1.6 Особенности современного этапа развития операционных систем

В 90-е годы практически все операционные системы, занимающие заметное место на рынке, стали сетевыми. Сетевые функции сегодня встраиваются в ядро ОС, являясь ее неотъемлемой частью. Операционные системы получили средства для работы со всеми основными технологиями локальных и глобальных сетей, а также средства для создания составных сетей. Появились специализированные ОС, которые предназначены исключительно для выполнения коммуникационных задач. Например, сетевая операционная система IOS компании Cisco Systems, работающая в маршрутизаторах, организует в мультипрограммном режиме выполнение набора программ, каждая из которых реализует один из коммуникационных протоколов.

Особое внимание в течение всего последнего десятилетия уделялось корпоративным сетевым операционным системам. Их дальнейшее развитие представляет одну из наиболее важных задач и в обозримом будущем. Корпоративная операционная система отличается способностью хорошо и устойчиво работать в крупных сетях, которые характерны для больших предприятий, имеющих отделения в десятках городов и, возможно, в разных странах. К настоящему времени достаточно явно определилась тройка лидеров в классе корпоративных ОС -- это Novell NetWare 4.x и 5.0, Microsoft Windows NT 4.0 и Windows 2000, а также UNIX-системы различных производителей аппаратных платформ.

На современном этапе развития операционных систем на передний план вышли средства обеспечения безопасности. Это связано с возросшей ценностью информации, обрабатываемой компьютерами, а также с повышенным уровнем угроз, существующих при передаче данных но сетям, особенно по публичным, таким как Интернет. Многие операционные системы обладают сегодня развитыми средствами защиты информации, основанными на шифрации данных, аутентификации и авторизации.

Современным операционным системам присуща многоплатформенность, то есть способность работать на совершенно различных типах компьютеров.

В последние годы получила дальнейшее развитие долговременная тенденция повышения удобства работы человека с компьютером. Эффективность работы человека становится основным фактором, определяющим эффективность вычислительной системы в целом. Усилия человека не должны тратиться на настройку параметров вычислительного процесса, как это происходило в ОС предыдущих поколений. Например, в системах пакетной обработки для больших компьютеров каждый пользователь должен был с помощью языка управления заданиями определить большое количество параметров, относящихся к организации вычислительных процессов в компьютере. Так, для системы OS/360 язык управления заданиями JCL предусматривал возможность определения пользователем более 40 параметров, среди которых были приоритет задания, требования к основной памяти, предельное время выполнения задания, перечень используемых устройств ввода-вывода и режимы их работы.

Современная операционная система берет на себя выполнение задачи выбора параметров операционной среды, используя для этой цели различные адаптивные алгоритмы. Даже в процессе установки большинство ОС предлагают режим выбора параметров по умолчанию, который гарантирует пусть не оптимальное, но всегда приемлемое качество работы систем.

Постоянно повышается удобство интерактивной работы с компьютером путем включения в операционную систему развитых графических интерфейсов, использующих наряду с графикой звук и видеоизображение. Это особенно важно для превращения компьютера в терминал новой публичной сети, которой постепенно становится Интернет, так как для массового пользователя терминал должен быть почти таким же понятным и удобным, как телефонный аппарат. Пользовательский интерфейс операционной системы становится все более интеллектуальным, направляя действия человека в типовых ситуациях и принимая за него рутинные решения.

2. Назначение и функции операционной системы

Сегодня существует большое количество разных типов операционных систем, отличающихся областями применения, аппаратными платформами и методами реализации. Естественно, это обуславливает и значительные функциональные различия этих ОС. Даже у конкретной операционной системы набор выполняемых функций зачастую определить не так просто - та функция, которая сегодня выполняется внешним по отношению к ОС компонентом, завтра может стать ее неотъемлемой частью и наоборот. Поэтому при изучении ОС очень важно из всего многообразия выделить те функции, которые присущи им всем как классу программных продуктов.

2.1 Операционные системы для автономного компьютера

Операционная система компьютера представляет собой комплекс взаимосвязанных программ, который действует как интерфейс между приложениями и пользователями с одной стороны, и аппаратурой компьютера с другой стороны. В соответствии с этим определением ОС выполняет две группы функций:

- предоставление пользователю или программисту вместо реальной аппаратуры компьютера расширенной виртуальной машины, с которой удобней работать и которую легче программировать;

- повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами в соответствии с некоторым критерием.

2.2 ОС как виртуальная машина

Для того чтобы успешно решать свои задачи, современный пользователь или даже прикладной программист может обойтись без досконального знания аппаратного устройства компьютера. Ему не обязательно быть в курсе того, как функционируют различные электронные блоки и электромеханические узлы компьютера. Более того, очень часто пользователь может не знать даже системы команд процессора. Пользователь-программист привык иметь дело с мощными высокоуровневыми функциями, которые ему предоставляет операционная система.

Так, например, при работе с диском программисту, пишущему приложение для работы под управлением ОС, или конечному пользователю ОС достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя. Последовательность действий при работе с файлом заключается в его открытии, выполнении одной или нескольких операций чтения или записи, а затем в закрытии файла. Такие частности, как используемая при записи частотная модуляция или текущее состояние двигателя механизма перемещения магнитных головок чтения/записи, не должны волновать программиста. Именно ОС скрывает от программиста большую часть особенностей аппаратуры и предоставляет возможность простой и удобной работы с требуемыми файлами.

