Проектирование архитектуры информационных систем

Информационная система является одним из ключевых элементов современной организации, предприятия, государственного учреждения, образовательной структуры, медицинской организации, банка, торговой компании или цифровой платформы. Практически любая деятельность, связанная с накоплением, обработкой, передачей, хранением и использованием информации, в настоящее время осуществляется с применением информационных систем. При этом информационная система представляет собой не только совокупность компьютерных программ. Она включает данные, программное обеспечение, технические средства, пользователей, организационные процедуры, правила работы, средства связи и механизмы управления. В широком смысле информационная система представляет собой организованную совокупность взаимосвязанных элементов, предназначенных для сбора, регистрации, хранения, обработки, поиска, передачи, анализа и представления информации, необходимой для выполнения определенных функций и достижения поставленных целей. Информационная система существует не сама по себе, а в рамках некоторой предметной области. Такой предметной областью может быть банковская деятельность, электронная торговля, управление университетом, медицинское обслуживание, промышленное производство, транспортная логистика, государственное управление, бухгалтерский учет, управление персоналом или любая другая деятельность, в которой требуется систематическая работа с информацией. В российском законодательстве информационная система определяется как совокупность содержащейся в базах данных информации и обеспечивающих ее обработку информационных технологий и технических средств. Такое определение подчеркивает три базовых компонента: информацию, информационные технологии и технические средства. Однако с точки зрения проектирования реальных информационных систем этого определения недостаточно, поскольку необходимо учитывать пользователей, бизнес-процессы, организационную структуру, нормативные ограничения, регламенты доступа, способы эксплуатации и сопровождения системы. Например, информационная система университета может включать базу данных студентов, преподавателей, учебных планов, дисциплин и оценок; программные модули для формирования расписания, учета успеваемости и регистрации на учебные курсы; серверы, сетевое оборудование и пользовательские компьютеры; личные кабинеты студентов и преподавателей; правила внесения и изменения данных; процедуры зачисления, перевода и отчисления обучающихся; механизмы защиты персональных данных; средства интеграции с бухгалтерскими, библиотечными и государственными системами. Если рассматривать только программный код, невозможно получить полное представление о такой системе. Основным назначением информационной системы является информационная поддержка деятельности. Это означает, что система должна предоставлять пользователям достоверную, актуальную и необходимую информацию в нужное время и в удобной форме. Кроме того, информационная система может автоматизировать операции, контролировать выполнение процессов, поддерживать принятие решений, обеспечивать взаимодействие между подразделениями, формировать отчетность, прогнозировать события и управлять ресурсами. В структуре информационной системы обычно выделяются несколько взаимосвязанных видов обеспечения. Информационное обеспечение включает данные, документы, классификаторы, справочники, модели данных, правила кодирования и способы организации информационных потоков. Программное обеспечение включает программы, сервисы, приложения, операционные системы, системы управления базами данных и вспомогательные программные средства. Техническое обеспечение представляет собой серверы, рабочие станции, устройства хранения данных, сетевое оборудование, периферийные устройства и телекоммуникационные средства. Организационное обеспечение включает структуру управления системой, распределение обязанностей, регламенты работы, процедуры эксплуатации и сопровождения. Правовое обеспечение охватывает нормативные акты, договоры, требования к защите информации, персональных данных и интеллектуальной собственности. Лингвистическое обеспечение связано с языками взаимодействия, терминологией, классификаторами и способами представления информации. Методическое обеспечение включает инструкции, методики, правила выполнения операций и рекомендации по использованию системы. Следовательно, информационная система является социотехнической системой, поскольку объединяет технические компоненты и деятельность людей. Даже самая совершенная программа не сможет эффективно выполнять свои функции, если не определены роли пользователей, правила внесения данных, ответственность за их достоверность, порядок обработки ошибок и процедуры принятия решений.

