- •Информатика Учебное пособие
- •Содержание
- •Предисловие
- •Тема 1. Введение
- •1.1. Цель и задачи курса «Информатика»
- •1.2. Объекты и составные части информатики
- •1.3. Информатика как единство науки и технологии
- •Контрольные вопросы
- •Тема 2. Основные понятия информатики
- •2.1. Место информатики в системе наук
- •2.2. Основные понятия курса «Информатика»
- •Предмет информатики составляют следующие понятия:
- •Информация классифицируется по видам. (рис. 2.4.)
- •Тема 3. Основы дискретной математики.
- •3.2. Основы логики
- •Элементарные булевые функции
- •Из них выделим функцию "отрицание X" (обозначается -X). Эта функция представлена в таблице
- •3.3. Графы и деревья
- •А) граф g; б) остов графа g; в) другой остов графа g
- •Тема 4. Основные понятия архитектуры эвм
- •Для представления числовых данных в эвм используются естественная и нормальная формы записи чисел.
- •4.2. Системы счисления. Правила перевода чисел из одной системы счисления в другую
- •3. Арифметические операции
- •4.3. Логические элементы компьютера
- •В качестве важных последовательностных схем, выполняемых на одной ис, можно отметить счетчики, сдвиговые регистры, элементы памяти и др.
- •Структурная схема базовой модели мп фирмы Intel представлена на рисунке 4.15.
- •4.5. Организация памяти компьютера
- •Используется два основных типа оперативной памяти:
- •Контрольные вопросы
- •Тема 5. Алгоритмическое решение задач, анализ алгоритмической сложности.
- •5.1. Стратегия решения задач.
- •5.2. Алгоритмы (свойства, реализация алгоритмов)
- •5.3. Структуры данных
- •5.4. Основные вычислительные алгоритмы.
- •5.5. Анализ алгоритмов
- •1. Сравнительные оценки алгоритмов
- •2. Система обозначений в анализе алгоритмов
- •3. Классификация алгоритмов по виду функции трудоёмкости
- •4. Асимптотический анализ алгоритмов
- •Контрольные вопросы
- •Тема 6. Знакомство с языками программирования.
- •6.1. Обзор языков программирования
- •6.2. Основные конструкции программирования
- •Внутри программы значение свойств можно изменять как угодно часто.
- •Константы.
- •На практике наибольшее распространение получили язык функционального программирования lisp и два его диалекта: язык Common lisp и язык Scheme.
- •Наиболее распространенным языком логического программирования является язык Prolog (Пролог).
- •Контрольные вопросы
- •Тема 7. Основы операционных систем
- •7.1. Основные концепции операционных систем
- •7.4. Файловые системы
- •7.6. Обзор современного прикладного программного обеспечения
- •Контрольные вопросы
- •Тема 8. Сети и телекоммуникации
- •Компоненты сети
- •По программной совместимости эвм: однородные (гомогенные) и неоднородные (гетерогенные);
- •8.3. Системы телекоммуникаций
- •Типы телекоммуникационных систем
- •Системы телевещания
- •Системы подвижной связи
- •Сети сотовой подвижной связи
- •Сети транкинговой связи
- •Сети персонального радиовызова
- •Сети мобильной спутниковой связи
- •Волоконно-оптические сети
- •Контрольные вопросы:
- •Тема 9. Сеть Internet
- •9.1. Теоретические основы Internet
- •9.2. Основные понятия (сайт, сокет, сервер, клиент). Web как пример архитектуры «клиент-сервер»
- •9.3. Службы Internet
- •Контрольные вопросы:
- •Тема 10. Графическое программное обеспечение
- •10.1. Иерархия графического программного обеспечения. Графические коммуникации. Графические системы.
- •10.2. Системы растровой и векторной графики
- •Описание объекта является простым и занимает мало памяти;
- •10.3. Графические редакторы
- •Контрольные вопросы
- •Тема 11. Основы защиты информации
- •11.1. Информационная безопасность и ее составляющие
- •11.2. Угрозы безопасности информации и их классификация
- •11.3. Сетевая безопасность
- •11.4. Антивирусные программы
- •Контрольные вопросы
По программной совместимости эвм: однородные (гомогенные) и неоднородные (гетерогенные);
по типу организации передачи данных: с коммутацией каналов, с коммутацией сообщений, с коммутацией пакетов, смешанные системы;
по характеру реализуемых функций: вычислительные, информационные, смешанные;
по способу управления: с децентрализованным, централизованным и смешанным управлением;
по структуре построения: одноузловые и многоузловые, одноканальные и многоканальные;
по структуре сети связи, т.е. способу соединения абонентов друг с другом и ЭВМ (топологии): радиальная (звездообразная), кольцевая, многосвязная («каждым с каждым»), иерархическая, общая шина (шинная) и др.
