Функциональные задачи требуют решения при реализации функций управ-ления в рамках информационных систем предметных областей. Например, управление деятельностью торгового предприятия, планирование выпуска продукции, управление перевозкой грузов и т.п. Функциональные задачи в совокупности образуют предметную область и полностью определяют ее специфику.

Предметная (прикладная) область -- совокупность связанных между собой функций, задач управления, с помощью которых достигается выполнение поставленных целей.

Все программы по характеру использования и категориям пользователей можно разделить на два класса -- утилитарные программы и программные продукты (изделия).

Утилитарные программы ("программы для себя") предназначены для удовлетворения нужд их разработчиков. Чаще всего утилитарные программы выполняют роль сервиса в технологии обработки данных либо являются программами решения функциональных задач, не предназначенных для широкого распространения.

Программные продукты (изделия) предназначены для удовлетворения потребностей пользователей, широкого распространения и продажи.

Программный продукт -- комплекс взаимосвязанных программ для решения определенной проблемы (задачи) массового спроса, подготовленный к реализации как любой вид промышленной продукции.

Как правило, программные продукты требуют сопровождения, которое осуществляет-ся специализированными фирмами -- распространителями программ (дистрибьюторами), реже -- фирмами-разработчиками. Сопровождение программ массового применения сопря-жено с большими трудозатратами -- исправление обнаруженных ошибок, создание новых версий программ и т.п.

Сопровождение программного продукта -- поддержка работоспособности программного продукта, переход на его новые версии, внесение изменений, исправление обнаруженных ошибок и т.п.

7.2 Общая классификация программного обеспечения ЭВМ

Программные продукты можно классифицировать по различным признакам. Рассмотрим классификацию, в которой основополагающим признаком является сфера (область) использования программных продуктов:

· аппаратная часть автономных компьютеров и сетей ЭВМ;

· функциональные задачи различных предметных областей;

· технология разработки программ.

Для поддержки информационной технологии в этих областях выделим соответственно три класса программных продуктов:

· системное программное обеспечение;

· прикладное программное обеспечение или пакеты прикладных программ (ППП);

· инструментарий технологии программирования.

Системное программное обеспечение направлено:

· на создание операционной среды функционирования других программ;

· на обеспечение надежной и эффективной работы самого компьютера и вычислительной сети;

· на проведение диагностики и профилактики аппаратуры компьютера и вычислительных сетей;

· на выполнение вспомогательных технологических процессов (копирование, архивирование, восстановление файлов программ и баз данных и т.д.)

Данный класс программных продуктов тесно связан с типом компьютера и является его неотъемлемой частью. Программные продукты в основном ориентированы на квалифицированных пользователей -- профессионалов в компьютерной области: системного программиста, администратора сети, прикладного программиста, оператора.

Программные продукты данного класса носят общий характер применения, независимо от специфики предметной области.

Системное программное обеспечение -- совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютера и сетей ЭВМ.

Прикладное программное обеспечение служит программным инструментарием решения функциональных задач и являются самым многочисленным классом программных продуктов. В данный класс входят программные продукты, выполняющие обработку информации различных предметных областей.

Данный класс программных продуктов может быть весьма специфичным для отдельных предметных областей.

Инструментарий технологии программирования обеспечивает процесс разработки программ и включает специализированные программные продукты, которые являются инструментальными средствами разработчика. Программные продукты данного класса поддерживают все технологические этапы процесса проектирования, программирования (кодирования), отладки и тестирования создаваемых программ.

Инструментарий технологии программирования -- совокупность программ и программных комплексов, обеспечивающих технологию разработки, отладки и внедрения создаваемых программных продуктов.

7.3 Системное программное обеспечение

Системное программное обеспечение состоит из базового программного обеспечения, которое, как правило, поставляется вместе с компьютером, и сервисного программного обеспечения, которое может быть приобретено дополнительно.

Базовое программное обеспечение -- минимальный набор программных средств, обеспечивающих работу компьютера.

Сервисное программное обеспечение -- программы и программные комплексы, которые расширяют возможности базового программного обеспечения и организуют более удобную среду работы пользователя.

Базовое системное программное обеспечение

В базовое программное обеспечение входят:

· операционная система (ОС);

· операционные оболочки (текстовые и графические);

· сетевая операционная система.

Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ.

В секторе программного обеспечения и операционных систем ведущее положение занимают системы семейства MS Windows. Рассмотрим наиболее распространенные типы опе-рационных систем.

Операционные системы для персональных компьютеров делятся на:

· одно- и многозадачные (в зависимости от числа параллельно выполняемых прикладных процессов);

· одно- и многопользовательские (в зависимости от числа пользователей, одновременно работающих с операционной системой);

· непереносимые и переносимые на другие типы компьютеров;

· несетевые и сетевые, обеспечивающие работу в локальной вычислительной сети ЭВМ.

Сетевые операционные системы -- комплекс программ, обеспечивающий обработку, передачу и хранение данных в сети. Сетевая ОС предоставляет пользователям различные виды сетевых служб (управление файлами, электронная почта, процессы управления сетью и др.), поддерживает работу в абонентских системах.

Операционные оболочки -- специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователя с командами операционной системы. Операционные оболочки имеют текстовый и графический варианты интерфейса конечного пользователя.

Наиболее популярны следующие виды текстовых оболочек операционной системы: Total Commander, Windows Commander и др.

Операционная система

Рассмотрим подробнее операционную систему.

