Компьютерные технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

Кафедра “Экология”

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ по дисциплине «Компьютерные технологии»

(Часть 1)

Составитель:

П.С. Сабуров

Владимир 2012

УДК 004.7

ББК 32.97

Рецензент

Доктор технических наук, профессор кафедры «Информатика и защита информации» Владимирского государственного университета Монахов М.Ю.

Учебное пособие к курсу лекций по дисциплине «Компьютерные технологии»/ Сост. П.С. Сабуров., Владим. гос. ун-т., Владимир, 2012. - с. 105.

Подготовлено в соответствии с рабочей программой дисциплины «Компьютерные технологии», содержит материал для подготовки к экзамену.

Предназначены для инженернотехнических специальностей Владимирского государственного университета имени А.Г. и Н.Г. Столетовых.

Ил. 14. Библиогр. 5 назв. УДК 004.7

ББК 32.97

Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых (ВлГУ)

Оглавление

Аннотация

Модуль 1

1. Состав и компоновка персональных компьютеров (ПК)

2. Периферийные устройства

3. Компьютерная сеть

4. Принципы построения локальных вычислительных сетей

5. Средства коммутации в компьютерных сетях

Модуль 2

1. Современные программные технологии

2. Основные принципы построения ОС

3. Состав вычислительных систем

4. Классификация прикладного программного обеспечения

5. Классификация системного программного обеспечения

Модуль 3

1. Понятие информационной технологии

2. Этапы развития информационных технологий

3. Особенности новых информационных технологий

4. Виды информационных технологий

5. Автоматизация офисной деятельности

6. Информационная технология поддержки принятия решений

7. Экспертные системы

Список рекомендуемой литературы

Аннотация

Данное учебное пособие предназначено для студентов I-II курсов, обучающихся по дисциплине “Компьютерные технологии”, может быть применено в качестве лекционного курса и для самостоятельной работы (содержит ссылки на дополнительные источники информации, в т.ч. Internet). В пособии изложены основы аппаратных средств персональных компьютеров, принцип функционирования его составляющих, разновидности компьютерных сетей, современные программные и информационные технологии и др.

Модуль 1

1. Состав и компоновка персональных компьютеров (ПК)

Компьютер (англ. computer -- вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

Существует два основных класса компьютеров:

* цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде двоичных кодов;

* аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) -- заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных конструктивных компонентов:

системного блока;

монитора;

клавиатуры;

манипуляторов;

периферийные устройства.

В системном блоке размещаются:

блок питания;

накопитель на жёстких магнитных дисках;

накопитель на гибких магнитных дисках;

системная плата;

платы расширения;

накопитель CD-ROM, DVD-ROM;

и др.

Рис. 1. Виды корпусов системного блока

Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную (Tower -- башня) компоновку. Типичный системный блок со снятой крышкой корпуса показан на рис. 2.

Память персонального компьютера

Память персонального компьютера состоит из двух частей: оперативной памяти и постоянной памяти. Различие только в том, что оперативную память используют для временного хранения программ и данных, а в постоянной памяти (BIOS) хранятся программы начального запуска, начального самотестирования компьютера, а также набор программ ввода/вывода нижнего уровня, то есть то, что не должно теряться при выключении питания компьютера.



Рис. 2. Системный блок со снятой крышкой корпуса

1 -- Системная плата. 2 -- Разъём дополнительного второго процессора. 3 -- Центральный процессор с радиатором для отвода тепла. 4 -- Разъёмы оперативной памяти. 5 -- Накопитель на гибких магнитных дисках. 6 -- Накопитель CD-ROM. 7 -- Сетевая карта. 8 -- Графический акселератор. 9 -- Блок питания, преобразующий переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и внутренних устройств. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока.

Системные устройства

Помимо микропроцессора и системной памяти на системной (материнской) плате располагаются и другие важные модули, обеспечивающие работоспособность компьютера: контроллеры прерываний и прямого доступа, тактовый генератор, системный таймер, буферные микросхемы, контроллер шины и т.д. В современных компьютерах применяются сверхбольшие интегральные схемы, которые, тем не менее, обеспечивают полную программную и аппаратную совместимость с предыдущими моделями. Эти микросхемы называются набором микросхем или chipset (чипсет). Преимущества такого подхода -- chipset занимает меньше места на плате, меньшая потребляемая мощность, значительно большая надежность. Компьютеры, выполненные на системных платах с chipset известных фирм, имеют лучшую репутацию. В большинство наборов микросхем входит так называемый периферийный контроллер, включающий два контроллера прерываний, два контроллера прямого доступа к памяти, таймер, часы реального времени, а также CMOS-память.

Для связи компьютера с пользователем (то есть организации интерфейса пользователя) применяются видеоадаптер, управляющий видеомонитором, клавиатура и графический манипулятор типа "мышь" (mouse), touch pad или stick pointer.

Внешняя память

Внешняя память компьютера представляет собой дисковые накопители информации -- встроенный накопитель на жестком диске (винчестер) и накопитель на сменных гибких дисках (дискетах). В обоих случаях магнитные диски хранят информацию в виде намагниченных концентрических дорожек (цилиндров) на магнитном покрытии, разбитых на сектора. Диск в накопителе постоянно вращается, а запись и чтение информации производятся перемещаемыми вдоль радиуса диска магнитными головками. Благодаря постоянному прогрессу технологии производства накопителей, развитию технологии магнитных покрытий и магнитных головок, емкость винчестеров повысилась до нескольких терабайт, а емкость дискет -- до сотен мегабайт (правда, стандартным пока считается объем дискеты 1,44 Мбайт).