1.1 Понятие архитектуры информационной системы

Для понимания принципов проектирования информационных систем необходимо раскрыть понятие архитектуры. В общем смысле архитектура определяет фундаментальную организацию системы, ее основные элементы, связи между ними, принципы взаимодействия и правила дальнейшего развития. Архитектура показывает не только то, из каких частей состоит система, но и то, почему эти части выделены именно таким образом, какие функции они выполняют, как взаимодействуют и какие ограничения должны соблюдаться. Архитектура информационной системы представляет собой совокупность фундаментальных решений относительно структуры системы, ее компонентов, данных, функций, интерфейсов, технологий, способов взаимодействия, развертывания, эксплуатации и развития. Архитектура связывает потребности организации с конкретными техническими и программными решениями. Архитектуру нельзя сводить к одной схеме. Она включает множество взаимосвязанных аспектов. С одной стороны, необходимо описать функции системы и процессы, которые она поддерживает. С другой стороны, требуется определить структуру данных, программные компоненты, техническую инфраструктуру, механизмы интеграции и способы обеспечения безопасности. По этой причине архитектура информационной системы обычно представляется в виде набора моделей и архитектурных представлений. Архитектура отвечает на ряд принципиальных вопросов. Необходимо определить, какие задачи решает система, какие группы пользователей с ней взаимодействуют, какие данные она обрабатывает, из каких подсистем и компонентов состоит, какие интерфейсы используются, каким образом осуществляется взаимодействие между компонентами, где размещаются программные модули и данные, какие технологии применяются, как обеспечиваются производительность, надежность, масштабируемость, безопасность и сопровождаемость. Например, при проектировании информационной системы интернет-магазина требуется определить, будут ли каталог товаров, корзина, оформление заказов, платежи, управление складом и доставка реализованы в одном приложении или в виде отдельных сервисов. Необходимо решить, будет ли использоваться единая база данных или несколько специализированных хранилищ, каким образом система будет взаимодействовать с платежными организациями, службами доставки и учетной системой предприятия, как будет выполняться масштабирование в периоды высокой нагрузки и каким образом будут защищаться персональные и платежные данные пользователей. Архитектурное решение представляет собой выбор, оказывающий существенное влияние на структуру системы, ее свойства и развитие. К архитектурным решениям относятся выбор архитектурного стиля, способ разбиения системы на компоненты, выбор централизованного или распределенного хранения данных, определение способов взаимодействия между подсистемами, выбор технологий интеграции, механизмов безопасности и стратегии развертывания. Некоторые решения легко изменить на поздних этапах разработки, а другие требуют значительных затрат. Например, изменение цвета кнопки в интерфейсе обычно не является архитектурным решением. Переход от централизованной базы данных к распределенному хранению данных, напротив, затрагивает множество компонентов, влияет на целостность данных, транзакции, безопасность и сопровождение, поэтому относится к архитектурным решениям. Проектирование архитектуры информационной системы представляет собой процесс формирования и обоснования архитектурных решений. Этот процесс начинается с изучения целей организации, предметной области, требований заинтересованных сторон и ограничений проекта. Затем определяются основные функции, данные, подсистемы, интерфейсы, технологии и способы развертывания. Полученная архитектура анализируется с точки зрения соответствия функциональным требованиям и требуемым характеристикам качества. Архитектура должна учитывать не только текущие задачи, но и возможное развитие системы. Если архитектура рассчитана исключительно на существующую нагрузку и не допускает расширения, система может быстро перестать соответствовать потребностям организации. Поэтому при проектировании необходимо оценивать перспективы увеличения числа пользователей, объема данных, количества функций, числа интеграций и уровня требований к безопасности. Архитектура выполняет несколько функций. Организационная функция заключается в разделении сложной системы на понятные части. Коммуникационная функция состоит в создании общего представления о системе для заказчиков, аналитиков, разработчиков, администраторов и руководителей. Техническая функция связана с выбором способов реализации требований. Управленческая функция позволяет оценивать трудоемкость, риски, ресурсы и последовательность разработки. Эволюционная функция определяет направления изменения и развития системы. Качественная архитектура должна обеспечивать достижение требуемых характеристик системы. К таким характеристикам относятся производительность, масштабируемость, надежность, доступность, безопасность, удобство сопровождения, модифицируемость, тестируемость, совместимость, переносимость и удобство использования. Эти характеристики часто называют атрибутами качества. Например, для банковской информационной системы особенно важны безопасность, целостность данных, доступность и возможность аудита операций. Для видеоплатформы критическое значение имеют масштабируемость, производительность и устойчивость к высоким нагрузкам. Для небольшой внутренней системы учета может быть важнее простота разработки и сопровождения. Следовательно, не существует одной архитектуры, одинаково подходящей для всех систем. Архитектурные решения выбираются с учетом целей, масштаба, рисков и ограничений конкретного проекта.

