Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Информационные технологии - файл 1.docx


Лекции - Информационные технологии
скачать (357.4 kb.)

Доступные файлы (1):

1.docx358kb.14.12.2011 05:14скачать

содержание

1.docx

  1   2   3


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Факультет по работе с иностранными студентами и дистанционным

технологиям

Кафедра информационных систем


КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Информационные технологии»

для студентов заочной (ускоренной) формы обучения

по специальности 230201

«Информационные системы и технологии»
Воронеж 2006



Лекция. №1

Тема. Информационный процесс обработки данных.

Вопросы

1.Организация вычислительного процесса

2.Организация обслуживания вычислительных задач

3. Организация планирования обработки вычислительных задач

4. Преобразование данных

5. Отображение данных
Процесс обработки данных в информационной технологии преследует определенную цель – решение с помощью ЭВМ вычислительных задач, которые отображают функциональные за

дачи той системы, в которой ведется управление. Для реали

зации этой цели должны существовать модели обработки дан

ных, соответствующие алгоритмам управления и воплощен

ные в машинных программах.

  1. ^ Организация вычислительного процесса


Процесс обработки включает в себя связанные между собой процедуры: организация вычислительного процесса (ОВП), преобразование данных и отображение данных (рис.1).

Рис. 1. Процедуры процесса обработки данных

Концептуальный уровень определяет содержание процедур процесса обработки данных, логичес

кий уровень определяет модели и методы, фор

мализующие процедуры обработки данных, а физический уровень - средства аппаратной реализации процедур.

Процедура ОВП имеет различную функциональную слож

ность в зависимости от класса и количества решаемых задач, режимов обработки данных, топологии системы обработки данных.

При обработке данных с помощью ЭВМ в зави

симости от конкретной задачи различают три основ

ных режима: пакетный режим, разделения времени, реального вре

мени.

^ При пакетном режиме обработки задания, а точ

нее, программы с соответствующими исходными данными, накапливаются на дисковой памяти ЭВМ, образуя "пакет". Программа представляет собой управляющую информацию, которая содержит сведения об именах задания, программ, данных, их местонахождения, порядке следования и др. Обработка заданий осуществляется в виде их непрерывного потока. Размещенные на диске задания образуют входную очередь, из которой они выбираются автоматически 

последо

вательно или по установленным приоритетам. Входные оче

реди могут пополняться в произвольные моменты времени. Такой режим позволяет максимально загрузить ЭВМ, так как отсутствуют простои между заданиями, но дает задержки в получении решения из-за того, что некоторое время задание простаивает в очереди.

^ Режим разделения времени реализуется путем выделения для выполнения заданий определенных интервалов времени, на

зываемых квантами. Предназначенные для обработки в этом режиме задания находятся в оперативной памяти ЭВМ одно

временно. В течение одного кванта обрабатывается одно за

дание, затем выполнение первого задания приостанавливает

ся с запоминанием полученных промежуточных результатов и номера следующего шага программы и в следующий квант обрабатывается второе задание и т. д. Задание при этом режи

ме находится все время в оперативной памяти вплоть до завершения его обработки. При большом числе одновременно поступающих на обработку заданий можно для более эффективного использования оперативной памяти временно пере

мещать во внешнюю память только что обрабатывавшееся задание до следующего своего кванта. В режиме разделения времени возможна также реализация диалоговых операций, обеспечивающих непосредственный контакт человека с вычис

лительной системой, так как ему выделяется квант в течение которого он имеет доступ к ресурсам компьютера.

^ Режим реального времени используется при обработке дан

ных в информационных технологиях, предназначенных для управления физическими процессами. В таких системах инфор

мационная технология должна обладать высокой скоростью реакции, чтобы успеть за короткий промежуток времени обработать поступившие данные и исполь

зовать полученные результаты для управления процессом. Поскольку в технологической системе управления потоки дан

ных имеют случайный характер, вычислительная система (ВС) всегда должна быть готова получать входные сигналы и об

рабатывать их. Повторить поступившие данные невозможно, поэтому потеря их недопустима.

В ЭВМ используют также режимы, называемые однопрог

раммными и мультипрограммными. В режиме разделения вре

мени используется вариант мультипрограммного режима.

Задания в виде программ и данных подвергаются процессу обработки, поступая из системы ввода, системы хранения, по каналам вычислительной сети. В этих условиях остро ставит

ся вопрос планирования и выполнения заданий в вычислительной системе.

Вычислительная среда, в которой протекает процесс обработки данных, может представлять собой одномашинный комплекс, работающий в режиме разделения времени (многопрограммном режиме), или многомашинный (многопроцессорный), в котором несколько заданий могут выполняться одно

временно на разных ЭВМ (процессорах). Но в обоих случаях поток заданий должен подвергаться диспетчированию, что означает организацию и обслуживание очереди. Задания, по

ступившие на обработку, накапливаются в очереди входных заданий. Из этой очереди они поступают на обработку в по



рядке, определяемом используемой системой приоритетов. Результаты решения задач накапливаются в выходные очере

ди, откуда они рассылаются либо в сеть, либо на устройство отображения, либо на устройство накопления.

^ 2.Организация обслуживания вычислительных задач
В зависимости от вида вычислительной системы, в которой организуется и планируется про

цесс обработки данных, возможны различные методы орга

низации и обслуживания очередей заданий. При этом пресле

дуется цель получения как можно лучших значений таких по

казателей, как производительность, загруженность ресурсов, малое время простоя, высокая пропускная способность, разум

ное время ожидания в очереди заданий (задание не должно ожидать вечно).

При организации обслуживания вычислительных задач на логическом уровне создается модель задачи обслуживания, ко

торая может иметь как прямой, так и оптимизационный ха

рактер. При постановке прямой задачи ее условиями являют

ся значения параметров вычислительной системы (ВС), а решением – показатели эффективности ОВП. При постановке обрат

ной, или оптимизационной, задачи условиями являются зна

чения показателей (или показателя) эффективности ОВП, а решением – параметры ВС.

В общем случае момент появления заданий в вычислитель

ной системе является случайным, случайным является и мо

мент окончания вычислительной обработки, так как заранее не известно, по какому алгоритму, а значит, и сколько време

ни будет протекать процесс. Тем не менее для конкретной си

стемы управления всегда можно получить статистические дан

ные о среднем количестве поступающих в единицу времени на обработку в ВС вычислительных задач, а также о среднем времени решения одной задачи. Наличие этих данных позволяет формально рассмотреть процедуру организа

ции вычислительного процесса с помощью теории систем мас

сового обслуживания (СМО). В этой теории при разработке аналитических моделей широко используются понятия и ме

тоды теории вероятности.

На рис. 2 изображена схема организации многомашин

ной вычислительной системы, где упорядочение очереди из по

тока заданий осуществляется диспетчером Д1, а ее обслужи

вание ЭВМ – через диспетчера Д2.


Рис.2. Схема организации обслуживания заданий в многомашинной вычислительной системе


Такая система может быть охарактеризована как система с дискретными состояниями и непрерывным временем. Под дис

кретными состояниями понимается то, что в любой момент времени система может находиться только в одном состоянии, а число состояний ограничено (может быть пронумеровано). Говоря о непрерывном времени, подразумевают, что границы переходов из состояния в состояние случайны и переход может произойти в принципе в любой момент времени.

