Учебное пособие по информатике

состоянии и обслуживать запросы пользователей. СУБД состоит из трех частей: ядра базы данных, языка и инструментальных средств программирования. Ядро базы данных выполняет основные функции по созданию базы. Инструментальные средства программирования включают процессор обработки данных на языке запросов и относятся к интерфейсу клиента. Язык ро раммирования применяется для разработки приложений с использованием СУБД. В настоящее время используются объектно-ориентированные языки визуального программирования.

За рос – обращение к базе данных, содержащее задание на поиск, чтение в базе данных согласно некоторому условию и выдачу информации пользователю в требуемом виде, возможно, после некоторой обработки. Составляется на языке запросов.

Язык манипулирования данными (DML – Data Manipulation Language) – набор операторов манипулирования данными, т.е. операторов, позволяющих заносить данные в БД, удалять, модифицировать или выбирать существующие данные.

Среди функций СУБД, отвечающих за взаимодействие пользователя и машинной системы и пользователей между собой, выделяются две основные.

1. Защита информации и раз раничение досту а ользователей к ней.

При использовании информации базы данных обычно имеется некоторое столкновение интересов пользователей, которое может привести к уничтожению или искажению информации, к несанкционированному ее распространению и использованию. Некорректные действия отдельных пользователей могут нанести ущерб остальным пользователям и базе данных в целом. Чтобы избежать этого, в СУБД имеются средства разграничения доступа пользователей и другие средства защиты информации. Разделы базы данных могут быть закрыты для пользователя совсем, открыты только для чтения или открыты для изменения. Кроме того, при многопользовательском режиме работы с базой данных, когда с данными одновременно работают несколько пользователей (и вносят в них изменения), необходимо, чтобы изменения корректно вносились в базу данных (сохранялась целостность данных). Для сохранения целостности данных служит механизм манипулирования данными – выполнение

средствами ведения диало а. По мере развития и совершенствования СУБД этот интерфейс становится все более и более дружественным. В перспективе средства ведения диалога пользователя с СУБД должны приобрести интеллектуальные свойства и обеспечить возможность ведения диалога на естественном языке.

131

Сформировавшееся к настоящему времени программное обеспечение информационной поддержки управления настолько многообразно, что способно удовлетворять потребности пользователей самых различных категорий – от случайного пользователя, для которого обращение к рассматриваемой среде – единичный эпизод, до профессионала высокой квалификации в области разработки систем баз данных.

Контрольные вопросы по теме 9

1.Какие существуют модели данных?

2.Какие существуют ключи к записям в БД?

3.Чему соответствует понятие «отношение» в реляционной базе данных?

4.Что такое «сущность»?

5.Что такое «связь»?

6.Что представляет собой сетевая модель данных?

7.Назовите язык запросов к реляционным базам данных.

8.Для чего предназначен язык манипулирования базами данных?

9.На какие классы по способу организации подразделяются групповые и корпоративные информационные системы?

10.Как называется модель данных, в которой каждый объект описывается таблицей?

11.Для представления какой модели данных используется дерево?

12.Для представления какой модели данных используется двухмерная таблица?

13.Что такое первичный ключ?

14.Что является записью в таблице реляционной базы данных?

15.Для чего служит запрос?

ТЕМА 10. ЛОКАЛЬНЫЕ И ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ ЭВМ

1.История возникновения и развития компьютерных сетей

Смомента появления ЭВМ возник вопрос о передаче данных между отдельными компьютерами и рациональном распределении ресурсов ЭВМ.

Первые ЭВМ были очень сложны в эксплуатации и имели дорогостоящие аппаратные компоненты, отсутствовали единые стандарты построения ЭВМ. С развитием аппаратной и программной базы компьютеров, совершенствовались и сетевые технологии. Сначала были созданы системы передачи данных первоначально в коммерческих, военных и научных целях, затем сфера применения сетей расширилась. В настоящее время использование компьютерных сетей является неотъемлемой частью нашей жизни, область их применения охватывает все сферы человеческой деятельности.