1.1.1 Заинтересованные стороны и архитектурно значимые требования

Архитектура формируется не изолированно, а с учетом интересов различных участников, которых называют заинтересованными сторонами. К ним относятся заказчики, пользователи, владельцы бизнес-процессов, разработчики, архитекторы, системные администраторы, специалисты по информационной безопасности, тестировщики, руководители организации, контролирующие органы и внешние партнеры. У каждой группы имеются собственные интересы. Руководство заинтересовано в снижении затрат, повышении эффективности и управляемости. Пользователи ожидают удобства, понятности и быстрого выполнения операций. Разработчики заинтересованы в четкой структуре, тестируемости и возможности внесения изменений. Администраторы требуют наблюдаемости, надежности и простоты развертывания. Специалисты по безопасности обращают внимание на контроль доступа, аудит, защиту каналов связи и данных. Архитектура должна учитывать эти интересы и находить компромиссы между ними. Требования, оказывающие существенное влияние на архитектуру, называются архитектурно значимыми требованиями. Они могут быть функциональными и нефункциональными. Функциональные требования определяют, что должна делать система. Нефункциональные требования определяют, каким образом и с какими характеристиками система должна выполнять свои функции. Например, требование «система должна позволять пользователю оформить заказ» является функциональным. Требование «95% операций оформления заказа должны завершаться не более чем за две секунды» относится к производительности. Требование «система должна выдерживать не менее десяти тысяч одновременных пользователей» относится к масштабируемости. Требование «система должна сохранять работоспособность при отказе одного сервера» связано с надежностью и доступностью. Требование «доступ к медицинским данным должен предоставляться только уполномоченным сотрудникам» относится к безопасности. Архитектор должен выявить такие требования на ранних этапах, поскольку именно они определяют структуру будущей системы. Если требование к высокой доступности обнаруживается только после создания приложения, может потребоваться серьезная переработка механизмов хранения данных, развертывания и обработки отказов.

1.2 Классификация информационных систем

Классификация информационных систем необходима для систематизации их многообразия. Информационные системы могут различаться по назначению, масштабу, уровню управления, степени автоматизации, характеру обработки данных, архитектуре, режиму работы, сфере применения и другим признакам. Одна и та же система может одновременно относиться к нескольким классам. По масштабу применения выделяются персональные, групповые, корпоративные, межорганизационные, государственные и глобальные информационные системы. Персональная информационная система предназначена для поддержки деятельности одного пользователя. Примерами являются персональный планировщик, программа ведения личных финансов, локальная база контактов или индивидуальная система учета документов. Групповая информационная система используется ограниченной группой сотрудников или одним подразделением. Например, система управления задачами отдела, система учета заявок технической поддержки или база документов кафедры. Корпоративная информационная система охватывает деятельность всей организации или значительной ее части. Она объединяет данные и процессы различных подразделений, обеспечивает единое информационное пространство и поддерживает управление ресурсами предприятия. Примерами являются системы класса ERP, комплексные банковские системы, корпоративные медицинские системы и информационные системы крупных университетов. Межорганизационная информационная система обеспечивает взаимодействие нескольких самостоятельных организаций. Например, система электронного документооборота между поставщиками и заказчиками, платформа электронных торгов, система взаимодействия банков и платежных организаций. Государственная информационная система создается для выполнения функций органов государственной власти и предоставления государственных услуг. Такие системы имеют особые требования к безопасности, надежности, совместимости, хранению данных и нормативному регулированию. Глобальная информационная система функционирует в международном масштабе и обслуживает большое число пользователей, организаций и регионов. К этому классу могут относиться международные платежные, поисковые, коммуникационные