, üzeneteit és időzítését.
Típusok és rétegezés
A legegyszerűbb kliens–kiszolgáló architektúra kétféle hosztot használ: klienseket és kiszolgálókat. Ezt gyakran kétszintű architektúrának nevezik; itt az egyik szint az ügyfél, a másik a szerverfolyamat. A modern rendszerek azonban gyakran többszintűek (n-tier): megjelenik például egy prezentációs réteg (felhasználói felület), egy üzleti logikai réteg (alkalmazásszerver) és egy adatkezelési réteg (adatbázis-szerver).
- Kétszintű (two-tier): közvetlen kommunikáció a kliens és az adatbázis-/alkalmazásszerver között.
- Többszintű (multi-tier): a kliens kérése először egy web- vagy alkalmazásszerverhez érkezik, amely továbbítja és feldolgozza azt, majd szükség esetén lekérdez adatbázist vagy külső szolgáltatást.
- Elosztott rendszerek: a komponensek földrajzilag és hálózatilag távol lehetnek egymástól, gyakran replikációval, cache-eléssel és terheléselosztással (load balancing) növelik a rendelkezésre állást és teljesítményt.
Előnyök és hátrányok
- Előnyök:
- Jól definiált szerepek és felelősségek (kliens vs. szerver).
- Központi erőforrás-kezelés: egyszerűbb frissítés, biztonság és adminisztráció a szerveren.
- Skálázhatóság különféle módszerekkel (cache, replikáció, terheléselosztás).
- Széles körben támogatott szabványok és protokollok (pl. HTTP/REST, gRPC, SMTP).
- Hátrányok:
- Központi szerver(ek) meghibásodása esetén az egész rendszer sérülékeny lehet (single point of failure), kivéve ha redundanciát alkalmaznak.
- Skálázás költségesebb lehet állapotkezelés és tranzakciós konzisztencia esetén.
- Hálózati késleltetés és sávszélesség korlátok befolyásolhatják a teljesítményt.
Gyakori protokollok és megvalósítások
A kliens–szerver rendszerek különböző protokollokon és technológiákon alapulhatnak. Példák:
- HTTP/HTTPS: webes alkalmazások, REST API-k.
- SMTP/IMAP/POP3: e-mail küldés és fogadás.
- TCP/UDP szupertartos kommunikáció: valós idejű alkalmazások, játékok, egyedi protokollok.
- RPC, gRPC, SOAP: távoli eljáráshívások és szolgáltatásalapú integrációk.
Gyakori példák és alkalmazások
A kliens–kiszolgáló modell a hálózati számítástechnika egyik alapmodelljévé vált. Számos tipikus alkalmazás erre épül:
- E-mail-csere és levelezőszerverek.
- Webes hozzáférés és webböngészők–webkiszolgálók kapcsolata; a webböngésző például kliensprogram, amely a világ bármely webkiszolgálóján lévő információkhoz fér hozzá.
- Adatbázis-hozzáférés: alkalmazásszerverek kliensként lekérdeznek és módosítanak adatokat az adatbázis-szervereken.
- Fájl- és nyomtatószolgáltatások, hitelesítési és jogosultságkezelő rendszerek.
Biztonság és skálázhatóság
A kliens–szerver rendszerek tervezésénél különös figyelmet kell fordítani a biztonságra és a skálázásra:
- Hitelesítés és autorizáció: felhasználói azonosítás, jogosultságkezelés és szerepalapú hozzáférés-szabályozás.
- Adatvédelem: titkosítás (pl. TLS), biztonságos kulcskezelés és adatmaszkolás.
- Elérhetőség: terheléselosztók, replikáció, redundáns szerverek és failover megoldások csökkentik a szolgáltatáskimaradás kockázatát.
- Teljesítmény: cache-elés, aszinkron feldolgozás, üzenetsorok (message queues) és CDN-ek a válaszidők csökkentésére.
Összefoglalás
A kliens–szerver modell egyszerű, jól értelmezhető alapot ad szolgáltatások nyújtására és fogyasztására. Bár a P2P architektúrák és egyéb elosztott megoldások alternatívát jelentenek bizonyos helyzetekben, a kliens–szerver megközelítés továbbra is széles körben alkalmazott és fejlesztett architektúra a web, e-mail, adatbázisok és sok egyéb hálózati szolgáltatás területén.
Egy peer-to-peer alapú hálózat.
Egy szerver alapú hálózat.
Ügyfelek jellemzői
- Mindig kéréseket kezdeményez a kiszolgálókhoz.
- Várja a válaszokat.
- Válaszokat kap.
- Általában egyszerre kis számú kiszolgálóhoz csatlakozik.
- Általában közvetlenül lép kapcsolatba a végfelhasználókkal bármilyen felhasználói felület, például grafikus felhasználói felület segítségével.
Kiszolgálói jellemzők
- Mindig várjon az egyik ügyfél kérésére.
- Kiszolgálja az ügyfelek kéréseit, majd válaszol az ügyfeleknek a kért adatokkal.
- Egy kiszolgáló kommunikálhat más kiszolgálókkal az ügyfélkérés kiszolgálása érdekében.
- Ha a kérés feldolgozásához további információkra van szükség (vagy a biztonság megvalósítására), a kiszolgáló a kérés feldolgozása előtt további adatokat (jelszavakat) kérhet az ügyféltől.