132

Под ком ьютерной сетью мы будем понимать любое множество ЭВМ, связанных между собой средствами передачи данных (средствами телекоммуникаций).

Развитие компьютерных сетей связано как с развитием собственно ЭВМ, входящих в состав сети, так и с развитием средств телекоммуникаций. Работы по созданию компьютерных сетей начались ещё в 60-х годах ХХ века. Прообразом компьютерных сетей явились системы телеобработки данных (СТД), построенные на базе больших (а позже и миниЭВМ).

В качестве средств передачи данных использовалась существующая телефонная сеть. Основными элементами СТД являются модемы, абонентские пункты и устройства коммутации. Система СТД оперировала только аналоговыми сигналами.

Основным недостатком СТД является невысокое быстродействие (9600 бит/с, реально 2400 бит/с). Поэтому одним из направлений совершенствования СТД явилась разработка цифровых телефонных коммутаторов.

Вторым существенным недостатком СТД является возможность передачи данных по каналу связи в один и тот же момент времени только с одной скоростью. Этот недостаток был преодолен использованием впервые в 70-х годах в США коммуникаций кабельного телевидения, позволяющих вести широкополосную передачу (ШП).

Третьим направлением перехода к сетям была разработка высокоскоростных шин для обеспечения взаимодействия нескольких больших ЭВМ.

Четвёртым направлением развития сетей была реализация распределённой обработки данных.

К середине 80-х годов, с появлением ПЭВМ все отмеченные тенденции развития сетей стали сближаться, что привело к разработке современных компьютерных сетей.

Например, в России популярны некоторые компьютерные сети, обслуживаемые компаниями ЭУНет/Релком (сеть Релком является частью европейской сети ЭУНет). Известны компании, предоставляющие услуги телекоммуникаций, например Демос, Гласнет, МТУ-Информ и другие. Ряд телекоммуникационных сетей, созданных за последние годы в нашей стране и за рубежом, это, как правило, малые компьютерные сети или BBS (Bulletin Board System-электронная доска объявлений), которые имеют всего один сервер. В сети типа BBS редко бывает более 1000 пользователей. Известна также компьютерная сеть Фидонет, которая является любительской бесплатной сетью.

133

2. Классификация компьютерных сетей

По способу организации сети подразделяются на реальные и искусственные.

Искусственные сети (псевдосети) позволяют связывать компьютеры вместе через последовательные или параллельные порты и не нуждаются в дополнительных устройствах. Иногда связь в такой сети называют связью по нуль-модему (не используется модем). Само соединение называют нуль-модемным. Искусственные сети используются когда необходимо перекачать информацию с одного компьютера на другой. MS-DOS и Windows снабжены специальными программами для реализации нульмодемного соединения.

Основной недостаток – низкая скорость передачи данных и возможность соединения только двух компьютеров.

Реальные сети позволяют связывать компьютеры с помощью специальных устройств коммутации и физической среда передачи данных.

Основным недостатком является необходимость в дополнительных устройствах.

Вдальнейшем употребляя термин компьютерная сеть будем иметь

вввиду реальные сети.

Все многообразие компьютерных сетей можно классифицировать по группе признаков:

1. Территориальная распространенность

По территориальной распространенности сети могут быть локальными, глобальными, и региональными. Локальные – это сети, перекрывающие территорию не более 10 м2. Ре иональные – расположенные на территории города или области. Глобальные на территории государства или группы государств, например, всемирная сеть Internet.

Вклассификации сетей существует два основных термина: LAN

иWAN.

LAN(Local Area Network), ЛВС (локальная вычислительная сеть) –

локальные сети, имеющие замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков услуг. Термин «LAN» может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров. Зарубежные источники дают даже близкую оценку – около шести миль (10 км) в радиусе; использование высокоскоростных каналов.

WAN (wide Area Network) – глобальная сеть, покрывающая большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Пример WAN – сеть Интернет.

