Курс лекций информатика

теорией нормализации - особенностями проектирования баз данных, которые делают ее свободной от многих проблем обслуживания;

высокоуровневыми языками программирования, разработанными специально для доступа к данным,

хранящимся в базе данных.

Наименьшая единица данных реляционной модели – это отдельное атомарное (неразложимое) для данной модели значение данных. Атрибут или элемент данных - это наименьшая поименованная единица данных, имеющая смысловое значение для пользователя. Каждый атрибут принадлежит вполне определенному объекту и имеет имя –

идентификатор и значение. Агрегированные данные - это совокупность элементов данных, которые имеют общее имя и на которые можно ссылаться как на единое целое. Например, агрегированное данное ИМЯ может состоять из следующих элементов данных: ФАМИЛИЯ, собственно ИМЯ, ОТЧЕСТВО. Другое название - группа элементов.

В реляционной модели данных с понятием тип данных тесно связано понятие домена, которое можно считать уточнением типа данных. Домен - это семантическое понятие. Домен можно рассматривать как подмножество значений некоторого типа данных имеющих определенный смысл. Домен характеризуется следующими свойствами:

домен имеет уникальное имя (в пределах базы данных);

домен несет определенную смысловую нагрузку;

домен может иметь некоторое логическое условие, позволяющее описать подмножество данных, допустимых для

данного домена.

Основное значение доменов состоит в том, что домены ограничивают сравнения, например, при задании домена «Время» из всех возможных числовых значений будут допустимы только числа от 0-00 до

23-59.

302

Фундаментальным понятием реляционной модели данных является понятие отношения. Э. Кодд показал, что любое представление данных сводится к совокупности двумерных таблиц особого вида, известного в математике как отношение – (relation, англ.). Заголовок отношения

содержит фиксированное количество атрибутов отношения.

Механизмом проектирования реляционных БД является нормализация отношений. Нормализация есть фундамент логического проектирования реляционных баз данных. Цель нормализации – на основе анализа существующих зависимостей между элементами данных (атрибутов) снизить сложность структуры данных. В результате выполнения шагов нормализации происходит сокращение избыточности хранимых данных, а следовательно, экономия объема используемой памяти, уменьшение затрат на многократные операции обновления избыточных копий и устранение возможности возникновения противоречий из-за хранения в разных местах сведений об одном и том же объекте.

Термины, которыми оперирует реляционная модель данных, имеют соответствующие "табличные" синонимы (Таблица 6).

Таблица 6 – Терминология реляционной модели данных

Реляционный термин	Соответствующий "табличный" термин
База данных	Набор таблиц
Схема базы данных	Набор заголовков таблиц
Отношение	Таблица
Заголовок отношения	Заголовок таблицы
Тело отношения	Тело таблицы
Атрибут отношения	Наименование столбца таблицы
Кортеж отношения	Строка таблицы
Степень (-арность) отношения	Количество столбцов таблицы
Мощность отношения	Количество строк таблицы
Домены и типы данных	Типы данные в ячейках таблицы

303

Реляционной базой данных называется набор связанных отношений, каждое из которых хранится, как правило, в виде отдельного файла.

11.5.Контрольные вопросы

1.Какие существуют подходы к обработке данных?

2.Перечислите преимущества использования БД.

3.Назовите основные функции СУБД.

4.Что такое язык описания данных?

5.Перечислите уровни представления данных.

6.Что понимается под инфологической моделью данных?

7.Какие компоненты определяют модель данных?

8.Какие существуют модели данных?

9.Дайте определение реляционной модели данных.

304

Глава 12. Компьютерные сети

12.1. Общие сведенья о компьютерных сетях

Наряду с автономной работой значительное повышение эффективности использования компьютеров может быть достигнуто объединением их в компьютерные сети (network). Под компьютерной сетью в широком смысле слова понимают любое множество компьютеров, связанных между собой каналами передачи данных (каналами связи, линиями связи).

Существует ряд веских причин для объединения компьютеров в сети. Во-первых, совместное использование ресурсов позволяет нескольким ЭВМ или другим устройствам осуществлять совместный доступ к дискам, дисководу CD-ROM, стримеру, принтерам, плоттерам и другому оборудованию, что снижает затраты на каждого отдельного пользователя.

Во-вторых, кроме совместного использования дорогостоящих периферийных устройств имеется возможность аналогично использовать сетевые версии прикладного программного обеспечения.

В-третьих, компьютерные сети обеспечивают новые формы взаимодействия пользователей в одном коллективе, например при работе над общим проектом.

В-четвертых, появляется возможность использовать общие средства связи между различными прикладными системами (коммуникационные услуги, передача данных и видеоданных, речи и т.д.). Особое значение имеет организация распределенной обработки данных. В случае централизованного хранения информации значительно упрощаются процессы обеспечения ее целостности, а также резервного копирования.