Система изменя

ет свои состояния под действием потока заявок– поступающие заявки увеличивают очередь. Число заданий в очереди плюс число заданий, которые обрабатыва

ются ЭВМ (т.е. число заданий в системе), – это характеристи

ка состояния системы. Очередь уменьшается, как только одна из ЭВМ заканчивает обработку (обслуживание) задания. Тот

час же на эту ЭВМ из очереди поступает стоящее впереди (или по какому-либо другому приоритету) задание и очередь умень

шается. Таким образом, число заданий в системе растет бла

годаря потоку заданий, а уменьшается благодаря окончанию обслуживания с помощью ЭВМ.

В этой теории поток заданий (заявок на обслуживание) характеризу

ется интенсивностью l – средним количеством заявок, посту

пающих в единицу времени (скажем, в час). Среднее время обслуживания (обработки) одного задания tобсл, определяет так называемую интенсивность потока обслуживания m:


т. е. m показывает, сколько в среднем заданий обслуживается системой в единицу времени. Следует напомнить, что момен

ты появления заданий и моменты окончания обслуживания случайны, а интенсивности потоков являются результатом статистической обработки случайных событий на достаточно длинном промежутке времени и позволяют получить хотя и приближенные, но хорошо обозримые аналитические выра

жения для расчетов параметров и показателей эффективности системы массового обслуживания.

Рассматривая модель обслуживания заданий, мы исхо

дим из предположений того, что процессы в системе – марковские, а потоки – простейшие (пуассоновские).

Если эти предположения не

верны, то получить аналитические выражения трудно, а чаще всего невозможно. Для таких случаев моделирование проводит

ся с помощью метода статистических испытаний (метода Мон

те-Карло), который позволяет создать алгоритмическую модель, включающую элементы случайности, и путем ее многократно

го запуска получить статистические данные, обработка кото

рых дает значения финальных вероятностей состояний.

Организация очереди, поддержание ее струк

туры возлагаются на диспетчера Д1, а передача заданий из оче

реди на обработку в вычислительные машины, поддержание дис

циплины обслуживания в очереди (поддержка 

системы приори

тетов) осуществляются диспетчером Д2. В вычис

лительной системе диспетчеры реализуются в виде управляющих программ, входящих в состав операционных систем ЭВМ.

Появление заданий при технологическом процессе обработ

ки данных является случайным, но при решении задачи по программе должны быть учтены и минимизированы связи ре

шаемой задачи с другими функциональными задачами, опти

мизирован процесс обработки по ресурсному и временному критериям. Поэтому составной частью процедуры организа

ции вычислительного процесса является планирование после

довательности решения задач по обработке данных.

^ 3. Организация планирования обработки вычислительных задач
Эффективность обслуживания вычислительных задач (их про

грамм) зависит, прежде, всего от среднего времени обслужива

ния , поэтому в вычислительной системе требуется решать проблему минимизации времени обработки поступивших в си

стему заданий. Иногда эта проблема трансформируется в за

дачу максимизации загрузки устройств ЭВМ, являющихся но

сителями ресурсов.

При решении вычислительной задачи ЭВМ использует раз

личные свои ресурсы в объеме и последовательности, опреде

ляемых алгоритмом решения.

К ресурсам ЭВМ относятся объе

мы оперативной и внешней памяти, время работы процессора, время обращения к внешним устройствам. Естественно, что эти ресурсы ограни

чены.

То есть, требуется найти наилучшую последователь

ность решения поступивших на обработку вычислительных за

дач. Процесс определения последовательности решения задач во времени называется планированием.

Для того чтобы осуще

ствить планирование, необходимо знать, какие ресурсы и в ка

ком количестве требует каждая из поступивших задач. Анализ потребности задачи в ресурсах производится на основе ее про

граммы решения. Программа состоит, как правило, из ограни

ченного набора процедур с известными для данной ВС затратами ресурсов. После анали

за поступивших программ решения задач становится ясно, ка

кая задача требует каких ресурсов и в каком объеме. Наличие этих данных позволяет перейти к планированию вычислитель

ного процесса. Критерии, используемые при планировании, зависят от степени определенности алгоритмов решаемых за

дач. Крайних случаях два: порядок использования ус

тройств ЭВМ при решении задач строго задан их алгоритмами, а порядок использования устройств ВС в задачах заранее не известен. Для первого случая приемлемым является критерий минимизации суммарного времени решения вычислительных задач, для второго - максимизации загрузки устройств ВС.

Реализация функций и алгоритмов планирования вычисли

тельного процесса происходит с помощью управляющих про

грамм операционной 

системы ВС. Программа планировщик определяет ресурсоемкость каждой поступившей на обработ

ку задачи и располагает их в оптимальной последовательнос

ти. Подключение ресурсов в требуемых объемах к програм

мам выполнения задач осуществляет по запросу планировщи

ка управляющая программа супервизор, которая тоже входит в состав операционной системы.

Таким образом, одной из важнейших процедур инфор

мационного процесса обработки данных является органи

зация вычислительного процесса, которая выполняет фун

кции обслуживания поступающих на обработку заданий (очередей) и планирования (оптимизации последовательно

сти) их обработки. На программно-аппаратном уровне эти функции выполняют специальные управляющие програм

мы, являющиеся составной частью операционных систем, т. е. систем, организующих выполнение компьютером опе

раций обработки данных. Разнообразие методов и функций, используемых в алгоритмах организации вычислительного процесса, зависит от допустимых режимов обработки дан

ных в ВС.

В наиболее простой ВС, такой, как персональ

ный компьютер (ПК), не требуется управление очередями заданий и планирование вычислительных работ. В ПК при

меняют в основном однопрограммный режим работы, по

этому их операционные системы не имеют в своем составе программ диспетчирования, планировщика и супервизора. Но в более мощных ЭВМ, таких, как серверы и особенно мэйнфреймы, подобные управляющие программы оказыва

ют решающее влияние на работоспособность и надежность ВС.
^ 4. Преобразование данных

Важной процедурой технологического процесса обработки яв

ляется также процедура преобразования данных.

Данная процедура связана с процедурой ОВП, поскольку программа преобразования данных поступает в оперативную память ЭВМ и начинает исполняться после предварительной обработки управляющими программами процедуры ОВП.

Процедура пре

образования состоит в том, что ЭВМ выполняет в принципе типовые операции над структурами и значениями данных (сор

тировка, выборка, арифметические и логические действия, со

здание и изменение структур и элементов данных и т.п.) в коли

честве и последовательности, заданных алгоритмом решения вычислительной задачи, который на физическом уровне реали

зуется последовательным набором машинных команд (машин

ной программой).

На логическом уровне алгоритм преобразо

вания данных выглядит как программа, составленная на формализованном человеко-машинном языке – алгоритмическом языке программирования. ЭВМ понимает только машинные ко

манды, поэтому программы с алгоритмических языков с помо

щью программ-трансляторов переводятся в последовательность кодов машинных команд. Программа преобразования данных состоит из описания типов данных и их структур, которые бу

дут применяться при обработке, и операторов, 

указывающих ЭВМ, какие типовые действия и в какой последовательности необходимо проделать над данными и их структурами.

