Локальные вычислительные сети(ЛВС). Топологии ЛВС, методы доступа, модели взаимодействия (файл-сервер и клиент сервер)

Вычислительные сети. Принципы построения и классификация

Таблицы и табличные процессоры

Прикладное ПО на примере текстовых редакторов и электронных таблиц

Прикладное программное обеспечение. Классификация пакетов прикладных программ

Обычно к прикладным программам относят следующие классы программ:

· текстовые редакторы;

· текстовые процессоры;

· графические редакторы;

· системы управления базами данных;

· электронные таблицы;

· системы автоматизированного проектирования;

· настольные издательские системы;

· экспертные системы;

· Web-редакторы;

· браузеры;

· интегрированные системы делопроизводства;

· бухгалтерские системы;

· финансовые аналитические системы;

· и т.д.

Основные функции текстовых редакторов заключаются во вводе и редактировании текстов. Дополнительные функции состоят в автоматизации процессов ввода и редактирования.

Основное отличие текстовых процессоров от текстовых редакторов в том, что они позволяют не только вводить и редактировать тексты, но и форматировать их, то есть оформлять. К основным средствам текстовых процессоров относятся средства обеспечения взаимодействия текста, графики, таблиц и других объектов, составляющих документ, а к дополнительным - средства автоматизации процесса форматирования.

Графические редакторы предназначены для создания и обработки графических изображений. В данном классе программ различают растровые редакторы, векторные редакторы и программные средства для создания и обработки трехмерной графики (3D-редакторы). Растровые редакторы применяются, когда графический объект представлен в виде комбинации точек, образующих растр и обладающих свойствами яркости и цвета. Такой подход эффективен, если графическое изображение имеет много полутонов и информация о цвете элементов, составляющих объект, важнее, чем информация об их форме. Это характерно для фотографических и полиграфических изображений. При подготовке печатных изданий растровые редакторы применяются для обработки изображений, их ретуши, создания фотоэффектов и художественных композиций (коллажей). Возможности создания новых изображений средствами растровых редакторов ограничены и не всегда удобны. Заранее подготовленные рисунки вводятся в компьютер с помощью специальных аппаратных средств (сканеров), а затем обрабатываются с помощью растрового редактора.

Векторные редакторы отличаются от растровых способом представления данных об изображении. Элементарным объектом векторного изображения является не точка, а линия. Такой подход характерен для чертежно-графических работ, в которых форма линии имеет большее значение, чем информация о цвете отдельных точек. В векторных редакторах каждая линия рассматривается как математическая кривая и, соответственно, представляется не комбинацией точек, а математической формулой (в компьютере хранятся не координаты точек линии, а числовые коэффициенты формулы, которая эту линию описывает). Такое представление намного компактнее, чем растровое. Данные занимают намного меньше места, однако построение любого объекта выполняется не простым отображением точек на экране, а сопровождается непрерывным пересчетом параметров кривой в координаты экранного или печатного изображения. Соответственно, работа с векторной графикой требует более производительных компьютеров. Векторные редакторы удобны для создания новых изображений, но не используются для обработки готовых рисунков. Они нашли широкое применение в рекламном бизнесе, их применяют всюду, где стиль художественной работы близок к чертежному.

Редакторы трехмерной графики используют для создания трехмерных композиций. Они имеют две характерные особенности. Во-первых, они позволяют гибко управлять взаимодействием свойств поверхности изображения объектов со свойствами источников освещения и, во-вторых, позволяют создавать трехмерную анимацию. Поэтому редакторы трехмерной графики нередко называют также 3D-аниматорами.

Системы управления базами данных (СУБД). Базами данных называют огромные массивы данных, организованных в различные структуры. Основными функциями СУБД являются:

создание пустой (незаполненной) структуры базы данных;

представление средств ее заполнения или импорта данных из таблиц другой базы;

обеспечение возможности доступа к данным, а также предоставление средств поиска и фильтрации.

Многие СУБД дополнительно предоставляют возможности проведения анализа данных и их обработки. В результате возможно создание новых таблиц на основе имеющихся.

Электронные таблицы (ЭТ) предоставляют комплексные средства хранения различных типов данных и их обработки. В ЭТ основной акцент смещен не на хранение массивов данных и обеспечение доступа к ним, а на преобразование данных, причем в соответствии с их внутренним содержанием. В отличие от баз данных, которые обычно содержат широкий спектр данных (от числовых и текстовых до мультимедийных), для ЭТ характерна повышенная сосредоточенность на числовых данных и методах работы с ними. Основное свойство ЭТ состоит в том, что при изменении содержания любой ячейки таблицы может происходить автоматическое изменение содержания во всех прочих ячейках, связанных с измененными соотношением, заданным математическими или логическими выражениями (формулами). Простота и удобство работы с ЭТ способствуют их широкому применению в сфере бухгалтерского учета, в качестве универсальных инструментов анализа финансовых, сырьевых и товарных рынков, то есть всюду, где необходимо автоматизировать регулярно повторяющиеся вычисления достаточно больших объемов числовых данных.

Системы автоматизированного проектирования (САПР или CAD-системы) предназначены для автоматизации проектно-конструкторских работ. Применяются в машиностроении, приборостроении, архитектуре и т.п. Кроме чертежно-конструкторских работ эти системы позволяют проводить простейшие расчеты и выбор готовых конструкторских элементов из обширных баз данных.