и облачные платформы. По уровню управления выделяются операционные, управленческие, аналитические и стратегические информационные системы. Операционные информационные системы поддерживают повседневные повторяющиеся операции. Они регистрируют заказы, платежи, перемещения товаров, обращения клиентов, посещения, начисления и другие события. Основной задачей таких систем является точная и своевременная обработка большого количества транзакций. Например, кассовая система магазина регистрирует продажу товаров, рассчитывает стоимость покупки, принимает оплату, уменьшает остатки на складе и формирует чек. Банковская операционная система обрабатывает переводы, платежи, внесение и снятие средств. Управленческие информационные системы предоставляют руководителям информацию для контроля и управления деятельностью. Они формируют отчеты, показатели, сводные таблицы и уведомления об отклонениях. Такие системы используют данные операционного уровня, но представляют их в агрегированном виде. Например, руководитель торговой сети может получать отчеты о продажах по регионам, магазинам, категориям товаров и периодам. Руководитель университета может анализировать контингент студентов, успеваемость, нагрузку преподавателей и выполнение учебных планов. Системы поддержки принятия решений предназначены для анализа сложных ситуаций, сравнения вариантов и оценки последствий решений. Они используют аналитические модели, прогнозирование, оптимизационные методы, статистику и визуализацию данных. Например, логистическая система может выбирать оптимальные маршруты доставки с учетом расстояний, загрузки транспорта, дорожной обстановки и сроков. Кредитная система может оценивать риск выдачи кредита на основе данных о заемщике. Стратегические информационные системы поддерживают долгосрочное планирование и развитие организации. Они позволяют анализировать тенденции, оценивать положение на рынке, прогнозировать изменения и моделировать различные сценарии. По функциональному назначению выделяются бухгалтерские, финансовые, производственные, маркетинговые, логистические, кадровые, медицинские, образовательные, справочно-правовые, геоинформационные и другие системы. Бухгалтерские информационные системы автоматизируют учет хозяйственных операций, формирование проводок, расчет налогов и подготовку отчетности. Финансовые системы поддерживают бюджетирование, управление денежными потоками, анализ доходов и расходов. Производственные системы обеспечивают планирование и контроль производственных процессов, управление оборудованием, материалами и качеством. Логистические системы управляют перевозками, складами, маршрутами и поставками. Кадровые системы хранят сведения о сотрудниках, учитывают рабочее время, поддерживают расчет заработной платы и управление персоналом. По степени автоматизации выделяются ручные, автоматизированные и автоматические системы. В ручной информационной системе операции выполняются человеком без применения специализированных средств автоматизации. Например, учет может вестись в бумажных журналах. В автоматизированной информационной системе часть операций выполняется программными и техническими средствами, а часть решений принимает человек. Большинство современных организационных систем относится именно к автоматизированным, поскольку человек участвует в постановке задач, контроле, подтверждении операций и принятии решений. В автоматической системе операции выполняются без непосредственного участия человека в штатном режиме. Человек осуществляет настройку, наблюдение и вмешивается при возникновении исключительных ситуаций. Примерами могут служить автоматические системы управления технологическими процессами, системы мониторинга оборудования и автоматические торговые алгоритмы. По характеру обработки информации выделяются системы транзакционной обработки, информационно-поисковые, аналитические, экспертные и интеллектуальные системы. Системы обработки транзакций, или TPS, регистрируют и обрабатывают отдельные хозяйственные или операционные события. Для них важны скорость, надежность, целостность и согласованность данных. Информационно-поисковые системы обеспечивают хранение, индексирование и поиск документов или других информационных объектов. Примерами являются библиотечные каталоги, поисковые системы, архивы документов и базы нормативных актов. Аналитические информационные системы предназначены для исследования накопленных данных, выявления закономерностей, построения отчетов и прогнозов. Они могут