Таким образом, управление процедурой преобразования данных осуществляется в первую очередь программой реше

ния вычислительной задачи, и если решается автономная за

дача, то никакого дополнительного управления процедурой преобразования не требуется. Другое дело, если информаци

онная технология организована для периодического решения комплекса взаимосвязанных функциональных задач управле

ния, когда необходимо оптимизировать процедуру преобра

зования данных либо по критерию минимизации времени об

работки, либо по критерию минимизации объемов затрачи

ваемых вычислительных ресурсов. Первый критерий особо важен в режиме реального времени, а второй - в мультипрог

раммном режиме.

Программа решения вычислительной задачи преобразует значения объявленных типов данных, и, следовательно, в про

цессе выполнения программы происходит постоянная цирку

ляция потоков значений данных из памяти ЭВМ и обратно. При выполнении программы к одним и тем же значениям дан

ных могут обращаться различные процедуры и операции, сами операции обработки могут между собой комбинироваться раз

личным образом и многократно повторяться и дублировать

ся. Следовательно, задачей управления процедурой преобра

зования данных является, с одной стороны, минимизация ин

формационных потоков между памятью ЭВМ и операциями (процессором), с другой – исключение дублирования опера

ций в комплексах функциональных программ.

Процедура преобразования данных на физическом уров

не осуществляется с помощью аппаратных средств вычисли

тельной системы (процессоры, оперативные и внешние за

поминающие устройства), управление которыми произво

дится машинными программами, реализующими структури

рованную совокупность алгоритмов решения вычислительных задач.

Так же выделяют нетрадиционные методы обработки данных. К ним относится параллельная обработка и конвейерная обработка.

Необходимость ПОД возникает, когда требуется сократить время решения данной задачи, увеличить пропускную способность, улучшить использование системы.

Для распараллеливания необходимо соответствующим образом организовать вычисления:

- составления параллельных программ, т.е. отображение в явной форме параллельной обработки с помощью надлежащих конструкций языка, ориентированного на параллельные вычисления;

- автоматическое обнаружение параллелизма. Последовательная программа автоматически анализируется, в результате может быть явная или скрытая параллельная обработка. Скрытая обработка должна быть преобразована в явную обработку.

При автоматическом обнаружение параллельных вычислений различается в последовательной программе возможность явной и скрытой параллельной обработки. В обоих случаях требуется анализ программы. 

Различие между двумя этими видами обработки состоит в том, что скрытая параллельная обработка требует некоторой процедуры преобразования последовательной программы, чтобы сделать возможным ее параллельное выполнение.

Конвейерная обработка улучшает использование аппаратных ресурсов для заданного набора процессов, каждый из которых применяет эти ресурсы заранее предусмотренным способом.

Примером конвейерной организации сборочный транспортер на производстве, на котором изделие последовательно проходит все стадии вплоть до готового продукта. Преимущество этого способа состоит в том, что каждое изделие на своем пути использует одни и те же ресурсы, и как только некоторый ресурс освобождается данным изделием, он сразу же может быть использован следующем изделием, не ожидая, пока предыдущее изделие достигнет конца сборочной линии. Если транспортер несет аналогичные, но не тождественные изделия, то это последовательный конвейер; если же все изделия одинаковы, то это векторный конвейер.

^ 5. Отображение данных

Процедура отображения данных – одна из важнейших в ин

формационной технологии. Без возможности восприятия ре

зультата обработки информации человеческими органами чувств этот результат оставался бы вещью в себе (ведь мы не ощущаем машинное представление информации).

Процедуры отображения в информационных техноло

гиях, преследуют цель как можно лучше представить информацию для визуаль

ного наблюдения. Конечно, в мультимедийных системах сей

час используется и аудио, и видео, и даже тактильное отобра

жение данных, но при управлении предприятием более важ

ным является отображение данных в текстовой или в графи

ческой форме. Основные устройства, воспроизводящие текст или графические фигуры, - это дисплеи и принтеры, на исполь

зование которых (особенно первых) и направлены операции и процедуры отображения.

Для того чтобы получить на экране дисплея (или на бумаге принтера) изображение, отображающее выводимую из компью

тера информацию, данные (машинное представление этой информации) должны быть соответствующим образом преобра

зованы, затем адаптированы (согласованы) с параметрами дисп

лея и, наконец, воспроизведены. Все эти операции должны вы

полняться в строгом соответствии с заданной формой воспроиз

ведения и возможностями воспроизводящего устройства. Со

гласование операций процедуры отображения производится с помощью управляющей процедуры ОВП (организации вы

числительного процесса). На рис. 3 приведена вышеописан

ная схема взаимодействия процедур при отображении данных.


Рис. 3. Схема взаимодействия процедур при отображении данных

В современных информационных технологиях при воспро

изведении информации предпочтение отдано графическим ре

жимам работы дисплеев, как наиболее универсальным. Графи

ческий режим позволяет выводить на экран дисплея любую гра

фику (ведь буквы и цифры тоже графические объекты), причем с возможностью изменения масштаба, проекции, цвета и т.д. В последнее время развитие информационных технологий отно

сительно ввода и вывода информации идет по пути создания объектно-ориентированных систем, в которых настройка сис

тем, программирование функциональных задач, ввод и вывод информации осуществляются с помощью графических объек

тов, отображаемых на экране дисплея (примером могут служить широко распространенный графический интерфейс Windows; объектно-ориентированные языки Delphi, Java и т.д.).

Отображение информации на экране дисплея в виде графических объектов носит название компьютерной (машинной) графики.

На логическом уровне процедура отображения используется законы аналитической геометрии, согласно которой положение любой точки на плоскости задается парой чисел – координатами. Пользуясь декартовой системой координат, любое плоское изображение можно свести к списку координат составляющих его точек. И наоборот, заданные оси координат, масштаб и список координат легко превратить в изображение. Геометрические понятия, формулы и факты относятся прежде всего к плоскому и трехмерному изображению. Основой математических моделей компьютерной графики являются аффинные преобразования и сплайн - функции.

Аффинная геометрия – раздел геометрии, в котором изучаются свойства фигур на плоскости (или в пространстве), сохраняющиеся при любых аффинных преобразованиях плоскости (или пространстве), т.е. инвариантные относительно таких преобразований.

Сплайн – функция – проведение плавных кривых.

На физическом уровне отображение производится в основном с помощью компьютерных дисплеев.

Для получения графического изображения на экране дисплея используется два основных метода: векторный (функциональный) и растровый.

Векторный метод – вывод графического изображения с помощью электронного луча, последовательно «вычерчивающего» на экране дисплея линии и кривые в соответствии с математической моделью этого объекта.

Вычерчивание- это последовательное засвечивание пикселей экрана. Так как каждый пиксель имеет свою координату (пару чисел), то этот метод преобразует последовательность чисел (вектор) в светящиеся точки. Для того, чтобы изображение было неподвижно для глаз человека луч пробегает по определенным пикселям многократно.

