close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

139.Информатика (часть1)

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
В.П. Авдеев, А.Д. Кононов, А.А. Кононов
ИНФОРМАТИКА
Учебное пособие для подготовки к Интернет – экзамену (часть I)
Воронеж 2010
УДК 004.9 (07)
ББК 32.81 я 7
А187
Рецензенты:
кафедра информационных систем
Воронежского государственного университета;
С.А. Чепелев, д. т. н., профессор Воронежской государственной
лесотехнической академии
А187
Авдеев, В.П. Информатика: учеб. пособие для подготовки к
Интернет-экзамену (часть I) / В.П. Авдеев, А.Д. Кононов, А.А.
Кононов; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. – Воронеж, 2010. – 58 с.
ISBN 978-5-89040-273-8
В соответствии с требованиями государственного образовательного
стандарта рассматриваются основные понятия и методы теории информатики
и кодирования; сигналы, данные, информация; процессы сбора, передачи,
обработки и накопления информации; технические средства реализации
информационных процессов; локальные и глобальные сети ЭВМ и методы
защиты информации. Перечисленные темы соответствуют дидактическим
единицам DE1, DE2, DE6. Предназначено для студентов 1 курса всех
специальностей.
Ил. 2. Табл. 2. Библиогр.: 9 назв.
УДК 004.9 (07)
ББК 32.81 я 7
ISBN 978-5-89040-273-8
© Авдеев В.П., Кононов А.Д.,
Кононов А.А., 2010
© Воронежский государственный
архитектурно-строительный
университет, 2010
3
Введение
Государственный образовательный стандарт предъявляет достаточно
высокие требования к обязательному минимуму содержания основной
образовательной программы. Так, в дидактические единицы Гос DE1, DE2,
DE6 включены такие важные для общего изучения дисциплины
«Информатика» темы и задания, как понятия и методы теории информатики
и кодирования, общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки
и
накопления
информации,
технические
средства
реализации
информационных процессов, локальные и глобальные сети ЭВМ, методы
защиты информации. Учебное пособие ставит целью помочь обучающимся в
освоении перечисленных тем и заданий, а также в повышении уровня
подготовки студентов при контроле знаний в процессе
Интернеттестирования.
Построение
учебного
пособия
соответствует
содержанию
дидактических единиц DE1, DE2, DE6.
В DE1 (раздел 1) включено изучение таких базовых понятий, как
сообщение, данные, сигнал, показатели качества и формы представления
информации, системы передачи информации. Рассматриваются меры и
единицы количества и объема информации, позиционные системы
счисления, логические основы ЭВМ.
DE2 (раздел 2) содержит вопросы истории развития ЭВМ, архитектуры
ЭВМ. Уделено внимание составу и назначению основных элементов
персонального компьютера (микропроцессор, устройство управления,
арифметико-логическое устройство, микропроцессорная память, системная
шина). Рассмотрены классификация, принципы работы и основные
характеристики запоминающих устройств, устройств ввода-вывода данных.
DE3 (разделы 3,4) посвящена анализу локальных и глобальных сетей
ЭВМ, основ компьютерной коммуникации и сетевых технологий обработки
данных; сетевых стандартов и сетевого сервиса. Подчеркнута важность
защиты информации в компьютерных сетях.
Естественно, в ограниченном объеме учебного пособия невозможно
охватить весь круг вопросов, предлагаемых в рамках Интернет-экзамена, тем
более, что их база постоянно расширяется. Поэтому некоторая часть
вопросов для самопроверки потребует от студентов дополнительного
углубленного изучения по библиографическим источникам, указанным в
списке рекомендованной литературы.
4
1. Основные понятия и методы теории информатики и кодирования
1.1.
Сообщения, данные, сигнал, атрибутивные свойства информации,
показатели качества информации, формы представления
информации. Системы передачи информации
Информатика - это область человеческой деятельности, связанная с
процессами преобразования информации с помощью компьютеров и их
взаимодействием со средой применения. Отличие информатики от
кибернетики - науки об общих принципах управления в различных системах
– в том, что информатика базируется на свойствах информации и аппаратнопрограммных средствах ее обработки, а в кибернетике акцент делается на
разработке концепций и построении моделей объектов с использованием
информационного подхода.
Под информацией понимаются сведения о каком-либо событии или
предмете, поступающие к получателю извне в результате его взаимодействия
с окружающей средой. Наряду с информацией в информатике часто
употребляется понятие данные. Отличие в том, что данные – это сведения,
которые по каким-либо причинам не используются, а только хранятся.
Данные превращаются в информацию, если появляется возможность
использовать их для уменьшения неполноты знаний (неопределенности) об
исследуемом объекте, процессе или явлении.
Возможность
и
эффективность
использования
информации
обусловливается показателями еѐ качества, к которым относятся:
- репрезентативность правильность отбора информации для
адекватного отражения свойств объекта;
- содержательность - отражает семантическую емкость информации;
- достаточность (полнота) - содержит минимальный, но достаточный
для принятия решения набор показателей;
- доступность - возможность получения и преобразования информации;
- актуальность - сохранение ценности информации в момент еѐ
использования;
- своевременность - поступление информации не позже заранее
назначенного момента времени;
- точность - степень близости получаемой информации к реальному
состоянию объекта, процесса, явления;
- достоверность (адекватность) - отражение реально существующих
объектов с необходимой точностью;
- устойчивость - способность информации реагировать на изменение
исходных данных без нарушения необходимой точности.
Кстати, в философском аспекте атрибутивная
концепция
квалифицирует информацию как свойство всех материальных объектов, т.е.
как атрибут материи.
Под сообщением понимается форма представления информации (текст,
речь, изображение, цифровые данные и т.д.).
5
Информация от источника к получателю передается при помощи сигнала.
Сигналом называется физический процесс, отображающий сообщение.
Обычно под сигналом понимается электрическое возмущение, однозначно
отображающее передаваемое сообщение с заданной точностью и пригодное
для передачи по каналу связи.
По
структуре сообщения сигналы разделяются на дискретные и
непрерывные. Дискретными называются сообщения и отображающие их
сигналы, которые представляются последовательностью из конечного числа
отдельных, резко различимых элементов (буквенный либо цифровой текст,
телекодовые сигналы). Непрерывные сообщения характеризуются тем, что
два нетождественных сообщения могут отличаться друг от друга сколь
угодно мало (речь, музыка, сигналы телеизмерения и телеуправления, с
помощью которых передаются данные о плавно изменяющихся величинах).
Возможность дискретного представления информации, заключенной в
непрерывной функции времени, базируется на теореме В.А. Котельникова:
функция времени с ограниченным спектром полностью (без потери
информации) определяется своими мгновенными значениями, отсчитанными
через интервалы времени Δ t=1/2F, где F - ширина спектра функции. Эти
значения называют определяющими ординатами
или отсчетами, а
моменты отсчета – тактовыми точками.
Совокупность средств, обеспечивающих передачу сигналов, называется
каналом связи (каналом передачи информации). Совокупность канала связи,
источника и получателя информации, характеризующаяся определенными
способами
преобразования переданного сообщения в сигнал и
восстановления сообщения по принятому сигналу, называется системой
передачи информации. Из-за наличия в канале связи помех, а также
вследствие искажений в самой аппаратуре принятое сообщение
воспроизводит переданное лишь с определенной степенью точности. Степень
этой точности характеризует достоверность передачи. Способность системы
противостоять вредному действию помех называется помехоустойчивостью.
Передаваемые в этих системах дискретные сообщения (команды, буквы,
цифры) подвергаются кодированию.
Кодирование – это преобразование сообщения в определенные
сочетания элементарных дискретных символов, называемых кодовыми
комбинациями или словами.
Кодами в технике передачи информации называют системы
соответствий между сообщениями и сочетаниями символов (сигналов), при
помощи которых эти сообщения могут быть зафиксированы, переданы на
расстояние или использованы для дальнейшей обработки. Символы, из
которых формируются кодовые комбинации, называются элементами кода.
Число m различных элементов, используемых при построении кода,
называется основанием кода. Так, в двоичном коде (m=2) элементами
являются символы «1» и «0» и соответствующие им сигналы. Число N
различных комбинаций называется объемом или мощностью кода. Число n
элементов, образующих кодовую комбинацию, называется значностью кода.
6
Коды, в которых каждая кодовая комбинация состоит из одинакового числа
элементов, называются равномерными. При помощи такого кода можно
передавать N=mn различных кодовых комбинаций.
Вопросы для самопроверки
Как Вы представляете себе информационное общество?
В чем заключается основной метод, используемый в информатике?
Что определяет вербальный характер информации?
Какие задачи рассматривает системный анализ?
В чем различие информации и данных?
Какие существуют показатели качества информации?
Какая форма представления информации – непрерывная или дискретная –
приемлемы для компьютеров и почему?
8. Сформулируйте теорему Котельникова и поясните ее смысл.
9. В чем состоит процедура дискретизации непрерывной информации?
10. Перечислите свойства информации.
11. Какое свойство информации характеризует возможность ее получения?
12. Какое свойство информации характеризует степень еѐ соответствия
реальности?
13. Что такое семантическая емкость информации?
14. В каком виде данные входят в состав команд компьютера?
15. Что может выступать в качестве носителя информации?
16. Что представляет собой канал связи в вычислительной сети?
17. Как связана скорость передачи информации с уровнем помех в системе?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
1.2. Меры и единицы количества и объема информации
Итак, информация - это сведения об объектах и явлениях окружающей
среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают
имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний.
Для измерения информации вводят два параметра: количество
информации I и объем данных Vq.
Количество информации I невозможно определить без рассмотрения
понятия неопределенности состояния системы (энтропии системы), так как
получение информации о какой-либо системе всегда связано с изменением
неосведомленности получателя о состоянии этой системы.
Пусть до получения информации потребитель имеет некоторые
предварительные (априорные) сведения α. Мерой его неосведомленности о
системе является функция H(α). После получения некоторого сообщения β
получатель приобрел дополнительную информацию Iβ (α), уменьшившую его
7
априорную неосведомленность так, что апостериорная (после получения
сообщения β) неопределенность состояния системы стала Hβ (α).
Тогда количество информации Iβ (α) о системе, полученной в
сообщении β, определяется как
Iβ (α) = H(α) - Hβ (α),
т.е. количество информации измеряется изменением (уменьшением)
неопределенности состояния системы.
Если конечная неопределенность Hβ (α) обратится в нуль, то
первоначальное неполное знание заменится полным знанием и количество
информации
Iβ (α) = H(α), т.е. энтропия системы
H(α) может
рассматриваться как мера недостающей информации.
Энтропия системы H(α), имеющей N возможных состояний, согласно
формуле Шеннона равна
N
H( ) =
Pi log Pi ,
i 1
где Pi - вероятность того, что система находится в i – м состоянии.
Для случая когда все состояния системы равновероятны, т.е. их
1
вероятности равны Pi =
, еѐ энтропия определяется соотношением
N
N
1
1
H( ) =
log .
N
i 1 N
Часто информация кодируется числовыми кодами в той или иной
системе счисления, особенно это актуально при представлении в
компьютере. Естественно, что одно и то же количество разрядов в разных
системах счисления может передать разное число состояний отображаемого
объекта, что можно представить в виде соотношения
N = mn,
где N - число всевозможных отображаемых состояний;
m - основание системы счисления (разнообразие символов, применяемых
в алфавите);
n – число разрядов (символов) в комбинации.
При равновероятном появлении любой из кодовых комбинаций
количество информации, приобретенной абонентом в результате получения
сообщения, будет I = log N = n log m (формула Хартли). Количество
информации, содержащееся в сообщениях, является логарифмической мерой
числа различных состояний, и в принципе, безразлично, при каком
8
основании вычислять этот логарифм. Обычно основание логарифма
выбирают равным двум (из соображений простоты технической реализации
устройств ЭВМ), и количество информации получают в двоичных единицах
или битах:
I =log2 N и при N = 2
I =1.