включать хранилища данных, OLAP-технологии, панели показателей и средства бизнес-аналитики. Экспертные системы используют формализованные знания и правила для решения задач в определенной предметной области. Например, медицинская экспертная система может анализировать симптомы и предлагать возможные диагнозы, однако окончательное решение остается за специалистом. Интеллектуальные информационные системы применяют машинное обучение, обработку естественного языка, компьютерное зрение, рекомендательные алгоритмы и другие методы искусственного интеллекта. По режиму обработки данных системы могут быть пакетными, интерактивными и работающими в реальном времени. Пакетная обработка предполагает накопление данных и их обработку через определенные интервалы времени. Например, расчет заработной платы может выполняться один раз в месяц для всех сотрудников. Интерактивная обработка предполагает непосредственное взаимодействие пользователя с системой. Пользователь вводит данные и получает результат в процессе работы. Обработка в реальном времени требует реакции системы в строго ограниченный промежуток времени. Такие системы применяются в управлении оборудованием, транспорте, медицине, телекоммуникациях и финансовых операциях. Следует различать системы мягкого реального времени и жесткого реального времени. В системе мягкого реального времени задержка нежелательна, но не приводит к катастрофическим последствиям. Например, небольшая задержка видеотрансляции ухудшает качество обслуживания, но обычно не угрожает безопасности. В системе жесткого реального времени нарушение временного ограничения может привести к аварии или потере управления. Примером является система управления медицинским оборудованием или промышленным процессом. По способу организации вычислений выделяются централизованные, децентрализованные и распределенные информационные системы. В централизованной системе основные вычисления и хранение данных выполняются в одном центре. Пользовательские устройства обращаются к центральному серверу или вычислительному комплексу. Преимуществами являются простота управления, единообразие данных и централизованный контроль. Недостатками могут быть зависимость от центрального узла и ограниченная масштабируемость. В децентрализованной системе отдельные подразделения или узлы обладают высокой степенью самостоятельности. Они могут иметь собственные данные и приложения. В распределенной информационной системе компоненты размещаются на нескольких вычислительных узлах, взаимодействующих по сети. Пользователь может воспринимать такую систему как единое целое, хотя обработка выполняется в разных местах. Распределенная архитектура позволяет масштабировать нагрузку и повышать отказоустойчивость, но усложняет взаимодействие, согласование данных, мониторинг и безопасность. По типу пользователей можно выделить внутренние, внешние и смешанные информационные системы. Внутренняя система используется сотрудниками организации. Внешняя система предназначена для клиентов, партнеров или граждан. Смешанная система обслуживает и внутренние, и внешние группы пользователей. Например, банковская система включает внутреннюю часть, которой пользуются сотрудники, и внешние каналы — мобильное приложение, интернет-банк, банкоматы и интерфейсы для партнеров. По степени интеграции информационные системы делятся на изолированные, частично интегрированные и интегрированные. Изолированная система практически не обменивается данными с другими системами. Частично интегрированная система имеет ограниченное число интерфейсов. Интегрированная система включена в широкую информационную среду и взаимодействует с множеством внутренних и внешних приложений. По способу доступа выделяются локальные, сетевые, веб-ориентированные, мобильные и облачные системы. Локальная система устанавливается на отдельном компьютере или работает в локальной сети. Веб-ориентированная система доступна через браузер. Мобильная система использует приложения для смартфонов и планшетов. Облачная система развертывается на облачной инфраструктуре и предоставляется через сеть. Классификация информационных систем имеет практическое значение, поскольку разные классы систем предъявляют различные требования к архитектуре. Для небольшой локальной системы может быть достаточна простая монолитная архитектура. Для глобальной платежной платформы необходима сложная распределенная архитектура с высокой доступностью, масштабируемостью, безопасностью и устойчивостью к отказам.