Термин «кор оративная сеть» также используется в литературе для обозначения объединения нескольких сетей, каждая из которых может быть построена на различных технических, программных и информационных принципах.

134

Локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей.

2. Ведомственная принадлежность

По принадлежности различают ведомственные и государственные сети. Ведомственные принадлежат одной организации и располагаются на ее территории. Государственные сети – сети, используемые в государственных структурах.

3. Скорость передачи информации

По скорости передачи информации компьютерные сети делятся на низко-, средне- и высокоскоростные.

-низкоскоростные (до 10 Мбит/с),

-среднескоростные (до 100 Мбит/с),

-высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с);

Для определения скорости передачи данных в сети широко используется бод. Бод (Baud) – единица скорости передачи сигнала, измеряемая числом дискретных переходов или событий в секунду. Если каждое событие представляет собой один бит, бод эквивалентен бит/сек (в реальных коммуникациях это зачастую не выполняется). Производными единицами являются: 1Кбит/с=103бит/с; 1Мбит/с=106бит/с; 1Гбит/с=109бит/с.

4. Тип среды передачи информации

По типу среды передачи сети разделяются на: роводные коаксиальные, на витой паре, оптоволоконные бес роводные с передачей информации по радиоканалам, в инфракрасном диапазоне.

5. Топология компьютерных сетей

Введем определения. Узел сети представляет собой компьютер, либо коммутирующее устройство сети. Ветвь сети – это путь, соединяющий два смежных узла.

Узлы сети бывают трёх типов:

-оконечный узел – расположен в конце только одной ветви;

-промежуточный узел – расположен на концах более чем одной ветви;

-смежный узел – такие узлы соединены по крайней мере одним путём, не содержащим никаких других узлов.

Способ соединения компьютеров в сеть называется её то оло ией. Наиболее распространенные виды топологий сетей:

Линейная сеть

Содержит только два оконечных узла, любое число промежуточных узлов и имеет только один путь между любыми двумя узлами.

135

Кольцевая сеть

Сеть, в которой к каждому узлу присоединены две и только две ветви.

Рис. 41. То оло ия «Кольцо»

Звездообразная сеть

Сеть, в которой имеется только один промежуточный узел.

Рис. 42. То оло ия «Звезда»

Полносвязная сеть

Сеть, в которой имеется ветвь между любыми двумя узлами.

6. Организация взаимодействия компьютеров

С точки зрения организации взаимодействия компьютеров, сети делят на одноранговые (Peer-to-Peer Network) и с выделенным сервером

(Dedicated Server Network).

Одноран овые сети. Все компьютеры одноранговой сети равноправны. Любой пользователь сети может получить доступ к данным,

и Windows обладают всеми необходимыми функциями, позволяющими строить одноранговую сеть.

136

Однако, в условиях одноранговых сетей затруднено решение вопросов защиты информации. Поэтому такой способ организации сети используется для сетей с небольшим количеством компьютеров и там, где вопрос защиты данных не является принципиальным.

Иерархические сети. В иерархической сети при установке сети заранее выделяются один или несколько компьютеров, управляющих обменом данных по сети и распределением ресурсов. Такой компьютер называют сервером. Любой компьютер, имеющий доступ к услугам сервера называют клиентом сети или рабочей станцией.

Сервер в иерархических сетях – это постоянное хранилище разделяемых ресурсов. Сам сервер может быть клиентом только сервера более высокого уровня иерархии. Поэтому иерархические сети иногда называются сетями с выделенным сервером.

Серверы обычно представляют собой высокопроизводительные компьютеры, возможно, с несколькими параллельно работающими процессорами, с винчестерами большой емкости, с высокоскоростной сетевой картой (100 Мбит/с и более). Иерархическая модель сети является наиболее предпочтительной, так как позволяет создать наиболее устойчивую структуру сети и более рационально распределить ресурсы.