Энтропия также является логарифмической мерой:
I 1
H=
log N,
n n
и если основание логарифма равно двум, то
H2 = log2 m
и энтропия измеряется в двоичных единицах на элемент сообщения.
Объем данных
Vq
в сообщении измеряется количеством символов
(разрядов) в этом сообщении. В ЭВМ наряду с минимальной единицей
измерения
данных «бит» широко используется укрупненная единица
измерения «байт», равная 8 бит. Для удобства использования введены и
более крупные единицы. Так, 1024 байта образуют килобайт (Кбайт), 1024
килобайта – мегабайт (Мбайт), 1024 мегабайта – гигабайт (Гбайт) и т.д.
Вопросы для самопроверки.
Как определяется понятие энтропии?
В чем суть теорем Шеннона?
Каким образом определяется единица количества информации?
Какое количество информации уменьшает неопределенность в два раза?
Сколько байт необходимо для кодирования числа 312?
Какой объем информации содержится в сообщении 2009?
Сколько байт в системе кодирования ASCII необходимо для хранения на
диске слова ПРОЦЕССОР?
8. Сколько двоичных разрядов достаточно для кодирования 64 различных
состояний?
9. В текстовом файле хранится текст объемом в 400 страниц. Каждая
страница содержит 3200 символов. Если используется кодировка в KOI-8
(8 бит на 1 символ), то каков будет размер файла?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
1.3. Позиционные системы счисления
Понятия «число» и «операции над числами» возникли из практической
деятельности людей. На протяжении тысячелетий формы записи чисел
претерпели
большие
изменения.
Революционным
моментом
в
совершенствовании записи чисел явилось создание десятичной системы
счисления, в которой любое число представляется в виде последовательности
9
цифр, причем вклад каждой цифры в общее значение числа зависит не только
от значения цифры, но и от места (позиции), которое занимает эта цифра
среди других цифр числа (позиционная система счисления).
Отметим две важные особенности позиционных систем счисления:
краткость записи чисел по сравнению с непозиционными системами
счисления;
возможность формального сведения арифметических действий над
числами к действием над их отдельными цифрами, что позволяет легко
реализовать алгоритмы арифметических действий в вычислительных
устройствах.
Запись целого числа N в любой позиционной системе счисления с
основанием n обозначает представление этого числа в виде суммы степеней
основания данной системы с различными коэффициентами, меньшими n. Эти
коэффициенты и являются цифрами в записи числа.
Таким образом, любое число N, записанное в системе счисления с
основанием n
N = ( a m a m - 1 a m - 2 … a 0 , a-1 a-2 …a-p )n
может быть изображено виде суммы
a m n m + a m - 1 n m - 1 + … + a 0 n 0 + a -1 n – 1 + … + a - p n – p ,
где a m a m – 1 … a 0 - целая часть числа,
a -1 a-2 …a-p - дробная часть,
a m, a m – 1, … , a-p - цифры из набора 0, 1 …. n – 1.
Двоичная система счисления. В двоичной системе счисления для
изображения чисел используют цифры 0 и 1. Большинство элементов, на
которых строится ЭВМ, имеет лишь два устойчивых состояния равновесия:
одному из этих состояний равновесия присваивается значение цифры 1, а
другому 0. Правила выполнения арифметических действий в этой системе
чрезвычайно просты и легко реализуются в вычислительных машинах.
Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления используются
для записи команд в коде машины. В восьмеричной системе счисления
используется набор из восьми цифр 0,1,2,3,4,5,6,7. Число 8 в восьмеричной
системе изображается как 108.
В шестнадцатеричной системе счисления для записи чисел используется
шестнадцать цифр – десять обычных десятичных цифр и ещѐ шесть
дополнительных обозначений в виде заглавных букв A, B, C, D, E, F.
Правила перевода чисел из одной системы счисления в другую можно
кратко сформулировать в виде:
- при переводе целого числа из системы счисления с основанием а в
систему счисления с основанием n необходимо число в системе
10
счисления с основанием a разделить на основание n. Полученный остаток
является младшей цифрой числа в системе с основанием n. Деление
продолжается до тех пор, пока частное не станет меньше делителя;
- при переводе правильной дроби из системы счисления с основанием а в
систему счисления с основанием n необходимо дробь в системе с
основанием a умножить на основание n. Полученная целая часть
произведения является старшим дробным разрядом числа в системе
счисления с основанием n. Дробную часть уточняют до тех пор, пока не
получат требуемое количество знаков после запятой.
Связь между восьмеричной и двоичной системами счисления
осуществляется с помощью триад. Триада – это комбинация трех двоичных
разрядов. Каждая цифра восьмеричного числа заменяется соответствующей
триадой.
Пример. Число 164,728 запишем сразу в двоичной системе счисления
001 110 100, 111 0102. Обратный переход производится разбиением числа
на триады влево и вправо от запятой.
Аналогично каждая шестнадцатеричная цифра заменяется тетрадой –
комбинацией четырех двоичных разрядов.
Пример. 1D, F16 в двоичной системе будет 0001 1101, 11112. Обратный
переход производится разбиением двоичного числа на тетрады с
добавлением незначащих нулей до полных тетрад и заменой их на
соответствующие шестнадцатеричные цифры.
Вопросы для самопроверки.
1. В чем отличие позиционной системы счисления от непозиционной?
2. Каковы способы перевода чисел из одной системы счисления в другую?
3. Двузначное десятичное число в сумме с числом, записанным теми же
цифрами, но в обратном порядке, дает полный квадрат. Найдите все
такие числа.
4. Трехзначное десятичное число оканчивается цифрой 3. Если эту цифру
переместить через два знака влево, т.е. с этой цифрой будет начинаться
запись нового числа, то это новое число будет на единицу больше
утроенного исходного числа. Найдите это число.
5. Было 11 яблок. После того, как каждое из них разрезали пополам, стало
110 половинок. В какой системе счисления вели счет?
6. В какой системе счисления верны следующие равенства:
а) 11:110 = 0,1;
б) 12+22 =100; в) 70-1 = 68;
г) 1-0,1 = 0,1;
д) 0,01+0,1 = 0,11 ?
7.
Переведите следующие десятичные числа в двоичную систему
счисления: 0,5; 0,625; 0,999; 0,125; 0,3; 0,02.
11
Произведите сложение следующих десятичных чисел в двоичной
системе счисления: 4410 и 8110; 3510 и 10410; 7710 и 1510.
9.
Почему при работе с компьютерами используются восьмеричная и
шестнадцатеричная системы счисления?
10. Как выглядят таблицы сложения и умножения в восьмеричной и
шестнадцатеричной системах счисления?
11. В восьмеричной системе счисления неправильной записью числа
является …. 17770, 165481, 10101010, 1020304.
12. Вычислить сумму двух восьмеричных чисел 1018 и 118 и перевести еѐ
в десятичную систему счисления.
13. Произведите умножение следующих восьмеричных чисел в двоичной
системе счисления: 478 и 128; 378 и 248; 648 и 158.
14. Перевести число 111100,12 в шестнадцатеричную систему счисления.
15. Переведите следующие двоичные числа в восьмеричную и
шестнадцатеричную системы счисления 1010112; 1110100112; 0,1012;
111,112; 100,0012.
16. Произведите сложение следующих шестнадцатеричных чисел:
7АВС16 и Е9ОС16;
ЕЕЕ316 и САСАВ16.
18.
Какая цифра пропущена в уменьшаемом, если при вычитании из
шестнадцатеричного числа В..С шестнадцатеричного числа ААА,
получили шестнадцатеричное число 152?
8.
1.4. Логические основы ЭВМ
Электронная техника использует элементы, обладающие двумя
устойчивыми состояниями, поэтому наиболее простой для реализации
является двоичная арифметика, использующая всего две цифры: 0 и 1 для
записи любого числа. С этим же связано и то, что математической основой
вычислительной техники является алгебра высказываний. Высказывание –
это предложение, относительно которого имеет смысл говорить, что оно
истинно или ложно. Каждому верному высказыванию приписывают значение
истинности 1 (истинно), каждому неверному высказыванию – значение
истинности 0 (ложно).
Высказывания могут быть простыми и сложными. Простые
соответствуют алгебраическим переменным, а сложные являются аналогом
алгебраических функций. Функции могут получаться путем объединения
переменных с помощью логических действий.
Самой простой логической операцией является операция НЕ
(отрицание, дополнение или инверсия, обозначается NOT X или Х).
Результат отрицания всегда противоположен значению аргумента.
12
Логическое И (конъюнкция или логическое умножение, обозначается
AND или ) имеет результат «истина» только в том случае, если оба еѐ
операнда истинны.
Операция ИЛИ (дизъюнкция, логическое сложение, обозначается OR
или ) дает «истину», если значение «истина» имеет хотя бы один из
операндов. Значения переменных для логических операций определяют
таблицы истинности.
Таблица 1
Основные логические операции
X
NOT X
X
Y
X AND Y
X OR Y
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
Операции И, ИЛИ, НЕ образуют полную систему логических
операций, из которой можно построить сколь угодно сложное логическое
выражение. Тем не менее , на практике по технологическим причинам в
качестве основного логического элемента используется элемент И – НЕ
Таблица 2
Операция И – НЕ
X
Y
NOT
(X AND Y)
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
13
Можно проверить, что на базе элементов И – НЕ могут быть
скомпонованы все базовые логические элементы (И, ИЛИ, НЕ), а значит, и
любые другие, более сложные.
Упрощение сложной логической формулы
заключается в
преобразовании исходной формулы в более простую (как в обычной
алгебре). В основе преобразования формул алгебры высказываний лежат
свойства основных логических операций, вытекающие из определений
отрицания, конъюнкции и дизъюнкции.
1. X
Х - закон двойного отрицания.
2. X Y
Y X - коммутативность дизъюнкции.
3. X Y
Y X - коммутативность конъюнкции.
4. (X Y)
Z
X
(Y Z) – ассоциативность дизъюнкции.
5. (X
Z
X
(Y Z) – ассоциативность конъюнкции.
Y)
6. X (Y Z)
(X Y)
(Х Z) – дистрибутивность конъюнкции
относительно дизъюнкции.
7. X
(Y Z )
( X Y)
(Х Z) – дистрибутивность дизъюнкции
относительно конъюнкции.
8. X
Х
X.
9. X
Х
X.
10. X 0 X.
11. X 1 X.
12. X 0 0.
13. X 1 1.
14. X Х 1.
15. X Х 0.
14
16. X Y X Y.
17. X Y X Y.
Эти свойства легко доказать, например, при помощи подстановки на
место X, Y, Z всевозможных наборов их значений, т.е. при помощи
составления таблиц истинности и установления совпадения значений
результирующих столбцов.
Справедливость этих свойств легко усматривается и из содержательного
толкования операций на уровне контактных схем.
Например, свойство 8: X Х X. Контактная схема, состоящая их двух
параллельно соединенных контактов X, ведет себя так же, как один контакт
X. Аналогично свойство 9: X Х X. Два последовательно соединенных
контакта при их одновременном замыкании или размыкании ведут себя так
же, как один контакт X.
В ряде записанных формул, раскрывающих свойства логических
операций, стоят 0 и 1, которые следует рассматривать как логические
константы.
0 – это постоянно разомкнутый контакт, независимый элемент
контактной схемы. Так, свойство 10: X 0 X показывает, что замыкание
или размыкание контактной схемы зависит лишь от контакта X, а свойство
12: X
0
0 показывает, что последовательное соединение постоянно
разомкнутого контакта «0» всегда приводит к размыканию всей контактной
схемы.