Форм-фактор корпуса

Этот параметр напрямую связан с совместимостью корпуса с системными платами.

Первоначальное значение этого несколько мудреного термина - отношение сторон, например, 3:2 для прямоугольника. В техническом значении - это прежде всего задание геометрии устройства, так, например, говорят о дисководах с форм-фактором 3.5", т.е. помещающихся в малый отсек. В полном значении - это, помимо геометрии, еще как минимум параметры электропитания (напряжение, распределение по контактам и т.д.), но могут быть и дополнительные параметры. Именно в таком значении применяется термин форм-фактор (ниже, для краткости, иногда ФФ) для корпусов и системных плат.

Существуют спецификации на корпуса и системные платы (так как эти устройства должны быть совместимы между собой), где определяются форм-факторы этих устройств.

В настоящее время таких спецификаций две:

АТ. Это довольно старая спецификация от IBM.

ATX. Новая спецификация от Intel. Постоянно обновляется.

Форм-фактор BTX.

Главное отличие - различное электропитание, несовместимое между собой.

“Чипсет”

Чипсет - от англ. "chip set" - набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. Так, в компьютерах чипсет выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, ЦПУ, ввода-вывода и других. Чипсеты встречаются и в других устройствах, например, в радиоблоках сотовых телефонов.

Чипсет состоит из двух основных микросхем (иногда они объединяются в один чип):

MCH -- контроллер-концентратор памяти (Memory Controller Hub) -- северный мост (northbridge) -- обеспечивает взаимодействие центрального процессора (ЦП) с памятью и видеоадаптером (PCI Express). В новых чипсетах часто имеется интегрированная видеоподсистема. Контроллер памяти может быть интегрирован в процессор (например Opteron, Nehalem, UltraSPARC T1).

ICH -- контроллер-концентратор ввода-вывода (I/O Controller Hub) -- южный мост (southbridge) -- обеспечивает взаимодействие между ЦП и жестким диском, картами PCI, интерфейсами IDE, SATA, USB и пр.

Также иногда к чипсетам относят микросхему Super I/O, которая подключается к южному мосту и отвечает за низкоскоростные порты RS232, LPT, PS/2.

Материнская плата, которая лежит в основе архитектуры компьютера, базируется на основном наборе микросхем - чипсете. От параметров чипсета во многом зависят и технические, и эксплуатационные характеристики компьютера - его производительность, многофункциональность и устойчивость. Чипсет является связующим звеном между всеми компонентами МП и определяет, какой процессор поддерживается, какая память может быть использована и ряд других характеристик.

2. Периферийные устройства

Основное назначение ПУ - обеспечить поступление в ПК из окружающей среды программ и данных для обработки, а также выдачу результатов работы ПК в виде, пригодном для восприятия человека или для передачи на другую ЭВМ, или в иной, необходимой форме. ПУ в немалой степени определяют возможности применения ПК.

Периферийные устройства можно разделить на несколько групп по функциональному назначению:

Устройства ввода-вывода - предназначены для ввода информации в ПК, вывода в необходимом для оператора формате или обмена информацией с другими ПК. К такому типу ПУ можно отнести внешние накопители (ленточные, магнитооптические), модемы.

Устройства вывода - предназначены для вывода информации в необходимом для оператора формате. К этому типу периферийных устройств относятся: принтер, монитор (дисплей), аудиосистема.

Устройства ввода - Устройствами ввода являются устройства, посредством которых можно ввести информацию в компьютер. Главное их предназначение - реализовывать воздействие на машину. К такому виду периферийных устройств относятся: клавиатура (входит в базовую конфигурацию ПК), сканер, графический планшет и т.д.

Дополнительные ПУ - такие как манипулятор «мышь», который лишь обеспечивает удобное управление графическим интерфейсом операционных систем ПК и не несет ярковыраженных функций ввода либо вывода информации; WEB-камеры, способствующие передаче видео и аудио информации в сети Internet, либо между другими ПК. Последние, правда, можно отнести и к устройствам ввода, благодаря возможности сохранения фото, видео и аудио информации на магнитных или магнитооптических носителях.

Каждые из перечисленных групп устройств выполняют определенные функции ограниченные их возможностями и назначением.

Жесткий диск.

Жёсткий диск состоит из двух основных частей: гермоблока и контроллера.

Гермоблок -- это герметичная камера (откуда и название), заполненная чистым, не содержащим пыли воздухом, и содержащая в себе пакет магнитных дисков и блок магнитных головок (БМГ).

Несмотря на герметичность, камера сообщается с окружающей средой через барометрический фильтр, обеспечивающий выравнивание давлений вне и внутри камеры. Барометрический фильтр выполнен так, чтобы не пропускать частицы пыли более определённого размера (~0,5 мкм). Выравнивание давлений исключает механические деформации корпуса. Также внутри находится рециркуляционный фильтр, обеспечивающий улавливание частиц, уже находящихся в камере, которые могут быть образованы внутри (в результате износа) или пропущены барометрическим фильтром. Он расположен на пути циркулирующего за счёт вращения дисков воздуха.