Настольные издательские системы предназначены для автоматизации процесса подготовки полиграфических изданий. От текстовых редакторов эти системы отличаются расширенными средствами управления взаимодействием текста с параметрами страницы и с графическими объектами, однако, они обладают пониженными функциональными возможностями по автоматизации ввода и редактирования текста. Настольные издательские системы обычно применяют к документам, прошедшим предварительную обработку в текстовых процессорах и графических редакторах.

Экспертные системы (ЭС) предназначены для анализа данных, содержащихся в базах знаний, и выдачи рекомендаций по запросам пользователей. Такие системы применяются в тех случаях, когда исходные данные хорошо формализуются, но для принятия решения требуются обширные специальные знания. Характерными областями использования ЭС являются юриспруденция, медицина, фармакология, химия. Важной особенностью ЭС является их способность к саморазвитию. Исходные данные хранятся в базе знаний в виде фактов, между которыми с помощью специалистов-экспертов устанавливается определенная система отношений. Если на этапе тестирования экспертной системы устанавливается, что она дает некорректные рекомендации и заключения по конкретным вопросам или не дает их вообще, это означает либо отсутствие важных фактов в ее базе, либо нарушения в логической системе отношений. В обоих случаях ЭС сама должна сгенерировать достаточный набор запросов к эксперту и автоматически повысить свое качество. С использованием ЭС связана особая область научной деятельности, называемая инженерией знаний. Инженеры знаний - это специалисты особой квалификации, выступающие в качестве промежуточного звена между разработчиками ЭС (программистами) и ведущими специалистами в конкретных областях науки и техники (экспертами).

Web-редакторы - это особый класс редакторов, объединяющих в себе свойства текстовых и графических редакторов. Они предназначены для создания и редактирования Web-документов. Web-документы - это электронные документы, при подготовке которых следует учитывать ряд особенностей, связанных с приемом/передачей информации в Интернете.

Браузеры (обозреватели, средства просмотра Web) относятся к программным средствам, предназначенным для просмотра электронных документов, выполненных в формате HTML (документы этого формата используются в качестве Web-документов). Современные браузеры воспроизводят не только текст и графику, но и музыку, человеческую речь, обеспечивают прослушивание радиопередач в Интернете, просмотр видеоконференций, работу со службами электронной почты, с системой телеконференций (групп новостей) и многое другое.

Интегрированные системы делопроизводства представляют собой программные средства автоматизации рабочего места руководителя. К основным функциям подобных систем относятся функции создания, редактирования и форматирования простейших документов, централизация функций электронной почты, факсимильной и телефонной связи, диспетчеризация и мониторинг документооборота предприятия, координация деятельности подразделений, оптимизация административно-хозяйственной деятельности и поставка по запросу оперативной и справочной информации.

Бухгалтерские системы - это специализированные системы, сочетающие в себе текстовых и табличных редакторов, электронных таблиц и СУБД. Они предназначены для автоматизации подготовки первичных бухгалтерских документов предприятия и их учета, для ведения счетов плана бухгалтерского учета, а также для автоматической подготовки регулярных отчетов по итогам производственной, хозяйственной и финансовой деятельности в форме, принятой для представления в налоговые органы, внебюджетные фонды и органы статистического учета.

Финансовые аналитические системы - это класс программ, используемых в банковских и биржевых структурах. Они позволяют контролировать и прогнозировать ситуацию на финансовых, товарных и сырьевых рынках, производить анализ текущих событий, готовить сводки и отчеты.

Кроме перечисленных программных комплексов к прикладному программному обеспечению относят различные обучающие, развивающие, справочные и развлекательные системы и программы. Характерной особенностью этого класса программ являются повышенные требования к мультимедийной составляющей (использование музыкальных композиций, средств графической анимации и видеоматериалов).

Microsoft Word - основа любого офиса и самая популярная программа в пакете Microsoft Office. Текстовый редактор - этот термин, прочно закрепившийся за программой Word, уже давно и безнадежно устарел. Современный Word - это многофункциональный тестовый процессор. С помощью этой программы можно не только набирать текст, но и оформлять его в соответствии с требованиями нормативных документов: включая в него таблицы, диаграммы, графики, формулы, рисунки, фотографии и даже звуки и видеоизображения. Программа Word поможет вам составить простое письмо и сложный объемный документ, яркую поздравительную открытку или рекламный блок. Текстовый процессор позволит вам создать вместо обычного бланка электронный бланк (шаблон), предназначенный для создания других документов. Если обычный бланк, кроме неизменного текста, содержит пустые места для записи изменяемых данных, то в электронном бланке пустые места заменяются специальными полями или формами. Большинство полей компьютер либо заполняет сам автоматически, либо предлагает выбрать данные из заранее заготовленных раскрывающихся списков. Такой подход позволяет резко сократить число ошибок при заполнении бланков.

По своим функциональным возможностям Word вплотную приближается к издательским системам и программам. Это значит, что в этом редакторе можно полностью подготовить материал для размещения в журнал, газету или книгу, изготовить Wеb-страничку Интернет. Полноценной издательской системой Word назвать нельзя, так как сверстать в нем книгу, газету или журнал трудно. Для серьезной профессиональной верстки все-таки лучше воспользоваться специализированными программами, например, Adobe PageMaker или QuarkXPress.

Возможности, предоставляемые пользователю программой Word чрезвычайно широки:

1. Создание документа с помощью специальных шаблонов или мастеров. Шаблоном называется документ с заданным форматированием и общим текстом, используемый в качестве основы для нового документа заданного типа. Word предоставляет в распоряжение пользователя большое число самых разнообразных шаблонов. Нужный шаблон можно выбрать с помощью диалогового окна Шаблоны, которое открывается, если в области задач выбрать команду Общие шаблоны. Если имеющиеся шаблоны пользователя не устраивают, он может использовать для создания нужного документа соответствующий Мастер. Мастерами в системе Windows называют специальные программы, работающие в режиме диалога с пользователем. Если на все вопросы мастера даны корректные ответы, программа автоматически выполнит всю черновую работу.

2. Большие возможности для ввода и редактирования документов. Если имеющиеся шаблоны и мастера пользователя не устраивают, он может создать документ, начиная с чистой страницы (используется шаблон Normal.dot). Кроме символов на клавиатуре можно при воде документа воспользоваться диалоговым окном Символ (команда Вставка, Символ), содержащим несколько тысяч символов. Word обеспечивает автоматическую проверку орфографии, грамматики и даже стилистики при вводе документа, автоматическую коррекцию часто повторяющихся ошибок (Автозамена), автоматический ввод повторяющихся и стандартных элементов текста с помощью буфера обмена и механизма автотекста.

3. Богатые возможности для форматирования документа, включая двухстороннее выравнивание и многоколоночную верстку. Для придания документу стандартного вида лучше использовать Автоформат или готовые стили, которых в программе несколько десятков. Если готовые стили не годятся, можно воспользоваться средствами для форматирования абзацев и символов.

4. Включение в документ различных графических объектов: таблиц, диаграмм, графиков, организационных схем, блок-схем, простых рисунков и т.д.

5. Включение в текст элементов, созданных в других программах Microsoft Office, - графических изображений, электронных таблиц, баз данных и т.д.

6. Работа с математическими формулами.

7. Удобные механизмы работы со ссылками, сносками, колонтитулами.

8. Автоматическая нумерация страниц, создания указателей и оглавления документа.

9. Удобные механизмы работы с большими документами (главный документ и вложенные документы).

10. Подготовка гипертекстовых документов Интернет.

Наряду с простыми задачами, такими как подготовка различных текстовых документов, компьютерных бланков, создание рисунков, чертежей и схем в организациях и подразделениях приходится решать и очень сложные задачи, требующие различных вычислений. Например, планирование экономической, финансовой и хозяйственной деятельности, организация эксплуатации техники, зданий и сооружений, учет кадров и т.д. Все эти задачи помогает решить табличный процессор или программа обработки электронных таблиц.

Область применения программы не ограничивается сферой деловой жизни. Мощные математические и инженерные функции современного табличного процессора позволяют решать множество задач в области естественных и технических наук.

При решении пользовательских задач в качестве информационной модели часто применяются таблицы. Рассмотрим таблицу, в которой содержатся некоторые сведения о книжном фонде библиотеки университета (табл. 1).

Таблица 1

Наименование учебника	Цена	Количество экземпляров	Общая стоимость	Выдано книг	Осталось в наличии
Информатика
Мат. анализ
Эконометрика
Теория игр
Итого:

Столбцы этой таблицы – поля символьного (название книги) и числового (все остальные) типов. В этой таблице не все поля являются независимыми. Очевидно, что общая стоимость книг получается перемножением количества книг и цены одной книги; количество книг, оставшихся в наличии, можно вычислить вычитанием из общего числа экземпляров количества выданных книг. Следовательно, данные в 4-м и 6-м столбцах можно назвать вычисляемыми, т.е. значения, записанные в этих полях, однозначно зависят от значений других полей.

Значения вычисляемых полей необходимо пересчитывать каждый раз, когда меняются значения полей, от которых они зависят. Естественно, что такой пересчет лучше поручить компьютеру. Прикладные программы, которые позволяют создавать такие таблицы с автоматическим пересчетом, называются табличными процессорами или электронными таблицами.

Электронная таблица (ЭТ) состоит из пронумерованных строк и столбцов. Обычно строкам ставят в соответствие целочисленные номера, а столбцам – буквы латинского алфавита. Таблица 1 в виде электронной таблицы будет выглядеть так:

Таблица 2

A B C D E F

	Наименование учебника	Цена	Количество экземпляров	Общая стоимость	Выдано книг	Осталось в наличии
	Информатика
	Мат. анализ
	Эконометрика
	Теория игр
	Итого:		C1+C2+C3+C4	D1+D2+D3+D4		F1+F2+F2+F4

Электронная таблица содержит множество нумеруемых ячеек, образуемых пересечением строк и столбцов. Ячейки нумеруются аналогично клеткам на шахматной доске: A1, D4 и т.д.

В ячейках с независимыми данными заносятся сами значения этих данных, а в ячейки с вычисляемыми полями вводятся формулы для вычисления значений. Однако пользователь на экране обычно видит результаты вычислений по этим формулам. При каждом изменении исходных данных автоматически пересчитываются и формулы.

Таким образом, электронная таблица является динамической информационной структурой. Особенность табличных процессоров заключается в том, что с их помощью можно не только вводить данные в ячейки таблицы, редактировать и форматировать их, но и применять формулы для описания связей между значениями, хранящимися в различных ячейках. Расчет по заданным формулам выполняется автоматически. Изменение содержимого какой-либо одной ячейки приводит к пересчету значений всех ячеек, которые с ней связаны формульными отношениями, и, тем самым, при обновлении каких- либо частных данных, обновление всей таблицы происходит автоматически.

2. Основные понятия электронных таблиц

Одним из наиболее распространенных средств работы с документами, имеющими табличную структуру, является программа Microsoft Excel, в частности, ее версии - Excel 97, Excel 2000 и Excel 2002 (XP). Эта программа является типичным Windows-приложением и предоставляет в распоряжение пользователя стандартную информационную среду – окно программы, содержащее следующие элементы:

строка заголовка;

панель меню;

панели инструментов;

строка формул;

окно документа;

строка состояния.

Документ Excel называется рабочей книгой. Рабочая книга представляет собой набор рабочих листов, каждый из которых имеет табличную структуру и может содержать одну или несколько таблиц. По умолчанию листам присваивается имя Лист 1, Лист 2, Лист 3. В окне документа в программе Excel отображается текущий рабочий лист активной рабочей книги. Каждый рабочий лист имеет название, которое записывается на ярлычке листа, отображаемом в его нижней части. С помощью ярлычков можно переключаться с одного листа на другой, дважды щелкнув на его ярлыке. При необходимости пользователь может изменить название листа, а также увеличить их количество. Все листы рабочей книги сохраняются в одном файле.

Табличное пространство рабочего листа состоит из строк и столбцов, Столбцы озаглавлены латинскими прописными латинскими буквами или двухбуквенными комбинациями. Всего рабочий лист содержит 256 столбцов, пронумерованных от A до IV. Строки последовательно нумеруются числами от 1 до 65356. На пересечении столбцов и строк образуются ячейки таблицы. Всего рабочий лист содержит 16731136 ячеек.

Ячейка является минимальным элементом хранения данных. Обозначение ячейки (ее номер) выполняет адресную функцию и включает в себя номера столбца и строки, на пересечении которых она расположена, например, A1, DE234. Адреса ячеек используются при записи формул, определяющих взаимосвязь между значениями, расположенными в различных ячейках. Одна из ячеек является активной и выделяется рамкой активной ячейки. Эта рамка играем роль табличного курсора. Операции ввода и редактирования всегда производятся в активной ячейке.

На данные расположенные в соседних ячейках, можно ссылаться в формулах, как на единое целое. Такую группу ячеек называют диапазоном. Наиболее часто используются прямоугольные диапазоны, которые обозначаются номерами ячеек, расположенными, в противоположных углах прямоугольника, например: A1:C5. Программа Excel при сохранении рабочей книги записывает в файл только прямоугольную область рабочих листов, примыкающую к левому верхнему углу (ячейка А1) и содержащую все заполненные ячейки.

Отдельная ячейка может содержать данные, относящиеся к одному из трех типов: текст, число, или формула. Тип данных, размещаемых в ячейке, определяется автоматически при вводе. Ввод формулы всегда начинается с символа = (знака равенства).

Ввод данных осуществляется непосредственно в текущую ячейку или в строку формул. Содержимое строки формул всегда соответствует содержимому текущей ячейки. Формула может состоять из значений (числовых констант), ссылок на ячейки и имен функций, соединенных знаками математических операций. Порядок выполнения операций определяется правилом приоритета. Сначала выполняются операции в скобках, затем операция умножения и т.д.

Оператор	Значение
(	Открыть скобку
)	Закрыть скобку
*	Умножить
/	Разделить
+	Сложить
-	Вычесть
=	Равно
<	Меньше
<=	Меньше или равно
>	Больше
>=	Больше или равно
<>	Не равно

Скобки позволяют изменить стандартный порядок выполнения действий. Результатом выполнения формулы является некоторое новое значение. Результат помещается в ячейку, в которой находится формула. Функцией называется объединение нескольких вычислительных операций для решения некоторой задачи. В Excel функции представляют собой формулы, имеющие один или несколько аргументов. Ссылка является основным элементом при выполнении вычислений с использованием нескольких ячеек.

Например: =A2*B1. Здесь A2 и B1 – ссылки. Ссылки играют роль адресов ячеек, содержимое которых используется в вычислениях. Различают абсолютную и относительную ссылки на ячейку. По умолчанию, ссылки на ячейки рассматриваются как относительные. Это означает, что адрес в ссылке при копировании формулы из одной ячейки в другую автоматически изменяется. Например: пусть формула, находящаяся в ячейке B2, имеет ссылку на ячейку А3, которая располагается на один столбец левее и на одну строку ниже. Если формула будет скопирована в другую ячейку, то относительное указание ссылки сохранится. Например, при копировании формулы в ячейку C7, ссылка будет продолжать указывать на ячейку, расположенную левее и ниже, в данном случае на ячейку B8. При абсолютной адресации адреса ссылок при копировании формулы не изменяются. Элементы номера ячейки, использующие абсолютную адресацию, начинаются символом $, например, $B$8. Для изменения способа адресации при редактировании формулы надо выделить ссылку и нажать клавишу F4.

Функции – это специально разработанные формулы, позволяющие быстро и легко выполнять сложные вычисления. С их помощью можно производить математические, логические, статистические, экономические вычисления и целый ряд других вычислений. Подобных встроенных функций в Microsoft Excel несколько сотен.

Функция состоит из двух частей: имени функции и одного или нескольких аргументов. Имя функции – как, например, СУММ или СРЗНАЧ – описывает операцию, выполняемую этой функцией. Например, функция округления имеет следующий синтаксис:

=ОКРУГЛ(число; количество_цифр)

Аргумент число может быть числом или ссылкой на ячейку, в которой содержится значение, а второй аргумент количество_цифр – определяет, до какой цифры округляется заданное значение.

Если функция использует несколько аргументов, то каждый из них отделяется друг от друга точками с запятой. Например,

=ПРОИЗВЕД(C1;C2;C5).

В качестве аргумента можно использовать как ссылку на отдельную ячейку, так и ссылку на диапазон. Например, формула

=СУММ(A1:A5;C2:C10;D3:D17)

имеет всего три аргумента, но при этом охватывает 29 ячеек.

В качестве аргументов можно использовать не только ссылки на ячейки или диапазоны, но и числовые, текстовые и логические значения, имена диапазонов, массивы. Рассмотрим эти типы аргументов по порядку:

Численное значение. Аргументом функции может быть любое число. Например, =СУММ(327;209;175). Однако чаще всего числовые значения вводятся не в саму формулу, а в ячейку листа, на которую потом и ссылаются аргументы функции;

Текстовые значения. В формуле =ТЕКСТ(ТДАТА();”Д МММ ГГГГ”) вторым аргументом является текстовое значение, которое задает шаблон вывода дат при преобразовании десятичного значения даты, возвращаемого функцией ТДАТА, в строку символов. Текстовый аргумент может быть строкой символов, заключенных в двойные кавычки, или ссылкой на ячейку, которая содержит текст;

Логические значения. Аргументы ряда функций могут принимать только логические значения ИСТИНА (TRUE) и ЛОЖЬ (FALSE). Логическое выражение возвращает на рабочий лист или в ячейку, в которой эта формула находится, одно из логических значений. Например, формула =ЕСЛИ(А1=ИСТИНА;”Новая”;”Старая”)&”цена”- это логическое выражение. Если значение в ячейки А1 равно ИСТИНА, то функция ЕСЛИ возвращает строку Новая, а вся формула в целом возвращает значение Новая цена;

Именованные ссылки. Аргументом функции может быть имя диапазона ячеек;

Массивы. Массивы могут состоять из числовых, текстовых или логических значений;

Аргументы смешанных типов. В одной функции можно применять аргументы различных типов. Например, в формуле =СРЗНАЧ(Группа1;А3;5*3) аргументами являются: в первом случае имя диапазона (Группа1), во втором – ссылка на ячейку (А3), а в третьем – числовое выражение (5*3). При этом сама формула возвращает только числовое значение.

Встроенные функции можно разделить на пять групп: математические, текстовые, логические, информационные и функции просмотра и ссылок.

Создание высокоэффективных крупных систем обработки данных связано с объединением средств вычислительной техники, обслуживающей отдельные предприятия, организации и их подразделения, с помощью средств связи в единую распределенную вычислительную систему.

Концепция вычислительных сетей является логическим результатом эволюции компьютерной технологии. Первые компьютеры 50-х годов - большие, громоздкие и дорогие - предназначались для очень небольшого числа избранных пользователей. Такие компьютеры не были предназначены для интерактивной работы пользователя, а использовались в режиме пакетной обработки.

Системы пакетной обработки, как правило, строились на базе мэйнфрейма - мощного и надежного компьютера универсального назначения. Пользователи подготавливали перфокарты, содержащие данные и команды программ, и передавали их в вычислительный центр. Операторы вводили эти карты в компьютер, а распечатанные результаты пользователи получали обычно только на следующий день. Таким образом, одна неверно набитая карта означала как минимум суточную задержку.

Конечно, для пользователей интерактивный режим работы, при котором можно с терминала оперативно руководить процессом обработки своих данных, был бы гораздо удобней. Но во главу угла ставилась эффективность работы самого дорогого устройства вычислительной машины - процессора, в ущерб эффективности работы использующих его специалистов.

По мере удешевления процессоров в начале 60-х годов появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользователей. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени.

Терминалы, выйдя за пределы вычислительного центра, рассредоточились по всему предприятию. И хотя вычислительная мощность оставалась полностью централизованной, некоторые функции - такие как ввод и вывод данных - стали распределенными. Такие многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети. Действительно, рядовой пользователь работу за терминалом мэйнфрейма воспринимал примерно так же, как сейчас он воспринимает работу за подключенным к сети персональным компьютером. Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферийным устройствам, при этом у него поддерживалась полная иллюзия единоличного владения компьютером, так как он мог запустить нужную ему программу в любой момент и почти сразу же получить результат. (Некоторые, далекие от вычислительной техники пользователи даже были уверены, что все вычисления выполняются внутри их дисплея.)

Таким образом, многотерминальные системы, работающие в режиме разделения времени, стали первым шагом на пути создания локальных вычислительных сетей. Но многотерминальные системы, хотя и имели внешние черты распределенных систем, все еще сохраняли централизованный характер обработки данных. С другой стороны, и потребность предприятий в создании локальных сетей в это время еще не созрела - в одном здании просто нечего было объединять в сеть, так как из-за высокой стоимости вычислительной техники предприятия не могли себе позволить роскошь приобретения нескольких компьютеров.

Тем не менее потребность в соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга, к этому времени вполне назрела. Началось все с решения более простой задачи - доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни, а то и тысячи километров. Терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьютеров класса суперЭВМ. Затем появились системы, в которых наряду с удаленными соединениями типа терминал-компьютер были реализованы и удаленные связи типа компьютер-компьютер. Компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, что, собственно, и является базовым механизмом любой вычислительной сети. Используя этот механизм, в первых сетях были реализованы службы обмена файлами, синхронизации баз данных, электронной почты и другие, ставшие теперь традиционными сетевые службы.

Таким образом, хронологически первыми появились глобальные вычислительные сети. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие основные идеи и концепции современных вычислительных сетей. Такие, например, как многоуровневое построение коммуникационных протоколов, технология коммутации пакетов, маршрутизация пакетов в составных сетях.

В начале 70-х годов произошел технологический прорыв в области производства компьютерных компонентов - появились большие интегральные схемы. Их сравнительно невысокая стоимость и высокие функциональные возможности привели к созданию мини-компьютеров, которые стали реальными конкурентами мэйнфреймов. Даже небольшие подразделения предприятий получили возможность покупать для себя компьютеры. Мини-компьютеры выполняли задачи управления технологическим оборудованием, складом и другие задачи уровня подразделения предприятия. Таким образом, появилась концепция распределения компьютерных ресурсов по всему предприятию. Однако при этом все компьютеры одной организации по-прежнему продолжали работать автономно. Но шло время, потребности пользователей вычислительной техники росли, им стало недостаточно собственных компьютеров, им уже хотелось получить возможность обмена данными с другими близко расположенными компьютерами. В ответ на эту потребность предприятия и организации стали соединять свои мини-компьютеры вместе и разрабатывать программное обеспечение, необходимое для их взаимодействия. В результате появились первые локальные вычислительные сети. Они отличались от современных локальных сетей, в первую очередь - своими устройствами сопряжения. На первых порах для соединения компьютеров друг с другом использовались самые разнообразные нестандартные устройства со своим способом представления данных на линиях связи, своими типами кабелей и т. п. Эти устройства могли соединять только те типы компьютеров, для которых были разработаны.

В середине 80-х годов положение дел в локальных сетях стало кардинально меняться. Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть - Ethernet, Arcnet, Token Ring. Мощным стимулом для их развития послужили персональные компьютеры. С одной стороны, они были достаточно мощными для работы сетевого программного обеспечения, а с другой - нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач, а также разделения дорогих периферийных устройств и дисковых массивов.

Используя стандартные сетевые технологии, для создания сети достаточно было приобрести сетевые адаптеры соответствующего стандарта, например Ethernet, стандартный кабель, присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами и установить на компьютер одну из популярных сетевых операционных систем. После этого сеть начинала работать и присоединение каждого нового компьютера не вызывало никаких проблем - естественно, если на нем был установлен сетевой адаптер той же технологии.

Локальные сети в сравнении с глобальными сетями внесли много нового в способы организации работы пользователей. Доступ к разделяемым ресурсам стал гораздо удобнее: пользователь мог просматривать списки имеющихся ресурсов, после соединения с удаленным ресурсом можно было работать с ним с помощью уже знакомых пользователю по работе с локальными ресурсами команд. Результатом такого прогресса стало появление огромного числа непрофессиональных пользователей, которым совершенно не нужно было изучать специальные (и достаточно сложные) команды для сетевой работы. Возможность реализовать все эти удобства разработчики локальных сетей получили в результате появления качественных кабельных линий связи, на которых даже сетевые адаптеры первого поколения обеспечивали скорость передачи данных до 10 Мбит/с.

Конечно, о таких скоростях разработчики глобальных сетей не могли даже мечтать - им приходилось пользоваться теми каналами связи, которые были в наличии, так как прокладка новых кабельных систем для вычислительных сетей протяженностью в тысячи километров потребовала бы колоссальных капитальных вложений. А «под рукой» были только телефонные каналы связи, плохо приспособленные для высокоскоростной передачи дискретных данных - скорость в 1200 бит/с была для них хорошим достижением. Поэтому экономное расходование пропускной способности каналов связи часто являлось основным критерием эффективности методов передачи данных в глобальных сетях. В этих условиях различные процедуры прозрачного доступа к удаленным ресурсам, стандартные для локальных сетей, для глобальных сетей долго оставались непозволительной роскошью.

Сегодня вычислительные сети продолжают развиваться, причем достаточно быстро.

1. Разрыв между локальными и глобальными сетями постоянно сокращается во многом из-за появления высокоскоростных территориальных каналов связи, не уступающих по качеству кабельным системам локальных сетей. В глобальных сетях появляются службы доступа к ресурсам, такие же удобные и прозрачные, как и службы локальных сетей. Подобные примеры в большом количестве демонстрирует самая популярная глобальная сеть - Internet.

2. Изменяются и локальные сети, в них в большом количестве появилось разнообразное коммуникационное оборудование - коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы. Благодаря такому оборудованию появилась возможность построения больших корпоративных сетей, насчитывающих тысячи компьютеров и имеющих сложную структуру.

3. Возродился интерес к крупным компьютерам - в основном из-за того, что после спада эйфории по поводу легкости работы с персональными компьютерами выяснилось, что системы, состоящие из сотен серверов, обслуживать сложнее, чем несколько больших компьютеров. Поэтому на новом витке эволюционной спирали мэйнфреймы стали возвращаться в корпоративные вычислительные системы, но уже как полноправные сетевые узлы, поддерживающие Ethernet или Token Ring, а также стек протоколов TCP/IP, ставший благодаря Internet сетевым стандартом де-факто.

4. Проявилась еще одна очень важная тенденция, затрагивающая в равной степени как локальные, так и глобальные сети. В них стала обрабатываться несвойственная ранее вычислительным сетям информация - голос, видеоизображения, рисунки. Это потребовало внесения изменений в работу протоколов, сетевых операционных систем и коммуникационного оборудования. Сложность передачи такой мультимедийной информации по сети связана с ее чувствительностью к задержкам при передаче пакетов данных - задержки обычно приводят к искажению такой информации в конечных узлах сети. Так как традиционные службы вычислительных сетей - такие как передача файлов или электронная почта - создают малочувствительный к задержкам трафик и все элементы сетей разрабатывались в расчете на него, то появление трафика реального времени привело к большим проблемам.

В условиях вычислительной сети предусмотрена возможность:

· организовать параллельную обработку данных многими ЭВМ;

· создавать распределенные базы данных, размещаемые в памяти различных ЭВМ;

· специализировать отдельные ЭВМ (группы ЭВМ) для эффективного решения определенных классов задач;

· автоматизировать обмен информацией и программами между отдельными ЭВМ и пользователями сети;

· резервировать вычислительные мощности и средства передачи данных на случай выхода из строя отдельных из них с целью быстрого восстановления нормальной работы сети;

· перераспределять вычислительные мощности между пользовате­лями сети в зависимости от изменения их потребностей и сложности решаемых задач;

· стабилизировать и повышать уровень загрузки ЭВМ и дорого­стоящего периферийного оборудования;

· сочетать работу в широком диапазоне режимов: диалоговом, па­кетном, режимах «запрос-ответ», а также сбора, передачи и обмена информацией.

Основными элементами вычислительной сети являются стандартные компьютеры, они не имеют ни общих блоков памяти, ни общих периферийных устройств. Связь между компьютерами осуществляется с помощью специальных периферийных устройств - сетевых адаптеров, соединенных относительно протяженными каналами связи. Каждый компьютер работает под управлением собственной операционной системы, а какая-либо «общая» операционная система, распределяющая работу между компьютерами сети, отсутствует. Взаимодействие между компьютерами сети происходит за счет передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи. С помощью этих сообщений один компьютер обычно запрашивает доступ к локальным ресурсам другого компьютера. Такими ресурсами могут быть как данные, хранящиеся на диске, так и разнообразные периферийные устройства - принтеры, модемы, факс-аппараты и т. д. Разделение локальных ресурсов каждого компьютера между всеми пользователями сети - основная цель создания вычислительной сети.

Пользователь, ПК которого подключен к сети, может пользоваться не только файлами, дисками, принтерами и другими ресурсами своего компьютера, но аналогичными ресурсами других компьютеров, подключенных к той же сети. Для этого недостаточно снабдить компьютеры сетевыми адаптерами и соединить их кабельной системой. Необходимы еще некоторые добавления к операционным системам этих компьютеров. На тех компьютерах, ресурсы которых должны быть доступны всем пользователям сети, необходимо добавить модули, которые постоянно будут находиться в режиме ожидания запросов, поступающих по сети от других компьютеров. Обычно такие модули называются программными серверами (server), так как их главная задача - обслуживать (serve) запросы на доступ к ресурсам своего компьютера. На компьютерах, пользователи которых хотят получать доступ к ресурсам других компьютеров, также нужно добавить к операционной системе некоторые специальные программные модули, которые должны вырабатывать запросы на доступ к удаленным ресурсам и передавать их по сети на нужный компьютер. Такие модули обычно называют программными клиентами (client). Собственно же сетевые адаптеры и каналы связи решают в сети достаточно простую задачу - они передают сообщения с запросами и ответами от одного компьютера к другому, а основную работу по организации совместного использования ресурсов выполняют клиентские и серверные части операционных систем.

Пара модулей «клиент - сервер» обеспечивает совместный доступ пользователей к определенному типу ресурсов, например к файлам. В этом случае говорят, что пользователь имеет дело с файловой службой (service). Обычно сетевая операционная система поддерживает несколько видов сетевых служб для своих пользователей - файловую службу, службу печати, службу электронной почты, службу удаленного доступа и т. п.

Термины «клиент» и «сервер» используются не только для обозначения программных модулей, но и компьютеров, подключенных к сети. Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим компьютерам сети, то он называется сервером, а если он их потребляет - клиентом. Иногда один и тот же компьютер может одновременно играть роли и сервера, и клиента.

Сетевые службы всегда представляют собой распределенные программы. Распределенная программа - это программа, которая состоит из нескольких взаимодействующих частей (в приведенном на рис. 1.5 примере - из двух), причем каждая часть, как правило, выполняется на отдельном компьютере сети.

Взаимодействие частей распределенного приложения

До сих пор речь шла о системных распределенных программах. Однако в сети могут выполняться и распределенные пользовательские программы - приложения. Распределенное приложение также состоит из нескольких частей, каждая и которых выполняет какую-то определенную законченную работу по решению прикладной задачи. Например, одна часть приложения, выполняющаяся на компьютере пользователя, может поддерживать специализированный графический интерфейс вторая - работать на мощном выделенном компьютере и заниматься статистической обработкой введенных пользователем данных, а третья - заносить полученные результаты в базу данных на компьютере с установленной стандартной СУБД. Распределенные приложения в полной мере используют потенциальные возможности распределенной обработки, предоставляемые вычислительной сетью, и поэтому часто называются сетевыми приложениями.

Следует подчеркнуть, что не всякое приложение, выполняемое в сети, является сетевым. Существует большое количество популярных приложений, которые не являются распределенными и целиком выполняются на одном компьютере сети.