1 – это постоянно замкнутый контакт. Свойство 13: X
1
1
показывает, что при параллельном соединении постоянно замкнутого
контакта 1 с контактом X схема всегда будет замкнута независимо от
состояния контакта X. Свойство 11: X
1
X показывает, что если в
последовательной цепи один контакт постоянно замкнут, то состояние цепи
определяется состоянием другого контакта. Свойство 14: X Х 1 – если
каждый раз при размыкании одного параллельного контакта другой
замыкается, то цепь всегда остается замкнутой. Свойство 15: X Х 0 – если
при замыкании одного из последовательных контактов другой размыкается,
то цепь всегда остается разомкнутой.
Вопросы для самопроверки
1. Какие таблицы используют для выполнения логических вычислений при
проектировании (синтезе) логических устройств ЭВМ?
2. Составьте таблицы истинности следующих высказываний:
а) А В;
б) А В; в) А В; г) (А В) ( А В).
15
3. Составьте таблицы истинности высказываний:
а) А (В С); б) (А В) С; в) А (В С);
г) (А В) (А С).
4. Доказать свойства 16: X Y X Y и 17: X Y X Y.
5. Используя свойства логических операций 1 – 17, упростить формулы:
F (X, Y) = (X Y) X,
F(X, Y) = ((X Y) Y ) (X Y).
2. Технические средства реализации информационных процессов
2.1. История развития ЭВМ.
Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ
Появление электронных вычислительных машин произвело научнотехническую революцию во всех областях человеческой деятельности,
связанных с информационными процессами. Электронная вычислительная
машина (ЭВМ) или компьютер (вычислитель, от латинского слова compute –
считать, вычислять) в простейшем представлении воспринимается как набор
технических устройств, позволяющих решать задачи вычислительного
характера. В широком смысле, применительно к такой области науки и
техники, как информатика, ЭВМ – это комплекс технических (аппаратных) и
программных средств, обеспечивающих автоматизированную переработку
информации при решении любых задач информационного характера. Под
переработкой информации понимается ввод, обработка, передача, хранение и
использование информации с применением ЭВМ.
В зависимости от физического представления информации в ЭВМ их
разделяют на аналоговые вычислительные машины (АВМ), цифровые
вычислительные машины (ЦВМ) и комбинированные или гибридные
вычислительные машины (ГВМ).
В АВМ информация представляется в виде непрерывного
электрического сигнала, а в ЦВМ - в виде дискретного (цифрового)
электрического сигнала. Основную массу выпускаемых в мире ЭВМ
составляют ЦВМ, которые являются рабочим инструментом многих
пользователей при решении ими своих профессиональных задач. В связи с
этим дальнейшее изложение материала будет связано с ЦВМ, которые будем
определять как ЭВМ.
История создания ЭВМ связана с поисками человеком возможностей
облегчения и автоматизации математических вычислений. Для этих целей
еще в глубокой древности были придуманы различные счетные устройства,
такие, например, как счетная доска абак, а впоследствии дошедшие до
16
нашего времени счеты. Идею создания первой счетной машины, которая
выполняла суммирование чисел, впервые в начале XVI века предложил
Леонардо да Винчи – знаменитый итальянский ученый и инженер,
живописец, скульптор, архитектор эпохи Возрождения. Действующую
модель восьмиразрядной механической суммирующей машины построил в
1642 году французский математик и физик Блез Паскаль. В 1673 году
немецкий математик Лейбниц создал счетную машину, выполняющую
четыре арифметических действия, которая была прототипом арифмометра.
С развитием промышленности требовалось создание машин,
обеспечивающих не только большую скорость вычислений, но и
возможность выполнений их в автоматическом режиме. Английский
математик Чарльз Беббидж выдвинул идею создания программноуправляемой счетной машины, которая включала в себя устройства для
выполнения арифметических действий, управления, ввода информации и
печати. Однако эта идея не была реализована по причине отсутствия
технических возможностей. И только в 40-х годах XX столетия появились
первые программируемые счетные машины на базе электромеханических
реле, а затем и ЭВМ, построенные на электронных лампах. Появление
электронных ламп стало мощным стимулом к созданию средств
вычислительной техники в США, Германии, Англии и СССР. Опытные ЭВМ
ENIAC, «Марк - 1», EDVAC, проекты которых реализованы в США и
Англии, МЭСМ (малая электронно-счетная машина), выпущенная в СССР,
послужили основой для создания серийных ЭВМ. Первые работы по
созданию серийных ЭВМ на электронных лампах были начаты в 1947 году
разработкой машины UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первая ЭВМ
этой серии UNIVAC-1 была принята в эксплуатацию и начала
функционировать в 1951 году. Она была громоздкой, насчитывала около
5000 электронных ламп, обладала невысокой памятью и малым
быстродействием.
С развитием электронной техники и созданием полупроводниковых
приборов: диодов, транзисторов, интегральных схем (ИС), больших
интегральных схем (БИС) - бурно развивается компьютерная техника.
Существенную роль в ее развитии и создании ЭВМ стали играть многие
зарубежные фирмы, например, такая фирма, как IBM (International Business
Machines Corporation). Это крупнейшая в мире фирма по производству ЭВМ,
созданная в 1911 году , заводы которой расположены более чем в ста
странах. Первую промышленную ЭВМ IBM – 701 она выпустила в 1952
году. В настоящее же время ее основная продукция в виде IBM PC (PC –
personal computer) является рабочим инструментом миллионов пользователей
17
ЭВМ как в их профессиональной деятельности, так и в быту. Эти ЭВМ
относятся к семейству персональных компьютеров (ПК). Кроме ПК типа IBM
PC широкое применение находят также ЭВМ Macintosh, производимые
американской фирмой Apple Computer. Фирмы IBM и Apple занимают
ведущее место в мире по производству и продаже ПК на мировом рынке.
Отечественные научные и промышленные разработки ЭВМ носили
длительное время закрытый характер. Начиная с 1948 года проблема
создания средств вычислительной техники, тогда еще в СССР, стала носить
общегосударственное значение. Первой ЭВМ , которая появилась в СССР,
стала МЭСМ, созданная в1951 году коллективом под руководством ставшего
впоследствии академиком С.А. Лебедева. В 1952 году началась опытная
эксплуатация более мощной машины БЭСМ (большая электронно-счетная
машина), которая была создана также под руководством С.А. Лебедева в
Институте точной механики и вычислительной техники Академии наук.
Машины семейства БЭСМ для того времени были одними из самых лучших
в мире по своим производственным характеристикам. Кроме указанных ЭВМ
шло создание и внедрение серий машин семейств «Урал» - главный
конструктор Б.И. Рамеев, «Минск» - главные конструкторы Г.П. Лопато и
В.В. Пржиялковский, «Киев», «М», «Мир» - главные конструкторы В.М.
Глушков, Ю.А. Базилевский. В работе по созданию отечественных ЭВМ
также принимали участие многие научные коллективы под руководством и
других талантливых конструкторов. Свидетельством успешной работы по
созданию отечественных ЭВМ явились наши выдающиеся достижения, такие
как первый запуск искусственного спутника Земли, первый полет Ю.А.
Гагарина в космос, развитие атомной энергетики, укрепление оборонной
мощи страны и многое другое. История создания и развития ЭВМ очень
молода. К настоящему времени она составляет не более 70-и лет. За это
время элементная электронная база, на которой строились ЭВМ, претерпела
существенные изменения. В соответствии с этими изменениями в развитии
ЭВМ выделяют определенные этапы, каждому из которых соответствует
определенное поколение ЭВМ.
Деление ЭВМ на поколения условное, поскольку критериев деления
существует несколько. Основным критерием считается элементная
электронная база, на которой построены ЭВМ. Поколение ЭВМ – это группа
выпущенных либо выпускаемых машин, построенных на единой элементной
электронной базе. Выделяют четыре поколения ЭВМ. В некоторых
источниках указывают и на пятое поколение, хотя нет единого мнения в
определении признаков этого поколения.
18
Первое поколение ЭВМ, которые выпускались в период 1945 – 1954
годы, были построены на электронных лампах диодах, триодах. Это были
громоздкие устройства, требовавшие большие площади для размещения,
вплоть до отдельных зданий. Так, например, отечественная ЭВМ «Стрела»
имела 6400 электронных ламп и 60 тысяч полупроводниковых диодов. К
первому поколению относятся выпускавшиеся в то время нашей
промышленностью ЭВМ МЭСМ, БЭСМ, «М - 3», «Урал - 2», «Минск - 12»,
«М - 20» и др.
Второе поколение (50- 60-е годы прошлого столетия) уже создавалось
на полупроводниковых диодах и транзисторах. Для ЭВМ этого поколения
были разработаны специальные языки программирования высокого уровня.
В нашей стране производилось большое количество ЭВМ этого поколения:
«БЭСМ – 3, 4, 6», «М – 220, 222», «Мир – 2, 3», «Минск – 22, 32», «Урал – 14
- 16», «Раздан - 2», «СМ – 1 - 2», «Наири», «Проминь» и целый ряд ЭВМ
других семейств.
Следующее, третье поколение ЭВМ (60-70-е годы), в качестве
основной элементной базы использовало интегральные схемы (ИС). ИС – это
полупроводниковое устройство, на кристалле которого площадью 1 см 2
размещены десятки и сотни транзисторов. Производство ЭВМ в указанные
годы приобретает промышленный размах. Производятся серийно машины от
маленьких размеров, типа шкаф, до мощных, габаритных и дорогих моделей.
Так, в СССР совместно со странами Совета экономической взаимопомощи
(СЭВ) был налажен выпуск ЭВМ единой серии «ЕС - ЭВМ». ЭВМ этой
серии с увеличением номера модели от «ЕС- 1020» до «ЕС – 1066» имели
возрастающие как вычислительные мощности, так и габаритные размеры.
Для размещения, например, только процессора, центральной части ЭВМ «ЕС
– 1061», необходима площадь в 150 м2 . Эта ЭВМ потребляла 75 кВт
мощности, а штат ее обслуживания составлял более 100 человек. «ЕС ЭВМ» относились к семейству больших ЭВМ.
Среди ЭВМ третьего поколения можно выделить мини-ЭВМ, к
которым относились такие отечественные машины, как «Электроника –
100/25», «Электроника - 79», выпускаемые в г. Воронеже, «СМ - 3», «СМ 4», производимые в г. Киеве и целый ряд других ЭВМ. Подобные ЭВМ
выпускались вплоть до 1990 года.
Четвертое поколение ЭВМ – это ЭВМ, построенные на больших
интегральных схемах (БИС) и сверхбольших интегральных схемах (СБИС).
БИС и СБИС представляют собой полупроводниковые устройства, на
кристалле которых размещается до 10 миллионов элементов типа транзистор.
ЭВМ этого поколения, которые чаще стали называть компьютерами, в мире
19
начали выпускать с середины 70-х годов прошлого века и выпускают до
настоящего времени.
Развитие ЭВМ этого поколения шло по пути создания супер ЭВМ с
большими производственными мощностями (например, GRAY в США и
«Эльбрус» в СССР), используемых для решения объемных вычислительных
задач и задач оборонного характера. Вторым направлением являлась
разработка и создание микро-ЭВМ и персональных компьютеров (ПК).
Появление подобных ЭВМ было возможно благодаря созданию в 1971 году
американской фирмой Intel микропроцессора. Первый ПК был выпущен
фирмой IBM в 1981 году. В дальнейшем фирмой был налажен серийный
выпуск моделей IBM XТ, IBM AT и т.д. Отечественной промышленностью
также выпускались ПК различных моделей «ДВК – 3», «Искра - 1030»,
«Электроника - 85», «ЕС - 1840» и т.п. С появлением ПК началась эпоха
массового использования средств вычислительной техники в качестве
инструмента в профессиональной и других сферах деятельности человека.