Растровый метод – электронный луч сканирует экран монитора (дисплея) слева на право, после каждого прохода опускаясь на одну строку пикселей, сотни раз в секунду. После прохождения нижней строки луч возвращается к первой строке (обратный ход). Чтобы при обратном ходе на 

экране не прочерчивалась диагональная линия, луч на это время гасится. Такое сканирование экрана проводится 25 раз в секунду. Полностью просканированный экран называется кадром. Если интенсивность электронного луча постоянна, то на экране создается равномерный фон из одинаково светящихся пикселей. При выводе на экран графического объекта в соответствующих его модели точках интенсивность луча изменится, в результате чего «прорисовывается» сам графический объект.

Вопросы для самоконтроля.

  1. Охарактеризуйте основные режимы обработки данных.

  2. Назовите основные черты модели обслуживания задач.

  3. Для каких моделей обслуживания задач используется СМО.

  4. В каких случаях применяется метод Монте – Карло.

  5. Назовите основные этапы организации планирования обработки

вычислительных задач.

  1. Какие методы используются для обработки данных.

  2. Какие методы используются для получения графического изображения.

  3. Как взаимодействуют процедуры отображения данных.



Лекция № 2

Тема. Информационный процесс накопления данных.

  1. Выбор хранимых данных.

  2. Модели баз данных.

  3. Программно-аппаратный уровень процесса накопления данных.



^ 1. Выбор хранимых данных

Технологический процесс накопления данных состоит из процедур хранения и актуализации данных. Кроме того, хранимые данные по запросу пользователя или программы должны быть быстро (особенно для систем реального време

ни) и в достаточном объеме извлечены из области хранения и переведены в оперативные запоминающие устройства ЭВМ для последующего либо преобразования по заданным алгоритмам, либо отображения, либо передачи.

Основными этапами работы с данными в процессе накопления данных будут: выбор хранимых данных, хранение данных, их актуализация и извлечение.

^ Информационный фонд систем управления должен форми

роваться на основе принципов необходимой полноты и минимальной избыточности хранимой информации. Эти принци

пы реализуются процедурой выбора хранимых данных, в про

цессе выполнения которой производится анализ циркулирующих в системе данных и на основе их группировки на входные, промежуточные и выходные определяется состав хранимых данных.

^ Входные данные - это данные, получаемые из первичной информации и создающие информационный образ предметной области.



Промежуточные данные - это данные, формирующиеся из других данных при алгоритмических преобразованиях. Как правило, они не хранятся, но накладывают ограничения на емкость оперативной памяти компьютера.

^ Выходные данные являются результатом обработки первичных (входных) данных по соответствующей модели, они входят в состав управляюще

го информационного потока своего уровня и подлежат хране

нию в определенном временном интервале.

То есть данные имеют свой жизненный цикл существования, который отображается в процедурах процесса накопления.

Процедуры хранения, актуализации и извлечения данных должны периодически сопровождаться оценкой необходимос

ти их хранения, так как данные подвержены старению. Уста

ревшие данные должны быть удалены.

Процедура хранения состоит в том, чтобы сформировать и поддерживать структуру хранения данных в памяти ЭВМ. Современные структуры хранения данных должны быть неза

висимы от программ, использующих эти данные, и реализо

вывать принципы: полнота и минимальная из

быточность. Такие структуры получили название баз данных. Создание базы данных и осуществление актуализации, извлечения и удаления данных произ

водится с помощью специальных программ, называемых сис

темами управления базами данных.

Процедура актуализации данных позволяет изменить зна

чения данных, записанных в базе, либо дополнить определен

ный раздел, группу данных.

Процедура извлечения данных необходима для пересылки из базы данных требующихся данных либо для преобразования, либо для отображения, либо для передачи по вычислительной сети.

При выполнении процедур актуализации и извлечения обя

зательно выполняются операции поиска данных по заданным признакам и их сортировки, состоящие в изменении порядка расположения данных при хранении или извлечении.

Процесс перехода от информационного (смыслового) уровня к физическому отличается трехуровне

вой системой моделей представления информационной базы: концептуальной, логической и физической схем.

Концептуаль

ная схема информационной базы (КСБ) описывает информа

ционное содержание предлагаемой области без ориен

тации на используемые в дальнейшем программные и тех

нические средства, т.е. какая и в ка

ком объеме информация должна накапливаться при реализа

ции информационной технологии. Так же необходи

мо провести анализ информационных потоков в системе в целях установления связи между элементами данных, их группировки в наборы входных, промежуточных и выход

ных элементов данных, исключения избыточных связей и элементов данных.

^ Для анализа информационных потоков в управляемой системе исходными являются данные о парных взаимосвязях между наборами информационных элементов. Под информационными элементами понимают различные типы входных, промежуточных и выходных данных, которые 

составляют наборы входных, промежуточных и выходных элементов дан

ных. Выде

ление наборов элементов данных по уровням позволяет объе

динить множество значений конечных элементов в логичес

кие записи и тем самым упорядочить их в памяти ЭВМ.

От концептуальной структуры переходят к логической струк

туре информационной базы.

Логическая схема инфор

мационной базы (ЛСБ) формализовано описывает ее структуру и взаимосвязь элементов информации. При этом используются различные подходы: реляционный, иерархический, сетевой.

Затем переходят к физической организа

ции информационных массивов.

Выбор подхода определяет и систему управления базой данных, которая, определя

ет физическую модель данных - физическую схему информа

ционной базы (ФСБ), описывающую методы размещения дан

ных и доступа к ним на физических носителях информации.
^ 2.Модели баз данных.
БД- это система специальным образом организованных данных, программных, технических, языковых, организационно- методических средств, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и коллективного много целевого использования данных.

Так же говорят, что БД – совместно используемый набор логически связанных данных (и описание этих данных), предназначенный для удовлетворения информационных потребностей организации.

Причем БД хранит не только рабочие данные этой организации, но и их описания. В совокупности описание данных называется системным каталогом или словарем данных, а сами элементы описания принято называть методанными, т.е. «данными о данных». Именно наличие самоописания данных в БД обеспечивает в ней независимость прикладных программ от данных. Независимость данных и ис

пользующих их прикладных программ является основным свойством баз данных. Независимость данных подразумевает, что измене

ние данных не приводит к изменению прикладных программ и наоборот.

Определение данных отделено от приложений, т.е. наряду с внутренним определением объекта существует его внешнее определение. Пользователь объекта видит его внешнее определение и не задумывается над тем как оно определяется и функционирует (такой подход называется абстрогирование данных). Можно изменить внутреннее определение объекта, при условии, что внешнее определение объекта останется неизменным. В БД структура данных отделена от приложений и хранится в базе данных. Добавление новых структур данных или изменение существующих никак не влияет на приложения, при условии, что они не зависят непосредственно от изменяемых компонентов.

Например, добавление нового поля в запись или создание нового файла никак не влияют на работу имеющихся приложений. Однако удаление поля из 

используемого приложением файла повлияет на это приложение, а потому его также потребуется соответствующим образом модифицировать.

^ При анализе информационных потребностей организации следует выделить сущности, атрибуты и связи.

Сущностью называется отдельный тип объекта (человек, место или вещь, понятие или событие), который нужно определить в базе данных.

Атрибутом называется свойство, которое описывает некоторую характеристику рассматриваемого объекта.

Связь – это то, что объединяет несколько сущностей.