Если бы программист работал непосредственно с аппаратурой компьютера, без участия ОС, то для организации чтения блока данных с диска программисту пришлось бы использовать более десятка команд с указанием множества параметров: номера блока на диске, номера сектора на дорожке и т.п. А после завершения операции обмена с диском он должен был бы предусмотреть в своей программе анализ результата выполненной операции. Учитывая, что контроллер диска способен распознавать более двадцати различных вариантов завершения операции, можно считать программирование обмена с диском на уровне аппаратуры не самой тривиальной задачей. Не менее обременительной выглядит и работа пользователя, если бы ему для чтения файла с терминала потребовалось задавать числовые адреса дорожек и секторов.

Операционная система избавляет программистов не только от необходимости напрямую работать с аппаратурой дискового накопителя, предоставляя им простой файловый интерфейс, но и берет на себя все другие рутинные операции, связанные с управлением другими аппаратными устройствами компьютера: физической памятью, таймерами, принтерами и т.д.

В результате реальная машина, способная выполнять только небольшой набор элементарных действий, определяемых ее системой команд, превращается в виртуальную машину, выполняющую широкий набор гораздо более мощных функций. Виртуальная машина тоже управляется командами, но это уже команды другого, более высокого уровня: удалить файл с определенным именем, запустить на выполнение некоторую прикладную программу, повысить приоритет задачи, вывести текст из файла на печать. Таким образом, назначение ОС состоит в предоставлении пользователю/программисту некоторой расширенной виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальный компьютер или реальную сеть.

2.3 ОС как система управления ресурсами

Операционная система не только предоставляет пользователям и программистам удобный интерфейс к аппаратным средствам компьютера, но и является механизмом, распределяющим ресурсы компьютера.

К числу основных ресурсов современных вычислительных систем могут быть отнесены такие ресурсы, как процессоры, основная память, таймеры, наборы данных, диски, накопители на магнитных лентах, принтеры, сетевые устройства и некоторые другие. Ресурсы распределяются между процессами. Процесс (задача) представляет собой базовое понятие большинства современных ОС и часто кратко определяется как программа в стадии выполнения. Программа - это статический объект, представляющий собой файл с кодами и данными. Процесс - это динамический объект, который возникает в операционной системе после того, как пользователь или сама операционная система решает «запустить программу на выполнение», то есть создать новую единицу вычислительной работы. Например, ОС может создать процесс в ответ на команду пользователя run prgi.exe, где prgi.exe - это имя файла, в котором хранится код программы.

Управление ресурсами вычислительной системы с целью наиболее эффективного их использования является назначением операционной системы. Например, мультипрограммная операционная система организует одновременное выполнение сразу нескольких процессов на одном компьютере, поочередно переключая процессор с одного процесса на другой, исключая простои процессора, вызываемые обращениями процессов к вводу-выводу. ОС также отслеживает и разрешает конфликты, возникающие при обращении нескольких процессов к одному и тому же устройству ввода-вывода или к одним и тем же данным.

Критерий эффективности, в соответствии с которым ОС организует управление ресурсами компьютера, может быть различным. Например, в одних системах важен такой критерий, как пропускная способность вычислительной системы, в других -- время ее реакции. Соответственно выбранному критерию эффективности операционные системы по-разному организуют вычислительный процесс.

Управление ресурсами включает решение следующих общих, не зависящих от типа ресурса задач:

1. планирование ресурса -- то есть определение, какому процессу, когда и в каком количестве (если ресурс может выделяться частями) следует выделить данный ресурс;

2. удовлетворение запросов на ресурсы;

3. отслеживание состояния и учет использования ресурса -- то есть поддержание оперативной информации о том, занят или свободен ресурс и какая доля ресурса уже распределена;

4. разрешение конфликтов между процессами.

Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, особенности которых, в конечном счете, и определяют облик ОС в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Например, применяемый алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, может ли ОС использоваться как система разделения времени, система пакетной обработки или система реального времени.

Задача организации эффективного совместного использования ресурсов несколькими процессами является весьма сложной, и сложность эта порождается в основном случайным характером возникновения запросов на потребление ресурсов. В мультипрограммной системе образуются очереди заявок от одновременно выполняемых программ к разделяемым ресурсам компьютера: процессору, странице памяти, к принтеру, к диску. ОС организует обслуживание этих очередей по разным алгоритмам: в порядке поступления, на основе приоритетов, кругового обслуживания и т.д.

Таким образом, управление ресурсами составляет важную часть функций любой операционной системы, в особенности мультипрограммной. В отличие от функций расширенной машины большинство функций управления ресурсами выполняются операционной системой автоматически и прикладному программисту недоступны.

2.4 Функциональные компоненты операционной системы автономного компьютера

Функции операционной системы автономного компьютера обычно группируются либо в соответствии с типами локальных ресурсов, которыми управляет ОС, либо в соответствии со специфическими задачами, применимыми ко всем ресурсам. Иногда такие группы функций называют подсистемами. Наиболее важными подсистемами управления ресурсами являются подсистемы управления процессами, памятью, файлами и внешними устройствами, а подсистемами, общими для всех ресурсов, являются подсистемы пользовательского интерфейса, защиты данных и администрирования.

2.4.1 Управление процессами

Важнейшей частью операционной системы, непосредственно влияющей на функционирование вычислительной машины, является подсистема управления процессами.