В создании микропроцессорной элементной базы для ЭВМ 4-го
поколения в 90-е годы наша страна не смогла составить конкуренцию США,
Японии и другим странам. Поэтому отечественные ПК гражданского
назначения по своим характеристикам уступали зарубежным аналогам. В
связи с этим мировой рынок продаж ПК, так же как и рынок России, был в
основном завоеван компьютерными фирмами США, крупнейшей из которых
является фирма IBM.
Технически ЭВМ представляет собой набор связанных между собой
устройств или модулей, которые называются аппаратными средствами
ЭВМ. Аппаратные средства ЭВМ включают в себя основные устройства, без
которых невозможна работа ЭВМ, и вспомогательные (периферийные)
устройства. Вспомогательные устройства расширяют функциональные
возможности ЭВМ, например, устройства для ввода, вывода информации,
устройства внешней памяти и т.п.
Кроме структуры аппаратных средств различают структуры
программных и аппаратно – программных средств ЭВМ. В информатике
используется термин «архитектура ЭВМ».
Архитектура ЭВМ – это взаимосвязь аппаратно-программных средств
ЭВМ, определяющих организацию ее работы. Стандартом для архитектуры
практически всех ЭВМ является архитектура, предложенная американским
ученым Джоном фон Нейманом в 1945 году. В основу стандартной
архитектуры положен принцип хранимой программы, в соответствии с
которым управление работой ЭВМ осуществляется по программе,
20
находящейся в памяти ЭВМ. Функциональная схема ЭВМ, соответствующая
архитектуре фон Неймана, имеет вид, представленный на рис. 1.
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных
устройств оказались настолько фундаментальными, что получили название
«фоннеймановской
архитектуры».
Подавляющее
большинство
вычислительных машин на сегодняшний день – фоннеймановские машины.
Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для
параллельных
вычислений,
в
которых
имеются
существенно
принципиальные отличия от классической модели (например, потоковая и
редукционная вычислительная машина).
Устройство
вывода (УВыВ)
Оперативная
память (ОЗУ)
Процессор
Внешняя память
(ВЗУ)
Устройство
ввода (УВВ)
Рис. 1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана
Технологические успехи последних десятилетий привели к тому, что
возникла необходимость во избежание простоя процессора в ожидании
информации из внешнего мира освободить центральный процессор от
функций обмена информацией и передать их специальным электронным
схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели
различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода,
периферийные процессоры. Сейчас все чаще используется термин
«контроллер внешнего устройства» или «интеллектуальный контроллер».
Схема ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры (К), изображена на
рис. 2.
Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными
узлами ЭВМ используется общая шина (магистраль). Она состоит из трех
частей:
- шина данных, по которой передается информация;
- адресная шина, определяющая, куда передаются данные;
- управляющая шина, регулирующая процесс обмена информацией.
21
Память
Центральный
процессор
Видеопамять
Магистраль
К
К
УВВ
УВВ
К
УВыВ
К
УВыВ
К
К
ВЗУ
ВЗУ
Рис. 2. Шинная архитектура ЭВМ
Описанную схему легко пополнять новыми устройствами – это
свойство называется открытостью архитектуры. Для пользователя открытая
архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних
устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от
круга решаемых задач.
Стремление к повышению производительности привело к появлению
многопроцессорных ЭВМ, в которых несколько процессоров работают
одновременно
и
производительность
машины
равна
сумме
производительностей процессоров (многопроцессорная архитектура). В
особо мощных ЭВМ (такие машины могут, например, моделировать ядерные
реакции со скоростью естественного процесса) число процессоров достигает
нескольких десятков. Совершенствование архитектуры ЭВМ затронуло все
виды устройств.
Вопросы для самопроверки
1. С развитием вычислительной техники в какой последовательности
менялась ее элементная база?
2. По каким показателям ЭВМ относят к тому или иному поколению?
3. Что представляет собой стандарт функциональной схемы ЭВМ и кто
предложил этот стандарт?
4. Перечислите устройства, входящие в структуру ЭВМ Дж. фон
Неймана.
5. Какие преимущества имеет магистральная структура ЭВМ?
6. Что такое интегральная схема? большая интегральная схема?
22
7. Какие элементы составляют основу современных компьютеров?
8. Кто стоял у истоков создания фирмы Microsoft?
9. Какие категории компьютеров существуют в настоящее время?
10.Какие характеристики позволяют отнести компьютер к категории
«персональный»?
11.В каких ЭВМ используется микропроцессор (МП)?
12.Что такое семейство ЭВМ?
13.Что такое счетчик команд? шина?
14.Назовите основные принципы выбора ПК.
15.В чем состоят принципы пакетной обработки, разделения времени и
реального времени?
16.Что такое конвейерная обработка команд?
17.Какие бывают накопители? Какие из них являются сегодня
непременными составными частями ПК?
18.В чем состоит идея параллелизма в исполнении программ и процессов?
19.В чем состоит принцип программной совместимости?
20.Что означает термин «рабочая станция»?
21.Какой шиной является USB и для чего она используется?
2.2. Состав и назначение основных элементов персонального
компьютера, их характеристики
Основными устройствами ЭВМ являются процессор и оперативная или
внутренняя память. Процессор состоит из двух устройств: арифметикологического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ). АЛУ – это
электронное устройство, которое выполняет арифметические и логические
операции над данными, поступающими в него. Оно представляет
операционный автомат, состоящий из сумматоров, счетчиков, устройств,
выполняющих логические операции.
УУ – это такое электронное
устройство, которое программно управляет и координирует работу всех
остальных устройств ЭВМ. В состав процессора входят так называемые
регистры, или процессорная память. Регистр служит для кратковременного
хранения числа или команды и выполнения над числом некоторых операций.
Рассмотрим подробнее состав и назначение основных блоков
персонального компьютера (ПК).
Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный
для управления работой всех блоков машины и для выполнения
арифметических и логических операций над информацией.
В состав микропроцессора входят:
23
- устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки
машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления
(управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой
операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек
памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в
соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов УУ
получает от генератора тактовых импульсов;
- арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для
выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и
символьной информацией. Для ускорения выполнения операций к АЛУ
подключается дополнительный математический сопроцессор;
- микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного
хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в
вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на
регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия
машины. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в
отличие от ячеек ОЗУ, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое
быстродействие);
- интерфейсная система МП – реализует сопряжение и связь с другими
устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные
запоминающие устройства и схемы управления портами ввода – вывода
(ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) – совокупность средств
сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное
взаимодействие. Порт ввода – вывода (I/O – Input/Output port) – аппаратура
спряжения, позволяющая подключать к микропроцессору другое устройство
ПК.
Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность
импульсов, частота которых определяет тактовую частоту машины. Частота
генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик
ПК и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в
машине выполняется за определенное количество тактов.
Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера,
обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
Системная шина определяет три направления передачи информации:
- между микропроцессором и основной памятью;
- между микропроцессором и портами ввода – вывода внешних
устройств;
- между основной памятью и портами ввода – вывода внешних
устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
24
Все блоки, а точнее их порты ввода – вывода, через соответствующие
унифицированные разъемы подключатся к шине непосредственно или через
контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется
микропроцессором обычно через дополнительную микросхему – контроллер
шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией
между внешними устройствами и системной шиной выполняется с
использованием – ASCII –кодов.
Вопросы для самопроверки
1. Что входит в состав базовой конфигурации ПЭВМ?
2. Каковы основные характеристики ЭВМ?
3. Назовите основные части персонального компьютера.
4. Какие функции выполняет в ЭВМ процессор?
5. Что является основной характеристикой процессора?
6. В состав какой части ЭВМ входит арифметико-логическое устройство?
7. Каковы структура и назначение АЛУ?
8. Что такое математический сопроцессор и каково его назначение?
9. Обработку каких видов информации выполняет процессор ЭВМ?
10. Какие устройства размещаются на материнской плате ПК?
11. Что такое микропроцессор и какие функции он выполняет?
12. Каковы структура и назначение устройства управления?
13. Укажите последовательность работы блоков ПК при выполнении
программы.
14. От чего зависит производительность персонального компьютера?
15. Из чего состоит внутренняя интерфейсная шина МП?
16. Какие функции выполняет контроллер системной шины?
17. Что является основным интерфейсом ПЭВМ?
18. Что такое разрядность МП?
19. Что в ПЭВМ служит для объединения ее устройств в вычислительную
систему?
20. Для чего служит системная шина в ПЭВМ и что входит в ее состав?
21. Что такое порт? Какие бывают порты?
22. Какие функции выполняют СОМ – порты в ЭВМ?
23. Чем определяются требования к размеру ОЗУ при выборе ПК?
24. Каковы назначение и основные характеристики микропроцессорной
памяти?
25. Что такое платы расширения?
26. Для чего на материнской плате установлена батарейка?
25
2.3. Запоминающие устройства: классификация, принцип работы,
основные характеристики
Для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками
машины предназначена основная память (ОП). ОП содержит два
запоминающих устройства: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ служит для хранения неизменяемой программной и справочной
информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем
информацию (ROM – Read Only Memory). Изменять информацию в ПЗУ
нельзя. ПЗУ является энергонезависимым запоминающим устройством.
ОЗУ (RAM – Random Access Memory) предназначено для оперативной
записи, хранения, считывания информации (программ и данных),
непосредственно участвующей в процессе, выполняемом ПК в текущий
момент времени.
Достоинство оперативной памяти – высокое
быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти (ЯП)
непосредственно (прямой доступ). Недостаток ОЗУ – невозможность
сохранения информации в нем после выключения питания машины
(энергозависимость).
ОЗУ в ЭВМ имеет, как правило, ограниченный объем памяти, но
существует возможность ее расширения. ОЗУ состоит из ячеек памяти, в
которых хранятся машинные слова или двоичные машинные коды. Ячейка
памяти представляет набор элементов памяти, в качестве которых
используется электронное устройство - триггер с двумя выходами, на одном
из которых есть импульс напряжения, а на другом его нет. Одно состояние
описывается цифрой 1, а другое – цифрой 0. Каждый такой элемент памяти
рассчитан на хранение одного бита информации. Если ЯП состоит из 8 - ми
элементов, то она содержит информацию объемом 8 бит или 1 байт и ЭВМ
оперирует 8-разрядными машинными словами (на каждый разряд приходится
1 бит информации). Разрядность машинного слова определяет разрядность
ЭВМ. Разрядность ЭВМ пропорциональна числу 2, т.е. ЭВМ может быть 8разрядная, 16-разрядная, 32-разрядная и т.д. ОЗУ работает медленнее, чем
ПЗУ.
Скорость работы ЭВМ существенно зависит от скорости работы ОЗУ,
т.е. от продолжительности обращения к ОЗУ. С повышением быстродействия
растет (и очень резко) стоимость элементов памяти, так что построение ОЗУ
необходимой емкости на быстрых элементах неприемлемо экономически.
Эта проблема разрешена путем построения многоуровневой памяти.
Основная часть большой емкости строится на относительно медленных (но
зато более дешевых) элементах, а дополнительная часть (ее называют кэш –
памятью – Cashe Memory) состоит из быстродействующих элементов. Те
данные, к которым АЛУ обращается наиболее часто, содержатся в кэш –
памяти; больший же объем оперативной информации хранится в основной
памяти. Распределением информации между составными частями ОЗУ
26
управляет специальный блок центрального процессора (ЦП). Объем ОЗУ и
кэш – памяти принадлежат к числу важнейших характеристик ЭВМ.
Внешняя память ЭВМ служит для длительного хранения различной
информации, например, программ, текстовой, графической информации,
результатов решения задач и т.д. Поскольку объем такой информации может
быть большим, то и устройства внешней памяти, называемые внешними
запоминающими устройствами (ВЗУ), рассчитаны на хранение
неограниченного объема информации на их носителях.