То есть база данных представляет сущности, атрибуты и логические связи между объектами. Иначе говоря, база данных содержит логически связанные данные.

Взаимосвязи между элементами могут быть типизированы по следующим основным видам:

• "один к одному", когда одна запись может быть связана только с одной записью;

• "один ко многим", когда одна запись взаимосвязана со многими другими;

• "многие ко многим", когда одна и та же запись может вхо

дить в отношения со многими другими записями в различных вариантах.

Применение того или иного вида взаимосвязей определило три основные модели баз данных: иерархическую, сетевую, ре

ляционную.

^ Иерархическая модель представляется в виде древовидного графа, в котором объекты выделяются по уровням соподчиненности (иерархии) объектов. В иерархической модели должно соблюдаться правило: каждый порожденный узел не может иметь больше одного порождающего узла (толь

ко одна входящая стрелка) и имеет один или более порожденных узлов; в структуре может быть только один не порожденный узел (без входящей стрелки) - корень. Узел интегрируется как запись. Для поиска необходимой за

писи нужно двигаться от корня к листьям, т.е. сверху вниз, что значительно упрощает доступ. Достоинство иерархичес

кой модели данных состоит в том, что она позволяет описать их структуру, как на логическом, так и на физическом уровне.

^ Недостатками данной модели являются жесткая фиксированность взаимосвязей между элементами данных, вслед

ствие чего любые изменения связей требуют изменения струк

туры, а также жесткая зависимость физической и логической организации данных. Быстрота доступа в иерархической мо

дели достигнута за счет потери информационной гибкости.

В иерархической модели используется вид связи между эле

ментами данных "один ко многим".

^ Сетевая модель базы данных пред

ставлена в виде диаграммы связей (рис. 4.2). В сетевой модели допустимы любые виды связей между записями и отсутствует ограничение на число обратных связей (каждый узел может быть связан с любым другим узлом). Но должно соблюдаться одно правило: связь включает основную и зависимую записи.



В сетевой модели применяется взаимо

связь вида "многие ко многим".

^ Достоинство сетевой модели БД - большая информа

ционная гибкость по сравнению с иерархической моделью. Од

нако сохраняется общий для обеих моделей недостаток – достаточно жесткая структура, что препятствует развитию ин

формационной базы системы управления.

При необходимос

ти частой реорганизации информационной базы (например, при использовании настраиваемых базовых информационных тех

нологий) применяют наиболее совершенную модель БД – ре

ляционную, в которой отсутствуют различия между объекта

ми и взаимосвязями.

^ В реляционной модели базы данных взаимосвязи между эле

ментами данных представляются в виде двумерных таблиц, называемых отношениями (математических отношениях). Отношения обладают следующи

ми свойствами: каждый элемент таблицы представляет со

бой один элемент данных (повторяющиеся группы отсутствуют); элементы столбца имеют одинаковую природу, и столбцам однозначно присвоены имена; в таблице нет двух одинаковых строк; строки и столбцы могут просматривать

ся в любом порядке вне зависимости от их информационного содержания. Преимуществами реляционной моде

ли БД являются простота логической модели (таблицы при

вычны для представления информации); гибкость системы защиты (для каждого отношения может быть задана право

мерность доступа); независимость данных; возможность по

строения простого языка манипулирования данными с по

мощью математически строгой теории реляционной алгеб

ры (алгебры отношений). Собственно, наличие строгого ма

тематического аппарата для реляционной модели баз данных и обусловило ее наибольшее распространение и перспектив

ность в современных информационных технологиях.

^ 3.Программно-аппаратный уровень процесса накопления данных
Мы говорили, что создание базы данных и осуществление актуализации, извлечения и удаления данных произ

водится с помощью специальных программ, называемых сис

темами управления базами данных.

Логический (модельный) уровень процесса накопления связан с физическим через программы, осуществляющие создание канонической структуры БД, схемы ее хранения и работу с данными (рис. 4.3). Каноническая структура БД создается с помощью модели выбора хранимых данных. Формализованное описание БД, производится с помощью трех моделей: модели хранения дан

ных (структура БД), модели актуализации данных и модели извлечения данных. На основе этих моделей разрабатываются соответствующие программы: создания канонической структуры БД (ПКС), создания структуры хранения БД (ПС), акту

ализации (ПА) и извлечения данных (ПИ).

На рис. 4.3 программы, входящие в СУБД, заключены в пунк

тирный прямоугольник.


Рис. 4.3. Состав моделей и программ процесса накопления
СУБД- это программное обеспечение, которое взаимодействует с прикладными программами пользователя и базой данных и обладает следующими свойствами:

  • Позволяет создать базу данных, что обычно осуществляется с помощью языка определения данных (DDL- Data Definition Language). Язык DDL предоставляет пользователям средства указания типа данных и их структуры, а также средства задания ограничений для информации хранимой в базе данных.

  • Позволяет вставлять, обновлять, удалять и извлекать информацию из базы данных, что обычно осуществляется с помощью языка манипулирования данными (DML- Data Manipulation Language). Наличие централизованного хранилища всех данных и их описаний позволяет использовать язык DML как общий инструмент организации запросов, который иногда называют языком запросов. Наличие языка запросов позволяет устранить присущие файловым системам ограничения, при которых пользователям приходится иметь дело только с фиксированным набором запросов или постоянно возрастающим количеством программ, что порождает другие, более сложные проблемы управления программным обеспечением. Распространенным типом непроцедурного языка является язык структурированных запросов (SQL).

  • Предоставляет контролируемый доступ к базе данных с помощью следующих средств:

- системы обеспечения защиты, предотвращающий несанкционированный доступ к базе данных со стороны пользователей;

- системы поддержки целостности данных, обеспечивающей непротиворечивое состояние хранимых данных;

- системы управления параллельной работой приложений, контролирующей процессы их совместного доступа к базе данных;



- системы восстановления, позволяющей восстановить базу данных до предыдущего непротиворечивого состояния, нарушенного в результате сбоя аппаратного или программного обеспечения;

- доступного пользователям каталога, содержащего описание хранимой в базе данных информации.

Цель СУБД – предложить пользователю абстрактное представление данных, скрыв конкретные особенности хранения и управления ими. Следовательно отправной точкой при проектирование базы данных должно быть абстрактное и общее описание информационных потребностей организации.

То есть, современная СУБД содержит в своем составе програм

мные средства создания баз данных, средства работы с дан

ными и дополнительные, сервисные средства (рис. 4.4). С помощью средств создания БД проектировщик, используя язык описания данных (ЯОД), переводит логическую модель БД в физическую структуру, а на языке манипуляции данными (ЯМД) разрабатывает программы, реализующие основные операции с данными (в реляционных БД - это реляционные операции). При проектировании привлекаются визуальные средства, т.е. объекты, и программа-отладчик, с помощью ко

торой соединяются и тестируются отдельные блоки разрабо

танной программы управления конкретной БД.

Средства работы с данными предназначены для пользова

теля БД. Они позволяют установить удобный (как правило, графический многооконный) интерфейс с пользователем, создать необходимую функциональную конфигурацию экранного представления выводимой и вводимой информации, производить операции с данными БД, манипулируя текстовыми и графическими экранными объектами.