Для каждого вновь создаваемого процесса ОС генерирует системные информационные структуры, которые содержат данные о потребностях процесса в ресурсах вычислительной системы, а также о фактически выделенных ему ресурсах. Таким образом, процесс можно также определить как некоторую заявку на потребление системных ресурсов,

Чтобы процесс мог быть выполнен, операционная система должна назначить ему область оперативной памяти, в которой будут размещены коды и данные процесса, а также предоставить ему необходимое количество процессорного времени. Кроме того, процессу может понадобиться доступ к таким ресурсам, как файлы и устройства ввода-вывода.

В информационные структуры процесса часто включаются вспомогательные данные, характеризующие историю пребывания процесса в системе (например, какую долю времени процесс потратил на операции ввода-вывода, а какую на вычисления), его текущее состояние (активное или заблокированное), степень привилегированности процесса (значение приоритета). Данные такого рода могут учитываться операционной системой при принятии решения о предоставлении ресурсов процессу.

В мультипрограммной операционной системе одновременно может существовать несколько процессов. Часть процессов порождается по инициативе пользователей и их приложений, такие процессы обычно называют пользовательскими. Другие процессы, называемые системными, инициализируются самой операционной системой для выполнения своих функций.

Поскольку процессы часто одновременно претендуют на одни и те же ресурсы, то в обязанности ОС входит поддержание очередей заявок процессов на ресурсы, например очереди к процессору, к принтеру, к последовательному порту.

Важной задачей операционной системы является защита ресурсов, выделенных данному процессу, от остальных процессов. Одним из наиболее тщательно защищаемых ресурсов процесса являются области оперативной памяти, в которой хранятся коды и данные процесса. Совокупность всех областей оперативной памяти, выделенных операционной системой процессу, называется его адресным пространством. Говорят, что каждый процесс работает в своем адресном пространстве, имея в виду защиту адресных пространств, осуществляемую ОС. Защищаются и другие типы ресурсов, такие как файлы, внешние устройства и т. д. Операционная система может не только защищать ресурсы, выделенные одному процессу, но и организовывать их совместное использование, например, разрешать доступ к некоторой области памяти нескольким процессам.

Таким образом, подсистема управления процессами планирует выполнение процессов, то есть распределяет процессорное время между несколькими одновременно существующими в системе процессами, занимается созданием и уничтожением процессов, обеспечивает процессы необходимыми системными ресурсами, поддерживает синхронизацию процессов, а также обеспечивает взаимодействие между процессами.

2.4.2 Управление памятью

Память является для процесса таким же важным ресурсом, как и процессор, так как процесс может выполняться процессором только в том случае, если его коды и данные (не обязательно все) находятся в оперативной памяти. Управление памятью включает распределение имеющейся физической памяти между всеми существующими в системе в данный момент процессами, загрузку кодов и данных процессов в отведенные им области памяти, настройку адресно-зависимых частей кодов процесса на физические адреса выделенной области, а также защиту областей памяти каждого процесса.

Существует большое разнообразие алгоритмов распределения памяти. Они могут отличаться, например, количеством выделяемых процессу областей памяти (в одних случаях память выделяется процессу в виде одной непрерывной области, а в других - в виде нескольких несмежных областей), степенью свободы границы областей (она может быть жестко зафиксирована на все время существования процесса или же динамически перемещаться при выделении процессу дополнительных объемов памяти).

Одним из наиболее популярных способов управления памятью в современных операционных системах является так называемая виртуальная память. Наличие в ОС механизма виртуальной памяти позволяет программисту писать программу так, как будто в его распоряжении имеется однородная оперативная память большого объема, часто существенно превышающего объем имеющейся физической памяти. В действительности все данные, используемые программой, хранятся на диске и при необходимости частями отображаются в физическую память. При перемещении кодов и данных между оперативной памятью и диском подсистема виртуальной памяти выполняет трансляцию виртуальных адресов, полученных в результате компиляции и компоновки программы, в физические адреса ячеек оперативной памяти. Очень важно, что все операции по перемещению кодов и данных между оперативной памятью и дисками, а также трансляция адресов выполняются ОС прозрачно для программиста.

Защита памяти -- это избирательная способность предохранять выполняемую задачу от записи или чтения памяти, назначенной другой задаче. Правильно написанные программы не пытаются обращаться к памяти, назначенной другим. Но реальные программы часто содержат ошибки и такие попытки иногда предпринимаются. Средства защиты памяти, реализованные в ОС, должны пресекать несанкционированный доступ процессов к чужим областям памяти.

Таким образом, функциями ОС по управлению памятью являются отслеживание свободной и занятой памяти; выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов; защита памяти; вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти недостаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место, а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.

2.4.3 Управление файлами и внешними устройствами

Способность ОС к «экранированию» сложностей реальной аппаратуры очень ярко проявляется в одной из ее основных подсистем - файловой системе. ОС виртуализирует отдельный набор данных, хранящихся на внешнем накопителе, в виде файла.

Файл - простая неструктурированная последовательность байтов, имеющая символьное имя. Файлы группируются в каталоги (папки). Они, в свою очередь, образуют группы - каталоги (папки) более высокого уровня. Пользователь может с помощью ОС выполнять над файлами и каталогами такие действия, как поиск по имени, удаление, вывод содержимого на внешнее устройство (например, на дисплей), изменение и сохранение содержимого. При этом для поддержания иерархической структуры ОС надо решать множество задач.