Топология «Общая шина»
В сети с общей шиной все машины подключены вдоль одного кабеля, именуемого магистралью или сегментом. Сети данного типа популярны благодаря низкой стоимости, высокой гибкости и скорости передачи данных, легкости расширения сети. К недостаткам шинной топологии следует отнести необходимость использования довольно сложных протоколов и уязвимость в отношении физических повреждений кабеля.
Топология «звезда»
При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором. Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Сети такой топологии находят наиболее частое применение в автоматизированных учрежденческих системах управления, использующих центральную базу данных. Звездообразные сети менее надежны, чем сети с общей шиной или иерархические. К недостаткам также можно отнести значительное потребление кабеля.
Топология «кольцо»
При топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер.
При этом абонент - получатель должен пометить полученную информацию специальным маркером, иначе могут появиться “заблудшие” данные, мешающие нормальной работе сети.
Как последовательная конфигурация кольцо особенно уязвимо в отношении отказов: выход из строя какого-либо сегмента кабеля приводит к прекращению обслуживания всех пользователей.
Топология «дерево»
Иерархическая сеть (конфигурация типа “дерево”) представляет собой более развитый вариант структуры сети, построенной на основе общей шины. Дерево образуется путем соединения нескольких шин с корневой системой, где размещаются самые важные компоненты сети. Оно обладает необходимой гибкостью для того, чтобы охватить средствами сети несколько этажей в здании или несколько зданий на одной территории, и реализуется, как правило, в сложных системах, насчитывающих десятки и даже сотни абонентов.
8.2. Локально-вычислительные сети
Локальные вычислительные сети (ЛВС) получили наибольшее распространение с появлением персональных компьютеров. Они позволили поднять на новую ступень управление производственными объектами, повысить эффективность использования ресурсов ЭВМ, улучшить качество обрабатываемой информации, начать внедрение безбумажной технологии, создать новые технологии распределенной обработки информации. Объединение ЛВС и глобальных сетей позволило получить доступ к мировым информационным ресурсам.
Локальные сети ориентированы на объединение вычислительных машин и периферийных устройств, сосредоточенных на небольшом пространстве (например, в пределах одного помещения, здания, группы зданий в пределах нескольких километров).
Преимущества локальной сети:
использование в многопользовательском режиме общих ресурсов сети (дисков, модемов, принтеров, программ и данных);
возможность передачи информации с одного компьютера на другой;
сравнительно низкая стоимость;
высокая живучесть и простота комплексирования;
оснащенность современными операционными системами различного назначения;
высокая скорость передачи данных.
Основными аппаратными компонентами ЛВС являются:
рабочие станции
серверы
интерфейсные платы
кабели
Рабочие станции - это, как правило, персональные ЭВМ, которые являются рабочими местами пользователей сети.
Серверы ЛВС выполняют функции распределения сетевых ресурсов. Обычно его функции возлагают на достаточно мощный ПК, мини ЭВМ, большую ЭВМ или специальную ЭВМ - сервер. В одной сети может быть один или несколько серверов.
В серверных ЛВС реализованы две модели взаимодействия пользователей с рабочими станциями (РС): модель «файл – сервер» и модель «клиент – сервер».
В первой модели сервер обеспечивает доступ к файлам базы данных для каждой рабочей станции, и на этом его работа заканчивается. Например, если используется база данных типа «файл – сервер» для получения сведений о налогоплательщиках, проживающих на какой - либо конкретной улице, по сети будет передана вся таблица по городу, и решать, какие записи в ней удовлетворяют запросу, а какие нет, приходится самой рабочей станции.
В модели “клиент - сервер” прикладная система делится на две части: внешнюю, обращенную к пользователю и называемую клиентом, и внутреннюю, обслуживающую и называемую сервером. Сервером является машина, обладающая ресурсами и предоставляющая их, а клиентом - потенциальный потребитель этих ресурсов. Роль ресурсов может играть файловая система (файловый сервер), процессор (вычислительный сервер), база данных (сервер БД), принтер (принтер - сервер) и др. Так как сервер (или серверы) обслуживает одновременно многих клиентов, то на серверном компьютере должна функционировать многозадачная операционная система.