Дополнительные (сервисные) средства позволяют при проектировании и использовании БД привлечь к работе с БД другие системы.

Рис. 4.4. Состав СУБД



СУБД принципиально различаются по моделям БД, с которыми они работают. Если модель БД реляционная, то нужно использовать реляционную СУБД, если сетевая – сетевую СУБД и т.д.

Для решения проблемы «устранения» излишних данных в СУБД предусмотрен механизм создания представлений, который позволяет пользователю иметь свой собственный «образ» базы данных (представление можно рассматривать как некоторое подмножество базы данных). Например, можно организовать представление, в котором сотрудникам отдела контрактов будут доступны только те данные, которые необходимы для оформления договоров аренды.

Представления обладают и другими достоинствами:

Обеспечивают дополнительный уровень безопасности. Представления могут создаваться с целью исключения тех данных, которые не должны видеть некоторые пользователи.

Предоставляют механизм настройки внешнего интерфейса базы данных.

Позволяют сохранять внешний интерфейс базы данных непротиворечивым и неизменным даже при внесении изменений в ее структуру – например, при добавлении и удалении полей, изменении связей, разбиении файлов, их реорганизации или переименовании.

Реальный объем функциональных возможностей зависит от конкретной СУБД. Например, в СУБД для персонального компьютера может не поддерживаться параллельный совместный доступ, а управление режимом защиты, поддержанием целостности данных и восстановлением будет присутствовать только в очень ограниченной степени. Однако современные мощные многопользовательские СУБД предлагают все выше перечисленные функциональные возможности и многое другое. Современные системы представляют собой чрезвычайно сложное программное обеспечение. Программное обеспечение СУБД постоянно совершенствуется и все больше расширяется, чтобы удовлетворять все новым требованиям пользователей.

^ Компоненты среды СУБД.

1. Аппаратное обеспечение.

Оно может варьироваться от одного персонального компьютера или мэйнфрейма до сети из многих компьютеров. Аппаратное обеспечение зависит от типа СУБД и от требований данной организации. Одни СУБД предназначены для работы только с конкретными типами операционных систем или оборудования, другие могут работать с широким кругом аппаратного обеспечения и различными операционными системами.
2. Программное обеспечение.

Этот компонент охватывает программное обеспечение самой СУБД прикладных программ, вместе с операционной системой, включая и сетевое программное обеспечение, если СУБД используется в сети. Обычно приложения создаются на языках третьего поколения, таких как С, Java, 

COBOL, или на языках четвертого поколения SQL, операторы которых внедряются в программы на языках третьего поколения. Впрочем, СУБД может иметь свои собственные инструменты четвертого поколения, предназначенные для быстрой разработки приложений с использованием встроенных непроцедурных языков запросов, генераторов отчетов, форм, графических изображений и даже полномасштабных приложений.
3. Данные.

Данные играют роль моста между компьютером и человеком. База данных содержит как рабочие данные, так и метаданные.
4. Процедуры.

К ним относятся правила и инструкции, которые должны учитываться при проектирование и использование баз данных. Пользователям и обслуживающему персоналу базы данных необходимо предоставить документацию, содержащую подробное описание процедур использования и сопровождения данной системы, включая инструкции о правилах:

Регистрации СУБД;

Использование отдельного элемента СУБД;

Запуск и останов СУБД;

Создание резервных копий СУБД;

Обработка сбоев аппаратного и программного обеспечения, включая процедуры идентификации вышедшего из строя компонента, исправление отказавшего компонента, а также восстановление базы данных после устранения неисправности;

Изменение структуры таблицы, реорганизация базы данных.
5. Пользователи.

- администраторы данных и баз данных;

База данных и СУБД являются корпоративными ресурсами, которыми следует управлять так же, как и любыми другими ресурсами.

Администраторы данных (АД) отвечает за управление данными, включая планирование базы данных, разработку и сопровождение стандартов, прикладных алгоритмов и деловых процедур, а также за концептуальное логическое проектирование базы данных. АД консультирует и дает свои рекомендации руководству высшего звена, контролируя соответствие общего направления развития базы данных установленным корпоративным целям.

АБД отвечает за физическую реализацию базы даны, включая физическое проектирование и воплощение проекта, за обеспечение безопасности и целостности данных, за сопровождение операционной системы, а так же за обеспечение максимальной производительности приложений и пользователей.

- разработчики баз данных;

Разработчики логической базы данных.



Занимаются идентификацией данных, т.е.сущностей и их атрибутов; связей между данными; устанавливают ограничения, накладываемые на хранимые данные. Они должны обладать всесторонним и полным пониманием структуры данных организации и ее делового регламента. Деловой регламент описывает основные требования к системе с точки зрения организации. Разработчики физической базы данных.

Занимаются физической реализацией логической модели, в том числе:

Преобразованием логической модели данных в набор таблиц и ограничений целостности данных;

Выбором конкретной структуры хранения данных и методов доступа к данным, обеспечивающих необходимый уровень производительности при работе с базой данных;

Проектирование любых требуемых мер защиты данных.

Этапы физического проектирования зависят от выбранной целевой СУБД.

- прикладные программисты;

После создания баз данных необходимо приступить к разработке приложений, предоставляющих пользователям необходимые функциональные возможности. Программисты работают на основе спецификаций, созданных системными аналитиками. Каждая программа содержит операторы, требующих от СУБД выполнение определенных действий с БД(извлечение, удаление данных и т.д.).

- конечные пользователи.

Они являются клиентами БД. Пользователей можно классифицировать по способу использования ими системы.

Рядовые пользователи. Они обычно не подозревают о существование СУБД. Они обращаются к БД с помощью специальных приложений, позволяющих в максимальной степени упростить выполняемые ими операции. Такие пользователи инициируют выполнение операций БД, вводя простейшие команды или выбирая команды меню (кассир в супермаркете).

Опытные пользователи.

Те, которые знакомы с БД и СУБД. Для выполнения требуемых операций они могут использовать языки запросов, а некоторые даже создать собственные прикладные программы.

Вопросы для самоконтроля.

  1. Виды данных.

  2. Что представляет собой модель информационной базы.

  3. Определение базы данных.

  4. Основные характеристики баз данных.

  5. Модели баз данных.

  6. Определение СУБД.

  7. Основные компоненты СУБД.




Лекция № 3.

Тема. Информационный процесс обмена данными.

Вопросы.

^ 1. Назначение и классификация компьютерных сетей.

2. Характеристика процесса передачи данных.

3. Принципы передачи данных с использованием ЛВС.

4. Примеры сетевых технологий.
1. Назначение и классификация компьютерных сетей.
Обмен данными происходит в любой вычислительной системе.

Например, в ПК через системную шину производится обмен данными, их адресами и командами между оперативной памятью и процессором. К этой же шине через контроллеры (согласующие устройства) подключены внешние устройства (клавиатура, дисплей и т.д.), которые обмениваются данными с оперативной памятью.

Процессом обмена данными в компьютере управляет операционная система совместно с прикладными программами (приложениями).

Технологическая природа обмена данными в современных ИТ такова, что не может быть реализована на одном специализированном компьютере. Выделению процесса обмена как базового в ИТ способствует бурное развитие вычислительных сетей.