В ЭВМ ранних поколений в качестве ВЗУ использовались накопители
на перфокартах и перфолентах. С развитием вычислительной техники в
качестве ВЗУ стали использовать устройства на магнитных носителях
информации.
Принцип записи информации на магнитных носителях основан на
изменении намагниченности отдельных участков магнитного слоя носителя.
Запись осуществляется с помощью магнитной головки: электрические
сигналы, возникающие под управлением электронного блока, возбуждают в
ней магнитное поле, воздействующее на носитель и оставляющее
намагниченные участки на заранее размеченных дорожках. При считывании
информации эти намагниченные участки индуцируют в магнитной головке
слабые токи, которые превращаются в двоичный код, соответствующий
ранее записанному.
В зависимости от носителя информации различают накопители на
магнитных лентах (НМЛ), накопители на гибких магнитных дисках (НГМД),
накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), накопители на жестких
дисках типа винчестер (НМДВ), накопители на магнитных барабанах (НМБ).
Соответственно носителями информации являются магнитная лента, гибкий
диск (флоппи - диск или дискета), жесткие диски и магнитные барабаны.
НМЛ, которые называют еще стриммерами, по принципу действия
похожи на бытовой магнитофон. Они позволяют записывать, например, на
кассете до двух гигабайт информации. Представление о современном
интеллектуальном ленточном накопителе для записи цифровой информации
может дать устройство Super Digital Linear Tape (начало выпуска 2002 г.).
Оно позволяет хранить 320 Гбайт данных, производя автоматическое их
сжатие при записи, и передавать данные со скоростью 16 Мбайт/с.
В НМД, НМДВ информация записывается на вращающихся жестких
дисках, покрытых магнитным материалом. Информация размещается на
концентрических дорожках диска. Для уменьшения времени доступа к
информации поверхность диска разбивается на сектора по 512 байт, данные
записываются посекторно.
Операционной системе (ОС) удобнее оперировать понятием «кластер»
(cluster). Кластер представляет собой несколько секторов, расположенных
последовательно, и ОС считает кластер наименьшим адресуемым
фрагментом диска. В кластере на гибком диске обычно содержится один-два
сектора, на жестком диске чаще всего от 8 до 64 секторов.
27
Одной из важнейших характеристик ВЗУ является время (скорость)
записи информации на носитель и время (скорость) доступа к этой
информации.
Поскольку
рассмотренные
ВЗУ
представляют
электромеханические устройства, то скорость работы с информацией в них
гораздо меньше, чем в ОЗУ, т.к. последняя является электронным
устройством памяти.
Обязательным атрибутом современных ЭВМ является наличие
приводов компакт-дисков CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory).
Компакт-диск CD-ROM – это диск диаметром 120 мм и толщиной 0,5 мм с
центральным отверстием размером 15 мм. Информация на нем хранится в
виде чередующихся по ходу спирали ямок и ровных областей. Лазерный луч
от ямок рассеивается, а от ровных областей отражается и регистрируется в
виде битов информации (нулей и единиц). CD-ROM отличается
возможностью записи достаточно большого объема информации и высокой
износостойкостью. По долговечности хранения информация, записанная на
оптическом диске, намного превосходит запись на любом магнитном
носителе.
Однако, еще большую информационную емкость имеют DVD-диски
(Digital Versatile Disc). Стандартного DVD-диска с емкостью 4,7 Гбайт
достаточно, например, для хранения полнометражного фильма с
трехканальным звуковым сопровождением, а существуют DVD-диски
емкостью в несколько раз больше. Увеличение емкости достигается за счет
многослойности самого диска, использования лазеров с меньшей длиной
волны (что позволяет сокращать размеры элементов записи на диске),
специальных программ сжатия и т.д.
Кроме указанных выше дисков применяются магнитооптические диски
CD-MO, позволяющие вести многократную перезапись. В основу положен
следующий физический принцип: коэффициент отражения лазерного луча от
по-разному намагниченных участков диска с особым образом нанесенным
магнитным покрытием различен. Таким образом, запись на CD-MO-диски
выполняется лазерным лучом и магнитным полем, считывание - лазерным
лучом, стирание информации – также лазерным лучом, разрушающим
магнитную запись за счет нагрева соответствующего участка диска.
В настоящее время в ПК широкое распространение в качестве ВЗУ
получила флэш-память (Flash), или в обиходе «флешка». Флэш-память – это
энергонезависимое твердотельное полупроводниковое устройство памяти.
Она не содержит подвижных устройств, а поэтому обладает большой
надежностью. По своим габаритам она очень компактна, имеет низкое
энергопотребление и невысокую стоимость. Выпускаемые в настоящее время
флэш-накопители имеют объем памяти в несколько гигабайт. Несмотря на их
достоинства, они имеют по сравнению с дисками меньшую скорость записи и
доступа к информации.
28
Вопросы для самопроверки
Какие устройства памяти используются в ЭВМ?
Что такое адрес ОЗУ?
Какая информация может храниться на материальном носителе?
Назовите энергонезависимые устройства памяти.
Какое устройство памяти в ЭВМ является энергозависимым?
Может ли файл информации, размещенный на диске, занимать дробное
количество кластеров?
7. Что такое кластер?
8. Как возникает дефрагментация диска?
9. При выключении ЭВМ в его ОЗУ сохраняется информация или оно
очищается?
10. Какие функции выполняют устройства внешней памяти (ВЗУ) в ЭВМ?
11. В каких устройствах памяти носители разбиваются на сектора и для
чего?
12. В чем состоит принцип записи на магнитный носитель внешней
памяти?
13. Что является основной характеристикой жесткого диска?
14. В чем заключается процесс форматирования дискеты?
15. Что такое адресное пространство? Чем оно определяется?
16. Можно ли работать на ПК, не имеющем НГМД? Если да, то какие
преимущества это дает и какие неудобства может причинить?
17. Проследите преобразование представления данных при их передаче из
ОЗУ на НЖМД. Что такое адаптер?
18. Какую роль играет в компьютере видеопамять?
19. Что такое режим прямого доступа к памяти?
20. Каковы функциональные различия между динамической и статической
памятью?
21. Каковы назначение и основные характеристики оперативной,
постоянной, внешней и кэш-памяти?
22. Как осуществляется форматирование ГМД?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
2.4. Устройства ввода – вывода данных, их разновидности
и основные характеристики
Вспомогательными (периферийными) аппаратными устройствами ЭВМ
являются устройство ввода (УВВ) и устройство вывода (УВыВ).
29
УВВ – предназначено для ввода в ЭВМ информации, которая может
быть алфавитно-цифровой, графической, звуковой и т.д. К УВВ относятся
следующие устройства:
клавиатура - электромеханическое устройство для ручного ввода
числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;
- графические планшеты (диджитайзеры) – для ручного ввода графической
информации путем перемещения по планшету специального указателя
(пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание
координат с его местоположения и ввод этих координат в ПК;
- сканеры (читающие автоматы) – для автоматического считывания с
бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков,
рисунков, чертежей;
манипуляторы (координатные преобразователи) - мышь, джойстик,
трекбол, световое перо – для управления движением курсора по экрану с
последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;
- сенсорные экраны – для ввода отдельных элементов изображения,
программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.
Появившиеся в последнее время средства речевого ввода позволяют
пользователю вместо клавиатуры, мыши и других устройств использовать
речевые компоненты (проговаривать текст, который должен быть занесен в
память в виде текстового файла). Возможности таких устройств достаточно
ограничены, хотя они постоянно совершенствуются.
УВыВ – это устройства, служащие для вывода информации из ЭВМ.
Самым популярным из устройств вывода информации является дисплей –
устройство визуального отображения текстовой и графической информации.
В ЭВМ используются, как правило, цветные видеомониторы. К основным
характеристикам монитора относятся:
- размер экрана по диагонали в дюймах (от 13 до 21);
- разрешение, которое определяется количеством пикселей (точек),
помещающихся по горизонтали и вертикали экрана (обычно для работы с
графикой не менее 1024 * 768 пикселей);
- частота кадровой развертки – у современных качественных мониторов для
большей устойчивости изображения и снижения усталости глаз
поддерживается частота смены кадров на уровне 70 – 80 Гц; при этом частота
строчной развертки достигает 40 – 50 к Гц.
Принтер – это алфавитно-цифровое печатающее устройство. В
зависимости от способа нанесения изображения на бумагу различают
матричные, струйные, лазерные и термопереносные принтеры. В матричном
принтере изображение наносится набором иголок, струйном – струей краски
30
через тонкие сопла, в лазерном – за счет прилипания красящего порошка к
поляризованным
лазером
частям
печатающего
барабана.
При
термопереносном способе печати нагревается поверхность специальной
бумаги и в точках нагрева меняется цвет бумаги.
Плоттер, или графопостроитель, является устройством для вывода
графической информации (чертежи, графики, рисунки и т.п.). Различают
планшетные и барабанные графопостроители. Графическую информацию
можно выводить и на принтер, но точность начертания при этом будет ниже,
чем у графопостроителя.
Основными характеристиками принтеров и графопостроителей
являются скорость вывода информации (скорость печати) и формат
бумажного носителя, на котором регистрируется выводимая информация.
Важнейшая характеристика любого принтера – разрешающая
способность. Ее измеряют показателем «точек на дюйм» (dpi – dots per inch).
Это количество точек, которые может напечатать принтер на прямой линии
длиной в 1 дюйм. Для изображения фотографического качества достаточно
разрешения 1000 dpi, конечно, при использовании бумаги необходимого
типа.
Принтеры стали «интеллектуальными», т.е. имеют собственное ОЗУ и
электронный блок управления для того, чтобы разгрузить основное ОЗУ и не
отнимать в процессе печати время у центрального процессора. Собственная
память в струйных и лазерных принтерах используется для создания
растрового образа страницы перед тем, как ее напечатать, для хранения
специального программного обеспечения, встроенных шрифтов. Эта память
у современных принтеров достаточно велика, например, может превышать 10
Мбайт.
Своеобразные устройства вывода – синтезаторы звука. Если
компьютер оснащен звуковой картой, то к ней можно подключить
акустическую систему, основными параметрами которой являются частотная
характеристика и нелинейные искажения, а также мощность.
Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с
приборами и средствами автоматизации (согласователи интерфейсов,
адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.д.) и
для подключения ПК к каналам связи, другим ЭВМ и вычислительным сетям
(сетевые интерфейсные платы, «стыки», мультиплексоры передачи данных,
модемы). Так, сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит
для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими
ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети (см. раздел 3).
31
Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной
группе – средствам мультимедиа (multimedia - многосредовость),
позволяющим человеку общаться с компьютером, используя самые разные
естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.
Вопросы для самопроверки
1. Что из периферийных устройств относится к устройствам ввода?
2. Как называется монитор, работающий от прикосновения пальца
человека к его экрану?
3. Для чего служит сенсорный монитор в ЭВМ? Является ли он
устройством ввода или нет?
4. Какие устройства ЭВМ относятся к устройствам вывода и какие
функции они выполняют?
5. Что такое разрешающая способность монитора и в чем она измеряется?
6. Для чего используется модем в вычислительной технике?
7. Сравните матричный и струйный принтеры. В чем заключаются их
преимущества друг перед другом?
8. Опишите процесс превращения текста, хранимого в ОЗУ, в
изображение, видимое на экране монитора.
9. Что такое шрифты True Type? В чем их главная особенность?
10. Можно ли редактировать информацию на лазерных дисках?
11. Чем различаются по возможностям и назначению последовательные и
параллельные порты ввода – вывода?
12. На каких физических принципах работают устройства ввода – вывода?
13. Что такое средства мультимедиа?
14. Что такое видеоадаптер и видеомонитор и каково их назначение?
15. Что такое сканер и каково его назначение?