- A végfelhasználók jellemzően nem közvetlenül a kiszolgálóval lépnek kapcsolatba, hanem egy klienst használnak.
Előnyök
- A legtöbb esetben a kliens-szerver architektúra lehetővé teszi, hogy a számítástechnikai rendszer szerepének és felelősségi körének romlását több független, egymással csak hálózaton keresztül ismert számítógép között osszák szét, így e modell egyik előnye a könnyebb karbantarthatóság. Lehetőség van például egy kiszolgáló cseréjére, javítására, frissítésére vagy akár áthelyezésére, miközben a kliensek nem tudnak róla, és nem is érinti őket ez a változás. Ezt a változástól való függetlenséget kapszulázásnak is nevezik.
- Minden adatot a szervereken tárolnak, amelyek általában jobb biztonsági ellenőrzésekkel rendelkeznek, mint a legtöbb ügyfél. A szerverek jobban tudják ellenőrizni a hozzáférést és az erőforrásokat, így garantálva, hogy csak a megfelelő jogosultságokkal rendelkező ügyfelek férhetnek hozzá az adatokhoz és módosíthatják azokat.
- Mivel az adattárolás központosított, az adatok frissítése sokkal egyszerűbb a rendszergazdák számára, mint ami egy P2P-architektúra esetén lehetséges lenne. P2P-architektúra esetén az adatfrissítéseket esetleg szét kell osztani és alkalmazni kell a hálózat minden egyes "egyenrangú félre", ami időigényes és hibakockázatos, mivel több ezer vagy akár több millió egyenrangú fél is lehet.
- Számos fejlett ügyfél-kiszolgáló technológia áll már rendelkezésre, amelyeket úgy terveztek, hogy biztosítsák a biztonságot, a felhasználóbarát felületeket és a könnyű használatot.
- Több különböző specifikációjú ügyféllel működik.
Hátrányok
- A hálózati forgalom blokkolása az ügyfél-kiszolgáló modellhez kapcsolódó egyik probléma. Ahogy nő az egyidejűleg egy adott kiszolgálóhoz érkező ügyfélkérések száma, a kiszolgáló túlterhelté válhat. Ezzel szemben a P2P-hálózat sávszélessége valójában növekszik, ahogy egyre több csomópontot adunk hozzá, mivel a P2P-hálózat teljes sávszélessége nagyjából kiszámítható a hálózat minden egyes csomópontja sávszélességének összegeként.
- Az ügyfél-kiszolgáló modell és a Peer to Peer modell összehasonlításakor, ha egy kiszolgáló meghibásodik, az ügyfelek kérései nem tudnak kiszolgálásra kerülni, de a P2P hálózatok esetében a kiszolgálók általában sok csomópont között vannak elosztva. Még ha egy vagy több csomópont meg is hibásodik, például ha egy csomópont nem tudott letölteni egy fájlt, a többi csomópontnak akkor is rendelkeznie kell a letöltés befejezéséhez szükséges adatokkal.
Példák
- A kliensek konkrét típusai a következők: webböngészők, e-mail kliensek és online csevegőprogramok.
- A kiszolgálók konkrét típusai: webkiszolgálók, FTP-kiszolgálók, adatbázis-kiszolgálók, e-mail-kiszolgálók, fájlkiszolgálók, nyomtatókiszolgálók. A legtöbb webszolgáltatás szintén szervertípus.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a kliens-szerver szoftverarchitektúra?
V: Az ügyfél-kiszolgáló szoftverarchitektúra egy két részből, ügyfélrendszerekből és kiszolgálórendszerekből álló modell, amelyek egy számítógépes hálózaton vagy ugyanazon a számítógépen kommunikálnak egymással.
K: Hogyan működik egy ügyfél-kiszolgáló alkalmazás?
V: Az ügyfél-kiszolgáló alkalmazás egy elosztott rendszer, amely ügyfél- és kiszolgálószoftverekből áll. Az ügyfélfolyamat mindig kapcsolatot kezdeményez a kiszolgálóval, míg a kiszolgálófolyamat mindig várja bármelyik ügyfél kérését.
K: Mi történik, ha az ügyfél- és a kiszolgálófolyamat ugyanazon a számítógépen fut?
V: Amikor az ügyfél- és a kiszolgálófolyamat is ugyanazon a számítógépen fut, ezt nevezzük egyhelyes beállításnak.
K: Milyen előnyökkel jár a kliens-kiszolgáló alkalmazás használata?
V: Az Ügyfél-kiszolgáló alkalmazás használata jobb módot biztosít a munkaterhelés több számítógép vagy felhasználó közötti megosztására.
K: Ki kezdeményezi a kapcsolatokat az Ügyfélkiszolgáló alkalmazásokban?
V: Az ügyfélkiszolgáló alkalmazásokban mindig az ügyfélfolyamat kezdeményezi a kapcsolatokat.
K: Ki várja a kéréseket az Ügyfélkiszolgáló alkalmazásokban?
V: Az Ügyfélkiszolgáló alkalmazásokban mindig a Kiszolgáló folyamat várja a kéréseket.
K: Hogyan oszthatja meg több számítógép vagy felhasználó a munkaterhelést egymással?
V: Több számítógép vagy felhasználó megoszthatja a munkaterhelést egy elosztott rendszer, például egy Ügyfélkiszolgáló alkalmazás használatával.
Keres