Если обратится к компьютерному к корню вычислительных сетей, то первыми компьютерами были большие, громоздкие и дорогие компьютеры - предназначались для очень небольшого числа избранных пользователей. Такие компьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователя, а использовались в режиме пакетной обработки.

Система пакетной обработки строилась на базе мэйнфрейма – мощного и надежного компьютера универсального назначения. Пользователи подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их в вычислительный центр. Операторы вводили эти карты в компьютер, а распечатанные результаты пользователи получали только наследующий день.

Данная вычислительная система – централизованная система обработки данных на базе мэйнфрейма.

Но одна неверно набитая карта означала как минимум суточную задержку.

Так же во главу ставилась эффективность работы процессора, в ущерб эффективности работы использующих его специалистов.

Однако данная система позволяла в единицу времени выполнять больше пользовательских задач, чем другие режимы.

По мере удешевления процессоров, появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволяли учесть интересы пользователей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени. В таких системах компьютер отдавался в 

распоряжение нескольким пользователям. Каждый пользователь получал собственный терминал, с помощью которого он мог вести диалог с компьютером. Причем время реакции вычислительной системы было достаточно мало для того. Чтобы пользователю была не слишком заметна параллельная работа с компьютером и других пользователей.

Терминалы, выйдя за пределы вычислительного центра рассредоточились по всему предприятию. И хотя вычислительная мощность оставалась полностью централизованной, некоторые функции – такие как ввод и вывод данных – стали распределенными.

Подобные многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети. Действительно рядовой пользователь работу за терминалом мэйнфрейма воспринимал примерно так же, как сейчас он воспринимает работу за подключенным к сети ПК.

Пользователь получал доступ к общим файлам, периферийным устройствам, мог запустить нужную программу в любой момент и почти сразу же получить результат.

Но были недостатки данной системы:

не отвечал высоким требованиям к надежности процесса обработки, затруднял развитие систем,

не мог обеспечить необходимые временные параметры при диалоговой обработке данных в многопользовательском режиме

кратковременный выход из строя центральной ЭВМ приводил к сбою в работе системы в целом, поэтому приходилось дублировать функции центральной ЭВМ, значительно увеличивая затраты на создание и эксплуатацию.

Появление ПК и развитие средств телекоммуникации привило к появлению распределенных систем.

В начале появилась потребность в объединение компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети позволяли пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам мощных компьютеров. Затем появились системы в которых реализованы были связи типа компьютер- компьютер. Компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что собственно и является базовым механизмом любой вычислительной сети.

Таким образом, хронологически первыми появились глобальные вычислительные сети.

Появления больших интегральных схем привило к созданию мини-компьютеров, которые стали конкурентами мэйнфремов.

Мини – компьютеры выполняли задачи управления технологическим оборудованием, складом и другие задачи уровня отдела предприятия. Таким образом, появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при этом все компьютеры одной организации по-прежнему продолжали работать автономно.



Пользователей не удовлетворяла изолированная работа на собственном компьютере, им хотелось в автоматическом режиме обмениваться данными с пользователями других подразделений. Ответом на это стало появление локальных вычислительных сетей.

В результате появления ПК появились и утвердились такие технологии объединения компьютеров в сеть – Ethernet, Arcnet, Token Ring. ПК стали выступать не только в качестве клиентских компьютеров, но и в качестве центров хранения и обработки данных, то есть сетевых серверов, потеснив с этих привычных ролей мини- компьютеры и мэйнфреймы.

То есть можно на данный момент сделать следующий вывод, что реализация распределенной обработки данных осуществлялась по двум направлениям:

  • Создание многомашинных вычислительных комплексов (МВК);

  • Создание компьютерных (вычислительных) сетей.

^ Многомашинный вычислительный комплекс - группа установленных рядом вычислительных машин, объединенных с помощью специальных средств сопряжения и выполняющих совместно единый информационно-вычислительный процесс.

Под процессом понимается некоторая последовательность действий для решения задачи, определяемая программой.

Многомашинные вычислительные комплексы могут быть:

  • локальными при условии установки компьютеров в одном помещении, не требующих для взаимосвязи специального оборудования и каналов связи;

  • дистанционными, если некоторые компьютеры комплекса установлены на значительном расстоянии от центральной ЭВМ и для передачи данных используются телефонные каналы связи.

^ Компьютерная (вычислительная) сеть – система компьютеров, объединенных линиями связи и специальными устройствами, позволяющими передавать без искажения и переключать между компьютерами потоки данных.

Под системой понимается автономная совокупность, состоящая из одной или нескольких ЭВМ, программного обеспечения, периферийного оборудования, терминалов, средств передачи данных, физических процессов и операторов, способ осуществлять обработку информации и выполнять функции взаимодействия с другими системами.

Линии связи вместе с устройствами передачи и приема данных называются каналами связи.

Каналы связи – это паток данных между двумя программами, одна из программ открывает канал и записывает в него данные, другая программа открывает канал для чтения из него этих данных.

Устройства, производящие переключение потоков данных в сети – узлы коммутации.

^ Абоненты сети - объекты, генерирующие или потребляющие информацию в сети.



Абонентами сети могут быть отдельные ЭВМ, комплексы ЭВМ, терминалы, промышленные роботы, станки с числовым программным управлением и т.д. Любой абонент сети подключается к станции.

Станция - аппаратура, которая выполняет функции, связанные с передачей и приемом информации.

Совокупность абонента и станции принято называть абонентской системой. Для организации взаимодействия абонентов необходима физическая передающая среда.

^ Физическая передающая среда - линии связи или пространство, в котором распространяются электрические сигналы, и аппаратура передачи данных.

На базе физической передающей среды строится коммуникационная (средства электросвязи) сеть, которая обеспечивает передачу информации между абонентскими системами.

Такой подход позволяет рассматривать любую компьютерную сеть как совокупность абонентских систем и коммуникационной сети. Обобщенная структура компьютерной (вычислительной) сети приведена на рис.1

 

Рис.1. Обобщенная структура компьютерной сети

Цель создании сети - объединение информационных ресурсов нескольких компьютеров.

^ Ресурсы компьютера – это память (храниться информация) и производительность процессора (процессоров), определяющая скорость обработки данных.

Поэтому в распределенных системах общая память и производительность системы, как бы распределены между входящими в нее ЭВМ. Совместное использование общих ресурсов сети породило такие понятия и методы, как распределенные базы и банки данных, распределенная обработка данных.

С одной стороны, они являются частным случаем распределенных вычислительных систем, а с другой стороны, могут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния, для чего в них применяются различные методы кодирования и мультиплексирования данных, получившие развитие в различных телекоммуникационных системах.



В зависимости от территориального расположения абонентских систем вычислительные сети можно разделить на три основных класса:

  • глобальные сети (WAN - Wide Area Network);

  • региональные сети (MAN - Metropolitan Area Network);

  • локальные сети (LAN - Local Area Network).

Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на различных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Глобальные вычислительные сети позволяют решить проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к этим ресурсам.

Глобальные сети ориентированны на соединение - до начала передачи данных; между абонентами устанавливается соединение.

Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Обычно расстояние абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки - сотни километров.

Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному месту. К классу локальных вычислительных сетей относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов и т. д. Протяженность такой сети можно ограничить пределами 2 - 2,5 км.