Файловая система ОС выполняет преобразование символьных имен файлов, с которыми работает пользователь или прикладной программист, в физические адреса данных на диске, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа.

При выполнении своих функций файловая система тесно взаимодействует с подсистемой управления внешними устройствами, которая по запросам файловой системы осуществляет передачу данных между дисками и оперативной памятью.

Подсистема управления внешними устройствами (ввода-вывода), исполняет роль интерфейса ко всем устройствам, подключенным к компьютеру. Спектр этих устройств очень обширен и может насчитывать сотни моделей. Они могут существенно отличаться набором и последовательностью команд, с помощью которых осуществляется обмен информацией с процессором и памятью компьютера, скоростью работы, кодировкой передаваемых данных, возможностью совместного использования и множеством других деталей.

Драйвер - (англ. drive -- управлять, вести) программа, управляющая конкретной моделью внешнего устройства и учитывающая все его особенности. Он может управлять единственной моделью устройства, например, каким-либо конкретным модемом, или же группой устройств определенного типа. Для пользователя очень важно, чтобы ОС включала как можно больше разнообразных драйверов, так как это гарантирует возможность подключения к компьютеру большого числа внешних устройств различных производителей. От этого зависит успех ОС на рынке (в этом одна из причин низкой популярности OS/2).

Созданием драйверов устройств занимаются как разработчики конкретной ОС, так и специалисты компаний, выпускающих внешние устройства. ОС должна поддерживать хорошо определенный интерфейс между драйверами и собой. Тогда разработчики из компаний-производителей устройств ввода-вывода могут поставлять вместе со своими устройствами драйверы для данной ОС.

2.5 Защита данных и администрирование

Безопасность данных вычислительной системы обеспечивается средствами отказоустойчивости ОС, направленными на защиту от сбоев и отказов аппаратуры и ошибок программного обеспечения, а также средствами защиты от несанкционированного доступа, В последнем случае ОС защищает данные от ошибочного или злонамеренного поведения пользователей системы.

Первым рубежом обороны при защите данных от несанкционированного доступа является процедура логического входа. ОС должна убедиться, что в систему пытается войти пользователь, вход которого разрешен администратором. Их функции вообще очень тесно связаны, т.к. именно администратор определяет права пользователей на обращение к ресурсам системы - файлам, каталогам, принтерам, сканерам и т.п. Администратор же ограничивает возможности пользователей в выполнении тех или иных системных действий. Например, может запретить выполнять процедуру завершения работы ОС, устанавливать системное время, завершать чужие процессы, создавать учетные записи пользователей, изменять права доступа к некоторым каталогам и файлам. Или уменьшить возможности интерфейса, убрав, например, некоторые пункты из меню ОС, выводимого на дисплей пользователя.

Важным средством защиты данных являются функции аудита ОС - фиксация всех событий, от которых зависит безопасность системы. Например, попытки удачного и неудачного логического входа в систему, операции доступа к некоторым каталогам и файлам, использование принтеров и т. п. Список событий, которые необходимо отслеживать, определяет администратор ОС.

Отказоустойчивость реализуется ОС, как правило, резервированием (например, поддержание нескольких копий данных на разных дисках или разных накопителях, резервирование принтеров и других устройств ввода-вывода). При отказе одного из избыточных устройств ОС должна быстро и прозрачным для пользователя образом реконфигурировать систему и продолжить работу с резервным устройством. Особый случай - использование нескольких процессоров (мультипроцессирование), когда работа продолжается при отказе одного из процессоров, хотя и с меньшей производительностью. (Многие ОС используют мультипроцессорную конфигурацию компьютера только для ускорения работы. При отказе какого-то процессора они прекращают работу.)

Поддержка отказоустойчивости также входит в обязанности системного администратора. В ОС обычно входят утилиты, позволяющие администратору выполнять регулярные операции резервного копирования для обеспечения быстрого восстановления важных данных.

2.6 Интерфейс прикладного программирования

Прикладные программисты используют в своих приложениях обращения к ОС, когда для выполнения тех или иных действий требуется ее особый статус. Так, сейчас только ОС может выполнять все действия, связанные с управлением аппаратными средствами компьютера. Прикладной программист может также применить набор сервисных функций ОС, которые упрощают написание приложений. Эти функции реализуют универсальные действия, часто требующиеся в различных приложениях. Они могли бы быть выполнены и самим приложением, но проще использовать уже готовые, отлаженные процедуры, включенные в ОС. Хотя это можно сделать самостоятельно в рамках приложения, если предложенный ОС вариант не вполне устраивает.

Возможности ОС доступны прикладному программисту в виде набора функций, называющегося интерфейсом прикладного программирования (Application Programming Interface, API). От конечного пользователя эти функции скрыты за оболочкой алфавитно-цифрового или графического пользовательского интерфейса.

2.7 Пользовательский интерфейс

ОС обеспечивает удобный интерфейс для прикладных программ и для человека, работающего за терминалом. Он может быть конечным пользователем, администратором ОС или программистом.

В ранних ОС пакетного режима пользовательский интерфейс был сведены к минимуму и не требовал наличия терминала. Команды языка управления заданиями набивались на перфокарты, а результаты выводились на печатающее устройство. Сейчас ОС развито поддерживают пользовательский интерфейс для интерактивной работы за терминалами двух типов: алфавитно-цифровыми и графическими.