Операционная система -- совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействие между собой и пользователем.

Операционная система выполняет следующие функции:

· управление работой каждого блока персонального компьютера и их взаимодействием;

· управление выполнением программ;

· организацию хранения информации во внешней памяти;

· взаимодействие пользователя с компьютером, т.е. поддержку интерфейса пользователя.

Обычно операционная система хранится на жестком диске, а при его отсутствии выделяется специальный диск, который называется системным. При включении компьютера операционная система автоматически загружается с диска в оперативную память и занимает в ней определенное место. Операционная система создается не для отдельной модели компьютера, а для серии компьютеров, в структуре которых заложена и развивается во всех последующих моделях определенная концепция.

В основе любой операционной системы лежит принцип организации работы внешнего устройства хранения информации. Несмотря на то, что внешняя память может быть технически реализована на разных материальных носителях, их объединяет принятый в операционной системе принцип организации хранения логически связанных наборов информации в виде так называемых файлов.

Файл -- логически связанная совокупность данных или программ, для размещения которой во внешней памяти выделяется именованная область.

Файл служит учетной единицей информации в операционной системе. Любые действия с информацией осуществляются над файлами.

В файлах могут храниться разнообразные виды и формы представления информации: тексты, рисунки, чертежи, числа, программы, таблицы и т.п. Особенности конкретных файлов определяются их форматом. Под форматом понимается элемент языка, в символическом виде описывающий представление информации в файле.

Для характеристики файла используются следующие параметры:

· полное имя файла;

· объем файла в байтах;

· дата и время создания файла;

· специальные атрибуты файла: только для чтения, скрытый, системный, архивированный.

Сервисное системное программное обеспечение

Расширением базового программного обеспечения компьютера является набор сервисных программ (утилит), которые можно классифицировать по функциональному признаку следующим образом:

· программы диагностики работоспособности компьютера;

· антивирусные программы, обеспечивающие защиту компьютера, обнаружение и восстановление зараженных файлов;

· программы обслуживания дисков, обеспечивающие проверку качества поверхности магнитного диска, контроль сохранности файловой системы, сжатие дисков, создание страховых копий дисков, резервирование данных на внешних носителях и др.;

· программы архивирования данных, которые обеспечивают процесс сжатия информации в файлах с целью уменьшения объема памяти для ее хранения;

· программы обслуживания сети.

Рассмотрим более подробно архиваторы и антивирусные программы.

Архиваторы

Одним из наиболее широко распространенных видов сервисных программ являются программы, предназначенные для архивации, упаковки файлов путем сжатия хранимой в них информации архиваторы.

Сжатие информации -- это процесс преобразования информации, хранящейся в файле, к виду, при котором уменьшается избыточность в ее представлении и соответственно требуется меньший объем памяти для хранения.

Сжатие информации в файлах производится за счет устранения избыточности различными способами, например за счет упрощения кодов, исключения из них постоянных битов или представления повторяющихся символов или повторяющейся последовательности символов в виде коэффициента повторения и соответствующих символов. Применяются различные алгоритмы подобного сжатия информации.

Сжиматься могут как один, так и несколько файлов, которые в сжатом виде помещаются в так называемый архивный файл или архив.

Архивный файл -- это специальным образом организованный файл, содержащий в себе один или несколько файлов в сжатом или несжатом виде и служебную информацию об именах файлов, дате и времени их создания или модификации, размерах и т.п.

Целью упаковки файлов обычно являются обеспечение более компактного размещения информации, сокращение времени и соответственно стоимости передачи информации по каналам связи в компьютерных сетях. Кроме того, упаковка в один архивный файл группы файлов существенно упрощает их перенос с одного компьютера на другой, сокращает время копирования файлов на диски, позволяет защитить информацию от несанкционированного доступа, способствует защите от заражения компьютерными вирусами.

Архивация (упаковка) -- помещение (загрузка) исходных файлов в архивный файл в сжатом или несжатом виде.

Разархивация (распаковка) -- процесс восстановления файлов из архива точно в таком виде, какой они имели до загрузки в архив. При распаковке файлы извлекаются из архива и помещаются на диск или в оперативную память.

Антивирусные программы

Компьютерным вирусом называется специально написанная программа, способная самопроизвольно присоединяться к другим программам, создавать свои копии и внедрять их в файлы, системные области компьютера и в вычислительные сети с целью нарушения работы программ, порчи файлов и каталогов, создания всевозможных помех в работе на компьютере.

Несмотря на принятые во многих странах законы о борьбе с компьютерными преступлениями и разработку специальных программных средств защиты от вирусов, количество новых вирусов постоянно растет. Это требует от пользователя персонального компьютера знаний о природе вирусов, способах заражения вирусами и защиты от них.

Основными путями проникновения вирусов в компьютер являются съемные носители, а также компьютерные сети.

Для обнаружения, удаления и защиты от компьютерных вирусов разработано несколько видов специальных программ, которые позволяют обнаруживать и уничтожать вирусы. Такие программы называются антивирусными.

Различают следующие виды антивирусных программ:

· программы-детекторы;

· программы-доктора или фаги;

· программы-ревизоры;

· программы-фильтры;

· программы-вакцины или иммунизаторы.

Программы-детекторы осуществляют поиск характерной для конкретного вируса последовательности байтов (сигнатуры вируса) в оперативной памяти и в файлах и при обнаружении выдают соответствующее сообщение. Недостатком таких антивирусных программ является то, что они могут находить только те вирусы, которые известны разработчикам таких программ.