Также достоинством иерархической сети является более высокий уровень защиты данных. К недостаткам иерархической сети, по сравнению с одноранговыми сетями, относятся: необходимость дополнительной ОС для сервера; более высокая сложность установки и модернизации сети; необходимость выделения отдельного компьютера в качестве сервера.

Технологии использования сервера

Различают две технологии использования сервера: технологию файл-

сервера и архитектуру клиент-сервер.

Впервой модели используется файловый сервер, на котором хранится большинство программ и данных. По требованию пользователя ему пересылаются необходимая программа и данные. Обработка информации выполняется на рабочей станции.

Всистемах с архитектурой клиент-сервер обмен данными осуществляется между риложением-клиентом (front-end) и риложением-

сервером (back-end). Хранение данных и их обработка производится на

мощном сервере, который выполняет также контроль за доступом

кресурсам и данным. Рабочая станция получает только результаты запроса. Разработчики приложений по обработке информации обычно используют эту технологию.

Использование больших по объему и сложных приложений привело

кразвитию многоуровневой, в первую очередь трехуровневой архитектуры с размещением данных на отдельном сервере базы данных (БД). Все обращения к базе данных идут через сервер приложений, где они объединяются.

137

3. Организация компьютерных сетей

Основными требованиями, которым должна удовлетворять организация ИВС, являются следующие:

-Открытость – возможность включения дополнительных абонентских, ассоциативных ЭВМ, а также линий (каналов) связи без изменения технических и программных средств существующих компонентов сети. Кроме того, любые две ЭВМ должны взаимодействовать между собой, несмотря на различие в конструкции, производительности, месте изготовления, функциональном назначении.

-Гибкость – сохранение работоспособности при изменении структуры в результате выхода из строя ЭВМ или линии связи.

-Эффективность – обеспечение требуемого качества обслуживания пользователей при минимальных затратах.

Модель OSI

Международной организацией стандартов утверждены определённые требования к организации взаимодействия между системами сети. Эти требования получили название OSI (Open System Interconnection) – эталонная модель взаимодействия открытых систем.

Согласно требованиям эталонной модели, каждая система сети должна осуществлять взаимодействие посредствам передачи кадра данных. Согласно модели OSI образование и передача кадра осуществляется с помощью 7-ми последовательных действий, получивших название «уровень обработки».

Основная идея этой модели заключается в том, что каждому уровню отводится конкретная ролью в том числе и транспортной среде. Благодаря этому общая задача передачи данных расчленяется на отдельные легко обозримые задачи.

Так как пользователи нуждаются в эффективном управлении, система вычислительной сети представляется как комплексное строение, которое координирует взаимодействие задач пользователей.

Отдельные уровни базовой модели проходят в направлении вниз от источника данных (от уровня 7 к уровню 1) и в направлении вверх от приемника данных (от уровня 1 к уровню 7). Пользовательские данные передаются в нижерасположенный уровень вместе со специфическим для уровня заголовком до тех пор, пока не будет достигнут последний уровень.

На приемной стороне поступающие данные анализируются и, по мере надобности, передаются далее в вышерасположенный уровень, пока информация не будет передана в пользовательский прикладной уровень.

Уровень 1. Физический. На физическом уровне определяются электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах. Физическая связь и неразрывная с ней эксплуатационная готовность являются основной функцией 1-го уровня.

138

Стандарты физического уровня включают рекомендации ISDN, RS-232, RS-485, EIA-422.

Уровень 2. Канальный. Канальный уровень формирует из данных, передаваемых 1-м уровнем, так называемые «кадры», последовательности кадров. На этом уровне осуществляются управление доступом к передающей среде, используемой несколькими ЭВМ, синхронизация, обнаружение и исправление ошибок. Основные стандарты этого уровня: Ethernet, Token ring, FDDI, PPP, PPTP, L2TP, xDSL и др.