За алфавитно-цифровым терминалом пользователь применяет систему команд, соответствующих функциям ОС. Обычно ее командный язык запускает и останавливает приложения, выполняет различные операции с файлами и каталогами, выдает состояния (о количестве работающих процессов, объемах пространства на дисках и т.п.), администрирует систему. Команды могут вводиться не только в интерактивном режиме с терминала, но и считываться из так называемого командного файла, содержащего некоторую последовательность команд.

Программный модуль ОС, ответственный за чтение отдельных команд или же последовательности команд из командного файла, иногда называют командным интерпретатором.

Ввод команды может быть упрощен, если ОС поддерживает графический пользовательский интерфейс. Тогда с помощью мыши на экране выбирается нужный пункт меню или графический символ.

2.8 Требования к современным операционным системам

Главное требование к ОС - выполнение ею основных функций эффективного управления ресурсами и обеспечение удобного интерфейса для пользователя и прикладных программ. Сейчас, как правило, она должна поддерживать мультипрограммную обработку, виртуальную память, многооконный графический интерфейс пользователя, выполнять многие другие функции и услуги. Кроме этих требований функциональной полноты к ОС предъявляются не менее важные эксплуатационные требования, которые перечислены ниже.

1. Расширяемость. Аппаратная часть ЭВМ устаревает за несколько лет, а полезная жизнь ОС может измеряться десятилетиями (например, UNIX). Поэтому ОС изменяются эволюционно и более значимо, чем аппаратные средства. Обычно это приобретение новых свойств, например поддержка других внешних устройств или сетевых технологий. Расширяемая ОС такая, код которой написан так, чтобы дополнения и изменения вносились без нарушения целостности системы. Расширяемость достигается за счет модульной структуры ОС, при которой программы строятся из набора отдельных модулей, взаимодействующих только через функциональный интерфейс.

2. Переносимость. В идеале код ОС должен легко переноситься с процессора одного типа на процессор другого типа и с аппаратной платформы (которые различаются не только типом процессора, но и способом организации всей аппаратуры компьютера) одного типа на аппаратную платформу другого типа (многоплатформенность).

3. Совместимость. Существует несколько «долгоживущих» популярных операционных систем (разновидности UNIX, MS-DOS, Windows, Windows NT, OS/2). Поэтому пользователям при переходе с одной системы на другую, очень привлекательна возможность запуска в новой среде привычного приложения. Совместимость ОС - наличие средств для выполнения прикладных программ, написанных для других ОС. Есть совместимость на уровне двоичных кодов, исходных текстов, поддержки пользовательских интерфейсов других ОС.

4. Надежность и отказоустойчивость. Система должна быть защищена как от внутренних, так и от внешних ошибок, сбоев и отказов. Ее действия должны быть всегда предсказуемыми, а приложения не должны иметь возможности наносить вред ОС. Надежность и отказоустойчивость ОС, прежде всего, определяются архитектурными решениями, а также качеством ее реализации (отлаженностью кода). Кроме того, важно, включает ли ОС программную поддержку аппаратных средств обеспечения отказоустойчивости, таких, например, как дисковые массивы или источники бесперебойного питания.

5. Безопасность. Современная ОС должна защищать данные и другие ресурсы вычислительной системы от несанкционированного доступа. Для этого, она должна как минимум иметь средства: аутентификации - определения легальности пользователей; авторизации - предоставления легальным пользователям дифференцированных прав доступа к ресурсам; аудита - фиксации всех «подозрительных» для безопасности системы событий. Особенно важно это для сетей, где к задаче контроля доступа добавляется задача защиты передаваемых данных.

6. Производительность. ОС должна обладать настолько хорошим быстродействием и временем реакции, насколько это позволяет аппаратная платформа. Основные факторы этого: архитектура ОС, многообразие функций, качество программирования кода, возможность исполнения на высокопроизводительной (многопроцессорной) платформе.

ТЕМА 4. ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТЫ С ЭЛЕКТРОННЫМИ ТАБЛИЦАМИ. ОСНОВЫ ПРАВОВОЙ СТАТИСТИКИ

ЛЕКЦИЯ: ОСНОВЫ ПРАВОВОЙ СТАТИСТИКИ

1. Понятие и содержание статистического исследования социально-правовых исследований

Статистика - это отрасль науки, которая с помощью присущих ей приемов и методов изучает количественную сторону (в неразрывной связи с качественной стороной) массовых явлений и процессов и дает числовое выражение тенденций и закономерностей их развития.

Таким образом, предметом изучения статистики как науки являются количественные характеристики социальных явлений, через которые можно познать качественное содержание социальных процессов.

В статистическом исследовании социальных явлений можно выделить четыре следующие стадии:

1) статистическое наблюдение;

2) систематизация (классификация) собранного материала и

вычисление обобщающих показателей;

3) выявление тенденций, и взаимосвязей в совокупности собранных фактов.

4) прогноз.

2. Статистическое наблюдение

Статистическое наблюдение -- первый этап статистического исследования -- планомерное, научно организованное и, как правило, систематическое получение данных (сбор сведений) о массовых явлениях и процессах социально-правовой жизни путем регистрации существенных признаков каждой единицы их совокупности.