В модели “клиент - сервер” сервер играет активную роль, ибо его программное обеспечение заставляет сервер “сначала подумать, а потом сделать”. Потоки информации, текущие по сети, становятся меньшими, поскольку сервер сначала обрабатывает запросы, а затем посылает клиенту то, в чем он нуждается. Сервер также контролирует допустимость обращения к записям на индивидуальной основе, что обеспечивает большую безопасность данных. В модели “клиент - сервер”, созданной на основе ПЭВМ, предлагается следующее:
сеть содержит значительное количество серверов и клиентов;
основу вычислительной системы составляют рабочие станции, каждая из которых функционирует как клиент и запрашивает информацию, которая находится на сервере;
пользователь системы освобожден от необходимости знать, где находится требуемая ему информация, он просто запрашивает то, что ему нужно;
система реализуется в виде открытой архитектуры, объединяющей ЭВМ различных классов и типов с различными системами.
Важнейшими параметрами, которые должны учитываться при выборе компьютера - сервера, являются: тип процессора, объем оперативной памяти, тип и объем жесткого диска и тип дискового контроллера. Значения указанных параметров зависят от решаемых задач, организации вычислений в сети, загрузки сети, используемой ОС и других факторов.
Рабочие станции и серверы в сети соединяются друг с другом посредством линий передачи данных, в роли которых выступают кабели. Подключение компьютеров к кабелю осуществляется с помощью интерфейсных плат - сетевых адаптеров. В проводных сетях в качестве физической связи в каналах используются:
плоский двухжильный кабель,
витая пара проводов,
коаксиальный кабель,
световод (оптово-волоконный кабель).
В большинстве сетей применяются три основные группы кабелей:
коаксиальный кабель;
витая пара (twisted pair), неэкранированная (unshielded) и экранированная (shielded);
оптоволоконный кабель.
Коаксиальный кабель до недавнего времени был самым распространенным. Недорогой, легкий, гибкий, удобный, безопасный и простой в установке.
Существует два типа коаксиальных кабелей: тонкий (спецификация 10Base2) и толстый (спецификация 10Base5). Тонкий - гибкий, диаметр 0,64 см (0,25). Прост в применении и подходит практически для любого типа сети. Подключается непосредственно к плате сетевого адаптера. Передает сигнал на 185 м практически без затухания. Волновое сопротивление — 50 ом. Толстый - жесткий, диаметр 1,27 см (0,5). Его иногда называют стандартный Ethernet (первый кабель в популярной сетевой архитектуре). Жила толще, затухание меньше. Передает сигнал без затухания на 500 м. Используют в качестве магистрали, соединяющей несколько небольших сетей. Волновое сопротивление — 75 ом.
Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяется специальное устройство — трансивер (transceiver - приемопередатчик). Он снабжен коннектором, который называется вампир или пронзающий ответвитель. К сетевой плате трансивер подключается с помощью кабеля с разъемом. Для подключения тонкого коаксиального кабеля используются BNC-коннекторы (British Naval Connector). Применяются BNC—Т-коннекторы для соединения сетевого кабеля с сетевой платой компьютера, BNC—баррел-коннекторы для сращивания двух отрезков кабеля, BNC-терминаторы для поглощения сигналов на обоих концах кабеля в сетях с топологией шина.
Витая пара — это два перевитых изолированных медных провода. Несколько витых пар проводов часто помещают в одну защитную оболочку. Переплетение проводов позволяет избавиться от электрических помех, наводимых соседними проводами и другими внешними источниками, например двигателями, трансформаторами, мощными реле.
Неэкранированная витая пара (UTP) широко используется в ЛВС, максимальная длина 100 м. UTP определена особым стандартом, в котором указаны нормативные характеристики кабелей для различных применений, что гарантирует единообразие продукции.
Экранированная витая пара (STP) помещена в медную оплетку. Кроме того, пары проводов обмотаны фольгой. Поэтому STP меньше подвержены влиянию электрических помех и может передавать сигналы с более высокой скоростью и на большие расстояния.
Преимущества витой пары - дешевизна, простота при подключении. Недостатки — нельзя использовать при передаче данных на большие расстояния с высокой скоростью.
В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это надежный способ передачи, так как электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные.
Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях, так как сигнал в них практически не затухает и не искажается. Оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами: одно - для передачи, другое - для приема.
Скорость передачи данных в настоящее время составляет от 100 Мбит/с. Между тем, получает все большее распространение скорость 1 Гбит/с, теоретически - до 200 Гбит/с. Расстояние - многие километры. Кабель не подвержен электрическим помехам. Существенным недостатком этой технологии является дороговизна и сложность в установке и подключении.
Типичная оптическая сеть состоит из лазерного передатчика света, мультиплексора/демультиплексора для объединения оптических сигналов с разными длинами волн, усилителей оптических сигналов, демультиплексоров и приемников, преобразующих оптический сигнал обратно в электрический. Все эти компоненты обычно собираются вручную.
Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии - немодулированную и модулированную передачу.
Немодулированные системы передают данные в виде цифровых сигналов, которые представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля (полоса пропускания — разница между максимальной и минимальной частотой, которую можно передать по кабелю). Устройство в сетях с немодулированной передачей посылает данные в обоих направлениях. Для того, чтобы избежать затухания и искажения сигнала в немодулированных системах, используют репитеры, которые усиливают и ретранслируют сигнал.
Модулированные системы передают данные в виде аналогового сигнала (электрического или светового), занимающего некоторую полосу частот. Если полосы пропускания достаточно, то один кабель может одновременно использовать несколько систем (например, транслировать передачи кабельного телевидения и передавать данные). Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропускания. Для восстановления сигнала в модулированных системах используют усилители. В модулированной системе устройства имеют раздельные тракты для приема и передачи сигнала, так как передача идет в одном направлении. Чтобы устройства могли и передавать, и принимать данные, используют разбиение полосы пропускания на два канала, которые работают с разными частотами для передачи и приема, или прокладку двух кабелей — для передачи и приема.
В последнее время стали появляться беспроводные сети, где используются частотные каналы передачи данных (средой является эфир). Основное преимущество беспроводных технологий - это возможности, предоставляемые пользователям портативных компьютеров. Однако скорость передачи в беспроводных технологиях не может пока сравниваться с пропускной способностью кабеля.
Словосочетание беспроводная среда не означает полное отсутствие проводов в сети. Обычно беспроводные компоненты взаимодействуют с сетью, в которой в качестве среды передачи используется кабель. Такие сети называют гибридными.
Беспроводная среда обеспечивает временное подключение к существующей кабельной сети, гарантирует определенный уровень мобильности и снижает ограничения на протяженность сети. Применяется в служебных помещениях, где у сотрудников нет постоянного рабочего места, в изолированных помещениях и зданиях, в строениях, где прокладка кабелей запрещена.
Существуют следующие типы беспроводных сетей: ЛВС, расширенные ЛВС и мобильные сети (переносные компьютеры). Основные различия между ними — параметры передачи. ЛВС и расширенные ЛВС используют передатчики и приемники той организации, в которой функционирует сеть. Для переносных компьютеров средой передачи служат общедоступные сети (например, телефонная или Internet).
ЛВС выглядит и функционирует практически так же, как и кабельная, за исключением среды передачи. Беспроводный сетевой адаптер с трансивером установлен в каждом компьютере, и пользователи работают так, будто их компьютеры соединены кабелем. Трансивер или точка доступа обеспечивает обмен сигналами между компьютерами с беспроводным подключением и кабельной сетью. Используются небольшие настенные трансиверы, которые устанавливают радиоконтакт с переносными устройствами.
Работа беспроводных ЛВС основана на четырех способах передачи данных: инфракрасном излучении, лазере, радиопередаче в узком диапазоне (одночастотной передаче), радиопередаче в рассеянном спектре.
По методам доступа в ЛВС выделяются такие наиболее распространенные сети, как Ethernet, ARCnet, Token Ring.
Метод доступ Ethernet, пользующийся наибольшей популярностью, обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность. Для него используется топология “общая шина”, поэтому сообщение, отправляемое одной рабочей станцией, принимается одновременно всеми остальными станциями, подключенными к общей шине. Но поскольку сообщение включает адреса станций отправителя и адресата, то другие станции это сообщение игнорируют. Это метод множественного доступа. При нем перед началом передачи рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если свободен, то станция начинает передачу.
Метод доступа ARCnet получил распространение в силу дешевизны оборудования. Он используется в ЛВС со звездообразной топологией. Одна из ПЭВМ создает специальный маркер (сообщение специального вида), который последовательно передается от одной ПЭВМ к другой. Если станция передает сообщение другому компьютеру, она должна дождаться маркера и добавить к нему сообщение, дополненное адресами отправителя и назначения. Когда пакет дойдет до станции назначения, сообщение будет отделено от маркера и передано станции.
Метод доступа Token Ring рассчитан на кольцевую топологию и также использует маркер, передаваемый от одной станции к другой. Но при нем имеется возможность назначать разные приоритеты разным рабочим станциям. При этом методе маркер перемещается по кольцу, давая последовательно расположенным на нем компьютерам право на передачу. Если компьютер получает пустой маркер, он может заполнить его сообщение кадром любой длины, однако лишь в течение того промежутка времени, который отводит специальный таймер для нахождения маркера в одной точке сети. Кадр перемещается по сети и каждая ПЭВМ регенерирует его, но только принимающая ПЭВМ копирует этот кадр в свою память и отмечает его как принятый, однако не выводит сам кадр из кольца. Эту функцию выполняет передающий компьютер, когда его сообщение возвращается к нему обратно. Тем самым подтверждается факт передачи сообщения.