16. Что такое USB?
17. Что такое разрешение принтера?
3. Локальные и глобальные сети
Современное производство требует высоких скоростей обработки
информации, удобных форм ее хранения и передачи. С появлением малых
ЭВМ,
микроЭВМ и персональных компьютеров возникло логически
обоснованное требование перехода от использования отдельных ЭВМ в
системах централизованной обработки данных к распределенной обработке
данных, выполняемой на независимых, но связанных между собой
32
компьютерах. Высшей формой многомашинных ассоциаций являются
компьютерные сети.
Компьютерная (вычислительная) сеть – совокупность компьютеров
и терминалов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему для
совместного решения информационных, вычислительных, учебных и других
задач.
3.1.Сетевые технологии обработки данных
Сети ЭВМ породили новые технологии обработки информации,
которые позволяют совместно использовать ресурсы: накопители большой
емкости, печатающие устройства, доступ к сети Интернет, базы и банки
данных.
Простейшим
видом
сети
является
одноранговая
сеть,
обеспечивающая связь персональных компьютеров (ПК) конечных
пользователей и позволяющая совместно использовать дисководы,
принтеры, файлы. В такой сети все вычислительные системы имеют
одинаковый статус и возможности доступа к ресурсам.
Более развитые сети помимо компьютеров конечных пользователей –
рабочих станций – включают в себе специальные выделенные компьютеры –
серверы, выполняющие в сети особые функции обслуживания остальных
компьютеров сети.
Есть разные виды серверов: файловые,
коммуникационные, баз данных. Пользователи получают доступ к совместно
используемым ресурсам на этих выделенных серверах, а не к ресурсам друг
друга, что улучшает защиту данных.
Локальная сеть (ЛС или LAN-Local Area Network) расположена в
отдельном здании или группе рядом стоящих зданий.
Средние (MAN-Metropolitan Area Network) и глобальные (WANWide Area Network) сети связывают находящиеся на значительном
расстоянии сети и ресурсы.
В
сети
WAN
обычно
используется
высокоскоростной
оптоволоконный кабель, соединяющий сегменты LAN конкретной области:
научного городка, технопарка, большого города. Такой кабель или
микроволновая связь, антенны которой монтируются на крышах зданий,
соединяют непосредственно серверы. Сети WAN обеспечивают глобальную
связь по телефонным линиям и через спутники. Такие виды связи работают
значительно медленнее, чем в локальных сетях, но и объем трафика (потока
сообщений в сети передачи данных) здесь ниже.
В типичной LAN-сети передается 10-100 Мбит/с, а в типичном
соединении WAN 1-10 Мбит/с.
33
Общая модель вычислительной сети определяет характеристики сети
в целом и характеристики и функции входящих в нее основных компонентов.
Описание общей модели вычислительной сети – это ее архитектура.
При росте сети необходимо обеспечить совместимость всех
добавляемых компонентов. Продукты, разрабатываемые с соблюдением
определенных стандартов для обеспечения совместной работы, называют
открытыми системами.
Например, модель взаимодействия открытых систем OSI (Open
System Interconnection), предложенная Международной
организацией
стандартизации, состоит из семи уровней, каждый из которых описывает
системы, которые могут связываться и взаимодействовать друг с другом:
• прикладной – определяет круг прикладных задач, реализуемых в
данной вычислительной сети;
• представительный – гарантирует представление данных в кодах и
формах, принятых в данной системе,
• сеансовый – реализует установление и поддержку сеанса связи
между двумя абонентами через коммуникационную сеть;
• транспортный – устанавливает логические (транспортные) каналы
и обеспечивает передачу по этим каналам информационных пакетов, т.е.
групп байт, передаваемых абонентами сети друг другу;
• сетевой – реализует межсетевое взаимодействие;
• канальный – обеспечивает управление потоком данных в виде
кадров, в которые упаковываются информационные пакеты, обнаруживает
ошибки передачи и реализует алгоритм восстановления информации в случае
обнаружения сбоев или потерь данных;
• физический – управляет аппаратурой передачи данных и
подключенным к ней каналом связи.
Преимущества семиуровневой модели в том, что изменение в
процессе развития и совершенствовании любой системы одного из уровней
не влечѐт за собой необходимости внесения изменений в другие уровни.
Протоколы компьютерной сети
Протокол – набор правил, определяющий взаимодействие двух
одноименных уровней модели взаимодействия открытых систем в различных
абонентских ЭВМ.
Байт-ориентированный – протокол обеспечивает передачу
сообщений по информационному каналу в виде последовательности байтов.
34
Наиболее распространенный байт-ориентированный протокол – BSC (Binary
Synchronous Communication) – протокол двоичной синхронной связи.
Бит-ориентированный
протокол предусматривает передачу
информации в виде потока битов, не разделяемых на байты. Биториентированные протоколы являются более скоростными по сравнению с
байт-ориентированными.
Типичным
представителем
группы
биториентированных протоколов является протокол HDLC (High-level Data Lihk
Control – высший уровень управления каналом связи).
Из протоколов верхнего уровня модели взаимодействия открытых
систем отметим протокол X.400 (электронная почта) и FTAM (File Transfer,
Access и Management – передача файлов, доступ к файлам и управление
файлами).
Для протоколов физического (нижнего) уровня стандарты
определены МККТТ (Международный консультативный комитет по
телефонии и телеграфии). Цифровая передача предусматривает
использование протоколов X.21 и X.21 – бис.
Для локальных вычислительных сетей используются стандарты,
разработанные
Институтом
инженеров
по
электротехнике
и
радиоэлектронике IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).
Комитеты IEEE 802 разработали ряд стандартов, принятых
Международной организацией по стандартизации
ISO (International
Organization for Standardization) и другими организациями:
 802.1 – верхние уровни и административное управление;
 802.2 – управление логическим звеном данных LLC (Logical Link
Control);
 802.3 – случайный метод доступа к среде (CSMA/CD-Carrier Sense
Multiple Access with Collision Delection – множественный доступ с
контролем передачи и обнаружением столкновений);
 802.4 – маркерная шина;
 802.5 – маркерное кольцо;
 802.6 – городские сети.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое компьютерная сеть?
2. Для чего создаются локальные сети ЭВМ?
3. Что такое сервер? рабочая станция?
4. Как обеспечивается совместимость добавляемых компонентов
сети?
5. Что такое открытая система?
6. Функции сетевых ОС?
35
3.2.Основы компьютерной коммуникации
Абоненты сети – объекты, генерирующие или потребляющие
информацию в сети.
Для организации взаимодействия абонентов необходима физическая
передающая среда – линии связи или пространство, в котором
распространяются электрические сигналы и аппаратура передачи данных.
На базе физической передающей среды строится коммуникационная
сеть, которая обеспечивает передачу информации между абонентами.
Для передачи сообщений в вычислительных сетях используются
различные типы каналов связи – выделенные телефонные каналы,
специальные каналы для передачи цифровой информации, радиоканалы,
каналы спутниковой связи. В локальных вычислительных сетях в качестве
передающей среды используются витая пара проводов, коаксиальный
кабель и оптоволоконный кабель.
Чтобы
обеспечить
передачу
информации
из
ЭВМ
в
коммуникационную среду, необходимо согласовать сигналы внутреннего
интерфейса ЭВМ с параметрами сигналов, передаваемых по каналам связи.
Технические устройства, выполняющие функции сопряжения ЭВМ с
каналами связи, называются сетевыми адаптерами. Один адаптер
обеспечивает сопряжение с ЭВМ одного канала связи. Устройство
сопряжения ЭВМ с несколькими каналами связи называется
мультиплексором передачи данных.
Для передачи цифровой информации по каналу связи необходимо
поток битов преобразовать в аналоговые сигналы, а при приеме информации
из канала связи в ЭВМ выполнить обратное действие. Такие преобразования
выполняет специальное устройство – модем. Модем – устройство,
выполняющее модуляцию и демодуляцию информационных сигналов при
передаче их из ЭВМ в канал связи и при приеме в ЭВМ из канала связи.
Коммутируемый канал – обычная телефонная линия. По видам
передаваемой информации бывают следующие разновидности модемов:
• только для обмена данными между компьютерами;
• факс-модемы (передача данных + прием-передача факсов);
• факс-голос-модемы.
По компоновке различают внутренние (устанавливаемые в слот
материнской платы PCI) и внешние (подключаемые к системному блоку
через СОМ-порт или USB-разъем) модемы.
Модем является стандартным устройством для подключения
компьютера к мировой сети Интернет. В качестве канала связи между
36
компьютером пользователя и компьютером поставщика услуг Интернет
может использоваться обычная (коммутируемая, т.е. переключаемая)
телефонная линия, называемая удаленным доступом, либо специально
выделенная телефонная линия, называемая прямым доступом.
Установление соединения с Интернет осуществляет организацияпровайдер (provider), которая будет перенаправлять информацию с помощью
сетевого протокола TCP/IP по телефонным линиям на компьютер
пользователя. Такой способ доступа называется Dial-Up, пропускная
способность данного способа ограничена скоростью используемого модема и
качеством телефонных линий.
Наиболее дорогим компонентом вычислительной сети является
радиоканал. Концентратор – устройство, коммутирующее несколько
внутренних каналов связи на один внешний путем частотного разделения.
В локальных вычислительных сетях, где физическая передающая
среда представляет собой кабель ограниченной длины, для увеличения
протяженности сети используются специальные устройства – повторители,
которые обеспечивают сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче
его на большее, чем предусмотрено данным типом физической среды,
расстояние.
Характеристики коммуникационной сети:
скорость передачи данных по каналу связи. Измеряется количеством
битов информации, передаваемых за единицу времени. Единицы измерения
[бит/с] =1бод;
- пропускная способность. Оценивается количеством знаков,
передаваемых по каналу за единицу времени [знаков/с];
- достоверность. Оценивают как отношение количества ошибочно
переданных знаков к общему числу переданных знаков. Единица измерения
[ошибок/знак];
надежность. Определяется средним временем безотказной работы.
Единица измерения безотказной работы – час. Для вычислительных сетей
время безотказной работы должно быть большим и составлять как минимум
несколько тысяч часов.
Локальные сети состоят из программных и аппаратных средств.
Аппаратные средства включают в себя платы сетевого интерфейса и
связывающие их кабели, а программные средства – драйверы для работы с
периферийными устройствами и сетевую ОС, которая управляет всей
работой.
37
Сеть может включать в себе серверы, рабочие станции, платы сетевого
интерфейса, кабели, совместно используемые ресурсы и периферию.
Упрощенно говорят, что ЛВС - это совокупность серверов и рабочих
станций. Сервер – компьютер, подключенный к сети и обеспечивающий ее
пользователей определенными услугами. Сервер – источник ресурсов сети.
Рабочая станция – персональный компьютер, подключенный к сети, через
который пользователь получает доступ к ее ресурсам.
Итак, компьютерные сети реализуют распределенную обработку данных.
Обработка данных распределена между двумя объектами: клиентом и
сервером. Клиент – это задача, рабочая станция или пользователь
компьютерной сети. Клиент обрабатывает полученные от сервера по запросу
данные и представляет результаты обработки в виде, удобном для
пользователя. В принципе обработка данных может быть выполнена и на
сервере (архитектура клиент-сервер). В методологии клиент-сервер
предполагается глубокое разделение функций компьютеров в сети.
Отметим, что в одной сети могут одновременно функционировать
подсистемы, использующие различные сетевые операционные системы (ОС).
Каждый компьютер подключается к сети с помощью платы сетевого
интерфейса, которая поддерживает конкретную сетевую схему, например,
Ethernet, ARC net или Token Ring. К плате сетевого интерфейса подключается
сетевой кабель. Обычно применяют два типа сетевых кабелей: защищенная
витая пара и волоконно-оптический кабель.
Витая пара почти повсеместно вытеснила коаксиальный кабель,
обладающий невысокой скоростью передачи данных и малой надежностью.
В единой изолирующей оболочке может быть несколько витых пар, каждая
витая пара соединяет с сетью только один компьютер, что повышает
надежность сети, но приводит к увеличению стоимости.
Волоконно-оптические кабели передают данные в виде световых
импульсов по световодам. Такие кабели имеют высокую пропускную
способность и надежность.
Беспроводные линии используются для связи удаленных сегментов ЛС
на расстояниях 3-5 км с антенной типа "волновой канал" и 25 км с
направленной параболической антенной при условии прямой видимости.
Для связи компьютеров с помощью линий связи ЛС требуются
адаптеры сети (сетевые платы), которые вставляются непосредственно в
свободный слот материнской платы ПК, и к нему на задней панели
системного блока подстыковывается линия связи ЛС.
Помимо кабелей и адаптеров в сетях используются другие устройства:
38
концентратор, или хаб (hub) – устройство, объединяющее несколько
ветвей звездообразной локальной сети и транслирующее пакеты во все ветви
сети одинаково. Объединяемых ветвей может быть от двух до 32 по числу
портов концентратора. Концентраторы могут связываться друг с другом в
стеки, что еще более увеличивает число объединяемых ветвей;
коммутатор, или свич (switch), – устройство, объединяющее несколько
ветвей звездообразной ЛС, но, в отличие от концентраторов,
обеспечивающее трансляцию пакетов в заданные ветви. Это дает физическое
разделение ветвей сети, оптимизацию потоков данных в ней и повышение
защищенности от несанкционированного проникновения;
маршрутизатор, или роутер (router), – устройство, выполняющее
преобразование данных между различными средами и стандартами передачи,
обеспечивающее объединение локальных сетей с глобальными сетями,
использующими разнообразные физические технологии передачи данных и
интерфейсы.
ЛС в зависимости от назначения могут иметь различную конфигурацию
(топологию).
В кольцевой (круговой) ЛС информация передается по замкнутому
каналу. Каждый абонент непосредственно связан с двумя ближайшими
соседями, хотя в принципе способен связаться с любым абонентом сети.
В радиальной (звездообразной) ЛС в центре находится центральный
управляющий компьютер-концентратор, последовательно связывающийся с
абонентами и друг с другом.
В шинной (монокальной) конфигурации компьютеры подключены к
общему для них каналу (шине), через который могут обмениваться
сообщениями.
В древовидной (иерархической) ЛС существует "главный" компьютер,
которому подчинены компьютеры следующего уровня, и т. д.
Кроме того, возможны конфигурации без отчетливого характера связей;
например, полносвязная конфигурация, когда каждый компьютер в сети
непосредственно связан с любым другим компьютером. Наибольшее
распространение получила радиальная архитектура локальных сетей.
Процесс передачи данных по сети определяет последовательность
шести компонент: компьютер-источник, блок протокола, передатчик,
физическая кабельная среда, приемник, компьютер-адресат. Существуют
определенные стратегии доступа от одного компьютера к другому. В
маркерных методах доступа (селективная передача) компьютер-абонент
получает от центрального компьютера сети так называемый маркер-сигнал
39
на право ведения передачи в течение определенного времени, после чего
маркер передается другому абоненту.
При конкурентном методе доступа абонент начинает передачу данных,
если обнаруживает линию свободной. При другом варианте этого метода –
резервировании времени – у каждого абонента есть определенный
промежуток, в течение которого линия принадлежит только ему. К
конкурентным схемам относится, например, сеть Ethernet, а сети Token Ring
и ARCnet являются сетями с маркерным доступом. Отметим, что сети Token
Ring и ARCnet не смогли конкурировать в плане производительности с
сетями Ethernet.
Появление компьютерных сетей привело к развитию сетевых
операционных систем, обеспечивающих использование распределенных
коллективных технологий при выполнений разнообразных работ. Для работы
в сетях создан специальный класс программного обеспечения – групповое
программное обеспечение (groupware). Оно позволяет пользователям
взаимодействовать и координировать свою деятельность.
Вопросы для самопроверки
1. Какие виды линий (каналов) используются для связи компьютеров в
сетях?
2. Что такое сетевой адаптер? концентратор? коммутатор?
маршрутизатор?
3. Какие бывают конфигурации ЛС?
4. Какие методы доступа от компьютера к компьютеру используются в
локальных сетях?
5. Какие конфигурации ЛС используются в компьютерных классах
вашего вуза?
6. Что такое распределенная обработка данных?
7. Классификация компьютерных сетей.
8. Назовите основные элементы компьютерной сети.
9. Назовите основные аппаратные средства систем передачи данных.
10. Что такое скорость передачи данных?
11. Что такое пропускная способность канала связи?
12. Что такое достоверность передачи информации?
13. Что такое надежность системы передачи данных?
14. Что такое открытая система?
15. Назовите основные формы взаимодействия абонентских ЭВМ в сети.
16. Что такое архитектура вычислительной сети?
17. Что представляет собой эталонная модель взаимодействия открытых
систем? Каковы основные функции верхних уровней эталонной
модели, а также уровней транспортного, сетевого, канального,
физического?
40
Что такое протокол?
Зачем вводятся стандарты для протоколов?
Назовите основные типы физической передающей среды для ЛВС.
Дайте характеристику витой пары, коаксиального кабеля, оптоволоконного кабеля.
22. Почему возникает проблема объединения компьютерных сетей и какие
технические средства используют для их объединения?
18.
19.
20.
21.
3.3.
Сетевой сервис и сетевые стандарты. Программы
для работы в сети Интернет
Набор общепринятых правил, определяющих механизм взаимодействия
компьютеров в сети, называется протоколом. Различают два типа
протоколов:
базовые отвечают за физическую пересылку электронной информации
между компьютерами;
прикладные обеспечивают передачу сообщений, файлов, электронной
почты и т.д.
В ЛС данные передаются от одного компьютера к другому пакетами
данных. Пакеты могут передаваться между рабочими станциями без
подтверждения – это тип связи на уровне
датаграмм. Важное
преимущество датаграмм – возможность посылки пакетов сразу всем
станциям в сети (протоколы передачи данных IPX, NETBIOS и др.).
Протокол IP (Internet Protocol) задействован в гигантской мировой
суперсети Интернет, но все шире используется и в малых, локальных сетях.
Полное название протокола – TCP/IP состоит из двух частей:
• Transmission Control Protocol (TCP);
• Internet Protocol (IP).
Протоколы TCP/IP функционируют следующим образом: перед
передачей по сети информация разбивается на маленькие порции-блоки. К
каждому блоку добавляется заголовок, в результате формируется пакет. В
заголовке содержится:
• адрес отправителя;
• адрес получателя;
• номер пакета;
• номер следующего пакета.
ТСР собирает пакеты воедино в соответствии с их номерами. ТСР
предназначен для контроля передачи, контроля целостности передаваемой
информации. Протокол IP описывает формат пакета данных, передаваемых
41
по сети, отвечает непосредственно за передачу данных по сети и адресацию.
Если в ЛС используются технологии Интернета, то такая сеть называется
Интранет.
Основой сети Интернет является система IP-адресов. Каждый
компьютер, включенный в сети (точнее, каждый сетевой интерфейс),
получает уникальный физический адрес (IP-адрес), состоящий их четырех
чисел со значениями от 0 до 255, разделенных точками ххх. ххх. ххх. ххх.
IP-адрес – это 4-байтовая последовательность, каждый байт записывается в
виде десятичного числа. Такая схема нумерации позволяет иметь в сети
более четырех миллиардов компьютеров. Существует несколько классов IPадресов, отличающихся друг от друга количеством битов, отведенных на
адрес сети и адрес хоста.
Адреса
класса А предназначены для
использования в больших сетях общего использования, класса В - в сетях
среднего размера, класса С – в сетях с небольшим числом компьютеров.
Числовая адресация малоинформативна и неудобна для использования
ее человеком. Поэтому в Интернет принято ставить в соответствие каждому
физическому адресу символический (доменный) адрес. Поддержка доменных
адресов производится с помощью DNS (Domain Name Server) – серверной
программы, которая обеспечивает поиск доменных имен и IP-адресов узлов
сети и устанавливает между ними соответствие. Типичное имя домена
состоит из нескольких частей, расположенных в определенном порядке и
разделенных точками. Адрес обычно начинается с названия протокола. Затем
следует название сети Интернет, далее идет название организации, которая
поддерживает данный узел. Суффикс обозначает тип организации.
Например, адрес http://www.vqasu.ru говорит, что Web-сервер использует
протокол http, узел находится в Web-сервере, узел ВГАСУ, находится в
России.
Интернет (inter –между) соединяет компьютеры из многих организаций;
сеть Интранет (intra-внутри) соединяет компьютеры внутри одной
организации. Эта сеть также поддерживает технологию WWW.
На базе протоколов TCP/IP реализованы другие прикладные протоколы
Интернет, составляющие основу сервиса в сети.
Под сервисами, или службами Интернет понимаются виды услуг,
которые оказываются серверами, входящими в сеть. На данный момент
актуальны:
- электронная почта (e-mail) - сервис передачи сообщений;
- телеконференции (Usenet, группы новостей) – сетевая газета или доска
объявлений;
42
- FTP – (File Transfer Protocol) - сервис удаленного доступа к
компьютерам;
- World-Wide-Web (WWW, Web, "Всемирная паутина") - сервис поиска
и просмотра гипертекстовых документов, включающих графику, звук и
видео.
Достоинства электронной почты
дешевизна, универсальность
относительно протоколов, возможность пересылки нетекстовой информации,
возможность
подписи
и
шифрования
письма.
Недостатки
–
негарантированное время пересылки, возможность доступа третьих лиц во
время пересылки.
Usenet – передача сообщения по принципу "от одного - многим".
Сообщение распространяется по сети многократно дублируясь.
IRC (Internet Relay Chat) обеспечивает общение людей. Пользователи
участвуют в разговоре, обмениваясь текстами, которые доступны для чтения
всем присоединившимся к каналу. Такие каналы существуют на
специальных IRC-серверах. Появилась возможность использовать Интернет
для прямого разговора по принципу телефона.
FTP – не просто протокол, но именно сервис – доступ к файлам в
архивах. Это стандартная программа, работающая по протоколу ТСР,
поставляющаяся с операционной системой. Программное обеспечение FTP
разделено на две части: одна часть выполняется на FTP-сервере, а другая –
на компьютере–клиенте. Две части программы общаются друг с другом и
пересылают файлы.
В WWW для просмотра информации используются специальные
программы (программы-клиенты), называемые браузерами (browser –
просмотрщик). Они способны связываться со всеми ресурсами сети через
единый пользовательский интерфейс (Common User Interface, COI).
Разработано большое количество программ – браузеров для Интернет
(Netscape Navigator, MS Internet Explorer, Mosaic, Tango, Ariadna, Cello,
Lynx).
Для передачи и отображения информации был разработан метод HTTP
(HyperText Transfer Protocol –протокол передачи гипертекстов), является
надстройкой над TCP/IP – стандартным сетевым протоколом. HTTP работает
по традиционной для Интернет схеме, когда сервер выдает данные, а
программа-клиент их обрабатывает.
Гипертекст (Hyper Text) – это многомерный текст, т.е. такая
организация документов, при которой документ или текст может включать в
себя разнонаправленные ссылки или указатели (адреса) на другие документы
43
и ссылки. Такие указатели и ссылки называются гипертекстовыми ссылками,
или гиперссылками (hyperlinks).
Гипермедиа (Hypermedia) позволяет связывать не только слова, но и
рисунки, звуки или файлы любого типа данных. Гипермедиа – это метод
соединения друг с другом элементов данных независимо от их формата.