Прежде чем приступить к рассмотрению особенностей процедуры статистического наблюдения, следует сделать несколько замечаний о таких понятиях как генеральная совокупность и выборка.

Генеральная совокупность определяется как полная совокупность объектов, подвергающихся статистическому исследованию.

Применительно к сфере правоохранительной деятельности такими объектами могут быть, например, все сотрудники в определенном регионе или все лица в определенном году, выявленные в связи с совершением краж, или все осужденные на территории региона, содержащиеся в колониях общего режима. Ясно, что на практике исследование генеральной совокупности не только не экономично, но и зачастую невозможно. Поэтому формируют выборку, исследуя которую, производят оценку свойств генеральной совокупности.

Разность между характеристиками генеральной совокупности и выборочной совокупности называют ошибкой репрезентативности.

Различают следующие способы организации выборок:

1. Собственно-случайная выборка - выборка конкретных единиц генеральной совокупности без дробления последней на группы (выборка конкретных уголовных дел экспертами для исследования).

2. Типическая выборка. Генеральная совокупность делится по тому или иному признаку на типические группы. Критерий деления - минимизация колеблемости признака в группе. Количество единиц в каждой группе выбирается пропорционально среднему отклонению от средней величины признака в группе (деление всех осужденных на территории региона по социальным группам).

3. Серийная выборка применяется при дефиците ресурсов. Генеральная совокупность делится на ряд групп (например, отделы и службы в управлении внутренних дел региона). Затем случайным образом делается выборка из них. Выборка исследуется сплошным способом.

4. Комбинированная выборка осуществляется в два этапа:

1 этап - выборочный отбор серий (аналогично серийной выборке).

2 этап - выборочный отбор единиц из этих серий (отбор сотрудников из выбранных серий, прослуживших менее трех лет для изучения их профессиональной пригодности).

5. Механическая (систематическая) выборка - отбор единиц по списку, через определенный интервал (отбор для изучения каждого третьего уголовного дела из общего числа возбужденных за год).

Само получение статистической информации проводится различными способами, важнейшими из которых являются:

1) непосредственное наблюдение;

2) документальный учет фактов;

3) опрос.

Непосредственное наблюдение - метод сбора информации об изучаемом социальном объекте путем непосредственного восприятия и регистрации фактов, касающихся изучаемого объекта и значимых с точки зрения целей исследования.

Объектами такого наблюдения могут быть:

- поведение отдельных лиц или групп в условиях конкретной обстановки или определенной ситуации;

- высказывания, реакции, суждения правонарушителей или лиц из контрольной группы;

- результаты действий (бездействия) правонарушителей, а также лиц, осуществляющих профилактику правонарушений;

- среда, окружающая обстановка изучаемого контингента.

Документальный способ наблюдения основан на использовании в качестве источника статистической информации различного рода документов, как правило, учетного характера.

Выделяют текстовые документы и статистические материалы. При изучении уголовно-правовых явлений к текстовым документам принято относить:

- нормативные материалы;

- материалы правоприменительной практики (уголовные дела);

- обобщения судебной практики (криминологические аспекты);

- материалы прессы (общественное мнение о праве, проблемы правового воспитания и т.д.);

- личные документы (письма, дневники, автобиографии);

- справочники (косвенная документация);

- художественная литература.

К статистическим материалам относятся документы государственной отчетности организаций, составляемые по определенной программе, формам и в определенные сроки. Например, итоговые документы комплексного анализа оперативной обстановки составляются за три, шесть, девять и двенадцать месяцев по строго определенной форме, закрепленной в приказе Министра внутренних дел.

Важнейшим достоинством статистических документов является их методическая строгость и постоянство ведения, что позволяет всесторонне анализировать, сравнивать и прогнозировать процессы развития уголовно-правовых явлений.

При опросе источником сведений являются сами опрашиваемые лица. Это способ сбора данных об объективных фактах, мнениях, знаниях и т.д. основан на непосредственном и опосредованном (опрос -- анкетирование) взаимодействии между исследователем (интервьюером) и опрашиваемым (респондентом).

Основными методами опроса являются анкетирование и интервью.

Анкетирование - распространение среди населения опросных листов, в которых респонденту (человеку, у которого берется интервью) предлагается ответить в письменной форме на ряд вопросов по интересующей исследователя тематике. Ряд социально-правовых проблем (общественное мнение о законодательстве, престиж права, эффективность правового воспитания и т.п.) вообще нельзя изучать, не прибегая к анкетному опросу.

Интервью - беседа, проводимая с респондентом по определенному плану. Это более трудоемкая процедура, чем анкетирование. Поэтому ее надо использовать только в целях более глубокого анализа.

3. Систематизация собранного материала и вычисление обобщающих показателей

Полученный в результате статистического наблюдения или опроса материал необходимо сгруппировать и обработать так, чтобы выявить структуру исследуемой системы или процесса. Затем путем вычисления обобщающих показателей определяются типичные черты изучаемой совокупности.

Основу указанного процесса составляет сведение статистических данных в однородные группы.

Различают группировки простые (простая классификация), образуемые по одному признаку, и сложные (сложная классификация), основанные на двух и более признаках.

Технология простой классификации.

Для каждого значения признака фиксируется число случаев появления его в массиве, подсчитывается абсолютная и относительная частота в процентах. Полученная пара рядов (значение признака и соответствующая ему частота) называется рядом распределения.