Основное различие между сетями заключается в управлении доступом к информации и в том, как происходит обмен данными. В зависимости от способов управления доступом и обмена данными сети подразделяются по топологии и технологии. Последовательно рассмотрим представление данных в сетях, виды используемых топологий и технологий.

Топология ¾ это схема соединения каналами связи компьютеров или узлов сети между собой.

Заметим, что конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.

Выбор топологии электрических связей существенно влияет на многие характеристики сети. Например, наличие резервных связей повышает надежность сети и делает возможным управление загрузкой отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи. Рассмотрим некоторые, наиболее часто встречающиеся топологии.

Рис. 5. Типовые топологии сетей

Полносвязная топология (рис. 5, а) соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. Полносвязные топологии применяются редко.

Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.

Ячеистая топология (mesh) получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей (рис. 5, б). В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей.

Общая шина (рис. 5, в) является очень распространенной (а до недавнего времени самой распространенной) топологией для локальных сетей. В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю по схеме «монтажного ИЛИ». Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. Применение общей шины снижает стоимость проводки, унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещательного обращения ко всем станциям сети. Таким образом, основными преимуществами такой схемы являются дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. К сожалению, дефект коаксиального разъема редкостью не является. Другим недостатком общей шины является ее невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети.

Топология звезда (рис. 5, г). В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором, который находится в центре сети. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. Главное преимущество этой топологии перед общей шиной - существенно большая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть. Кроме того, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи.

К недостаткам топологии типа звезда относится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора. Кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора. Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рис. 5,д). В настоящее время иерархическая звезда является самым распространенным типом топологии связей как в локальных, так и глобальных сетях.

В сетях с кольцевой конфигурацией (рис. 1.10, е) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если компьютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи - данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. Для этого в сеть посылаются специальные тестовые сообщения.

В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию - звезда, кольцо или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией (рис. 1.11).

Рис. 5. Смешанная топология

Метод доступа ¾ это технология, определяющая использование канала передачи данных, соединяющего узлы сети на физическом уровне. Самыми распространенными технологиями сегодня являются Ethernet и Token - Ring (говорящее кольцо).

Стандарт Ethernet был принят в 1980 году. Число сетей, построенных на основе этой технологии, к настоящему моменту оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих в таких сетях, - в 50 миллионов.

Основной принцип, положенный в основу Ethernet, - случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны (кстати, первой сетью, построенной на принципе случайного доступа к разделяемой среде, была радиосеть Aloha Гавайского университета).

В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой «общая шина» (рис. 1.13). С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами - сетевыми адаптерами Ethernet. Каждый компьютер, а более точно, каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес. Передача данных происходит со скоростью 10 Мбит/с. Эта величина является пропускной способностью сети Ethernet.

Рис. 1.13. Сеть Ethernet

Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура определения доступности среды.

После того как компьютер убедился, что сеть свободна, он начинает передачу, при этом «захватывает» среду. Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные.

Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины. Другие базовые технологии, например Token Ring, для создания даже небольшой сети требуют наличия дополнительного устройства - концентратора.

Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведет к упрощению и, соответственно, удешевлению сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью.

И наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть легкость подключения новых узлов.

Сети Token Ring, так же как и сети Ethernet, характеризует разделяемая среда передачи данных, которая в данном случае состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему требуется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном (token).

В сети Token Ring кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими соседние станции. Таким образом, каждая станция связана со своей предшествующей и последующей станцией и может непосредственно обмениваться данными только с ними. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения - маркер. В сети Token Ring любая станция всегда непосредственно получает данные только от одной станции - той, которая является предыдущей в кольце. Получив маркер, станция анализирует его и при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника.

Все станции кольца ретранслируют кадр побитно, как повторители. Если кадр проходит через станцию назначения, то, распознав свой адрес, эта станция копирует кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и передает в сеть новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные. Такой алгоритм доступа применяется в сетях Token Ring

Локальные сети могут интегрироваться в более сложные единые сетевые структуры. При этом, однотипные по используемым в них аппаратуре и протоколам сети, объединяются с помощью общих для соединяемых сетей узлов-«мостов», а разнотипные сети (работающих под управлением различных операционных систем) объединяются с помощью общих узлов-«шлюзов».

Шлюзы могут быть как аппаратными, так и программными. Например, это может быть специальный компьютер (шлюзовой сервер), а может быть и компьютерная программа, шлюзовое приложение. В последнем случае компьютер может выполнять не только функции шлюза, но и функции рабочей станции.

Интеграция нескольких сетей в единую систему требует обеспечения межсетевой маршрутизации информационных потоков в рамках единой сети. Межсетевая маршрутизация организуется путем включения в каждую из объединяемых подсетей специальных узлов-«маршрутизаторов» (часто функции «маршрутизаторов» и «шлюзов» интегрируются в одном узле). Узлы-«маршрутизаторы» должны «распознавать», какой из пакетов относится к «местному» трафику сети станции-отправителя, а какой из них должен быть передан в другую сеть, входящую в единую интегрированную систему.

При подключении локальной сети предприятия к глобальной сети особое внимание обращается на обеспечение информационной безопасности. В частности, должен быть максимально ограничен доступ в сеть для внешних пользователей, а также ограничен выход во внешнюю сеть сотрудников предприятия. Для обеспечения сетевой безопасности устанавливают брандмауэры. Это специальные компьютеры или компьютерные программы, препятствующие входу в локальную сеть и несанкционированной передаче информации.

Дата добавления: 2014-01-05