ЛВС- это совокупность компьютеров, кабелей сетевых адаптеров, работающих под управлением сетевой операционной системы и прикладного программного обеспечения.

Она обеспечивает наивысшую скорость обмена информации между компьютерами (электрический сигнал ослабевает, т.е. его мощность уменьшается при передачи по кабелю, тем сильнее, чем протяженнее кабель).

Объединение глобальных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать много сетевые иерархии, или сложную сеть – распределенная сеть.

Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам. На рис. 2 приведена одна из возможных иерархий вычислительных сетей. Локальные вычислительные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональные сети - объединяться в составе глобальной сети и, наконец, глобальные сети могут также образовывать сложные структуры.



 

Рис. 2 Иерархия компьютерных сетей
Необходимо так же отметить, что в конце 80-х годов отличие между локальными и глобальными сетями проявлялись весьма отчетливо. Постепенно различия между локальными и глобальными типами сетевых технологий стали сглаживаться. Изолированные ране локальные сети начали объединять друг с другом. При этом в качестве связующей среды использовались глобальные сети. Тесная интеграция локальных и глобальных сетей привела к значительному взаимопроникновению соответствующих технологий.
2. ^ Характеристика процесса передачи данных.

Для характеристики процесса обмена сообщениями в вычислительной сети по каналам связи используются следующие понятия: режим передачи, код передачи, тип синхронизации.

Существуют три режима передачи: симплексный, полудуплексный и дуплексный.

^ Симплексный режим - передача данных только в одном направлении.

Примером симплексного режима передачи (рис.3) является система, в которой информация, собираемая с помощью датчиков, передается для обработки на ЭВМ. В вычислительных сетях симплексная передача практически не используется.

^ Полудуплексный режим - попеременная передача информации, когда источник и приемник последовательно меняются местами (рис.4).

Яркий пример работы в полудуплексном режиме - разведчик, передающий в Центр информацию, а затем принимающий инструкции из Центра.

^ Дуплексный режим - одновременные передача и прием сообщений.

Дуплексный режим (рис.5) является наиболее скоростным режимом работы и позволяет эффективно использовать вычислительные возможности быстродействующих ЭВМ в сочетании с высокой скоростью передачи данных по каналам связи. Пример дуплексного режима - телефонный разговор.

 

^ Рис.3.Симплексный режим передачи



 

Рис.4 Полудуплексный режим переда

 

Рис.5.Дуплексный режим передачи
Для передачи информации по каналам связи используются специальные коды. Коды стандартизованы и определены рекомендациями ISO (International Organization for Standardization) - Международной организации по стандартизации (МОС) или Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ).

Наиболее распространенным кодом передачи по каналам связи является код ASCII, принятый для обмена информацией практически во всем мире (отечественный аналог - код КОИ-7).

Существует два способа связи между ЭВМ, когда ЭВМ объединены в комплекс с помощью интерфейсного кабеля и с помощью двухпроводной линии связи.

^ Интерфейсный кабель - это набор проводов, по которым передаются сигналы от одного устройства компьютера к другому. Чтобы обеспечить быстродействие, для каждого сигнала выделен отдельный провод. Сигналы передаются в определенной последовательности и в определенных комбинациях друг с другом.

Для передачи данных в интерфейсном кабеле используют метод передачи параллельным кодом. То есть для передачи кодовой комбинации используется столько линий, сколько битов эта комбинация содержит. Каждый бит передается по отдельному проводу. Предпочтение такой передаче отдается при организации локальных МВК, для внутренних связей ЭВМ и для небольших расстояний между абонентами сети. Передача параллельным кодом обеспечивает высокое быстродействие, но требует повышенных затрат на создание физической передающей среды и обладает плохой помехозащищенностью. В вычислительных сетях передача параллельными кодами не используется.

Для передачи кодовой комбинации по двухпроводной линии используется передача информации последовательным кодом. Группа битов передается по одному проводу бит за битом. Она, вполне естественно, медленнее, так как требует преобразования данных в параллельный код для дальнейшей обработки в ЭВМ, но экономически более выгодна для передачи сообщений на большие расстояния.



Синхронизация данных - согласование различных процессов во времени. В системах передачи данных используются два способа передачи данных: синхронный и асинхронный.

Синхронными называются процессы передачи или приема информации в вычислительных сетях, которые привязаны к определенным временным отметкам, т.е. один из процессов может начаться только после того, как получит полностью данные от другого процесса.

Асинхронными называются процессы в которых нет временной привязки и они могут выполняться независимо от степени полноты переданных данных.

При синхронной передаче (рис. 6) информация передается блоками, которые обрамляются специальными управляющими символами. В состав блока включаются также специальные синхросимволы, обеспечивающие контроль состояния физической передающей среды, и символы, позволяющие обнаруживать ошибки при обмене информацией. В конце блока данных при синхронной передаче в канал связи выдается контрольная последовательность, сформированная по специальному алгоритму. По этому же алгоритму формируется контрольная последовательность при приеме информации из канала связи. Если обе последовательности совпадают - ошибок нет. Блок данных принят. Если же последовательности не совпадают - ошибка. Передача повторяется до положительного результата проверки. Если повторные передачи не дают положительного результата, то фиксируется состояние аварии. В качестве контрольной последовательности (код обнаружения ошибки) обычно используется циклический избыточный код обнаружения ошибок (CRC).

CRC – применяется в сообщениях с помощью выполнения определенных математических вычислений с битами, составляющими послание. Результат вычислений передается вместе с самим сообщением. Принимающая станция производит те же вычисления с принимаемыми данными и сравнивает результат с числом, полученным вместе с сообщением. Если эти величины не совпадают, адресат просит передающую станцию повторить передачу.

 

^ Рис.6. Синхронная передача данных



 

Рис.7 . Асинхронная передача данных
Преимущества синхронной передачи – высокая скорость и эффективность передачи данных; надежный встроенный механизм обнаружения ошибок.

^ Недостатки синхронной передачи – интерфейсное оборудование более сложное и дорогостоящее.

При асинхронной передаче (рис. 7) данные передаются в канал связи как последовательность битов, из которой при приеме необходимо выделить байты для последующей их обработки. Для этого каждый байт ограничивается стартовым и стоповым битами, которые и позволяют произвести выделение их из потока передачи. Иногда в линиях связи с низкой надежностью используется несколько таких битов. Дополнительные стартовые и стоповые биты несколько снижают эффективную скорость передачи данных и соответственно пропускную способность канала связи. Стартовые биты предупреждают приемник о начале передачи. Затем передается символ. Стоповый бит сигнализирует об окончании передачи. Для определения достоверности передачи используется бит четности (бит четности=1, если количество единиц в символе нечетно, и 0, в противном случае).

Преимущества несложная отработанная система; недорогое интерфейсное оборудование.

Недостатки: большая часть пропускной способности теряется на передачу служебных битов; невысокая скорость передачи по сравнению с синхронной; при множественной ошибки с помощью бита четности невозможно определить достоверность полученной информации.

Асинхронная передача отвечает требованиям организации диалога в вычислительной сети при взаимодействии персональных ЭВМ.
  1   2   3



Скачать файл (357.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации