В последней формуле значения производных можно заменить двусторонними разностями

В результате формула Эйлера превращается в формулу Грегори, но общий порядок точности понизится с четвертого до третьего.

(2) Формула парабол (Симпсона)

Используя интерполяционный многочлен 2-го порядка (параболу) получают формулу численного интегрирования – формулу Симпсона:

где

Рис. 5.5 Алгоритм вычисления определенного

интеграла по формуле трапеций

На рис. 5.6 показана схема алгоритма, реализующего вычисления по формуле парабол. При реализации формулы число узлов обязательно нечетно, т. е. число участков разбиения интервала интегрирования должно быть четным: n=2m. В алгоритме использован прием, при котором число повторений цикла уменьшается в два раза, т. е. дважды реализуется модификация параметра цикла, что уменьшает время выполнения алгоритма. Метод Симпсона считается одним из наиболее применяемых методов численного интегрирования, обеспечивающим достаточно хорошую точность вычислений.

Рис. 5.6 Алгоритм вычисления определенного

интеграла по формуле Симпсона

(3)Формула Ньютона (правило трех восьмых)

Более высокую точность вычисления обеспечивает интерполирование подынтегральной функции полиномом третьей степени. В результате получают формулу Ньютона (правило трех восьмых):

где Схема алгоритма численного интегрирования по правилу трех восьмых показана на рис. 5.7 Практическое применение нашли также четвертая, пятая и шестая формулы Ньютона-Котеса, однако их использование приводит к более громоздким схемам.

Рис. 5.7 Алгоритм вычисления определенного

интеграла по формуле Ньютона

Рассмотренные выше циклические структуры характеризуются одной общей особенностью – во всех рассмотренных примерах заранее можно определить число повторений тела цикла. Задачи, где число повторений заранее неопределенно, приводят к так называемым циклам с неизвестным (до начала цикла) числом повторений.

Пусть, например, надо определить интервал (a, b), внутри которого функция y=f(x) пересекает ось абсцисс (внутри этого интервала функция f(x) обращается в ноль, т. е. f(x)=0). На рис. 5.8 показано возможное решение поставленной задачи в форме соответствующего графика. Первоначально можно предположить, что искомый интервал может иметь границы a=x₀ и b=x₀+h_x. Если в указанном интервале нет искомой точки, то искать ее следует в следующем интервале (a+h_x , b+h_x). Последовательный анализ интервалов продолжается до тех пор, пока не будет достигнут искомый результат. Необходимое условие того, что функция y=f(x) пересекает ось абсцисс, может быть записано в следующем виде: y_a·y_b<0, где y_a = f(a); y_b = f(b).

На рис. 5.9 приведена схема алгоритма нахождения интервала (a, b), с использованием оператора цикла с предусловием.

Рис. 5.8 Нахождение интервала, внутри

которого функция пересекает ось абсцисс

Условие продолжения цикла определено с помощью логической переменной v. Значение переменной v формируется из двух условий. С одной стороны выход из цикла возможен в тех случаях, когда найден искомый интервал (a, b), т. е. выполняется условие f(a)f(b)<0. С другой стороны, точка пересечения с осью абсцисс может отсутствовать, тогда выход из цикла осуществляется в результате достижения граничной (конечной) точки x_n. Объединенное условие продолжения цикла

5.2. Алгоритм вычисления суммы бесконечного ряда

Характерным примером итерационных циклов является задача вычисления суммы бесконечного ряда:

где t_n(x) – слагаемое, зависящее от параметра x (в общем случае) и номера n. Вычисляемая последовательность

где – частная сумма.

Для контроля погрешности можно использовать последовательность

где t_n(x) = s_n(x) – s_n-1(x) – слагаемые ряда n.

.

Условие выхода из итерационного цикла (справедливо при знакопеременном ряде {t_n(x)}):

| t_n ( x ) | <  .

Алгоритм вычисления бесконечной суммы является модификацией одного из алгоритмов вычисления конечной суммы. Если применение рекуррентных формул нецелесообразно, то вычисления будут наиболее эффективными, если каждое слагаемое определять по общей формуле и полученные значения накапливать в некоторой переменной. Общий вид схемы алгоритма, реализующего вычисление бесконечной суммы с погрешностью  с помощью цикла с предусловием, показан на рис. 5.10, а.

Если для вычисления слагаемых используются рекуррентные соотношения

то общая схема итерационного алгоритма для вычисления бесконечной суммы показана на рис. 5.10, б.

Например, тригонометрическая функция sin(x) может быть представлена в виде бесконечной суммы

В данном случае

тогда

Теперь можно определить

Начальное значение слагаемого находим по формуле

5.3.Алгоритмы нахождения корней уравнений.

Решение алгебраических уравнений численными методами состоит из двух этапов:

– отделение корней, т. е. отыскание достаточно малых интервалов
(a, b), в каждом из которых заключен один и только один корень;

– вычисление (уточнение) корня с заданной погрешностью.

Для отделения корней можно использовать алгоритм, схема которого приведена на рис. 5.9. На втором этапе используется один из известных алгоритмов уточнения значения корня. При этом любой из известных алгоритмов реализует вычисления в соответствии с итерационным циклом. Рассмотрим более подробно эти алгоритмы.

5.3.1.Метод итераций

Пусть задано уравнение f(x) = 0, имеющее один-единственный корень х на интервал (a, b), т. е. a ≤ x ≤ b.

Уравнение f(x) = 0 представим в виде, необходимом для реализации метода итерации x = φ(x).

Если в интервале (a, b) выполняется неравенство |φ'(x)| ≤ q < 1, то метод итерации применим к исходному уравнению, и приведет к уточнению корня с заданной точностью (процесс итерации сходится).

Приведение исходного уравнения f(x) = 0 к форме x = φ(x).может быть выполнено разными способами. Один из них сводится к следующему. Предположим, что 0 ≤ m ≤ f(x) ≤ M при a ≤ x ≤ b (если f(x) < 0, то достаточно уравнение f(x) = 0 умножить почленно на -1), тогда уравнение

равносильно исходному уравнению f(x) = 0, имеет требуемую каноническую форму и

На рис. 5.11,а показан геометрический смысл первоначального уравнения f(x)=0. На этом рисунке точка х* является искомой. В результате тождественных преобразований исходного уравнения f(x)=0 к требуемому виду получаем геометрический смысл итерационного метода. На
рис. 5.11,б искомый корень х* определяет точку пересечения двух функций: у = х и у =φ(х).

Метод итерации состоит из последовательности следующих шагов: выбираем любое значение х = х₀ из интервала (a, b), вычисляем φ(х₀) и приравниваем его к новому значению корня x₁:

Далее этот процесс повторяется так, что k-я итерация состоит в вычислении

Погрешность ε_k на k-й итерации удовлетворяет неравенству

Процесс итерации проводим до тех пор, пока погрешность ε_k будет больше заданной погрешности ε. На рис. 5.11,б прямые со стрелками показывают итерационное движение вычислительного процесса к искомому значению х*.

В алгоритме метода итераций вычисляется последовательность значений

х₀, х₁, х₂, …, х_n, …

по формуле x_n = φ(x_n-1). Данная последовательность сходится к величине х*. Условие продолжения цикла

|x_n – x_n-1| > ε,

т.е. вспомогательная последовательность для контроля погрешности:

|x₁ – x₀|, |x₂ – x₁|, …, |x_n – x_n-1|, … .

Заметим, что в качестве вспомогательной можно использовать последовательность

|f(x₀)|, |f(x₁)|, |f(x₂)|, …, |f(x_n)| … ,

которая сходится к нулевому значению.

Рис. 5.19. Алгоритм вычисления определенного

интеграла по формуле Ньютона

Рис. 5.19. Алгоритм вычисления определенного

интеграла по формуле Ньютона

Рис. 5.11. Геометрическая иллюстрация

метода итераций

Рис. 5.19. Алгоритм вычисления определенного

интеграла по формуле Ньютона

0 a x* b x

φ(x₂)

φ(x₁)

φ(x₀)

Поэтому условием продолжения цикла с предусловием может быть неравенство

Пусть, например, необходимо найти с погрешностью ε = 10^-4 корень уравнения

Приведем исходное уравнение к виду

Для определения x₀ применим графический метод отделения корней, а именно построим график функций

Нетрудно убедиться, что корень (точка пересечения этих графиков) принадлежит к отрезку [0, 1]. Поэтому

для всех метод итераций применим.

5.3.2.Метод половинного деления

Метод половинного деления является более универсальным, всегда приводит к искомому результату, хотя и требует большого объема вычислений. Для нахождения корня уравнения f(x)=0, принадлежащего отрезку [a, b], делим отрезок пополам z = (a+b)/2 (см. рис. 5.12,а). Далее рассмотрим значения функции y = f(x) в точках x = a и x = z. Если значения f(a) и f(z) разных знаков, т. е. f(a) f(z) < 0, то исходный отрезок [a, b] уменьшим в два раза путем переноса точки x = b в точку x = z. Новый отрезок [a, b] вновь делим пополам (см. рис. 5.12,б) и так как f(a) f(z) < 0, то переносим точку x = a в точку x = z, уменьшая [a, b] в два раза. Повторяем указанную процедуру до тех пор, пока длина отрезка, содержащего корень, не станет меньше заданной погрешности ε. Любое значение является искомым значением корня, однако на практике в качестве корня выбирают середину отрезка, т. е. x = (a+b)/2.

При организации итерационного цикла вычисляется последовательность отрезков

[a₀, b₀], [a₁, b₁], …, [a_n, b_n], … ,

для которой

Для контроля точности вычисления корня можно использовать следующую последовательность значений

поэтому условие выхода из цикла

или условие продолжения цикла

С хема алгоритма уточнения корня алгебраического уравнения методом половинного деления приведена на рис. 5.13. В результате выполнения такого алгоритма выводится значение корня (с заданной погрешностью), а также значение функции f(x), которое очень близко к нулевому значению и может быть использовано для контроля правильности полученного результата.

y

f(z)

1. a

x^* z b

f(a)

a)

y

y=f(x)

0 a x^*

f(z) z b x

f(a)

b)

Рис. 5.12 Графическая иллюстрация

метода половинного деления

5.3.3.Метод касательных

Для обеспечения сходимости метода касательных (метода Ньютона) необходимо, чтобы производные f' (x) и f" (x) были определены, непрерывны и сохраняли постоянные знаки на отрезке [a, b]. На рис. 5.14 представлена геометрическая интерпретация метода Ньютона.

Выберем некоторую точку x₀ на отрезке [a, b] и проведем касательную к кривой y=f(x) в точке P₀(x₀, y₀). Ее уравнение

y = y₀ + f' (x₀)(x–x₀),

где y₀ = f(x₀).

Новое приближение корня х₁, равно абсциссе точки пересечения касательной с осью абсцисс, т. е.

y

y₀

y₁

y₂

Выберем некоторую точку x₀ на отрезке [a, b] и проведем касательную к кривой y=f(x) в точке P₀(x₀, y₀). Ее уравнение

y = y₀ + f' (x₀)(x–x₀),

где y₀ = f(x₀).

Новое приближение корня х₁, равно абсциссе точки пересечения касательной с осью абсцисс, т. е.

Проведя касательную через точку P₁(x₁, y₁), получим второе приближение корня x₂. Вычисление приближений корня по формуле

продолжается до выполнения неравенства

,

где ε – абсолютная погрешность определения корня уравнения.

Начальное приближение х₀ выбирают таким образом, чтобы выполнялось условие

В противном случае сходимость метода Ньютона не гарантируется. На практике выбирают x₀ = a или x₀ = b, в зависимости от того, в какой из этих точек выполняется указанное условие. Схема алгоритма уточнения корня методом Ньютона (методом касательных) приведена на рис. 5.15.

5.3.4.Метод хорд

Геометрическая интерпретация метода хорд приведена на рис. 5.16. Проведем через точки (a, y_a) и (b, y_b) прямую. Уравнение этой прямой:

Рис. 5.16 Графическая иллюстрация

метода хорд

Начальное приближение корня равно абсциссе точки пересечения и оси абсцисс (легко определяется также из соответствующих пропорций):

Из двух отрезков [a, x₀] и [x₀, b] выберем тот, на концах которого функция f(x) имеет разные знаки (т. е. отрезок, содержащий корень уравнения). Проведем секущую на новом отрезке [x₀, b] и получим следующее приближение корня x₁. Формируем последовательность x₀, x₁, x₂, …, x_n, … до выполнения условия

|x_n – x_n-1| < ε.

Схема алгоритма уточнения корня методом хорд (методом пропорциональных частей) приведена на рис. 5.17.

5.4.Алгоритмы обработки массивов

5.4.1.Определение минимального элемента в массиве.

Задача нахождения минимума (или максимума) в массиве из N элементов может быть решена последовательным сравнением "текущего" минимального (максимального) значения со значением очередного элемента массива и "запоминанием" при необходимости нового значения. Схема алгоритма показана на рис. 5.18.

Рис. 5.18 Алгоритм определения минимального элемента массива

5.4.2.Сортировка массива.

Допустим, необходимо упорядочить массив из N элементов по возрастанию. Задача решается последовательным сравнением пар соседних элементов массива и при необходимости их перестановкой. Сравнение происходит при N-1 проходах по всему массиву. Схема алгоритма показана на рис. 5.19.

Рис. 5.19 Алгоритм сортировки массива методом пузырька

5.4.3.Произведение матриц

Пусть необходимо найти произведение двух матриц А и В размером 2х3 и 3х3 соответственно. Элементы результирующей матрицы С (размером 2х3) определяются по формуле

где n – число строк матрицы А;

m – число столбцов матрицы А и число строк матрицы В;

p – число столбцов матрицы В.

В общем случае результирующая матрица имеет размер np. Схема алгоритма умножения двух матриц представлена на рис. 5.20.

Рис. 5.20 Алгоритм умножения матриц

5.5.Алгоритм обработки строк

Пусть дана строка символов, группы символов в ней между одним или несколькими пробелами считаются словами. Подсчитать, сколько слов содержит строка, и вывести каждое из них на отдельной строке.

При решении задачи следует обратить внимание на следующую важную особенность. Если бы слово от слова отделялось только одним пробелом, то мы могли бы, посчитав количество пробелов, вычислить количество слов. В нашем случае необходимо перед каждым определением слова в строке удалять из нее первые пробелы и выделять слово до следующего пробела. После выделения слово удаляется из строки. Для выделения последнего слова строки, если в конце строки нет пробелов, за слово будет считаться оставшаяся часть строки.

Схема алгоритма решения данной задачи приведена на рис. 5.21. При этом алгоритм удаления пробелов в начале строки оформлен в виде процедуры, а выделения слова – в виде функции.

Рис. 5.21 Алгоритм подсчета количества слов в строке и их вывод

5.6.Алгоритм обработка записей

Пусть имеются некоторые данные о заводах города, сведенные в следующую таблицу:

Завод	Основные сведения
	Зани-маемая площадь	Объем выпускаемой продукции		Количество обслуживающего персонала
		по плану	факти-чески	с высшим образованием	со средним образованием
АЗЛК ВАЗ ЗИЛ ИЖ	800 396 203 544	484,9 348,5 384,3 667,3	484,9 348,7 399,4 701,3	282 130 448 396	204 669 125 157
Всего

Необходимо описать массив записей, содержащий данную информацию, произвести расчет и заполнить итоговую строку, вывести результат.

Для решения задачи следует обеспечить ввод массива записей, эхо-печать введенных данных, накопление суммы по каждому полю записи для формирования итоговой строки таблицы и вывод полученного результата. Общий вид схемы алгоритма представлен на рис. 5.22.

Рис. 5.22 Алгоритм обработки массива записей

Глава 6.Лекция 6

6.1.Вычислительные сети

Вычислительная сеть (информационно-вычислительная сеть) – это совокупность узлов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему.

Структура вычислительной сети

Узел – это любое устройство, непосредственно подключенное к передающей среде сети. Узлами могут быть не только ЭВМ, но и сетевые периферийные устройства, например, принтеры.

Каждый узел в сети имеет минимум два адреса: физический, используемый оборудованием, и логический, используемый пользователями и приложениями.

Узлы обмениваются сообщениями. Здесь сообщение – это целостная последовательность данных, передаваемых по сети.

Отдельные части сети называются сегментами.

Передающая среда сети (канал связи) определяет, как будут передаваться сообщения по сети. Примерами передающих сред являются кабельные, радио-, спутниковые каналы.

Вычислительные сети имеют следующие характеристики.

1. Производительность – это среднее количество запросов пользователей сети, исполняемых за единицу времени. Производительность зависит от времени реакции системы на запрос пользователя. Это время складывается из трех составляющих:

- времени передачи запроса от пользователя к узлу сети, ответственному за его исполнение;

- времени выполнения запроса в этом узле;

- времени передачи ответа на запрос пользователю.

2. Пропускная способность – это объем данных, передаваемых через сеть ее сегмент за единицу времени (трафик).

3. Надежность – это среднее время наработки на отказ.

4. Безопасность – это способность сети обеспечить защиту информации от несанкционированного доступа.

5. Масштабируемость – это возможность расширения сети без заметного снижения ее производительности.

6. Универсальность сети – это возможность подключения к сети разнообразного технического оборудования и программного обеспечения от разных производителей.

Вычислительные сети используются в следующих целях:

1) предоставление доступа к программам, оборудованию и данным для любого пользователя сети; эта цель называется совместным использованием ресурсов;

2) обеспечение высокой надежности хранения источников информации; хранение данных в нескольких местах позволяет избежать их потерю, в случае их удаления в одном из мест;

3) обработка данных, хранящихся в сети;

4) передача данных между удаленными друг от друга пользователями.

По виду технологии передачи вычислительные сети делятся на следующие типы:

- широковещательные сети обладают общим каналом связи, совместно используемым всеми узлами; сообщения передаются всем узлам; примером широковещательной сети является телевидение;

- последовательные сети, в которых сообщению необходимо пройти несколько узлов, чтобы добраться до узла назначения; сообщение передается только одному узлу; примером такой технологии передачи является электронная почта.

Небольшие сети обычно используют широковещательную передачу, тогда как в крупных сетях применяется передача от узла к узлу.

По размеру сети можно подразделить на следующие типы:

- локальные сети размещаются в одном здании или на территории одного предприятия; примером локальной сети является локальная сеть в учебном классе;

- региональные сети объединяют несколько предприятий или город; примером сетей такого типа является сеть кабельного телевидения;

- глобальные сети охватывают значительную территорию, часто целую страну или континент и представляют собой объединение сетей меньшего размера; примером глобальной сети является сеть Интернет.

По принципу построения сети делятся на следующие типы:

- одноранговые сети объединяют равноправные узлы; такие сети объединяют не более 10 узлов;

- сети на основе выделенного сервера имеют специальный узел – вычислительную машину (сервер), предназначенную для хранения основных данных сети и предоставления этих данных узлам (клиентам) по запросу.

6.2.Модель взаимодействия открытых систем

Для описания общей модели взаимодействие открытых систем используется эталонная модель OSI (Open System Interconnection). Модель OSI состоит из 7 уровней (от низших к высшим):

1) физический;

2) канальный;

3) сетевой;

4) транспортный;

5) сеансовый;

6) представительский;

7) прикладной.

Каждый уровень использует для передачи низшие уровни. Взаимодействие между уровнями одного типа осуществляется по протоколам, а между низшими и высшими – с помощью интерфейсов.

Перед отправкой по сети данные разбиваются на пакеты – группы байт фиксированной длины. Пакет последовательно проходит все уровни от прикладного до физического. При этом на каждом уровне, кроме прикладного и представительского, к пакету добавляется служебная информация, называемая заголовком. Заголовок содержит информацию для адресации сообщений и для безошибочной передачи данных по сети.

Уровни модели взаимодействия открытых систем

На принимающей стороне пакет проходит все уровни в обратном порядке. Каждый уровень анализирует пакет, отделяет заголовок своего уровня и передает пакет на следующий уровень. На прикладном уровне данные примут свой первоначальный вид.

Рассмотрим задачи каждого из уровней модели OSI.

1-й уровень – физический. Самый низший уровень модели OSI. Основной задачей физического уровня является управление аппаратурой передачи данных и подключенным к ней каналом связи. На этом уровне формируются сигналы, которые передают данные в виде потока бит по передающей среде.

2-й уровень – канальный. На этом уровне физический канал преобразовывается в надежную линию связи, свободную от необнаруженных ошибок. Для этого формируется логический канал между двумя узлами, соединенных физическим каналом. Данные передаются по канальному уровню в виде кадров, которые включают, помимо данных, проверочную информацию. Проверочная информация позволяет установить, был ли передан кадр без искажений (ошибок) и частично восстановить информацию. Если кадр не был восстановлен, то происходит его повторная передача.

3-й уровень – сетевой. Отвечает за адресацию сообщений и перевод логических адресов в физические. Этот уровень разрешает проблемы, связанные с разными способами адресации и разными протоколами при переходе пакетов из одной сети в другую, позволяя объединять разнородные сети.

4-й уровень – транспортный. На этом уровне данные разбиваются на пакеты. При этом гарантируется, что эти пакеты прибудут по назначению в правильном порядке. Для этого осуществляется поиск оптимального маршрута передачи пакетов с точки зрения загруженности сегментов сети и времени передачи данных между узлами. Уровень управляет созданием и удалением сетевых соединений и управляет потоком сообщений.

5-й уровень – сеансовый. Позволяет двум процессам (например, приложениям) разных узлов устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. Этот уровень управляет передачей между двумя узлами и определяет, какая из сторон, когда и как долго должна осуществлять передачу.

6-й уровень – представительский. На этом уровне определяется формат, используемый для обмена данными между узлами. Уровень отвечает за преобразование, кодирование и сжатие данных.

7-й уровень – прикладной. Предоставляет доступ прикладным процессам к сетевым службам. Этот уровень управляет общим доступом к сети.

6.3.Сетевые протоколы

Протоколы – это соглашение о формате и правилах передачи данных по сети. Протоколы обладают следующими свойствами:

- протоколы работают на разных уровнях модели OSI, поэтому функции протокола определяются уровнем, на котором он работает;

- несколько протоколов могут работать совместно, в этом случае они образуют стек или набор протоколов разных уровней модель OSI.

Передача данных по сети разбита на несколько шагов, каждому из которых соответствует протокол. Узел-отправитель выполняет следующие шаги:

- разбивает данные на пакеты;

- добавляет к пакетам служебную информацию: адрес получателя и информацию для проверки правильности и восстановления в случае возникновения ошибок при передачи;

- передает пакеты в сеть через сетевой адаптер.

Узел-получатель выполняет шаги в обратной последовательности:

- принимает пакеты из сети через сетевой адаптер;

- проверяет правильность передачи данных и удаляет служебную информацию из пакетов;

- объединяет пакеты в исходный блок данных.

6.4.Топологии вычислительных сетей

Вычислительные машины, объединенные в локальную сеть, физически могут располагаться различным образом. Однако порядок их подсоединения к сети определяется топологией – усредненной геометрической схемой соединений узлов сети.

Наиболее распространенными топологиями локальных сетей, в которых передающей средой является кабель, являются кольцо, шина, звезда.

Топология кольцо предусматривает соединение узлов сети замкнутым контуром и используется для построения сетей, занимающих сравнительно небольшое пространство. Выход одного узла сети соединяется с входом другого. Информация по кольцу передаются от узла к узлу в одном направлении. Каждый промежуточный узел ретранслирует посланное сообщение. Принимающий узел распознает и получает только адресованное ему послание.

Топология кольцо

Последовательная организация обслуживания узлов сети снижает ее быстродействие, а выход из строя одного из узлов приводит к нарушению функционирования кольца.

Топология шина представляет собой последовательное соединение узлов между собой. Данные распространяются по шине в обе стороны. В каждый момент времени передачу может вести только один узел, поэтому производительность сети зависит только от количества узлов в сети. Сообщение поступает на все узлы, но принимает его только тот узел, которому оно адресовано. Узлы не перемещают сообщение, поэтому выход из строя одного узла не приводит к нарушению функционирования сети.

Топология шина

Топология звезда базируется на концепции центрального узла, через который вся информация ретранслирует, переключает, маршрутизирует (находит путь от источника к приемнику) информационные потоки в сети.

В качестве центрального узла выступает концентратор (хаб, hub). Концентраторы выполняются в виде отдельных устройств с 8, 16, 24 или 48 портами, к которым подключаются ЭВМ. При получении пакета в одном из портов концентратор широковещательно передает его на все остальные порты. Узлы анализируют адрес получателя пакета и, если он предназначен им, то получают его, иначе игнорируют его.

Концентраторы могут быть трех типов:

1) пассивные: только соединяющие сегменты сети;

2) активные: это пассивные концентраторы, усиливающие сигналы, увеличивая расстояние между узлами;

3) интеллектуальные: это активные концентраторы, выполняющие маршрутизацию.

Также центральным узлом сети может быть коммутатор (switch). В отличие от концентратора, это телекоммуникационное устройство пересылает принятый пакет не широковещательно на все порты, а адресату. Адресат определяется по адресу, содержащемуся в пакете. В результате такой передачи повышается общая пропускная способность сети.

Данная топология значительно упрощает взаимодействие узлов сети друг с другом. В то же время работоспособность локальной вычислительной сети зависит от центрального узла.

Топология звезда

При построении локальных сетей используются данные топологии или их сочетания.

6.5.Виды коммутации

Основным назначением узлов коммутации является прием, анализ, а в сетях с маршрутизацией еще и выбор маршрута, и отправка данных по выбранному направлению.

Узлы коммутации осуществляют один из трех следующих видов коммутации при передаче данных.

1. Коммутация каналов. Между пунктами отправления и назначения устанавливается физическое соединение путем формирования составного канала из последовательно соединенных отдельных участков каналов связи. Такой сквозной составной канал организуется в начале сеанса связи, поддерживается в течение всего сеанса и разрывается после окончания передачи.

Преимущества:

- возможность работы в диалоговом режиме и в режиме реального времени;

- обеспечение полной прозрачности канала.

Недостатки:

- создание непрерывного канала связи требует большого времени;

- канал связи монополизируется источником и приемником, что снижает производительность сети.

Примером коммутации каналов является телефонная связь.

2. Коммутация сообщений. Данные передаются в виде сообщений разной длины. Отправитель указывает лишь адрес получателя. Узлы коммутации анализируют адрес и текущую занятость каналов и передают сообщение по свободному в данный момент каналу на ближайший узел сети в сторону получателя.

Преимущества:

- увеличение производительности сети, так как после передачи сообщения от узла к узлу канал освобождается;

- возможность выбора маршрута доставки сообщения.

Недостатки:

- увеличение времени доставки по сравнению с коммутацией каналов;

- затруднена работа в диалоговом режиме и режиме реального времени.

Примерами коммутации сообщений являются электронная почта и телеконференции.

3. Коммутация пакетов. Сообщения разбиваются на несколько пакетов стандартной длины. Пакеты могут следовать к получателю разными путями и непосредственно перед выдачей получателю объединяются для формирования исходных сообщений.

При передаче пакетов может создаваться виртуальный канал. Временной ресурс узла разделяется между несколькими пользователями так, что каждому пользователю отводится постоянно множество минимальных отрезков времени и создается впечатление непрерывного доступа.

Преимущество: наибольшая пропускная способность сети и наименьшая задержка при передаче данных;

Недостаток: трудность, а иногда и невозможность его использования для систем, работающих в интерактивном режиме и в реальном масштабе времени.

Коммутация сообщений и пакетов относится к логическим видам коммутации. При передаче данных формируется лишь логический канал между абонентами. Каждое сообщение (пакет) имеет адресную часть, определяющую отправителя и получателя; в соответствии с адресом выбирается дальнейший маршрут и передается сообщение из запоминающего устройства узла коммутации.

6.6.Способы адресации ЭВМ в сети

В вычислительных сетях существуют три способа адресации.

1. Аппаратные адреса представляют собой шестнадцатеричные номера (12 цифр; например: 00-08-74-96-92-5C). Присвоение аппаратных адресов происходит автоматически: они встраиваются в аппаратуру (модемы, сетевые адаптеры и т. д.) на стадии производства или генерируются при каждом новом запуске оборудования.

2. Числовые составные адреса, например IP-адреса (Internet Protocol-адреса – адреса Интернет-протокола). IP-адрес записывается в виде четырех десятичных чисел, разделенных точками; каждое число лежит в диапазоне от 0 до 255. Таким образом, IP-адрес занимает 4 байта; например: 192.168.0.212.

3. Символьные адреса или имена предназначены для пользователей и несут смысловую нагрузку. Такие адреса имеют иерархическую структуру и состоят из отдельных доменов. Домен – это условное имя, показывающее принадлежность узлов определенной группе, например, стране, компании или государственному учреждению. Например, адрес class1.vpm.rsrea означает, что ЭВМ с этим адресом находится в РГРТУ (.rsrea) на кафедре вычислительной и прикладной математики (ВПМ, .vpm) в компьютерном классе 1 (class1).

Чтобы посмотреть адреса ЭВМ в ОС Windows, необходимо в командной строке набрать команду ipconfig /all.

В современных сетях для адресации используются все три способа адресации. Пользователь указывает символьный адрес, который заменяется числовым адресом (по таблицам адресов, хранимых на сервере имен сети). При поступлении передаваемых данных в сеть назначения числовой адрес заменяется аппаратным.

6.7.Маршрутизация

Маршрутизация необходима для обеспечения следующих характеристик:

- максимальной пропускной способности сети;

- минимального времени прохождения пакета от отправителя к получателю;

- надежности доставки и безопасность передаваемой информации.

По способу управления маршрутизацию можно подразделить на два типа:

1) централизованная: выбор маршрута осуществляется в центре управления сетью, а узлы коммутации реализуют поступившее решение;

2) децентрализованная: функции управления распределены между узлами коммутации.

Существуют следующие методы маршрутизации.

1. Простая маршрутизация при выборе дальнейшего пути для сообщения (пакета) учитывает лишь статическое априорное состояние сети. Ее текущее состояние – загрузка и изменение топологии из-за отказов – не учитывается.

2. Фиксированная маршрутизация учитывает только изменение топологии сети. Для каждого узла назначения канал передачи выбирается по электронной таблице маршрутов (route table), определяющей кратчайшие пути и время доставки информации до пункта назначения.

3. Адаптивная маршрутизация учитывает изменение загрузки и изменение топологии сети. При выборе маршрута данные из таблицы маршрутов дополняются данными о работоспособности и занятости каналов связи, оперативной информацией о существующей очереди пакетов на каждом канале.

Маршрутизация в сетях осуществляется специальным устройством – маршрутизатором. Маршрутизаторы – это устройства для маршрутизации выполняются в виде отдельных многопроцессорных устройств или ЭВМ со специальным программным обеспечением.

Глава 7.Лекция 7

7.1.Глобальная сеть

Сеть Интернет – это глобальная сеть, соединяющая сети различного размера по всему миру. Сеть Интернет – это информационное пространство, содержащее огромное количество информации, хранилище информационных ресурсов. Информационными ресурсами являются совокупности текстов, изображений и других данных, а также тематические связи между ними.

В конце 1969 г. под эгидой Министерства обороны США был создан проект ARPAnet (Advanced Research Project Agency Network – сеть Управления перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ), объединивший в единую вычислительную сеть сети 4 исследовательских институтских центров по всей территории США. В рамках этого проекта проводились исследования в области телекоммуникаций с целью создания надежной системы, способной передавать данные даже в случае начала ядерной войны. Проект основывался на концепции децентрализованного управления, так как, в случае уничтожения или повреждения центра управления, происходил отказ всей сети. В 1974 г. были начаты разработки протоколов, способных обеспечить передачу данных по сетям разного типа – TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol – протокол управления передачей / Интернет-протокол). В 1983 г. сеть ARPAnet была переведена на протокол TCP/IP. После этого Министерства обороны передало контроль над сетью Национальному научному фонду США. Началось расширение сети ARPAnet, в том числе за пределы США. При этом фонд осуществлял борьбу с коммерциализацией сети, штрафуя тех, кто имел побочный доход в сети. К 1995 г. сеть ARPAnet разрослась до такой степени, что Национальный научный фонд США уже не успевал отслеживать деятельность каждого узла. Поэтому произошла передача региональным провайдерам оплаты за подсоединение многочисленных частных сетей к национальной магистрали.

Провайдер – это организация (фирма, компания), обеспечивающая подключение пользователей к сети Интернет. Подключение может осуществляться двумя способами:

1) по модему (телефонному, ADSL или другого типа) (раздел 2.11.6);

2) прямым подключением к сети провайдера.

После того, как пользователь соединился с провайдером, компьютер пользователя становится частью сети провайдера. Каждый провайдер имеет свой канал, связывающий его с более крупным провайдером. В свою очередь сети крупных провайдеров объединены между собой магистральными линиями.

7.2.Протоколы сети Интернет

Протоколы сети Интернет можно разделить на два типа: базовые и прикладные. Базовые протоколы – это протоколы нижнего уровня. Они обеспечивают физическую передачу сообщений между узлами в сети Интернет. Примером базового протокола является протокол ТСР/IP. Прикладные протоколы – протоколы высокого уровня. Эти протоколы обеспечивают функционирование служб сети Интернет. Например, протокол HTTP служит для передачи гипертекстовых документов, протокол FTP – для передачи файлов, а SMTP – для передачи электронной почты. Базовые и прикладные протоколы находятся в такой же взаимосвязи, что и уровни модели OSI.

На нижнем уровне используются два основных протокола: IP и TCP. Протокол TCP предназначен для управления передачей данных в виде пакетов, регулировкой и синхронизацией передачи на разных скоростях. Протокол IP необходим для однозначного определения адреса получателя пакетов. Такой адрес называется IP-адресом.

Семь уровней модели OSI преобразованы в четыре уровня протоколов TCP/IP:

1) уровень межсетевого интерфейса предназначен собственно для передачи данных по сети;

2) межсетевой уровень отвечает за маршрутизацию и доставку пакетов;

3) транспортный уровень выполняет задачи установки и поддержания соединения между двумя узлами, отправку уведомлений о получении данных;

4) прикладной уровень предоставляет доступ к сети приложениям.

Архитектура протоколов TCP/IP предназначена для объединения сетей. В их качестве могут выступать локальные, национальные, региональные и глобальные сети, каждая из которых функционирует по своим принципам. При этом каждая сеть может принять пакет данных и доставить его указанному узлу.

Предположим, имеется послание, отправляемое по электронной почте. Передача почты осуществляется по прикладному протоколу SMTP, который использует передачу по протоколам TCP/IP. По протоколу TCP данные разбиваются на небольшие пакеты фиксированной структуры и длины и маркируются так, чтобы при получении собрать из них исходное послание.

Обычно длина одного пакета не превышает 1500 байт. Поэтому одно электронное письмо может состоять из нескольких сотен таких пакетов. Малая длина пакета не приводит к блокировке линии связи и не позволяет отдельным пользователям надолго захватывать канал связи.

К каждому полученному пакету протокола TCP протокол IP добавляет информацию, по которой можно определить адрес отправителя и получателя. Это аналогично записи адреса на конверте письма. Для передачи пакета существует несколько маршрутов. Однако пакет не всегда передается по географически наикратчайшему пути. На направление его передачи влияет загруженность каналов связи, а не их протяженность. Таким образом, более короткий маршрут может оказаться самым долгим по времени передачи. Протокол TCP/IP гарантирует, что независимо от длины пути в результате конечного числа пересылок TCP-пакеты достигают адресата.

Чтобы посмотреть путь пакета до узла с заданным адресом в ОС Windows, необходимо в командной строке набрать команду tracert .

При получении пакета IP-модуль адресата извлекает пакет протокола ТСР из IP-пакета и передает его TCP-модулю. В свою очередь ТСР-модуль извлекает данные из TCP-пакета и собирает данные принятых пакетов в исходное сообщение. Если пакет отсутствует или принят с ошибками, то производится его повторная передача. Передача одного и того же пакета повторяется до тех пор, пока пакет не будет получен в целостном виде. Для определения ошибок в пакете используются контрольные данные и помехоустойчивые коды, выявляющие и исправляющие ошибки.

Полученное сообщение передается процедурам протокола SMTP, которые далее обрабатывают это сообщение.

Таким образом, по протоколу IP данные непосредственно передаются по сети, а по протоколу ТСР обеспечивается надежная доставка данных адресату. Два узла в сети Интернет могут одновременно передавать в обе стороны по одному каналу несколько ТСР-пакетов от различных узлов.

7.3.Система адресации в Интернет

Каждому компьютеру, подключенному к сети Интернет, присваивается числовой адрес, называемый IP-адресом.

IP-адрес используется в протоколах передачи данных. IP-адрес содержит полную информацию необходимую для идентификации узла в сети.

При сеансовом подключении к сети Интернет IP-адрес выделяется компьютеру только на время этого сеанса. Такое присвоение адреса компьютеру называется динамическим распределением IP-адресов. Динамическое распределение IP-адресов позволяет обслуживать большое количество пользователей, имея небольшое количество IP-адресов, так как один и тот же IP-адрес в разные моменты времени может быть выделен разным пользователям.

IP-адрес состоит из четырех чисел от 0 до 255 в десятичной системе счисления, разделенных точками. IP-адрес имеет иерархическую структуру. Например, адрес 152.207.71.12 состоит из следующих частей. Первые два числа (152.207) определяют сеть, третье число (71) – подсеть, четвертое число (12) – ЭВМ в этой подсети.

Так как каждое из четырех чисел IP-адреса изменяется от 0 до 255, то всего количество IP-адресов равно 256⁴ = 4,3 млрд. Однако некоторые адреса зарезервированы, поэтому они не используются.

IP-адрес трудно запоминаем пользователем, поэтому некоторые узлы в сети Интернет имеют символьные DNS-адреса (Domain Name System – система доменных имен), например, www.site.net. В сети Интернет существуют специальные DNS-серверы, которые по DNS-адресу выдают его IP-адрес.

DNS-адрес может иметь произвольную длину, образуется как символьный адрес в локальной сети (раздел 6.6) и включает в себя несколько уровней доменов. Уровни доменов разделяются точками. Самый правый домен – домен верхнего уровня. Чем левее домен, тем ниже его уровень. Например, DNS-адрес rsrea.ryazan.ru включает следующие уровни:

ru – домен Российской Федерации;

ryazan – домен города Рязань;

rsrea – домен РГРТУ

Во время приема запроса на перевод DNS-адрес в IP-адрес DNS-сервер выполняет одно из следующих действий:

- выдает IP-адрес, если запрашиваемый DNS-адрес хранится в его базе адресов;

- взаимодействует с другим DNS-сервером для того, чтобы найти IP-адрес запрошенного имени, в случае отсутствия DNS-адрес в его базе; такой запрос может проходить по цепочке DNS-серверов несколько раз;

- сообщает, что такой DNS-адрес не существует.

Для ускорения работы в сети Интернет запрошенные IP-адреса сохраняются на компьютере, чтобы не запрашивать его вновь у DNS-сервера и сразу обратиться по этому адресу.

Для доступа к ресурсам, расположенным в сети Интернет, используется унифицированный указатель ресурса – URL (Uniform Resource Locator).

Адрес URL является сетевым расширением понятия полного имени ресурса, например, файла или приложения и пути к нему в ОС. В адресе URL, кроме имени файла и директории, где он находится, указывается сетевое имя компьютера, на котором этот ресурс расположен, и протокол доступа к ресурсу, который можно использовать для обращения к нему.

В ЭВМ, подключенной к сети Интернет, файлы расположены в папках с разным уровнем вложенности. Например, URL http://rsrea.ryazan.ru/docs/prikazy/p123.htm включает следующие составляющие:

http – протокол передачи гипертекста – страниц, отформатированных в формате HTML;

rsrea.ryazan.ru – DNS-адрес;

docs/prikazy/ – путь к файлу;

p123.htm – название ресурса – файла в формате HTML.

Как правило, путь к ресурсу на жестком диске компьютера, подключенного к сети Интернет, отличается от адреса URL. Таким образом, адрес URL является псевдонимом пути к ресурсу. Ресурсы сети Интернет доступны только для чтения, но не для записи.

7.4.Службы сети Интернет

Обычно сеть Интернет ассоциируется с ее основной службой WWW. Однако служба WWW – лишь один из сервисов доступных пользователям в сети Интернет. Службы сети Интернет представляют собой различные способы доставки разнообразной по форме информации ее потребителям.

Рассмотрим подробнее наиболее популярные службы сети Интернет: электронную почту, WWW и передачу файлов по протоколу FTP.

7.4.1.Электронная почта

Служба электронной почты (electronic mail, e-mail) появилась раньше сети Интернет, однако она остается популярным способом пересылки сообщений. Электронное письмо похоже на письмо, пересылаемое по обычной (традиционной) почте, но значительно превосходит его по скорости пересылки, имеет низкую стоимость пересылки и обладает большим удобством в использовании. Электронное письмо содержит адреса электронной почты отправителя и получателя. В конверт с письмом можно вложить открытку или фотографию, а электронное письмо – файл любого формата: исполняемый, графический, звуковой. Отправитель может идентифицировать себя, поставив электронную подпись, как и подписью в обчном письме. Электронная почта изживает традиционную почту. В настоящее время большая часть писем отправляется по электронной почте, а не по традиционной. Ежегодно по всему миру рассылается более 800 млрд. электронных писем.

В отличие от телефонного звонка, электронное письмо может быть прочитано в удобное время для получателя время. Электронная почта доступна, и можно легко и просто отправить письмо любому человеку даже самого высокого ранга. Служба электронной почты повзволяет рассылать письма сразу большому количеству получателей и подтверждать получение письма.

Для получения адреса электронной почты необходимо выполнить два этапа. Во-первых, выбрать почтовый сервис. Самыми популярными почтовыми сервисами являются gmail.com, mail.ru и yandex.ru. Указанные почтовые сервисы и большинство других являются бесплатными. Во-вторых, надо зарегистрироваться на почтовом сервисе, выбрать имя для своего почтового ящика и пароль для доступа к нему для предотвращения несанкционированного доступа к почте.

Адрес электронной почты имеет формат:

имя_пользователя @ имя_сервиса.

Например, mailbox@fastmail.net. Здесь mailbox – название почтового ящика, fastmail.net – название почтового сервиса.

Длина имени пользователя определяется почтовыми сервисами. Обычно оно должно содержать не менее 5-6 символов. По имени сервиса можно определить, на каком почтовом сервисе зарегистрирован почтовый ящик.

Электронная почта построена по принципу клиент-серверной архитектуры. Пользователь общается с клиентской программой, которая в свою очередь общается с сервером почтового сервиса. Одной из популярных почтовых программ является Outlook Express фирмы Microsoft. Некоторые почтовые программы встроены в браузер – программу для просмотра документов во Всемирной сети (WWW), например, в браузер Opera фирмы Opera Software.

Процедуры отправки и получения почты используют разные протоколы. Для передачи писем используется протокол SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – протокол пересылки почты). Для приема почтовых сообщений наиболее часто используется протокол IMAP (Internet Message Access Protocol – протокол доступа к Интернет-сообщениям).

Рассмотрим пример работы электронной почты. Пусть владелец электронного ящика с адресом john@abc.net на почтовом сервисе abc.net хочет отправить письмо владельцу почтового ящика с адресом mary@xyz.com на сервисе xyz.com.

Сначала отправитель должен зайти на веб-сайт почтового сервиса abc.net или запустить программу для работы с электронной почты и ввести пароль для доступа к своему почтовому ящику. Далее отправитель должен составить текст письма, а в адресе получателя указать адрес электронной почты mary@xyz.com.

После составления и отправления письма, почтовая программа соединяется с почтовым сервером abc.net и передает ему письмо, содержащее текст письма и адрес электронной почты получателя mary@xyz.com. При отправке почты почтовая программа взаимодействует с сервером исходящей почты – SMTP-сервером.

После получения письма SMTP-сервер отправителя abc.net связывается с SMTP-сервером почтового сервиса получателя xyz.com. Для этого ему необходимо получить IP-адрес почтового сервиса xyz.com. Чтобы узнать этот адрес, он обращается к DNS-серверу и запрашивает IP-адрес сервера xyz.com.

DNS-сервер выдает IP-адрес, после чего SMTP-сервер abc.net соединяется с SMTP-сервером xyz.com. Если SMTP-сервер xyz.com недоступен, например, из-за сбоя или отказа оборудования на нем, то SMTP-сервер abc.net ставит письмо в очередь для отправки. Через каждые 10-15 минут сервер abc.net будет пытаться отправить письмо SMTP-серверу xyz.com. Через несколько дней, если сообщение так и не будет отправлено, отправитель письма получит сообщение на свой адрес электронной почты, что его письмо не может быть доставлено по адресу mary@xyz.com с указанием причины. В данной случае причиной является отсутствие связи с почтовым сервисом xyz.com.

Как только SMTP-серверу abc.net связывается с сервером xyz.com, он передает ему письмо. SMTP-сервер xyz.com проверяет существование адреса электронной почты mary@xyz.com и, в случае его существования, помещает письмо в почтовый ящик mary, иначе сервер abc.net получает сообщение, что ящик с таким именем не существует. Это сообщение пересылается отправителю на адрес john@abc.net.

После того, как письмо получено сервером xyz.com, получатель – владелец почтового ящика mary@xyz.com может прочесть его. Письма хранятся в почтовом ящике на сервере, что позволяет быстро искать и сортирововать почтовые отправления. Для просмотра почты, полученной в почтовый ящик, почтовая программа получателя взаимодействует с IMAP-сервером по протоколу IMAP. При взаимодействии по этому протоколу с сервера на компьютер получателя передаются заголовки писем с указанием адреса отправителя, темы письма и его размера (в байтах или Кбайтах). Получатель может загрузить тексты писем или удалить их из почтового ящика, не загружая их на свой компьютер.

К сожалению, служба электронной почты не всегда используется с добрыми намерениями. Настоящим бедствием пользователей электронной почты стал спам – электронные письма рекламного содержания. По некоторым оценкам до 40% всех электронных писем является спамом. Пользователям приходится тратить много времени на фильтрацию таких писем. Также электронная почта используется для пересылки компьютерных вирусов в виде вложений в электронное письмо. Поэтому не открывайте вложения, о пересылки которых вы не просили, даже если они отправлены известным вам отправителем.

7.4.2.Служба WWW

Всемирная сеть (WWW) – самая популярная служба на базе сети Интернет благодаря своей доступности, простоте и удобству использования. Всемирная сеть объединяет веб-серверы, хранящие гипертекстовые документы.

Гипертекст – это текст, отформатированный особым образом. Гипертекст содержит ссылки на графические изображения и другие гипертекстовые документы, тематически связанные с ним. Пользователь может переходить от одного документа к другому по этим ссылкам. Такие переходы назваются веб-серфингом. Идея гипертекста оказалась подходящей для объединения информации в цифровой форме, распределенной во Всемирной сети.

Так как гипертекстовые документы ссылаются не только на текст, но и на мультимедийные ресурсы – совокупность текстовой, графической и видеоинформации, то понятие гипертекст было расширено до понятия гипермедия. Таким образом, гипермедия – это способ организации мультимедийной информации на основе гипертекста.

В основе Всемирной сети, как и электронной почты, лежит клиент-серверная архитектура. Для работы во Всемирной сети пользователю необходима специальная программа – браузер. Браузер предназначен для решения двух основных задач:

1) запрос по требованию пользователя информационного ресурса по его адресу URL у веб-сервера, на котором он хранится;

2) отображение содержимого запрошенного информационного ресурса на дисплее пользователя.

Браузер повышает удобство работы во Всемирной сети, выполняя следующие сервисные функции:

- хранение, обеспечение поиска и быстрого доступа к адресам URL, которые пользователь посещает чаще всего;

- ведение журнала посещений информационных ресурсов;

- сохранение информационных ресурсов, которые просматривал пользователь, на ВЗУ;

- обеспечение безопасности пользователя во время работы во Всемирной сети.

Примерами браузеров явлются Internet Explorer фирмы Microsoft, Opera фирмы Opera Software и Mozilla Firefox, созданный независимыми разработчиками. Браузеры являются бесплатным программным обеспечением.

Всемирная сеть – это совокупность веб-серверов, связанных между собой. Можно выделить два типа связи:

1) физические: каналы связи, связывающие веб-серверы;

2) информационные: ссылки гипертекстового документа, находящиеся на одном веб-сервере, на информационные ресурсы на других веб-серверах.

Веб-сервер – это совокупность аппаратного и программного обеспечения, решающая единственную основную задачу: получение запроса пользователся на информационный ресурс, обрабтка и выдача его пользователю. Веб-серверы не только выдают текст и графические изображения по запросу, но и могут выполнять более сложные операции по обработке информации: например, делать запросы к БД и наглядно представлять результаты запроса. Прием запроса от браузера веб-серверу и доставка информационных ресурсов осуществляется по протоколу HTTP (Hypertext Transfer Protocol – протокол передачи гипертекста).

Гипертекстовый документ, расположенный на одном из веб-серверов, называется веб-страницей, а совокупность страниц, объединенных общей темой и связанных ссылками друг на друга, – веб-сайтами. Веб-сайты, имеющие широкую тематику, называются веб-порталами. Веб-порталы состоят из сотен тысяч страниц.

На одном веб-сервере могут располагаться один или более веб-сайтов. Веб-порталы обрабатывают большое количество запросов и, как правило, размещаются на нескольких веб-серверах по двум основным причинам:

1) равномерное распределение запросов между серверами: часть запросов переводится с наиболее загруженных серверов на менее загруженные;

2) хранение веб-портала на нескольких серверах более надежно, так как выход из строя одного из веб-серверов будет компенсирован другими серверами, и веб-портал останется доступным пользователям Всемирной сети.

Помимо просмотра чужих веб-сайтов можно создать свой веб-сайт и поместить туда информацию, которая будет интересна пользователям Всемирной сети, в виде текста, графики, звуковых и видеофайлов.

Информация, размещенная во Всемирной сети, исчисляется огромным количеством байт. Для поиска информации во Всемирной сети используются специальные веб-сайты – информационно-поисковые системы. Они позволяют по ключевым словам найти информационные ресурсы, связанные с ключевыми словами. Это может быть текст, содержащий ключевые слова, или графическое изображение одного из ключевых слов. Примерами информационно-поисковых систем являются системы Google и Yandex.

7.4.3.Служба передачи файлов

Файлы большого объема можно переслать по электронной почте или разместить на веб-сервере. Однако пересылка по электронной почте возможно лишь нескольким получателям, а размещение файлов на веб-сервере значительно загружает его. Чтобы сделать получение файлов более удобным, используется протокол FTP (File Transfer Protocol – протокол передачи файлов).

По протоколу FTP обычно передаются следующие файлы:

- программное обеспечение;

- документы большого объема;

- фото- и видео файлы.

Для доступа к файлам необходимо использовать специальную программу или воспользоваться браузером.

Файлы, расположенные на FTP-сервере, находятся в каталогах точно так же, как в файловой системе ОС. Пользователь может получать список файлов и каталогов, расположенных на FTP-сервере, переходить из одного каталога в другой.

Некоторые FTP-сервера предоставляют открытый доступ к файлам. В других FTP-серверах доступ к файлам может быть защищен паролем, который задается владельцем FTP-сервера.

Глава 8. Лекция 8

8.1.Базы данных и СУБД

Одной из задач информационных систем является хранение данных из определенной предметной области. Предметная область – это часть реального мира, объединяющая схожие или связанные понятия. Чтобы необходимые данные можно было легко найти и выдать пользователю в любой момент времени, данные о предметной области должны храниться структурировано.

База данных – совокупность связанных данных, организованным по определенному правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулирования независимо от прикладных программ.

Система управления базами данных (СУБД) – приложение, обеспечивающее создание, хранения, обновление и поиск информации в базах данных. СУБД осуществляют взаимодействие между базой данных и пользователями системы, а также между базой данных и прикладными программами, реализующими определенные функции обработки данных.

Система баз данных – совокупность одной или нескольких баз данных и комплекса информационных, программных и технических средств, обеспечивающих накопление, обновление, корректировку и многоаспектное использование данных в интересах пользователей.

8.2.Свойства базы данных

Самодокументированность. БД должна иметь словарь данных в специально отведенном месте, которое используется для хранения информации о самой базе данных. Словарь содержит информацию: об архитектуре базы, о хранимых процедурах, о пользовательских привилегиях и т.д.

Независимость данных от программ. Структура данных должна быть независима от программ, использующих эти данные, так чтобы данные можно было добавлять или перестраивать без изменения этих программ.

Целостность данных. В общем случае целостность данных означает корректность данных и их непротиворечивость. Для обеспечения целостности накладывают ограничение целостности. Эти ограничения могут иметь вид логических выражений, значения которых всегда должны быть «истина». Если хотя бы одно из выражений принимает значение «ложь» - то целостность нарушена. (Например, вес детали должен быть положителен, а возраст родителей не может быть меньше возраста ребенка).

Целостность транзакций. Транзакцией можно назвать банковскую операцию (перевод денег). В БД под транзакцией понимают неделимую с точки зрения воздействия на базу данных последовательность операторов манипулирования данными (чтение, вставка, модификация), приводящая к одному из двух возможных результатов: либо последовательность выполняется, все операторы правильные, либо транзакция откатывается, в случае если хотя бы один оператор не выполнен успешно. Обработка транзакций гарантирует целостность БД.

Изолированность, т.е. создание такого режима функционирования, когда каждому пользователю кажется, что база доступна только ему.

Безопасность данных. Защита данных от несанкционированной модификации, разрушения.

Масштабируемость.

Производительность.

8.3.СУБД

К основным функциям СУБД относятся:

- непосредственность управления данными во внешней и оперативной памяти;

- поддержание целостности данных и управление транзакциями;

- обеспечение безопасности данных;

- обеспечение параллельного доступа к данным нескольких пользователей.

Состав СУБД:

- ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной

памяти;

- процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов и

создания машинно-независимого внутреннего кода;

- подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует

программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс;

- сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие дополнительные

возможности по обслуживанию информационной системы.

По технологии решения задач, решаемых СУБД, БД подразделяют на два вида:

- централизованная БД хранится целиком на ВЗУ одной вычислительной системы; если система входит в состав сети, то возможен доступ к этой БД других систем;

- распределенная БД состоит из нескольких, иногда пересекающихся или дублирующих друг друга БД, хранящихся на ВЗУ разных узлов сети.

СУБД предоставляет доступ к данным БД двумя способами:

- локальный доступ предполагает, что СУБД обрабатывает БД, которая хранится на ВЗУ той же ЭВМ;

- удаленный доступ – это обращение к БД, которая хранится на одном из узлов сети; удаленный доступ может быть выполнен по технологии файл-сервер или клиент-сервер.

Технология файл-сервер предполагает выделение одной из вычислительных систем, называемой сервером, для хранения БД. Все остальные компьютеры сети (клиенты) исполняют роль рабочих станций, которые копируют требуемую часть централизованной БД в свою память, где и происходит обработка.

Технология клиент-сервер предполагает, что сервер, выделенный для хранения централизованной БД, дополнительно производит обработку запросов клиентских рабочих станций. Клиент посылает запрос серверу. Сервер пересылает клиенту данные, являющиеся результатом поиска в БД по ее запросу.

8.4.Реляционная модель данных

Классификация СУБД по типу модели данных:

Дореляционные

Инвертированные списки (файлы)

Иерархические

Сетевые

Реляционные

Постреляционные

Объектно-реляционные

Объектно-ориентированные

Многомерные

Прочие (NoSQL)

Рассмотрим реляционную модель данных, в которой данные хранятся в виде двумерных таблиц.

Структура данных реляционной модели данных

Таблицы обладают следующими свойствами:

- каждая ячейка таблицы является одним элементом данных;

- каждый столбец содержит данные одного типа (числа, текст и т. п.);

- каждый столбец имеет уникальное имя;

- таблицы организуются так, чтобы одинаковые строки отсутствовали;

- порядок следования строк и столбцов произвольный.

Каждая таблица представляет собой отношение, описываемое атрибутами:

СТУДЕНТ = (ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ФАКУЛЬТЕТ).

Для идентификации записей выделяют следующие виды ключей – полей, определяющих запись:

- первичный: однозначно определяет запись;

- вторичный: выполняет роль поисковых и группировочных признаков и позволяет найти несколько записей.

Ключ может быть простым, если он включает одно поле, или составным, если включает два и более полей. Если в отношении СТУДЕНТ нет однофамильцев, то первичным будет простой ключ – поле ФАМИЛИЯ. Иначе первичным будет составной ключ ФАМИЛИЯ + ИМЯ + ОТЧЕСТВО.

Первичный ключ должен обладать следующими свойствами:

- уникальность: не должно существовать двух или более записей, имеющих одинаковые значения полей, входящих в первичный ключ;

- не избыточность: первичный ключ не должен содержать поля, удаление которых из ключа не нарушит его уникальность.

8.4.1.Нормализация отношений

Нормализация отношений – это приведение отношений к виду, позволяющему устранить дублирование, обеспечить непротиворечивость данных, хранимых в БД, и уменьшить трудозатраты на ведение БД.

Выделяют несколько нормальных форм отношений. Рассмотрим первые три из них (чаще всего при разработке базы данных этого бывает достаточно).

Первая нормальная форма. Отношение называется нормализованным или приведенным к первой нормальной форме, если все его атрибуты являются простыми, то есть не могут быть далее разделены. Например, отношение

КНИГА = (АВТОР, НАЗВАНИЕ, ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ)

не находится в первой нормальной форме, так как атрибут ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ можно разделить на атрибуты ИЗДАТЕЛЬСТВО, ГОД, КОЛИЧЕСТВО СТРАНИЦ.

Отношение

СТУДЕНТ = (НОМЕР, ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ГРУППА)

находится в первой нормальной форме, где поле НОМЕР является простым первичным ключом.

Вторая нормальная форма. Отношение приведено ко второй нормальной форме, если оно находится в первой нормальной форме, и каждый не ключевой атрибут функционально полно зависит от составного ключа.

Функционально полной зависимостью не ключевых атрибутов называется зависимость, при которой в записи определенному значению ключа соответствует только одно значение не ключевого поля, при этом это поле не находится в функциональной зависимости ни от какой части составного ключа. Например, отношение СТУДЕНТ находится в первой и второй нормальных формах.

Отношение

УСПЕВАЕМОСТЬ = (НОМЕР, ФАМИЛИЯ, ДИСЦИПЛИНА, ОЦЕНКА)

находится в первой нормальной форме и имеет составной ключ НОМЕР + ДИСЦИПЛИНА. Это отношение не находится во второй нормальной форме, так как атрибут ФАМИЛИЯ функционально зависим от поля НОМЕР составного ключа. Чтобы привести это отношение ко второй нормальной форме необходимо разбить его на два связанных отношения:

УСПЕВАЕМОСТЬ = (НОМЕР, ДИСЦИПЛИНА, ОЦЕНКА),

СПИСОК = (НОМЕР, ФАМИЛИЯ).

Связь между отношениями осуществляется по полю НОМЕР.

Третья нормальная форма. Отношение находится в третьей нормальной форме, если оно находится во второй нормальной форме, и каждый неключевой атрибут не зависит от ключа транзитивно.

Транзитивная зависимость присутствует в отношении, если существует два неключевых поля, первое из которых зависит от ключа, а второе от первого. Например, отношение СТУДЕНТ находится в третьей нормальной форме.

Отношение

ДИСЦИПЛИНА = (НАЗВАНИЕ, ЛЕКТОР, УЧ_СТЕПЕНЬ, ГРУППА)

не находится в третьей нормальной форме, так как поле УЧ_СТЕПЕНЬ зависит от поля ЛЕКТОР, но не от составного ключа, поэтому отношение необходимо разбить на два связанных отношения

ДИСЦИПЛИНА = (НАЗВАНИЕ, ЛЕКТОР, ГРУППА),

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ = (ЛЕКТОР, УЧ_СТЕПЕНЬ).

Связь между отношениями осуществляется по полю ЛЕКТОР.

8.4.2.Типы связей

Отношения могут быть связаны следующими типами связей:

- один-к-одному (1:1);

- один-ко-многим (1:M);

- многие-ко-многим (M:M).

Рассмотрим сущность этих связей на примере следующих отношений. Пусть книга в библиотеке описывается отношением

КНИГА = (КНИГА_N, АВТОР_N, НАЗВАНИЕ, ИЗДАТЕЛЬСТВО_N).

Каждая книга имеет место на полке

МЕСТО = (МЕСТО_N, КНИГА_N).

Каждая книга выпускается издательством

ИЗДАТЕЛЬСТВО = (ИЗДАТЕЛЬСТВО_N, АДРЕС).

У каждой книги есть автор

АВТОР = (АВТОР_N, ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО).

Связь один-к-одному означает, что в каждый момент времени одной записи отношения A соответствует только одна запись отношения B и наоборот. Например, каждая книга имеет одно место на полке и на каждом месте стоит только одна книга

.

Связь между отношениями осуществляется по полю КНИГА_N.

Связь один-ко-многим предполагает, что одной записи отношения A соответствуют несколько записей отношения B, но одной записи отношения B соответствуют только одна запись отношения A. Например, одно издательство может издать несколько книг, но книга издается только одним издательством.

.

Связь между отношениями осуществляется по полю ИЗДАТЕЛЬСТВО_N.

При связи многие-ко-многим одной записи отношения A соответствуют несколько записей отношения B и наоборот. Например, один автор может написать несколько книг, и у книги может быть несколько авторов

.

Связь между отношениями осуществляется по полю АВТОР_N.

8.4.3.Операции над отношениями

Основным компонентом реляционной модели является реляционная алгебра, которая состоит из восьми операторов, составляющих две группы по че­тыре оператора:

1. Традиционные операции над множествами: объединение (UNION), пересечение (INTERSECT), разность (MINUS) и декартово произведение (TIMES). Все операции модифицированы, с учетом того, что их операн­дами являются отношения, а не произвольные множества.

2. Специальные реляционные операции: ограничение (WHERE) , проекция (PROJECT), соединение (JOIN) и деление (DIVIDE BY).

Результат выполнения любой операции реляционной алгебры над отношениями также является отношением. Эта особенность называется свойством реляционной замкнутости.

Список дополнительной литературы

1. Бройдо В.Л., Ильина О.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. – 4-е изд. – СПб.: Питер, 2011. – 560 с.

2. Велихов А.В. Основы информатики и компьютерной техники: учеб. пособие. – М.: СОЛОН-Пресс, 2003. – 544 с.

3. Гуц А.К. Математическая логика и теория алгоритмов: учеб. пособие. – Омск: Издательство Наследие. Диалог-Сибирь, 2003. – 108 с.

4. Информатика. Базовый курс. 2-е изд. / Под ред. С.В. Симоновича. – СПб.: Питер, 2003. – 640 с.

5. Информатика: программа, методические указания и контрольные задания / Сост.: И.В. Галыгина, Л.В. Галыгина. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. – 48 с.

6. Информатика: учеб. / Под ред. Н.В. Макаровой. – 3-е перераб. изд. – М.: Финансы и статистика, 2002. – 768 с.

7. Информатика: учеб. / Б.В. Соболь, А.Б. Галин, Ю.В. Панов и др. – 3-е изд., доп. и перераб. – Ростов н/Д: Феникс, 2007. – 446 с.

8. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учеб. – 3-е изд., перераб и доп. – М.: Форум, 2010. – 512 с.

9. Мельников В.П. Информационные технологии: учеб. для студ. вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 432 с.

10. Могилев А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К. Информатика: учеб. пособие для студ. пед. вузов / под ред. Е.К. Хеннера. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 848 с.

11. Новичков В.С., Парфилова Н.И., Пылькин А.Н. Алгоритмизация и программирование на Турбо Паскале: учеб. пособие. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. – 438 с.

12. Новые информационные технологии. учеб. пособие / под ред. проф. В.П. Дьяконова. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 640 с.

13. Острейковский В.А. Информатика: учеб. для вузов. – 5-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2009. – 511 с.

14. Теоретические основы информатики: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / В.Л. Матросов, В.А. Горелик, С.А. Жданов и др. – М.: Издательский центр «Академия», 2009. – 352 с.

15. Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии. Учебник для 10-11 классов. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. – 512 с.

16. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. – М.: ИНФРА-М, 1999. – 640 с.

Переход к ОГЛАВЛЕНИЮ