Магнитные диски состоят из основы, сделанной обычно из алюминия, реже из стекла или керамики и магнитного покрытия, в виде тонкой плёнки магнитотвёрдого материала (ферромагнетика), который служит собственно носителем информации. Магнитные диски собраны в пакет, находящийся на оси шпиндельного электродвигателя со стабильной скоростью вращения. Стабилизация вращения производится контроллером по сервометкам. (Ранее использовался отдельный датчик положения дисков). Обычно дисков в пакете не более трёх, запись может производиться как на одну, так и на обе стороны каждого диска, таким образом диск обычно содержит от 1 до 6 головок.

Блок магнитных головок перемещается вдоль поверхности диска от края к центру посредством сервопривода. На первых винчестерах сервопривод производился шаговым двигателем. Впоследствии стала применяться звуковая электромагнитная катушка (англ. voice сoil). Катушка называется звуковой по той причине, что она действует по принципу, аналогичному электромагнитной акустической системы. Для управления головками в винчестере хранятся так называемые адаптивы -- индивидуальные для каждого винчестера данные о физических характеристиках сервопривода головок -- необходимые амплитуды и времена сигналов управления электромагнитом. Адаптивы обеспечивают быстрое и почти безошибочное позиционирование головки и уверенное удержание её на треке.

Сама головка -- миниатюрная электромагнитная система, обеспечивающая локальное намагничивание поверхности диска и локальное измерение его намагниченности. Первые электромагнитные головки считывали информацию через наведённую ЭДС на катушке. Позднее появились магниторезистивные головки, использующие для считывания специальный магниточувствительный материал.

В выключенном положении головки лежат на дисках в специальной зоне парковки. Во избежание повреждений при транспортировке, головки в этом положении заблокированы, и не могут перемещаться до тех пор, пока диски не крутятся. При работе головки парят над поверхностью вращающихся дисков на расстоянии порядка от десятых долей до единиц микрометров. Таким образом поверхность дисков не изнашивается (как это происходит у дискет).

Внутри гермоблока вместе на блоке магнитных головок или рядом с ним расположен коммутатор, обеспечивающий переключение активных головок и предварительное усиление сигнала магнитного датчика. Если у жёсткого диска одна рабочая поверхность, то коммутатор выполняет только функции усилителя.

Контроллер представляет собой электронную схему, выполняющую функции управления органами гермоблока и преобразование информации, передаваемой между компьютером и головками. Конструктивно контроллер обычно выполнен в виде печатной платы, монтируемой на одной стороне гермоблока. На контроллере расположены узлы питания, управления шпиндельным двигателем, сервоприводом БМГ, чтения и записи информации на диски, обмена по внешнему интерфейсу, разъёмы интерфейса, питания, соединения с гермоблоком, а также технологические выводы и элементы конфигурации (джамперы).

Современный контроллер -- встроенная микропроцессорная система, выполняющая зашитую микропрограмму. Основные узлы контроллера:

схема управления питанием;

модуль управления (микропроцессорный).

интерфейсный модуль;

канал чтения-записи;

контроллер БМГ;

контроллер шпиндельного двигателя;

Монитор Монитор (дисплей) - это стандартное устройство вывода, предназначенное для визуального отображения текстовых и графических данных. В зависимости от принципа действия, мониторы делятся на:

- мониторы с электронно-лучевой трубкой;

- дисплеи на жидких кристаллах.

В дисплеях на жидких кристаллах безбликовый плоский экран и низкая мощность потребления электрической энергии (5 Вт, по сравнению, монитор с электронно-лучевой трубкой потребляет 100 Вт).

С точки зрения пользователя, основными характеристиками монитора являются:

- размер по диагонали. Экран монитора измеряется по диагонали в дюймах. Размеры колеблются от 9 дюймов (23 см) до 42 дюймов (106 см). Распространенными являются размеры 14, 15, 17, 19 и 21 дюйма;

- разрешающая способность. Количество точек по горизонтали и вертикали, которые монитор способный воссоздать четко и раздельно называется его разрешающей способностью. Выражение "разрешающая способность 800х600" означает, что монитор может выводить 600 горизонтальных строк по 800 точек в каждой. Стандартными являются такие режимы разрешающей способности: 800х600, 1024х768, 1152х864 и выше. Чем больше разрешающая способность, тем лучше качество изображения;

- частота регенерации. Он показывает сколько раз в секунду монитор может полностью обновить изображение на экране. Чем больше частота, тем меньше усталость глаз и больше времени можно работать непрерывно. Сегодня минимально допустимой считается частота в 75 Гц, нормальной - 85 Гц, комфортной - 100 Гц и больше;

- класс защиты монитора определяется стандартом, которому отвечает монитор с точки зрения требований техники безопасности. Сейчас общепринятыми считаются международные стандарты TCO-92, TCO-95 и ТСО-99, ограничивающие уровни электромагнитного излучения, эргометрические и экологические нормы, в рамках, безопасных для здоровья человека.

Работой монитора руководит специальная плата, которую называют видеоадаптером (видеокартой). Видеоадаптер имеет вид отдельной платы расширения, которую вставляют в определенный слот материнской платы (в современных ПК это слот AGP). Видеоадаптер выполняет функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти.

За время существования ПК изменилось несколько стандартов видеоадаптеров:

- MDA (Monochrom Display Adapter) -монохромный,

- CGA(Color Graphics Adapter) - 4 цвета,

- EGA(Enchanced Graphics Adapter) -16 цветов,

- VGA (Video Graphics Array) - 256 цветов,

- SVGA (Super VGA) - до 16,7 млн. цветов. Если еще недавно типичными были видеоадаптеры с 2-4 Мбайт видеопамяти, то уже сегодня нормальной считается емкость в 32-64 Мбайт.

Устройства ввода информации

К устройствам ввода изображения относятся цифровые фото и видеокамеры, сканеры.

Цифровые фотокамеры характеризуются количеством точек (пикселей) светочувствительной матрицы, глубиной цвета, размерами фотоизображения. Самые примитивные цифровые фотоаппараты имеют матрицу 1,3 Mpx и размер снимка 640 на 320 точек, самые прогрессивные (профессиональные) до 5.2 Mpx и размеры фотоснимка 2048*1536 точек.

Основные устройства для автоматизации ввода текстовой и графической информации в ПК в вопросах документооборота и инженерно-технических задач это сканеры.

Сканеры характеризуются

- максимальными размерами оригинала изображения. Обычные от формата А4, инженерные до формата A0.

- Принципом подачи оригинала: планшетные, протяжные, ручные.

- Оптическим разрешением сканирования от 600/1200/2400 dpi для обычных настольных систем, 400-600 dpi для инженерных и до 5700 dpi для полиграфических систем ввода изображения.

- Программным разрешением, за счет алгоритмов удается увеличить разрешение изображения с минимальной потерей информации в 2-4 раза по отношению к оптическому.

- Глубиной цвета: 8, 16, 24, 32 бита на точку.

Оптической плотностью. Характеристика применяемая в основном только в полиграфии.

Принтеры

В настоящее время существуют три основных технологии печати для настольных систем: матричные, струйные и лазерные принтеры.

Матричные принтеры характеризуются числом иголок печатающей головки (9/24), скоростью печати в байтах/в секунду, максимальным форматом бумаги. Выбор матричных принтеров на сегодня очень узок. Единственный производитель - Epson.

Струйные принтеры преобладают среди домашних пользователей. В настоящее время практически все продаваемые струйные принтеры цветные. Отличаются 3-х или 5-ти цветным печатающим картриджем. Последние обычно называются фото-принтерами, поскольку лучше передают полутона.

Одной из наиболее важных характеристик является разрешение печати, так принтеры Epson имеют разрешение печати от 1440 до 5760 dpi

Лазерные черно/белые принтеры начинают догонять по продажам струйные принтеры ввиду последнего резкого падения цен. Оптическое разрешение современных ч/б лазерных принтеров составляет 600dpi для бюджетных ч/б моделей, 1200x600, 2400x600 dpi для новых, более дорогих моделей. Для цветных лазерных систем печати оптическое разрешение составляет 300, 400, 600 dpi. Меньшее разрешение при цветной лазерной печати по отношению к струйным принтерам компенсируется другим принципом сведения красок и их плотности.

Лазерные принтеры существенно опережают по скорости струйные и, тем более, матричные принтеры. Скорость печати струйных принтеров от 10-12 стр/мин текста до 4 мин на страницу фотографии при качественной печати. Ч/б лазерные принтеры для настольных систем обладают скоростью печати от 10 до 40 копий в минуту, не зависимо от степени заполнения листа, цифровые промышленные системы печати достигают скорости до 180 листов в минуту (3 листа в секунду).

Цветные лазерные системы печати имеют скорость от 2-4 до 12 листов в минуту для настольных систем и до 40 листов в минуту для систем малой типографии.

3. Компьютерная сеть

Компьютерная сеть - представляет собой систему распределенной обработки информации, состоящую как минимум из двух компьютеров, взаимодействующих между собой с помощью специальных средств связи.

Или другими словами сеть представляет собой совокупность соединенных друг с другом ПК и других вычислительных устройств, таких как принтеры, факсимильные аппараты и модемы. Сеть дает возможность отдельным сотрудникам организации взаимодействовать друг с другом и обращаться к совместно используемым ресурсам; позволяет им получать доступ к данным, хранящимся на персональных компьютерах в удаленных офисах, и устанавливать связь с поставщиками.

Компьютеры, входящие в сеть выполняют следующие функции:

Организация доступа к сети

Управление передачей информации

Предоставление вычислительных ресурсов и услуг абонентам сети.

Виды компьютерных сетей.

Локальные и территориально-распределенные сети

Локальная сеть (LAN) связывает ПК и принтеры, обычно находящиеся в одном здании (или комплексе зданий). Территориально-распределенная сеть (WAN) соединяет несколько локальных сетей, географически удаленных друг от друга.

Локальные сети (ЛС) представляющие собой самую элементарную форму сетей, соединяют вместе группу ПК или связывают их с более мощным компьютером, выполняющим роль сетевого сервера (см. рисунок). Все ПК в локальной сети могут использовать специализированные приложения, хранящиеся на сетевом сервере, и работать с общими устройствами: принтерами, факсами и другой периферией. Каждый ПК в локальной сети называется рабочей станцией или сетевым узлом.

Локальные сети позволяют отдельным пользователям легко и быстро взаимодействовать друг с другом. Вот лишь некоторые задачи, которые позволяет выполнять ЛС:

совместная работа с документами;

упрощение документооборота: вы получаете возможность просматривать, корректировать и комментировать документы не покидая своего рабочего места, не организовывая собраний и совещаний, отнимающих много времени;

сохранение и архивирование своей работы на сервере, чтобы не использовать ценное пространство на жестком диске ПК;

простой доступ к приложениям на сервере;

облегчение совместного использования в организациях дорогостоящих ресурсов, таких как принтеры, накопители CD-ROM, жесткие диски и приложения (например, текстовые процессоры или программное обеспечение баз данных).

Территориально-распределенные сети обеспечивают те же преимущества, что и локальные, но при этом позволяют охватить большую территорию. Обычно для этого используется коммутируемая телефонная сеть общего пользования (PSTN, Public Switched Telephone Network) с соединением через модем или линии высокоскоростной цифровой сети с предоставлением комплексных услуг (ISDN, Integrated Services Digital Network). Линии ISDN часто применяются для передачи больших файлов, например содержащих графические изображения или видео.

Встраивая в базовые локальные сети функциональность территориально-распределенных сетей, реализуемую с помощью модема или сервера удаленного доступа, можно выгодно использовать технологии внешних коммуникаций, в том числе: передачу и прием сообщений с помощью электронной почты (e-mail); доступ к Internet.

Internet

Internet представляет собой огромную общедоступную глобальную сеть, соединяющую пользователей всего мира с хранилищами данных, изображений и звука. Стремительно расширяясь (примерно 200% в год), Internet играет все более важную роль в бизнесе.

На сегодня основными функциями Internet остаются электронная почта и обмен информацией между группами по интересам и исследователями. Сети становятся все более мощными, а к Internet подключается все большее число компаний и индивидуальных пользователей. Internet служит связующим звеном между компаниями, их потенциальными заказчиками и поставщиками. Сегодня Internet может поддерживать развивающиеся приложения передачи речи и видео, такие как системы дистанционного обучения и удаленной диагностики или лечения, предоставляя возможности обучения и получения медицинской помощи через Internet практически любой семье или компании.

Любая компьютерная сеть характеризуется: топологией, протоколами, интерфейсами, сетевыми техническими и программными средствами.

Топология - компьютерной сети отражает структуру связей между ее основными функциональными элементами.

Сетевые технические средства - это различные устройства, обеспечивающие объединение компьютеров в единую компьютерную сеть.

Сетевые программные средства - осуществляют управление работой компьютерной сети и обеспечивают соответствующий интерфейс с пользователями.

Протоколы - представляют собой правила взаимодействия функциональных элементов сети.

Интерфейсы - средства сопряжения функциональных элементов сети. Следует обратить внимание, что в качестве функциональных элементов могут выступать как отдельные устройства так и программные модули. Соответственно различают аппаратные и программные интерфейсы.

Типы сетей.

В зависимости от способа организации обработки данных и взаимодействия пользователей, который поддерживается конкретной сетевой операционной системой, выделяют два типа информационных сетей:

иерархические сети;

сети клиент/сервер.

В иерархических сетях все задачи, связанные с хранением, обработкой данных, их представлением пользователям, выполняет центральный компьютер. Пользователь взаимодействует с центральным компьютером с помощью терминала. Операциями ввода/вывода информации на экран управляет центральный компьютер.

Достоинства иерархических систем:

отработанная технология обеспечения сохранности данных;

надежная система защиты информации и обеспечения секретности.

Недостатки:

высокая стоимость аппаратного и программного обеспечения, высокие эксплуатационные расходы;

быстродействие и надежность сети зависят от центрального компьютера.

Модели клиент-сервер - это технология взаимодействия компьютеров в сети, при которой каждый из компьютеров имеет свое назначение и выполняет свою определенную роль. Одни компьютеры в сети владеют и распоряжаются информационно-вычислительными ресурсами (процессоры, файловая система, почтовая служба, служба печати, база данных), другие имеют возможность обращаться к этим службам, пользуясь их услугами.

Компьютер, управляющий тем или иным ресурсом называют сервером этого ресурса, а компьютер, пользующийся им - клиентом.

Каждый конкретный сервер определяется видом того ресурса, которым он владеет. Например, назначением сервера баз данных является обслуживание запросов клиентов, связанных с обработкой данных; файловый сервер, или файл-сервер, распоряжается файловой системой и т.д.

Один из основных принципов технологии клиент-сервер заключается в разделении функций стандартного интерактивного приложения на четыре группы, имеющие различную природу.

Первая группа - это функции ввода и отображения данных.

Вторая группа - объединяет чисто прикладные функции, характерные для данной предметной области (для банковской системы - открытие счета, перевод денег с одного счета на другой и т.д.).

Третья группа - фундаментальные функции хранения и управления информационно-вычислительными ресурсами (базами данных, файловыми системами и т.д.).

Четвертая группа - служебные функции, осуществляющие связь между функциями первых трех групп.

В соответствии с этим в любом приложении выделяются следующие логические компоненты:

компонент представления (presentation), реализующий функции первой группы;

прикладной компонент (business application), поддерживающий функции второй группы;

компонент доступа к информационным ресурсам (resource manager), поддерживающий функции третьей группы, а также вводятся и уточняются соглашения о способах их взаимодействия (протокол взаимодействия).

Различия в реализации технологии клиент-сервер определяются следующими факторами:

видами и механизмами программного обеспечения, в которые интегрирован каждый из этих компонентов;

способом распределения логических компонентов между компьютерами в сети;

механизмами, используемыми для связи компонентов между собой.

Выделяются четыре подхода, реализованные в следующих моделях:

модель файлового сервера (File Server - FS);

модель доступа к удаленным данным (Remote Data Access - RDA);

модель сервера баз данных (Data Base Server - DBS);

модель сервера приложений (Application Server - AS).

По организации взаимодействия принято выделять два типа систем, использующих метод клиент/сервер:

равноправная сеть;

сеть с выделенным сервером.

Равноправная сеть - это сеть, в которой нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций, нет единого устройства хранения данных. Операционная система такой сети распределена по всем рабочим станциям, поэтому каждая рабочая станция одновременно может выполнять функции как сервера, так и клиента. Пользователю в такой сети доступны все устройства (принтеры, жесткие диски и т.п.), подключенные к другим рабочим станциям.

Достоинства:

низкая стоимость (используются все компьютеры, подключенные к сети, и умеренные цены на ПО для работы сети);

высокая надежность (при выходе из строя одной рабочей станции, доступ прекращается лишь к некоторой части информации).

Недостатки:

работа сети эффективна только при количестве одновременно работающих станций не более 10;

трудности организации эффективного управления взаимодействием рабочих станций и обеспечение секретности информации;

трудности обновления и изменения ПО рабочих станций.

Сеть с выделенным сервером - здесь один из компьютеров выполняет функции хранения данных общего пользования, организации взаимодействия между рабочими станциями, выполнения сервисных услуг - сервер сети. На таком компьютере выполняется операционная система, и все разделяемые устройства (жесткие диски, принтеры, модемы и т.п.) подключаются к нему, выполняет хранение данных, печать заданий, удаленная обработка заданий. Рабочие станции взаимодействуют через сервер, поэтому логическую организацию такой сети можно представить топологией "звезда", где центральное устройство - сервер.

Достоинства:

выше скорость обработки данных (определяется быстродействием центрального компьютера, и на сервер устанавливается специальная сетевая операционная система, рассчитанная на обработку и выполнение запросов, поступивших одновременно от нескольких пользователей);

обладает надежной системой защиты информации и обеспечения секретности;

проще в управлении по сравнению с равноправными.

Недостатки:

такая сеть дороже из-за отдельного компьютера под сервер;

менее гибкая по сравнению с равноправной.

Сети с выделенным сервером являются более распространенными. Примеры сетевых операционных систем такого типа: LAN Server, IBM Corp., VINES, Banyan System Inc., NetWare, Novell Inc.

Методы передачи данных в сетях ЭВМ.

При обмене данными между узлами используются три метода передачи данных:

симплексная (однонаправленная) передача (телевидение, радио);

полудуплексная (прием/передача информации осуществляется поочередно);

дуплексная (двунаправленная), каждая станция одновременно передает и принимает данные.

Для передачи данных в информационных системах наиболее часто применяется последовательная передача. Широко используются следующие методы последовательной передачи:

асинхронная;

синхронная.

При асинхронной передаче каждый символ передается отдельной посылкой (рис.3). Стартовые биты предупреждают приемник о начале передачи. Затем передается символ. Для определения достоверности передачи используется бит четности (бит четности = 1, если количество единиц в символе нечетно, и 0 в противном случае. Последний бит "стоп бит" сигнализирует об окончании передачи.

Преимущества:

несложная отработанная система;

недорогое (по сравнению с синхронным) интерфейсное оборудование.

Недостатки:

третья часть пропускной способности теряется на передачу служебных битов (старт/стоповых и бита четности);

невысокая скорость передачи по сравнению с синхронной;

при множественной ошибке с помощью бита четности невозможно определить достоверность полученной информации.

Асинхронная передача используется в системах, где обмен данными происходит время от времени и не требуется высокая скорость передачи данных. Некоторые системы используют бит четности как символьный бит, а контроль информации выполняется на уровне протоколов обмена данными (Xmodem, Zmodem, MNP).

При использовании синхронного метода данные передаются блоками. Для синхронизации работы приемника и передатчика в начале блока передаются биты синхронизации. Затем передаются данные, код обнаружения ошибки и символ окончания передачи. При синхронной передаче данные могут передаваться и как символы, и как поток битов. В качестве кода обнаружения ошибки обычно используется Циклический Избыточный Код Обнаружения Ошибок (CRC). Он вычисляется по содержимому поля данных и позволяет однозначно определить достоверность принятой информации.

Преимущества:

высокая эффективность передачи данных;

высокая скорость передачи данных;

надежный встроенный механизм обнаружения ошибок.

Недостатки:

интерфейсное оборудование более сложное и, соответственно, более дорогое.

4. Принципы построения локальных вычислительных сетей

Топология типа звезда.

Концепция топологии сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Этот принцип применяется в системах передачи данных, например, в электронной почте RELCOM. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети.

Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает.

Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии.

При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.

Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Частота запросов передачи информации от одной станции к другой невысокая по сравнению с достигаемой в других топологиях.

Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности центрального файлового сервера. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети.

Центральный узел управления - файловый сервер может реализовать оптимальный механизм защиты от несанкционированного доступа к информации. Вся вычислительная сеть может управляться из ее центра.

Кольцевая топология.

При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу, т.е. рабочая станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая станция 3 с рабочей станцией 4 и т.д. Последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольцо.

Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географически рабочие станции расположены далеко от кольца (например, в линию).

Сообщения циркулируют регулярно по кругу. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Пересылка сообщений является очень эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять “в дорогу” по кабельной системе одно за другим. Очень просто можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в вычислительную сеть.

Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко.

Подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто. Ограничения на протяженность вычислительной сети не существует, так как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

Логическая кольцевая сеть.

Специальной формой кольцевой топологии является логическая кольцевая сеть. Физически она монтируется как соединение звездных топологий. Отдельные звезды включаются с помощью специальных коммутаторов (англ. Hub - концентратор), которые по-русски также иногда называют “хаб”.

В зависимости от числа рабочих станций и длины кабеля между рабочими станциями применяют активные или пассивные концентраторы. Активные концентраторы дополнительно содержат усилитель для подключения от 4 до 16 рабочих станций. Пассивный концентратор является исключительно разветвительным устройством (максимум на три рабочие станции). Управление отдельной рабочей станцией в логической кольцевой сети происходит так же, как и в обычной кольцевой сети. Каждой рабочей станции присваивается соответствующий ей адрес, по которому передается управление (от старшего к младшему и от самого младшего к самому старшему). Разрыв соединения происходит только для нижерасположенного (ближайшего) узла вычислительной сети, так что лишь в редких случаях может нарушаться работа всей сети.

Шинная топология.

При шинной топологии среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного для всех рабочих станций, к которому они все должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети.

Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции.

В стандартной ситуации для шинной сети Ethernet часто используют тонкий кабель или Cheapernet-кaбeль с тройниковым соединителем. Выключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вызывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание системы.

Новые технологии предлагают пассивные штепсельные коробки, через которые можно отключать и / или включать рабочие станции во время работы вычислительной сети. Благодаря тому, что рабочие станции можно включать без прерывания сетевых процессов и коммуникационной среды, очень легко прослушивать информацию, т.е. ответвлять информацию из коммуникационной среды.

Древовидная структура ЛВС.

На ряду с известными топологиями вычислительных сетей кольцо, звезда и шина, на практике применяется и комбинированная, на пример древовидна структура. Она образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных топологий вычислительных сетей. Основание дерева вычислительной сети располагается в точке (корень), в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева).

Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде. Для подключения большого числа рабочих станций соответственно адаптерным платам применяют сетевые усилители и/или коммутаторы.

Коммутатор, обладающий одновременно и функциями усилителя, называют активным концентратором. На практике применяют две их разновидности, обеспечивающие подключение соответственно восьми или шестнадцати линий.

Устройство к которому можно присоединить максимум три станции, называют пассивным концентратором. Пассивный концентратор обычно используют как разветвитель. Он не нуждается в усилителе. Предпосылкой для подключения пассивного концентратора является то, что максимально возможное расстояние до рабочей станции не должно превышать нескольких десятков метров.

5. Средства коммутации в компьютерных сетях

В качестве средств коммуникации наиболее часто используются витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконные линии. При выборе типа кабеля учитывают следующие показатели:

стоимость монтажа и обслуживания;

скорость передачи информации;

ограничения на величину расстояния передачи информации (без дополнительных усилителей-повторителей);

безопасность передачи данных.

Главная проблема заключается в одновременном обеспечении перечисленных показателей, например, наивысшая скорость передачи данных ограничена максимально возможным расстоянием передачи данных, при котором еще обеспечивается требуемый уровень защиты данных. Легкая наращиваемость и простота расширения кабельной системы влияют на ее стоимость.

Витая пара.

Наиболее дешевым кабельным соединением является витое двухжильное проводное соединение часто называемое "витой парой" (twisted pair). Она позволяет передавать информацию со скоростью до 10 Мбит/с, легко наращивается, однако является помехонезащищенной. Длина кабеля не может превышать 1000 м при скорости передачи 1 Мбит/с. Преимуществами являются низкая цена и беспроблемная установка. Для повышения помехозащищенности информации часто используют экранированную витую пару, т.е. витую пару, помещенную в экранирующую оболочку, подобно экрану коаксиального кабеля. Это увеличивает стоимость витой пары и приближает ее цену к цене коаксиального кабеля.

Коаксиальный кабель.

Коаксиальный кабель имеет среднюю цену, хорошо помехозащитен и применяется для связи на большие расстояния (несколько километров). Скорость передачи информации от 1 до 10 Мбит/с, а в некоторых случаях может достигать 50 Мбит/с.

Широкополосный коаксиальный кабель.

Широкополосный коаксиальный кабель невосприимчив к помехам, легко наращивается, но цена его высокая. Скорость передачи информации равна 500 Мбит/с. При передаче информации в базисной полосе частот на расстояние более 1,5 км требуется усилитель, или так называемый репитер (повторитель). Поэтому суммарное расстояние при передаче информации увеличивается до 10 км. Для вычислительных сетей с топологией шина или дерево коаксиальный кабель должен иметь на конце согласующий резистор (терминатор).

Еthernet-кабель.

Ethernet-кабель также является коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом. Его называют еще толстый Ethernet (thick) или желтый кабель (yellow cable). Он использует 15-контактное стандартное включение. Вследствие помехозащищенности является дорогой альтернативой обычным коаксиальным кабелям. Максимально доступное расстояние без повторителя не превышает 500 м, а общее расстояние сети Ethernet - около 3000 м. Ethernet-кабель, благодаря своей магистральной топологии, использует в конце лишь один нагрузочный резистор.

Сheapernеt-кабель.

Более дешевым, чем Ethernet-кабель является соединение Cheapernet-кабель или, как его часто называют, тонкий (thin) Ethernet. Это также 50-омный коаксиальный кабель со скоростью передачи информации в 10 млн бит/с. При соединении сегментов Сhеарегnеt-кабеля также требуются повторители. Вычислительные сети с Cheapernet-кабелем имеют небольшую стоимость и минимальные затраты при наращивании. Соединения сетевых плат производится с помощью широко используемых малогабаритных разъемов (СР-50). Дополнительное экранирование не требуется. Кабель присоединяется к ПК с помощью тройниковых соединителей (T-connectors). Расстояние между двумя рабочими станциями без повторителей может составлять максимум 300 м, а общее расстояние для сети на Cheapernet-кабеле - около 1000 м. Приемопередатчик Cheapernet расположен на сетевой плате и как для гальванической развязки между адаптерами, так и для усиления внешнего сигнала.

Оптоволоконные линии.

Наиболее дорогими являются оптопроводники, называемые также стекловолоконным кабелем. Скорость распространения информации по ним достигает нескольких гигабит в секунду. Допустимое удаление более 50 км. Внешнее воздействие помех практически отсутствует. На данный момент это наиболее дорогостоящее соединение для ЛВС. Применяются там, где возникают электромагнитные поля помех или требуется передача информации на очень большие расстояния без использования повторителей. Они обладают противоподслушивающими свойствами, так как техника ответвлений в оптоволоконных кабелях очень сложна. Оптопроводники объединяются в ЛBC с помощью звездообразного соединения.

Сетевые интерфейсные платы

Сетевые интерфейсные платы (NIC, Network Interface Card) устанавливаются на настольных и портативных ПК. Они служат для взаимодействия с другими устройствами в локальной сети. Существует целый спектр сетевых плат для различных ПК, имеющих определенные требования требованиям к производительности. Характеризуются по скорости передачи данных и способах подключения к сети.

Если рассматривать просто способ приема и передачи данных на подключенных к сети ПК, то современные сетевые платы (сетевые адаптеры) играют активную роль в повышении производительности, назначении приоритетов для ответственного трафика (передаваемой/принимаемой информации) и мониторинге трафика в сети. Кроме того, они поддерживают такие функции, как удаленная активизация с центральной рабочей станции или удаленное изменение конфигурации, что значительно экономит время и силы администраторов постоянно растущих сетей

Концентраторы

В структурированной кабельной конфигурации все входящие в сеть ПК взаимодействуют с концентратором (или коммутатором).

Hub (хаб; концентратор) - устройство множественного доступа, выполняющее роль центральной точки соединения в топологии "физическая звезда". Наряду с традиционным названием "концентратор" в литературе встречается также термин "хаб".

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Соединенные с концентратором ПК образуют один сегмент локальной сети. Такая схема упрощает подключение к сети большого числа пользователей, даже если они часто перемещаются. В основном функция концентратора состоит в объединении пользователей в один сетевой сегмент. Концентраторы бывают разных видов и размеров и обеспечивают соединение разного числа пользователей - от нескольких сотрудников в небольшой фирме до сотен ПК в сети, охватывающей комплекс зданий. Функции данных устройств также различны: от простых концентраторов проводных линий до крупных устройств, выполняющих функции центрального узла сети, поддерживающих функции управления и целый ряд стандартов (Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, FDDI и т.д.). Существуют также концентраторы, играющие важную роль в системе защиты сети.

Концентратор начального уровня (базовый концентратор) - это простое, автономное устройство, которое может стать для многих организаций хорошей "отправной точкой".

Наращиваемые (стековые) концентраторы позволяют постепенно увеличивать размер сети. Такие концентраторы соединяются друг с другом гибкими кабелями расширения, ставятся один на другой и функционируют как один концентратор. Благодаря низкой стоимости в расчете на порт наращиваемые концентраторы стали особенно популярны.

При применении концентратора все пользователи делят между собой полосу пропускания сети. Пакет, принимаемый по одному из портов концентратора, рассылается во все другие порты, которые анализируют этот пакет (предназначен он для них или нет). При небольшом числе пользователей такая система превосходно работает. Между тем в случае увеличения числа пользователей начинает сказываться конкуренция за полосу пропускания, что замедляет трафик в локальной сети.

Традиционные концентраторы поддерживают только один сетевой сегмент, предоставляя всем подключаемым к ним пользователям одну и ту же полосу пропускания. Концентраторы с коммутацией портов или сегментируемые концентраторы (такие как концентраторы семейства SuperStack II PS Hub) позволяют свести данную проблему к минимуму, выделив пользователям любой из четырех внутренних сегментов концентратора (каждый из этих сегментов имеет полосу пропускания 10 Мбит/с). Подобная схема дает возможность гибко распределять полосу пропускания между пользователями и балансировать нагрузку сети.

Двухскоростные концентраторы (dual-speed) можно с выгодой использовать для создания современных сетей с совместно используемыми сетевыми сегментами. Они поддерживают существующие каналы Ethernet 10 Мбит/с и новые сети Fast Ethernet 10 Мбит/с, автоматически опознавая скорость соединения, что позволяет не настраивать конфигурацию вручную. Это упрощает модернизацию соединений - переход от сети Ethernet к Fast Ethernet, когда необходима поддержка новых приложений, интенсивно использующих полосу пропускания сети, или сегментов с большим числом пользователей.

Кроме того, концентраторы служат центральной точкой для подключения кабелей, изменения конфигурации, поиска неисправностей и централизованного управления, упрощая выполнение всех этих операций.

Коммутаторы (Switch).

Switch - многопортовое устройство, обеспечивающее высокоскоростную коммутацию пакетов между портами.

В сети с коммутацией пакетов - устройство, направляющее пакеты, обычно на один из узлов магистральной сети. Такое устройство называется также коммутатором данных (data PABX).

...