Ряд распределения, сформированный в результате классификации по количественному признаку (например, по возрасту), называется вариационным (табл.1).

Таблица 1

Возраст осужденных	18	19	20	21	22	23	24	25	26
Число осужденных	1	2	4	6	8	6	4	2	1

Ряд распределения, сформированный в результате классификации по качественному признаку (например, по видам преступления), называется атрибутивным (табл. 2).

Таблица 2

Вид преступления	Убийство	Грабеж	Кража	Разбой	Терроризм
Количество	21	17	123	35	2

Простая группировка (классификация по одному признаку) позволяет понять структуру исследуемой системы.

Следующий шаг - вычисление обобщающих характеристик, позволяющих глубже понять особенности распределения.

Обобщающие показатели подразделяют на три вида:

1) относительные величины;

2) средние величины;

3) показатели вариации.

Относительной величиной называется мера соотношения объема признака с принятой базой - величиной, с которой сопоставляется показатель признака.

Например, в уголовно-правовой статистике активно используется коэффициент интенсивности преступности, который отражает распространенность явления среди населения по территориям и объектам. Он представляет собой отношение числа преступлений, преступников к численности населения на 100 тыс. или 10 тыс. человек.

Коэффициент преступности (интенсивности) определяется следующим образом:

, где:

П - абсолютное число уголовных преступлений (преступников);

Е - единица населения (10 тыс., 100 тыс.);

Н - численность населения.

Средняя арифметическая вычисляется путем деления объема признака на число выделенных его единиц, обладающих таким признаком.

А_ср = (А₁ + А₂ +...+ A_n)/n ,

где: n - количество выделенных единиц, обладающих общим признаком.

Вариацией признаков называются различия в численных значениях элементов, составляющих совокупность явлений.

Вычисление показателей вариации признаков служит хорошим дополнением к анализу, осуществляемому посредством средних величин, поскольку последние дают лишь общую картину изучаемого явления, не вскрывая их внутреннего содержания и степень однородности выборки.

Простейшим показателем вариации является вариационный размах.

Вариационный размах представляет собой разность между максимальным и минимальным значением признака в выборке:

R = X_MAX - X_MIN .

Используется только для грубой оценки колеблемости признаков.

4. Выявление тенденций и взаимосвязей в совокупности собранных фактов

4.1 Статистический анализ динамических рядов

Группировка первичного материала и вычисление обобщающих показателей позволяют определить особенности проявления исследуемых социальных процессов. Задача эффективного управления этими процессами требует анализа показателей во времени и взаимосвязи. Для отражения временного развития явления строятся динамические ряды. Они представляют собой совокупности последовательно расположенных показателей, характеризующих изменение какого-либо явления во времени (например, изменение численности населения за некоторый временной интервал - табл. 3).

Простейшими характеристиками динамического ряда являются: уровни ряда, абсолютный прирост, средний уровень ряда, темп роста, средний темп роста, темп прироста.

Числовые значения показателей динамического ряда называются уровнем ряда.

Абсолютным приростом называется разность между каким-то уровнем ряда и предыдущим уровнем или уровнем, принятым за базисный.

Таблица 3

Численность населения Индустриального района (тыс. чел.)

Годы	1996	1997	1998	1999	2000	2001
Численность Населения	244	243	240	235	236	234

Темп роста (коэффициент роста) показывает во сколько раз уровень данного периода больше или меньше предыдущего или базисного. Различают цепной способ и базисный.

Средний темп роста рассчитывается путем определения средней геометрической величины, т.е. перемножением коэффициентов роста и извлечения из этого произведения корня в степени, равной количеству коэффициентов.

Р_ср = .

Темп прироста - это относительный показатель того, на сколько процентов один уровень больше или меньше другого.

4.2 Выявление тенденций динамических рядов

Задача выявления тенденций в изменении уровней ряда решается путем применения методов выравнивания динамических рядов, которые можно разделить на эмпирические и аналитические.

К эмпирическим методам относят метод укрупнения интервалов и метод скользящей средней.

Суть способа укрупнения интервалов состоит в выборе укрупненного интервала, в пределах которого суммируются показатели уровней имеющегося ряда. Вновь полученные уровни образуют выравненный динамический ряд. Если такое преобразование сразу не приводит к выравниванию ряда, то тогда укрупняют интервал еще раз и т.д.

Для примера рассмотрим условный динамический ряд, характеризующий количество зарегистрированных преступлений по месяцам (см. табл. 4). Для выравнивания ряда выбираем интервал в 3 месяца и в пределах этого интервала суммируем уровни фактического ряда и получаем новый выравненный динамический ряд (см. табл.5).

Таблица 4

Количество преступлений по месяцам

ПРИЗНАК	Месяцы
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Количество преступлений	125	114	131	127	111	133	127	117	144	131	128	136

Для выравнивания динамических рядов используется и метод скользящей средней величины. Его суть заключается в замене фактических показателей уровней ряда скользящими средними величинами, взятыми в пределах последовательно скользящего интервала.

Таблица 5

Количество преступлений по кварталам

I	II	III	IV
370	371	388	395

При этом способе по каждому укрупненному интервалу берется средняя арифметическая фактических уровней, а интервал, начиная с первого, каждый раз переносится на один «шаг» вправо.