	12.1.1.	Основные компоненты сети
Компьютерная сеть — это сложный комплекс взаимосвязанных и
согласованно	функционирующих		программных и	аппаратных

305

компонентов. Изучение сети в целом предполагает знание принципов работы ее отдельных элементов:

компьютеров;

коммуникационного оборудования;

операционных систем;

сетевых приложений.

Весь комплекс программно-аппаратных средств сети может быть описан многослойной моделью. В основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизованных компьютерных платформ, т.е. систем конечных пользователя сети, в качестве которых может выступать компьютер или терминальное устройство (любое устройство ввода-вывода или отображения информации). В настоящее время в сетях широко и успешно применяются компьютеры различных классов — от персональных компьютеров до мэйнфреймов и суперЭВМ. Набор компьютеров в сети должен соответствовать набору разнообразных задач, решаемых сетью.

Второй слой — это коммуникационное оборудование. Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в сетях, в последнее время не менее важную роль стали играть коммуникационные устройства. Кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и концентраторы из вспомогательных компонентов сети превратились в основные наряду с компьютерами и системным программным обеспечением как по влиянию на характеристики сети, так и по стоимости. Сегодня коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нужно конфигурировать, оптимизировать и администрировать.

Третьим слоем, образующим программную платформу сети, являются операционные системы (ОС). От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. При проектировании сети важно учитывать, насколько просто данная

306

операционная система может взаимодействовать с другими ОС сети, насколько она обеспечивает безопасность и защищенность данных, до какой степени она позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компьютер другого типа и многие другие соображения.

Четвертым, самым верхним слоем сетевых средств являются различные сетевые приложения, такие как сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и др. Очень важно представлять диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевыми приложениями и операционными системами.

12.1.2. Уровни взаимодействия компьютеров и протоколы передачи данных в сетях

В компьютерной сети существует 7 уровней взаимодействия между компьютерами: физический, логический, сетевой, транспортный, уровень сеансов связи, представления данных и прикладной уровень.

Физический уровень (Physical Layer) определяет электрические, механические, процедурные и функциональные спецификации и обеспечивает для канального уровня установление, поддержание и разрыв физического соединения между двумя компьютерными системами, непосредственно связанными между собой с помощью передающей среды, например, аналогового телефонного канала, радиоканала или оптоволоконного канала.

Канальный уровень (Data Link Layer) управляет передачей данных по каналу связи. Основными функциями этого уровня являются разбиение передаваемых данных на порции, называемые кадрами, выделение данных из потока бит, передаваемых на физическом уровне, для обработки на сетевом уровне, обнаружение ошибок передачи и восстановление неправильно переданных данных.

Сетевой уровень (Network Layer) обеспечивает связь между двумя компьютерными системами сети, обменивающихся между собой

307

информацией. Другой функцией сетевого уровня является маршрутизация данных (называемых на этом уровне пакетами) в сети и между сетями (межсетевой протокол).

Транспортный уровень (Transport Layer) обеспечивает надежную передачу (транспортировку) данных между компьютерными системами сети для вышележащих уровней. Для этого используются механизмы для установки, поддержки и разрыва виртуальных каналов (аналога выделенных телефонных каналов), определения и исправления ошибок при передаче, управления потоком данных (с целью предотвращения переполнения или потерь данных).

Сеансовый уровень (Session Layer) обеспечивает установление, поддержание и окончание сеанса связи для уровня представлений, а также возобновление аварийно прерванного сеанса.

Уровень представления данных (Presentation Layer) обеспечивает преобразование данных из представления, используемого в прикладной программе одной компьютерной системы в представление, используемое в другой компьютерной системе. В функции уровня представлений входит также преобразование кодов данных, их шифровка/расшифровка, а также сжатие передаваемых данных.

Прикладной уровень (Application Level) отличается от других уровней модели OSI тем, что он обеспечивает услуги для прикладных задач. Этот уровень определяет доступность прикладных задач и ресурсов для связи, синхронизирует взаимодействующие прикладные задачи, устанавливает соглашения по процедурам восстановления при ошибках и управления целостностью данных. Важными функциями прикладного уровня является управление сетью, а также выполнение наиболее распространенных системных прикладных задач: электронной почты, обмена файлами и других.

Каждый уровень для решения своей подзадачи должен обеспечить выполнение определенных моделью функций данного уровня, действий

308

(услуг) для вышележащего уровня и взаимодействовать с аналогичным уровнем в другой компьютерной системе.

Соответственно каждому уровню взаимодействия соответствует набор протоколов (т.е. правил взаимодействия).

Под протоколом понимается некая совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры обмена информацией. В частности, он определяет, как выполняется соединение, преодолевается шум на линии и обеспечивается безошибочная передача данных между модемами. Стандарт, в свою очередь, включает в себя общепринятый протокол или набор протоколов.

Функционирование сетевого оборудования невозможно без взаимоувязанных стандартов. Согласование стандартов достигается как за счет непротиворечивых технических решений, так и за счет группирования стандартов.