Уровень 3. Сетевой. Сетевой уровень устанавливает связь

ввычислительной сети между двумя абонентами. Соединение происходит благодаря функциям маршрутизации, которые требуют наличия сетевого адреса в пакете. Сетевой уровень должен также обеспечивать обработку ошибок, мультиплексирование, управление потоками данных. Самые известные стандарты, относящиеся к этому уровню - IPv4, IPv6, IPX.

Уровень 4. Транс ортный. Транспортный уровень поддерживает непрерывную передачу данных между двумя взаимодействующими друг с другом пользовательскими процессами. Качество транспортировки, безошибочность передачи, независимость вычислительных сетей, сервис транспортировки из конца в конец, минимизация затрат и адресация связи гарантируют непрерывную и безошибочную передачу данных. Основные протоколы – TCP, UDP.

Уровень 5. Сеансовый. Сеансовый уровень координирует прием, передачу и выдачу одного сеанса связи. Для координации необходимы контроль рабочих параметров, управление потоками данных промежуточных накопителей и диалоговый контроль, гарантирующий передачу, имеющихся в распоряжении данных. Кроме того, сеансовый уровень содержит дополнительно функции управления паролями, подсчета платы за пользование ресурсами сети, управления диалогом, синхронизации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок в нижерасположенных уровнях. Основной протокол – SSL.

Уровень 6. Представления данных. Уровень представления данных предназначен для интерпретации данных; а также подготовки данных для пользовательского прикладного уровня. На этом уровне происходит преобразование данных из кадров, используемых для передачи данных

вэкранный формат или формат для печатающих устройств оконечной системы. Основные протоколы – XML, FTP, Telnet, SMTP и др.

Уровень 7. Прикладной. В прикладном уровне необходимо предоставить в распоряжение пользователей уже переработанную информацию. С этим может справиться системное и пользовательское прикладное программное обеспечение. Основные протоколы: FTP, Gnutella, Gopher, HTTP, HTTPS, IMAP, IRC, POP3, SMTP, Telnet, SIP и др.

Компоненты компьютерной сети

Для организации компьютерной сети необходимо наличие сетевого программного обеспечения, физической среды передачи данных, коммутирующих устройств.

139

Сетевое ро раммное обес ечение состоит из двух важнейших компонентов:

-сетевого программного обеспечения, устанавливаемого на компьютерах-клиентах;

-сетевого программного обеспечения, устанавливаемого на компьютерах-серверах.

Сетевая о ерационная система связывает все компьютеры и периферийные устройства в сети, координирует функции всех компьютеров и периферийных устройств в сети, обеспечивает защищённый доступ к данным и периферийным устройствам в сети.

Физическая среда передачи данных определяет:

-скорость передачи данных в сети;

-размер сети;

-требуемый набор служб (передача данных, речи, мультимедиа и т. д.), который необходимо организовать;

-требования к уровню шумов и помехозащищенности;

-общую стоимость проекта, включающая покупку оборудования, монтаж и последующую эксплуатацию.

Кабельный се мент сети – цепочка отрезков кабелей, электрически соединенных друг с другом.

Ло ический се мент сети, или просто се мент – группа узлов сети,

имеющих непосредственный доступ друг к другу на уровне пакетов канального уровня. В интеллектуальных хабах Ethernet группы портов могут объединяться в логические сегменты для изоляции их трафика от других сегментов в целях повышения производительности и защиты.

Коммутирующие устройства предназначены для связи сегментов сети. Концентратор – хаб (Hub) – устройство физического подключения

нескольких сегментов или лучей, обычно с возможностью соединения сетей различных архитектур.

Коммутатор или свитч (Switch) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передает данные только непосредственно получателю. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Повторитель (repeater) – устройство для соединения сегментов одной сети, обеспечивающее промежуточное усиление и формирования сигналов. Позволяет расширять сеть по расстоянию и количеству подключенных узлов.

Мост (Bridge) – средство передачи пакетов между сетями (локальными), для протоколов сетевого уровня прозрачен. Осуществляет фильтрацию пакетов, не выпуская из сети пакеты для адресатов,

140