Программы-доктора или фаги, а также программы-вакцины не только находят зараженные вирусами файлы, но и "лечат" их, т.е. удаляют из файла тело программы вируса, возвращая файлы в исходное состояние. В начале своей работы фаги ищут вирусы в оперативной памяти, уничтожая их, и только затем переходят к "лечению" файлов. Учитывая, что постоянно появляются новые вирусы, программы-детекторы и программы-доктора быстро устаревают, и требуется регулярное обновление их версий.

Программы-ревизоры относятся к самым надежным средствам защиты от вирусов. Ревизоры запоминают исходное состояние программ, каталогов и системных областей диска тогда, когда компьютер не заражен вирусом, а затем периодически или по желанию пользователя сравнивают текущее состояние с исходным. Обнаруженные изменения выводятся на экран видеомонитора. Как правило, сравнение состояний производят сразу после загрузки операционной системы. При сравнении проверяются длина файла, код циклического контроля (контрольная сумма файла), дата и время модификации, другие параметры.

Программы-фильтры или "сторожа" представляют собой небольшие резидентные программы, предназначенные для обнаружения подозрительных действий при работе компьютера, характерных для вирусов. При попытке какой-либо программы произвести такие действия "сторож" посылает пользователю сообщение и предлагает запретить или разрешить соответствующее действие. Программы-фильтры весьма полезны, так как способны обнаружить вирус на самой ранней стадии его существования до размножения. Однако они не "лечат" файлы и диски. Для уничтожения вирусов требуется применить другие программы, например фаги. К недостаткам программ-сторожей можно отнести их "назойливость" (например, они постоянно выдают предупреждение о любой попытке копирования исполняемого файла), а также возможные конфликты с другим программным обеспечением.

Вакцины или иммунизаторы -- это резидентные программы, предотвращающие заражение файлов. Вакцины применяют, если отсутствуют программы-доктора, "лечащие" этот вирус. Вакцинация возможна только от известных вирусов. Вакцина модифицирует программу или диск таким образом, чтобы это не отражалось на их работе, а вирус будет воспринимать их зараженными и поэтому не внедрится. В настоящее время программы-вакцины имеют ограниченное применение.

7.4 Инструментарий технологии программирования

Инструментарий технологии программирования -- программные продукты поддержки (обеспечения) технологии программирования.

В рамках этих направлений сформировались следующие группы программных продуктов:

· средства для создания приложений, включающие локальные средства, обеспечивающие выполнение отдельных работ по созданию программ, и интегрированные среды разработчиков программ, обеспечивающие выполнение комплекса взаимосвязанных работ по созданию программ;

· САSE-технология (Computer-Aided System Engineering), представляющая методы анализа, проектирования и создания программных систем и предназначенная для автоматизации процессов разработки и реализации информационных систем.

Средства для создания приложений

Средства для создания приложений -- совокупность языков и систем программирования, а также различные программные комплексы для отладки и поддержки создаваемых программ.

Про языки программирования более подробно изложено ранее.

В самом общем случае для создания программы на выбранном языке программирования нужно иметь следующие компоненты, образующие среду программирования.

Текстовый редактор. Так как текст программы записывается с помощью ключевых слов, обычно происходящих от слов английского языка, и набора стандартных символов для записи всевозможных операций, то формировать этот текст можно в любом редакторе, получая в итоге текстовый файл с исходным текстом программы. Обычно используют специализированные редакторы, которые ориентированы на конкретный язык программирования и позволяют в процессе ввода текста выделять ключевые слова и идентификаторы разными цветами и шрифтами. Подобные редакторы созданы для всех популярных языков и дополнительно могут автоматически проверять правильность синтаксиса программы непосредственно во время ее ввода.

Транслятор (компилятор или интерпретатор). Исходный текст с помощью программы-компилятора переводится в машинный код. Если обнаружены синтаксические ошибки, то результирующий код создан не будет.

3. Библиотеки. Исходный текст большой программы состоит, как правило, из нескольких модулей (файлов с исходными текстами), потому что хранить все тексты в одном файле неудобно -- в них сложно ориентироваться. Модули компилируется в отдельный файл с объектным кодом, которые затем надо объединить в одно целое. Кроме того, к ним надо добавить машинный код подпрограмм, реализующих различные стандартные функции (например, вычисляющих математические функции sin или ln). Такие функции содержатся в библиотеках (файлах со стандартным расширением .LIB), которые поставляются вместе с компилятором.

4. Редактор связей. Объектный код обрабатывается специальной программой -- редактором связей или сборщиком, который выполняет связывание объектных модулей и машинного кода стандартных функций, находя их в библиотеках, и формирует на выходе работоспособное приложение -- исполнимый код для конкретной платформы. Если по каким-то причинам один из объектных модулей или нужная библиотека не обнаружены (например, неправильно указан каталог с библиотекой), то сборщик сообщает об ошибке и готовой программы не получается.

5. В современных интегрированных системах имеется еще один компонент -- отладчик, который позволяет анализировать работу программы во время ее выполнения. С его помощью можно последовательно выполнять отдельные операторы исходного текста по шагам, наблюдая при этом, как меняются значения различных переменных. Без отладчика разработать крупное приложение очень сложно.

И др.

CASE-технологии

CASE-технология -- программный комплекс, автоматизирующий весь технологический процесс анализа, проектирования, разработки и сопровождения сложных программных систем.