Рассмотрим использование метода скользящей средней для выравнивания динамического ряда коэффициента интенсивности (уровня) разбоев по России на 100 тыс. населения (см. табл. 6).

Таблица 6

Динамика уровня разбоев по России

Годы	1986	1987	1988	1989	1990	1991	1992	1993	1994
Уровень Разбоев	6,3	3,8	5,5	9,9	11,3	12,4	20,7	27,2	25,6

Принимаем укрупненный интервал в три года и в его пределах вычисляем среднюю арифметическую уровней:

6,3 + 3,8 + 5,5

= 5,2 .

3

Сдвигаем интервал на один «шаг» и вычисляем среднюю арифметическую для следующих трех месяцев:

3,8 + 5,5 + 9,9

= 6,4 .

3

В результате последующих аналогичных вычислений получаем выровненный ряд: 5,2; 6,4; 8,9; 11,2; 14,8; 20,1; 24,5.

Сущность аналитических способов выравнивания динамических рядов состоит в том, что, используя математические формулы, находят расчетные уровни рядов динамики, близких к фактическим и выявляющие тенденции развития изучаемого явления к настоящему моменту. Чаще всего здесь используют метод наименьших квадратов (рис.1).

Рис. 1. Получение тренда методом наименьших квадратов

Суть его заключается в нахождении по фактическим данным динамического ряда (линия 1) такой теоретической кривой (в данном случае полиномиальной), точки которой равноудалены от линии 1.

Полученная расчетная кривая отражает длительную тенденцию изменения каких либо показателей, носит название тренда (англ. trend - тенденция) и является основой для дальнейшего прогнозирования изучаемого явления.

4.3 Выявление взаимосвязей в социальных процессах

Вычисление линии тренда, отражающей тенденцию преступности, является базой для разработки прогноза. Но прогнозирование как бы «сам из себя» без учета влияния внешних факторов может привести к достаточно серьезной ошибке. Особенно это касается нестабильных систем, где причинно-следственные зависимости быстро меняются не только по форме и силе, но иногда и по направлению.

Поэтому необходимо идти от исследования преступности в ее «чистом» виде к исследованию тех явлений, процессов и факторов, которые влияют на нее. Главным центральным вопросом при этом выступает не только определение и изучение таких факторов, но и расчет силы их влияния на преступность. Для исследования зависимостей между анализируемыми признаками обычно используют методы корреляционного и регрессионного анализов.

Корреляционный анализ

Между социально-экономическими явлениями и процессами возможны два вида зависимости: функциональная и стохастическая. При функциональной зависимости имеется однозначное соответствие тех или иных параметров, характеризующих различные явления. Примеры такого рода зависимостей в социальной среде практически не встречаются.

При стохастической (вероятностной) зависимости конкретному значению зависимой переменной соответствует набор значений объясняющей переменной. Это связано, прежде всего, с тем, что на зависимую переменную оказывает влияние ряд неучтенных факторов. Кроме того, сказываются ошибки измерения переменных: вследствие случайного разброса их значения могут быть указаны лишь с определенной вероятностью.

В социально-экономической сфере приходится сталкиваться со многими явлениями, имеющими вероятностную природу. Так, число совершенных и раскрытых преступлений за фиксированный отрезок времени, число дорожно-транспортных происшествий в каком-либо регионе за определенное время - все это случайные величины. Для изучения стохастических взаимосвязей существуют специальные методы, в частности, корреляционный анализ («корреляция» - соотношение, связь между имеющимися явлениями и процессами).

Статистической (стохастической) зависимостью величины Y от нескольких переменных x₁, x₂, ..., х_n называется связь, в соответствии с которой при изменением значения факторных переменных x₁, x₂, ..., х_n результативная переменная Y может принимать любые значения с некоторыми вероятностями, но ее среднее значение или иные статистические (массовые) характеристики изменяются по определенному закону. Статистическая связь между различными показателями предполагает, что каждый из них имеет случайную вариацию индивидуальных значений относительно средней величины.

Корреляционной связью двух переменных называют частный случай статистической связи, состоящий в том, что разным значениям факторной переменной X соответствуют различные средние значения результативной переменной Y. Слово «корреляция» ввел в употребление Ф.Гальтон в конце XIXв. обозначая им соответствие (correlation), в отличие от обычной функциональной связи (relation).

Если рассматривается взаимосвязь двух переменных, в которой случайную вариацию имеет лишь один из признаков, а значения другого являются жестко детерминированными, то говорят о регрессии, а не о статистической связи. Например, при анализе динамических рядов можно измерять регрессию уровня преступности на номера лет, но нельзя говорить о корреляции между ними и применять показатели корреляции с соответствующей им интерпретацией.

Корреляционная связь между признаками может возникать тремя путями. Во_первых, она может проявиться как причинная зависимость результативного признака (его вариации) от вариации факторного признака. Например, признак X - уровень безработицы, признак Y - уровень преступности.

Во-вторых, она может проявиться между двумя следствиями общей причины. Известен пример, приведенный А.А.Чупровым: если в качестве признака X взять число пожарных команд в городе, а за признак Y - сумму убытков за год в городе от пожаров, то между признаками X и Y в совокупности городов России имеется прямая корреляция. В среднем, чем больше пожарников в городе, тем больше и убытков от пожаров! Данную корреляцию нельзя интерпретировать как связь причины и следствия; оба признака - следствия общей причины - размера города.

...