Стандарт Token Ring. В ЛС с передачей маркера сообщения передаются последовательно от одного узла к другому вне зависимости от того, какую топологию имеет сеть — кольцевую или звездообразную. Каждый узел сети получает пакет от соседнего узла. Если данный узел не является адресатом, то он передает тот же самый пакет следующему узлу. Передаваемый пакет может содержать либо данные, направляемые от одного узла другому, либо маркер. Маркер — это короткое сообщение, являющееся признаком незанятости сети. В том случае, когда рабочей станции необходимо передать сообщение, ее сетевой адаптер дожидается поступления маркера, а затем формирует пакет, содержащий данные, и передает этот пакет в сеть. Пакет распространяется по ЛС от одного сетевого адаптера к другому до тех пор, пока не дойдет до компьютераадресата, который произведет в нем стандартные изменения. Эти изменения являются подтверждением того, что данные достигли адресата. После этого пакет продолжает движение дальше по ЛС, пока не возвратится в тот узел, который его сформировал. Узел-источник убеждается в правильности передачи пакета и возвращает в сеть маркер.

309

Важно отметить, что в ЛС с передачей маркера функционирование сети организовано так, что коллизий возникнуть не может. Пропускная способность сетей Token Ring достигает 16 Мбит/с. Оборудование для сетей Token Ring производят многие фирмы, в том числе IBM, 3COM.

Стандарт Ethernet. В сетях Ethernet адаптеры непрерывно находятся в состоянии прослушивания сети. Для передачи данных сервер или рабочая станция должны дождаться освобождения ЛВС и только после этого приступить к передаче. Однако не исключено, что передача может начаться сразу несколькими узлами сети одновременно, что приведет к коллизии. В случае возникновения коллизии узлы должны повторить свои сообщения. Повторная передача производится адаптером самостоятельно без вмешательства процессора компьютера. Время, затрачиваемое на преодоление коллизии, обычно не превышает одной микросекунды. Передача сообщений в сети Ethernet производится пакетами со скоростью 10 Мбит/с. Естественно, реальная загрузка сети меньше, поскольку требуется время на подготовку пакетов. Все узлы сети принимают каждое сообщение, но только тот узел, которому оно адресовано, посылает подтверждение о приеме. В связи с повышением требований к полосе пропускания этот стандарт был расширен технологией Fast Ethernet, обеспечивающей скорость передачи 100 Мбит/с. Основными поставщиками оборудования для сетей Ethernet являются фирмы 3COM,

DEC, CNET, SMC.

Асинхронный режим передачи АТМ (Asynchronous Transfer Mode).

Базовый профиль протоколов ATM был разработан в 1989 году в США для современной высокоскоростной технологии. При использовании ATM данные любого типа, от обычного текстового файла до видеофильма, преобразуются в пакеты одинаковой длины. Эта технология относится к классу трансляции ячеек. Каждая ATM-ячейка состоит из 53 байт (5 байт заголовка и 48 байт передаваемых данных). Подсчет контрольных сумм предусмотрен только для заголовков и не осуществляется для контроля ошибок в пользовательских данных. Фиксированный размер пакета

310

упрощает обработку и передачу данных в сети. Стандарт ATM рассчитан на скорость передачи данных порядка 2,5 Гбит/с. Удачным преимуществом асинхронного режима передачи ATM является сочетание технологий в области вычислительной техники, телевидения и средств связи. Главными недостатками технологии ATM являются незавершенность стандартов и высокая стоимость оборудования.

Стандарт 100VG-AnyLAN. Технология 100VG-AnyLAN сочетает в себе быстрый и простой доступ к данным (что характерно для Ethernet) и возможность контроля за задержкой информации и жесткое управление (что характерно для Token Ring) и позволяет примерно в 10 раз повысить скорость передачи информации, не изменяя инфраструктуры ни сети

Ethernet, ни Token Ring. Поддержка стандартом 100VG-AnyLAN кадров

Ethernet и Token Ring определяет легкость перехода на новые сети существующих сетевых приложений, облегчает межсетевое взаимодействие через маршрутизаторы и мосты, а также обеспечивает совместимость с анализаторами протоколов. Для подсоединения пользователей сетей Ethernet и Token Ring к 100VG-AnyLAN необходим только выравнивающий скорости буфер.

Максимальная скорость передачи данных по сети равна 100 Мбит/с. В качестве физической среды может использоваться неэкранированная витая пара категорий 3, 4 и 5, экранированная витая пара или оптическое волокно. В схему сетевого взаимодействия в технологии 100VG-AnyLAN введен новый метод доступа Demand Priority (приоритет запросов) и новая схема кодирования Quartet Coding (кодирование квартетом). Эта технология позволяет увеличить полосу пропускания и скорость передачи информации по сети без изменения существующей структуры сети и приложений. Основными производителями оборудования являются

Hewlett-Packard, Comparex.

Стандарт FDDI. FDDI — оптоволоконный интерфейс разделяемых данных. В нем так же, как и в Token Ring, используется схема передачи маркера. Отметим, что в FDDI маркер посылается сразу же за передачей

311