Некоторые CASE-технологии ориентированы только на системных проектировщиков и предоставляют специальные графические средства для изображения различного вида моделей.

Другой класс CASE-технологий поддерживает только разработку программ.

В рамках CASE-технологий проект сопровождается целиком, а не только его программные коды. Проектные материалы, подготовленные в CASE-технологии, служат заданием программистам, а само программирование скорее сводится к кодированию -- переводу на определенный язык структур данных и методов их обработки, если не предусмотрена автоматическая кодогенерация.

Большинство CASE-технологий использует также метод "прототипов" для быстрого создания программ на ранних этапах разработки. Кодогенерация программ осуществляется автоматически -- до 85 - 90% объектных кодов и текстов на языках высокого уровня.

7.5 Прикладное программное обеспечение

Данный класс программных средств наиболее представителен, что обусловлено, прежде всего, широким применением средств компьютерной техники во всех сферах деятельности человека, созданием автоматизированных информационных систем различных предметных областей.

Классификации прикладного программного обеспечения (пакетов прикладных программ, ППП) существуют различные. Рассмотрим следующую:

· ППП общего назначения;

· ППП специального назначения.

ППП общего назначения

Данный класс содержит широкий перечень программных продуктов, поддерживающих преимущественно информационные технологии конечных пользователей. Кроме конечных пользователей этими программными продуктами за счет встроенных средств технологии программирования могут пользоваться и программисты для создания усложненных программ обработки данных.

Представители данного класса программных продуктов:

1. Текстовые процессоры -- автоматическое форматирование документов, вставка рисованных объектов и графики, составление оглавлений и указателей, проверка орфографии, шрифтовое оформление, подготовка шаблонов документов. Развитием данного направления программных продуктов являются издательские системы.

2. Табличные процессоры -- удобная среда для вычислений силами конечного пользователя; средства деловой графики, специализированная обработка (встроенные функции, работа с базами данных, статистическая обработка данных и др.).

3. Системы управления базами данных (СУБД), обеспечивающие организацию и хранение локальных баз данных на автономно работающих компьютерах либо централизованное хранение баз данных на файл-сервере и сетевой доступ к ним.

4. Графические редакторы. Это обширный класс программ, предназначенных для создания и обработки графических изображений. В данном классе различают следующие категории: растровые редакторы, векторные редакторы и программные средства для создания и обработки трехмерной графики (ЗD-редакторы).

Растровые редакторы применяют, когда графический объект представлен в виде комбинации точек, образующих растр и обладающих свойствами яркости и цвета. Такой подход эффективен, если графическое изображение имеет много полутонов и информация о цвете элементов, составляющих объект, важнее, чем информация об их форме. Это характерно для фотографических и полиграфических изображений. При подготовке печатных изданий растровые редакторы применяют для обработки изображений, их ретуши, создания фотоэффектов и художественных композиций (коллажей).

Векторные редакторы отличаются от растровых способом представления данных об изображении. Элементарным объектом векторного изображения является не точка, а линия. Такой подход характерен для чертежно-графических работ, в которых форма линий имеет большее значение, чем информация о цвете отдельных точек, составляющих ее. В векторных редакторах каждая линия рассматривается как математическая кривая и, соответственно, представляется не комбинацией точек, а математической формулой (в компьютере хранятся не координаты точек линии, а числовые коэффициенты формулы, которая эту линию описывает). Такое представление намного компактнее, чем растровое, соответственно данные занимают много меньше места, однако построение любого объекта выполняется не простым отображением точек на экране, а сопровождается непрерывным пересчетом параметров кривой в координаты экранного или печатного изображения. Векторные редакторы удобны для создания изображений, но не используются для обработки готовых рисунков. Они нашли широкое применение в рекламном бизнесе, их применяют всюду, где стиль художественной работы близок к чертежному.

Редакторы трехмерной графики используют для создания трехмерных композиций. Они имеют две характерные особенности. Во-первых, они позволяют гибко управлять взаимодействием свойств поверхности изображаемых объектов со свойствами источников освещения и, во-вторых, позволяют создавать трехмерную анимацию.

5. Средства презентационной графики -- специализированные программы, предназначенные для создания изображений и их показа на экране, подготовки слайд-фильмов, их редактирования, определения порядка следования изображений.

Презентация может включать показ диаграмм и графиков, все программы презентационной графики условно делятся на программы для подготовки слайд-шоу, программы для подготовки мультимедиа-презентации.

6. Интегрированные пакеты -- набор нескольких программных продуктов, функционально дополняющих друг друга, поддерживающих единые информационные технологии, реализованные на общей вычислительной и операционной платформе.

Наиболее распространены интегрированные пакеты, компонентами которых являются: СУБД; текстовый редактор; табличный процессор; органайзер; средства поддержки электронной почты; программы создания презентаций; графический редактор.

Компоненты интегрированных пакетов могут работать изолированно друг от друга, но основные достоинства интегрированных пакетов проявляются при их разумном сочетании друг с другом. Пользователи интегрированных пакетов имеют унифицированный для различных компонентов интерфейс, тем самым обеспечивается относительная легкость процесса их освоения.

ППП специального назначения

Для некоторых предметных областей возможна типизация функций управления, структуры данных и алгоритмов обработки. Это вызвало разработку значительного числа ППП одинакового функционального назначения и, таким образом, создало рынок программных продуктов:

· ППП автоматизированного бухгалтерского учета;

· ППП финансовой деятельности;

· ППП управления персоналом (кадровый учет);

· ППП управления материальными запасами;

· ППП управления производством;

· банковские информационные системы и т.п.

Для подобного класса программ высоки требования к оперативности обработки данных (например, пропускная способность для банковских систем), велики объемы хранимой информации, что обусловливает повышенные требования к средствам администрирования данных БД (актуализации, копирования, обеспечения производительности обработки данных).

Наиболее важно для данного класса программных продуктов создание дружественного интерфейса для конечных пользователей.

Вопросы для подготовки к контрольной работе № 4 (темы «Базы данных» и «ПО ЭВМ»)

1. Базы данных (БД)

1.1. Понятия БД, системы управления базами данных (СУБД).

1.2. Реляционные БД: реляционные объекты данных, понятие первичного ключа.

1.3. Концептуальное, логическое и физическое проектирование БД.

1.4. Нормализация реляционные БД: понятие нормализации, 1, 2 и 3 нормальные формы.

1.5. Типы связей в реляционных БД.

1.6. Правила целостности реляционных БД.

2. Программное обеспечение ЭВМ

2.1. Понятия программного обеспечения (ПО), приложения, технологических и функциональных задач, утилитарной программы, программного продукта, сопровождения программного продукта.

2.2. Общая классификация ПО ЭВМ.

2.3. Системное ПО: назначение, состав.

2.4. Базовое ПО: назначение, состав.

2.5. Операционные системы: понятие, функции, типы.

2.6. Файловая система: понятие и характеристики файла, каталоги, папки, полное имя файла.

2.7. Сервисное ПО: назначение, состав.

2.8. Архиваторы: понятие, назначение.

2.9. Антивирусные программы: понятие, типы.

2.10. Инструментарий технологии программирования: назначение, группы.

2.11. Среда программирования: понятие, состав.

2.12. CASE-технологий: назначение.

2.13. Прикладное ПО: назначение, виды.

2.14. Прикладное ПО общего назначения: понятие, виды.

2.15. Графические редакторы: типы.

2.16. Прикладное ПО специального назначения: понятие, основные виды.

VIII. Компьютерные сети

8.1 Введение в компьютерные сети

С каждым годом компьютеры все больше и больше входят в жизнь и деятельность человека. Компьютер - прекрасное средство обработки информации, но очень часто требуется передать информацию другим людям или получить от них какие-либо данные. Этой потребностью и было обусловлено рождение компьютерных сетей. С 40-х годов двадцатого века развитие телекоммуникаций привело к созданию огромных, поражающих воображение, компьютерных сетей и взрывному развитию передачи данных во всем мире.

Компьютерная сеть - это набор ЭВМ, связанных между собой линиями связи и совместно использующих свои данные и услуги.

Компьютерная сеть позволяет передавать информацию с одного компьютера на другой и совместно использовать общие ресурсы (принтеры, модемы и устройства хранения информации).

В процессе развития сетевых технологий было выделено три вычислительные системы:

централизованные вычисления;

распределенные вычисления;

коллективные вычисления.

Централизованные вычисления

С 1950 г. использовавшиеся в работе компьютеры были очень большими и могли занимать площадь в несколько квадратных метров. Такие компьютеры называются мэйнфреймами. Мэйнфрейм (от англ. mainframe) - это высокопроизводительный компьютер общего назначения со значительным объемом оперативной и внешней памяти, предназначенный для выполнения интенсивных вычислительных работ. Обычно с мэйнфреймом работают множество пользователей, каждый из них соединяется с мэйнфреймом через индивидуальное устройство, называемое терминалом (terminal). Терминал представляет собой совокупность устройств ввода и вывода (например, клавиатуры и дисплея) и устройства передачи данных на мэйнфрейм. Его можно понимать как удаленную клавиатуру с дисплеем.

Сам по себе один мэйнфрейм с терминалами еще не является компьютерной сетью по определению, так как единственным интеллектуальным устройством является мэйнфрейм, на который осуществляет обработку информации и хранение данных, а терминалы представляют собой не что иное, как устройства ввода-вывода.

В процессе развития систем централизованных вычислений несколько мэйнфреймов стали соединять между собой для обмена информацией. Такую структуру уже можно считать компьютерной сетью.

Распределенные вычисления

В начале 80-х гг. XX в. фирма IBM начала производство первых персональных компьютеров (personal computer). Персональный компьютер - это универсальная ЭВМ, предназначенная для индивидуального использования, отсюда и произошло название «персональный». Использование персональных компьютеров, подключенных к мэйнфрейму, позволило сменить терминалы машинами, обладающими своей вычислительной мощностью.

В такой вычислительной системе персональные компьютеры обычно называют рабочими станциями. Рабочие станции, как правило, являются клиентами, т. е. потребляют услуги сети, предоставляемые центральным сервером. Центральный сервер в системе распределенных вычислений выполняет организационные и обслуживающие функции.

Рабочие станции обладают своей вычислительной мощностью, и акцент при выполнении обработки информации стал постепенно смещаться в сторону рабочих станций.

В модели распределенных вычислений сервер разделяет задание на несколько рабочих станций, и они выполняют его независимо друг от друга. При добавлении рабочей станции производительность всей системы увеличивается. При поломке одной локальной станции система продолжает функционировать.

Компьютерная сеть в этом случае необходима для передачи информации между станциями и для использования услуг, предоставляемых каждому отдельному клиенту.

Коллективные вычисления

Эту систему также называют кооперативной обработкой. Если при распределенных вычислениях рабочие станции выполняли задание независимо друг от друга, то при коллективных вычислениях они координируют действия друг друга. То есть при такой модели вычислений задание будет более эффективно распределено по рабочим станциям. Коллективные вычисления являются наиболее популярным сейчас методом.

В современных компьютерных сетях можно встретить все три перечисленные вычислительные системы. В типичной компьютерной сети, как правило, можно встретить один или несколько серверов, рабочие станции и различные устройства, связанные между собой какой-либо средой передачи информации.

8.2 Структура компьютерной сети

Для работы компьютерной сети необходимо несколько важных элементов:

1. По крайней мере два субъекта, желающих чем-либо обменяться.

2. Метод, или путь, с помощью которого будет произведен обмен.

3. Правила, по которым сможет произойти обмен.

Таким образом, если рассматривать структуру компьютерной сети, то в ней можно выделить три базовых элемента:

- сетевые средства и службы (компьютеры с установленным специальным программным обеспечением),

- носители и устройства для передачи данных,

- сетевые протоколы.

Сетевые средства и службы

Сетевые средства и службы - это субъекты, производящие услуги в сети. Они являются специальными программами и позволяют приложениям пользователя использовать услуги сети. Сетевые службы выполняются «прозрачно» для пользователя. То есть пользователь не видит непосредственно их работу и не может в полной мере ими управлять. Сетевые приложения обычно входят в состав сетевой операционной системы.

Сетевые операционные системы специально разработаны, чтобы координировать использование ресурсов сети.

Самыми распространенными являются следующие сетевые службы:

- Файловые службы (file services)

- Службы печати

- Службы передачи сообщений

- Средства приложений

- Средства баз данных.

Файловые службы обеспечивают хранение и передачу файлов в сети.

До появления компьютерных сетей информация передавалась вручную. Это занимало много времени. Службами передачи файлов можно легко пользоваться независимо от размера файла, удаленности источника и даже ОС источника. К тому же, файловые службы предоставляют средства ограничения прав доступа к хранящимся файлам.

Сетевая служба печати обеспечивает доступ к удаленному принтеру по сети (сетевому принтеру).

Функции сетевой службы печати:

· обеспечивает доступ к принтерам большому числу пользователей.

У каждого принтера есть существенное ограничение - он обладает 1 или нескольким интерфейсами (портами), то есть с принтером может работать только компьютер, подключенный через этот порт. Значит, принтером может пользоваться ограниченное число клиентов.

В случае же использования сетевого принтера уже несколько пользователей могут использовать 1 принтер, используя тот же самый порт;

· устраняет ограничения по расстоянию.

Неподключенный к сети принтер должен быть связан с компьютером коротким кабелем, что приносит неудобство;

· управляет очередью печати.

Каждое задание, отосланное на принтер, помещается в очередь печати. После завершения первого задания на принтере будет выполняться следующее задание из очереди;

Сетевая служба печати поддерживает управление очередью печати: может устанавливать приоритет на задания, может замораживать и удалять задания из очереди.

· обеспечивает общий доступ к специализированному оборудованию.

Если в организации существуют специализированные принтеры (широкоформатные, цветные, с повышенной скоростью печати и др.), то компьютерная сеть повышает эффективность их использования. Пользователь может выбрать тип принтера, на который нужно отправить задание.

Службы передачи сообщений обеспечивают хранение, доставку сообщений и доступ к ним.

В отличие от файловых служб службы передачи сообщений не просто передают информацию, а информируют приложение пользователя о поступившем сообщении.

К службам передачи сообщений относятся:

· электронная почта (e-mail);

· голосовая почта (voice mail) - служба передачи голоса, использующая специальное программное и аппаратное обеспечение.

Средства приложений позволяют запускать программы на удаленном компьютере в сети.

Средства баз данных обеспечивают работу сетевых баз данных: координируют изменения в распределенной базе данных и синхронизируют изменения в нескольких локальных копиях баз данных.

Носители и устройства для передачи данных

Соединительные системы

Обмен данными между компьютерами в сети осуществляется по линиям связи. В качестве линий связи применяют как физические провода различного типа (сетевые кабели), так и беспроводные системы. Рассмотрим эти системы.

Прямое кабельное соединение. Для соединения двух компьютеров между собой используют порты компьютера:

последовательный (COM-порт)	~148 Кбит/с	15 метров
параллельный (LPT-порт)	~250 Кбит/с	Не более 300 метров
USB-порт	~1 Мбайт/с	Не более 5 метров

Такой вид связи удобен для соединения всего лишь двух компьютеров, и к тому же ограничен расстоянием.

Кабельное соединение. Для такого соединения нужна сетевая карта на каждом компьютере и сетевой кабель.

В настоящее время применяются три основных вида кабеля:

_ витая пара - кабели на основе скрученных пар медных проводов. Скручивание проводов уменьшает влияние внешних электромагнитных полей на передаваемые сигналы. (дешевизна, низкая защита от помех, скорость передачи данных 10-100 Мбит/с, максимальное расстояние - 100 м).

- коаксиальный кабель на основе медной жилы - медный проводник окруженный несколькими защитными оболочками (более высокая помехозащищенность, механическая прочность, скорость передачи данных до 10 Мбит/с, максимальное расстояние - 500 м).

- волоконно-оптический кабель состоит из центрального стеклянного или пластикового проводника, окруженного покрытием и внешней защитной оболочкой. Данные передаются по кабелю с помощью лазерного или светодиодного передатчика, который посылает световые импульсы через центральное волокно (максимальная защита от помех, скорость передачи данных до 2 Гбит/с, максимальное расстояние до 2 км). Однако этот тип кабеля наиболее жесток и сложен в установке, что делает его самым дорогим.

Беспроводное (бескабельное) соединение. Для соединения на каждый компьютер устанавливают специальные ЭМ (электромагнитные) передатчики.

Для передачи сигналов используются волны различной частоты:

1. радиоволны (могут проходить сквозь препятствия, дорогая технология)

2. микроволны (спутниковая связь, используются параболические антенны, работа зависит от погоды)

3. инфракрасное излучение (пульт дистанционного управления, не может проходить через препятствие)

Технология Bluetooth

Скорость передачи данных - до 723,2 Кбайт/с. Возможна передача данных и голоса. Максимальное расстояние - от 10 до 30 метров (ведутся работы над увеличением этого расстояния до 100 метров). Данная технология не требует прямой видимости или какой-либо направленной антенны, соединение может быть установлено даже через стену.

Особенность технологии Bluetooth: различные Bluetooth-устройства соединяются друг с другом автоматически, стоит им только оказаться в пределах досягаемости.

Соединительное оборудование

Соединительное оборудование используется для соединения компьютера и носителя для передачи данных.

1. Сетевая карта - предназначена для подсоединения компьютера к кабелю. От производительности сетевой карты зависит производительность сети в целом.

2. Модем - предназначен для подключения компьютера к сети Internet через телефонную линию. По носителю информация передается с помощью аналогового сигнала, а в компьютере хранится в цифровом виде.

Перевод аналогового сигнала в цифровой называется модуляцией, а цифрового в аналоговый - демодуляцией. Устройство, осуществляющее эти процессы, называется модемом (модулятор-демодулятор)

Модемы могут использоваться для связи компьютеров и даже целых сетей.

3. Повторитель - используется для увеличения максимальной длины кабеля (максимальной длины сегмента). Каждый кабель имеет максимальную длину сегмента, но эту ограниченность можно преодолеть, используя повторитель. Это устройство помещается в конце сегмента, и посылает повторно сигнал на следующий сегмент. И так далее.

Но существует предел использования повторителей, так как их использование увеличивает время передачи информации. Если время довольно большое, то соединения не происходит.

4. Концентратор (Hub) - используется для объединения компьютеров в единую сеть топологии «звезда» (см. раздел «Физическая топология сети»).

5. Маршрутизатор - соединяет между собой несколько локальных сетей и предназначен для поиска наиболее оптимального пути до клиента в сети.

Сетевые протоколы (TCP/IP)

Протоколы - это набор правил и процедур, регулирующих порядок осуществления некоторой связи.

Работа протоколов

Передача данных по сети, с технической точки зрения, должна быть разбита на ряд последовательных шагов, каждому из которых соответствуют свои правила и процедуры, или протокол. Таким образом, сохраняется строгая очерёдность в выполнении определённых действий.

Кроме того, эти действия (шаги) должна быть выполнены в одной и той же последовательности на каждом сетевом компьютере. На компьютере - отправителе эти действия выполняются в направлении сверху вниз, а на компьютере - получателе - снизу вверх.

Примеры протоколов

TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) - промышленный стандартный набор протоколов, которые обеспечивают связь в неоднородной среде, т.е. обеспечивают совместимость между компьютерами разных типов. Совместимость - одно из основных преимуществ TCP/IP, поэтому большинство ЛВС поддерживает его. Кроме того, TCP/IP предоставляет доступ к ресурсам Интернета, а также протокол для сетей масштаба предприятия.

FTP (File Transfer Protocol) - это протокол, позволяющий легко пересылать файлы и документы. Существуют FTP - серверы, которые содержат большое количество информации в виде файлов. К данным этих файлов нельзя обратиться напрямую,- только переписав их целиком с FTP - сервера на локальный сервер. FTP - программа передачи файлов для сред, также использующих TCP/IP. FTP - самый распространённый протокол передачи файлов между компьютерами.

8.3 Классификация компьютерных сетей

Компьютерные сети классифицируют по ряду признаков:

I. По их размерам, или занимаемому ими пространству. Хотя такую классификацию подчас трудно произвести, принято подразделять сети на:

- локальные сети (LAN - local area network) - объединяют компьютеры, находящиеся недалеко друг от друга, например, стоящие в соседних комнатах, в одном здании (большая скорость передачи данных, низкий уровень ошибок и использование дешевой среды передачи данных);

- городские сети (MAN - metropolitan area network) - могут объединять компьютеры, находящиеся на разных концах города (сочетают лучшие характеристики ЛВС - низкий уровень ошибок, высока скорость передачи с большей географической протяженностью);

- глобальные сети (WAN - wide area network) - связывают локальные сети, которые могут находиться на очень большом расстоянии друг от друга, например на разных континентах или в разных местах одного государства (медленная скорость передачи и более высокий уровень ошибок).

Среди глобальных сетей можно выделить:

- корпоративные сети (сети предприятий) - принадлежат какой-то одной организации, и связывают филиалы или удаленные подразделения;

- действительно глобальные сети - пересекают государственные границы и обычно связывают множество локальных сетей организаций между собой.

II. По структуре (способу управления). В зависимости от способа управления различают сети:

- сети на основе сервера («клиент-сервер») - в них выделяется один или несколько узлов (их название - серверы), выполняющих в сети управляющие или специальные обслуживающие функции, а остальные узлы (клиенты) являются терминальными, в них работают пользователи. Сети клиент-сервер различаются по характеру распределения функций между серверами, другими словами, по типам серверов (например, файл-серверы, серверы баз данных). При специализации серверов по определенным приложениям имеем сеть распределенных вычислений. Такие сети отличают также от централизованных систем, по строение на мэйнфреймах. Преимущества и недостатки таких сетей отражены в таблице:

Преимущества	Недостатки
- централизованное управление учетными записями пользователей, безопасностью и доступом - более производительные поставщики услуг - пользователь должен запомнить только один пароль - централизованное резервирование данных	- неисправность сервера может сделать сеть неработоспособной - требуется квалифицированный персонал для обслуживания что увеличивает стоимость - высокая стоимость - из-за специального оборудования

- «одноранговые» - в них все узлы равноправны; поскольку в общем случае под клиентом понимается объект (устройство или программа), запрашивающий некоторые услуги, а под сервером - объект, предоставляющий эти услуги, то каждый узел в одноранговых сетях может выполнять функции и клиента и сервера. Преимущества и недостатки таких сетей отражены в таблице:

Преимущества	Недостатки
- дешевы - просты в установке и настройке компьютерной сети - пользователи сами контролируют свои ресурсы - не нужно дополнительных ресурсов (выделенного сервера, администратора, специализированного ПО) - компьютеры не зависят от выделенного сервера	- сетевая безопасность устанавливается к каждому ресурсу отдельно - нужно помнить столько паролей сколько есть ресурсов - резервное копирование производится отдельно на каждом компьютере - малая производительность поставщиков услуг - замедление работы компьютера при его использовании в качестве сервера - нет централизованной схемы для поиска и управления доступом к данным

III. По физической топологии

Вычислительные машины, входящие в состав КС, могут быть расположены самым случайным образом на территории, где создается КС. Однако для управления КС не безразлично где расположены абонентские ПК. Имеет смысл говорить о Топологии сети - это усредненная геометрическая схема физических соединений (кабельных путей) узлов сети.

Любая компьютерная сеть имеет ту или иную физическую топологию.

Выбор топологии сети существенно влияет на многие ее характеристики.

1. Наличие резервных связей повышает надежность сети.

2. Простота присоединения новых узлов делает сеть легко расширяемой.

3. Суммарная длина линий связи (кабеля) влияет на стоимость сети.

Выбор топологии сети существенно влияет на многие ее характеристики. Наличие резервных связей повышает надежность и дает возможность регулирования загрузки отдельных каналов, простота присоединения новых узлов - делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.

Опишем наиболее часто встречающиеся топологии:

- Полносвязная топология, соответствует сети, в которой каждый компьютер связан со всеми остальными. Этот вариант является громоздким и неэффективным. Каждый компьютер сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети.

Этот вид топологии применяется крайне редко, чаще всего в многомашинных комплексах при небольшом количестве компьютеров. Основное достоинство данной топологии заключается в устойчивости к сбоям, т.к. обрыв кабеля не приведет к потере соединения между любыми двумя компьютерами.

- Общая шина является очень распространенной топологией. Компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю. Сообщения посылаются по линии связи всем компьютерам. Каждый компьютер проверяет каждый пакет данных, чтобы определить кто получатель пакета. Применение общей шины снижает стоимость кабеля, требует меньше оборудования, к достоинствам стоит отнести и простоту разводки кабеля по помещениям.

Главный недостаток заключается в низкой надежности - дефект кабеля или одного из разъемов парализует всю сеть. Неполадки станции или другого компонента сети трудно изолировать.

- Звезда. Каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором (hab), который является логическим центром сети. В его функции входит направление передаваемой информации к нужному компьютеру. Однако только один компьютер может в конкретный момент времени производить посылку данных.

Концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть.

Главное преимущество - большая надежность по сравнению с общей шиной. Любые проблемы с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, но неисправность концентратора может вывести сеть из строя. В сетях с данной топологией проще находить обрывы кабеля и другие неполадки, наличие концентратора облегчает добавление нового компьютера и реконфигурацию сети.

К недостаткам относится более высокая стоимость сетевого оборудования (требуется больше кабеля), возможности наращивания сети ограничены количеством портов концентратора.

- Кольцо. В такой сети данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому в одном направлении. Доступ к линии связи осуществляется путем передачи от узла к узлу логических знаков - «маркеров», давая им возможность переслать пакет данных. Компьютер может посылать данные только тогда, когда владеет маркером. Данная топология относительно легка для установки, требуя минимального аппаратного обеспечения.

При такой топологии необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прерывался канал связи. Для настройки или переконфигурации любой части сети требуется временное отключение всей сети.

В настоящее время небольшие сети имеют, как правило, типовую топологию - звезда, кольцо или общая шина, то для крупных сетей характерна смешанная топология, когда отдельные произвольно связанные фрагменты сети имеют типовую топологию.

8.4 Адресация в КС

Чаще всего в организациях можно встретить не одну локальную сеть, а несколько сетей, объединенных в одну общую интерсеть.

...