Гипермедиа-ссылки описывают местонахождение документа. Такое
описание местонахождения источника называют унифицированным
указателем ресурса (URL – Uniform Resource Locator). Система именования
URL очень простая, но мощная. Стандартный URL состоит из четырех
частей: формат передачи,
имя сервера, на котором находятся
запрашиваемый файл, путь к этому файлу и имя самого файла.
Для стандартных страниц Web форматом передачи служит HTTPпротокол, поэтому указатели URL на эти страницы начинаются с букв
HTTP. Чтобы отделить формат передачи от имени сервера, используется
двоеточие и два слэша (://). Для части URL, которая описывает имя сервера,
используется стандартное соглашение об именах в Интернет.
Для создания гипертекстовых или гипермедиа-документов разработан
специальный язык гипертекстовой разметки (HTML – HyperText Markup
Language). HTML-документы представляют собой обычный текстовый
ASCII-файл, содержащий как стандартный текст, так и особые коды
форматирования или разметки, указывающие, каким образом должен
отражаться данный документ браузером.
Суммируя вышеизложенное, можно сказать, что "Всемирная паутина"
(World Wide Web, WWW, 3W) основана на следующих принципиальных
понятиях: Протокол Передачи Гипертекста – Hyper Text Transfer Protocol
(HTTP), который служит для передачи сложных документов, Язык Создания
Гипертекста – HyperText Markup Language (HTML), использующий
гипертекстовые связи для определения объектов внутри документов –
файлов, Универсальный Указатель на Ресурс – Uniform Resource Locator
(URL) – ссылка на информационные ресурсы Интернет.
Вопросы для самопроверки
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Что такое сетевой протокол?
Охарактеризуйте протокол TCP/IP.
Каково значение глобальных сетей?
Охарактеризуйте принципы, положенные в основу Интернета.
Какие сервисы обеспечивает Интернет?
Опишите систему адресации Интернета.
Какое оборудование используется для подключения к Интернету?
К каким ресурсам обеспечивает доступ сервис FTP?
44
9. Что такое Gopher? Wais? WWW?
10. Что такое гипертекст? Для чего нужны гиперссылки?
11. Охарактеризуйте браузер Internet Explorer.
12. Опишите приемы просмотра веб-сайтов с помощью Internet Explorer.
13. Как осуществляется поиск информации в сети WWW?
14. Что такое HTML?
15. Какова структура веб-документа?
16. Охарактеризуйте основные теги HTML.
17. Каково значение редакторов HTML?
18. Какие средства обеспечивают публикацию веб-документов
Интернете?
19. Что такое Интранет?
20. Что такое глобальная компьютерная сеть Интернет?
21. Как работает электронная почта?
22. Что такое телеконференции?
23. Что такое технология "клиент-сервер"?
24. Что такое гипертекстовый и гипермедиа-документ?
в
4. Методы защиты информации
В информационном обществе
главным ресурсом является
информация. Именно на основе владения информацией о самых различных
процессах и явлениях можно эффективно и оптимально строить любую
деятельность. Информация сегодня стоит дорого, и ее необходимо охранять.
Для предотвращения потери информации разрабатываются различные
механизмы ее защиты, которые используются на всех этапах работы с ней.
Защищать от повреждений и внешних воздействий надо и устройства, на
которых хранится секретная и важная информация, и каналы связи.
Под защитой информации понимается обеспечение ее сохранности и
запрет несанкционированного доступа к ней.
Защита информации в вычислительных устройствах обеспечивается
резервированием
файлов,
восстановлением
файлов,
применением
антивирусных средств, организационными мероприятиями.
Резервированием файлов называется создание их копий на машинных
носителях информации и систематическое их обновление в случае
изменения резервируемых файлов. Необходимость резервирования
вызывается различными обстоятельствами:
• воздействием компьютерных вирусов;
• неправильными действиями или случайным уничтожением файлов;
• физической порчей диска или дисковода жесткого диска;
• умышленными действиями некоторых лиц.
45
При архивном копировании файлов происходит их сжатие с целью
уменьшения занимаемого архивной копией пространства на машинном
носителе информации. Извлечение файлов из архива называется
разархивированием (распаковкой).
Под восстановлением файлов понимается воссоздание их
первоначального содержания в исходной форме.
Особенно важным вопросом является антивирусная защита
информации.
4.1.Защита от вирусов
Вирус – это специально написанная небольшая по размерам программа,
которая может "приписывать" себя к другим программам (т.е. "заражать"
их), а также выполнять различные нежелательные действия на компьютере.
Вирусы способны исказить или уничтожить жизненно важную, ценную
информацию, что может привести не только к финансовым потерям, но и к
человеческим жертвам.
Причины появления и распространения вирусов скрыты в психологии
человека, а также связаны с отсутствием средств защиты у операционной
системы (ОС). Возможными каналами проникновения вирусов в компьютер
являются накопители на сменных носителях информации, а также средства
межкомпьютерной связи, к которым относятся компьютерные сети,
электронная почта, система BBS (Bulletin Board System – доска объявлений)
и любая другая непосредственная связь между компьютерами. Наиболее
опасным является распространение вирусов по компьютерной сети, так как в
этом случае за короткий промежуток времени может быть заражено большое
количество компьютеров. Имеются даже специальные сетевые вирусы,
предназначенные для функционирования в сетях.
Классификация вирусов
1. В зависимости от среды обитания вирусы можно разделить на:
• сетевые, распространяются по различным компьютерным сетям;
• файловые, внедряются главным образом в исполняемые модули, но
могут заражать и другие типы файлов;
• загрузочные, внедряются в загрузочный сектор диска (Boot-c) или в
сектор, содержащий программу загрузки системного диска (Master Boot
Record);
• файлово-загрузочные, заражают как файлы, так и загрузочные
сектора дисков.
2. По способу заражения вирусы делятся на:
46
• резидентные, при инфицировании компьютера оставляют в
оперативной памяти свою резидентную часть, которая потом перехватывает
обращения операционной системы к объектам заражения (файлам,
загрузочным секторам дисков и т.п.) и внедряются в них. Резидентные
вирусы активны до выключения или перезагрузки компьютера;
• нерезидентные, не заражают память компьютера и являются
активными неограниченное время.
3. По степени воздействия вирусы можно разделить на:
• неопасные (хулиганские), не мешают работе компьютера, но
уменьшают объем свободной оперативной памяти; действия таких вирусов
проявляются в каких-либо графических или звуковых эффектах;
• опасные,
могут привести к различным нарушениям в работе
компьютера;
• очень опасные, могут привести к потере программ, уничтожению
данных, стиранию информации в системных областях диска.
4. По особенностям алгоритма вирусы весьма разнообразны:
• простейшие – паразитические, изменяют содержимое файлов и
секторов диска и могут быть достаточно легко обнаружены и уничтожены;
• вирусы-репликаторы (черви), распространяются по компьютерным
сетям, вычисляют адреса сетевых компьютеров и записывают по этим
адресам свои копии;
• вирусы-невидимки (стелс-вирусы), очень трудно обнаружить и
обезвредить, так как они перехватывают обращения операционной системы
к пораженным файлам и секторам дисков и подставляют вместо своего тела
незараженные участки диска;
• вирусы-мутанты, их наиболее трудно обнаружить, содержат
алгоритмы шифровки-расшифровки, благодаря которым копии одного и того
же вируса не имеют ни одной повторяющейся цепочки байтов;
• квазивирусные или "троянские" программы, хотя и не способны к
самораспространению, но очень опасны, так как, маскируясь под полезную
программу, разрушают загрузочный сектор и файловую систему дисков.
Симптомы заражения:
- некоторые программы перестают работать или начинают работать
неправильно;
- на экран выводятся посторонние сообщения, символы и т.д.;
- работа на компьютере существенно замедляется;
- некоторые файлы оказываются испорченными или недоступными;
- появляются сбои в работе ОС, в том числе ее зависание;
47
- искажаются данные в CMOS-памяти, где хранятся важнейшие
параметры ОС и конфигурации ПК;
- уменьшается объем доступной оперативной памяти.
Методы защиты от компьютерных вирусов
Компьютерный вирус во многом аналогичен природному вирусу.
Поэтому меры защиты от него включают в себе аналогичный комплекс
средств:
• профилактика;
• диагностика;
• лечение.
К профилактическим средствам относятся:
- перекрытие путей проникновения вирусов в компьютер;
- исключение возможности заражения и порчи вирусами,
проникшими в компьютер, других файлов.
Диагностические
средства позволяют обнаруживать вирусы в
компьютере и распознавать их тип.
Лечение состоит в удалении вирусов из зараженных программных
средств и восстановлении пораженных файлов.
Защитный комплекс основывается на проведении организационных
мероприятий и применении антивирусных программ, т.е. содержит:
• общие средства защиты
информации, в том числе
профилактические меры, позволяющие уменьшить вероятность заражения
вирусом.
В общие средства защиты входят:
- копирование информации, т.е. создание копий файлов и системных
областей дисков;
-средства
разграничения
доступа,
т.е.
защита
от
несанкционированного использования информации, изменения программ и
данных вирусами, неправильно работающими программами и ошибочными
действиями пользователя;
• организационные мероприятия для защиты от компьютерных
вирусов включают следующие основные рекомендации:
- необходимо использовать только лицензионно-чистые программы
от надежных поставщиков;
- не запускать на выполнение программы, назначение которых
неизвестно или непонятно;
- ограничить доступ к ПК посторонним лицам;
- при работе на ПК нескольких пользователей разделить жесткий диск
на ряд логических и разграничить право доступа к различным дискам;
48
- перед началом работы на ПК после другого лица осуществить
холодный перезапуск ПК, чтобы удалить из ОЗУ возможно присутствующие
там резидентные вирусы;
- включить в файл AUTOEXEC.BAT постоянно обновляемые
программы антивирусной защиты и т.д.
• специальные программы для защиты от вирусов включают:
- детекторы, проверяют, имеется ли в файлах на указанном
пользователем диске специфическая для конкретного вируса комбинация
байтов и выводят на экран соответствующее сообщение. Программыдетекторы могут обнаруживать только те вирусы, которые им "известны".
Таким образом, программа, не опознанная детекторами как зараженная,
может содержать какой-нибудь новый вирус или модифицированную версию
старого вируса, неизвестные программам-детекторам. Большинство
программ-детекторов имеют функции "доктора", однако они умеют лечить
только от некоторого фиксированного набора вирусов, поэтому они быстро
устаревают;
- ревизоры, имеют две стадии работы. Сначала они запоминают
сведения о состоянии программы и системных областей дисков, а затем на
любом этапе работы с помощью программы-ревизора можно сравнить
состояние программ и системных областей дисков с исходным. О
выявленных несоответствиях сообщается пользователю. Чтобы проверка
состояния программ и дисков проходила при каждой загрузке ОС,
целесообразно включить команду запуска программы-ревизора в командный
файл AUTOEXEC.BAT;
- доктора-ревизоры, не только обнаруживают изменения в файлах и
системных областях дисков, но и могут в случае изменений автоматически
вернуть их в исходное состояние. Они универсальнее, чем программыдоктора (фаги), поскольку при лечении они используют сохраненную заранее
информацию о состоянии файлов и областей дисков, что позволяет им
вылечивать файлы даже от тех вирусов, которые не были известны на
момент написания программы;
- программы-фильтры, перехватывают те обращения к операционной
системе, которые используются вирусами для размножения и нанесения
вреда на самой ранней стадии, когда вирус не успел размножиться и чтолибо испортить;
- программы-вакцины,
или
иммунизаторы модифицируют
программы и диски таким образом, что это не отражается на работе
программ, но тот вирус, от которого производится вакцинация, считает эти
программы уже зараженными. Эффективность иммунизаторов не высока.
49
Несмотря на все принятые профилактические меры, полной гарантии
защиты от вирусов в настоящее время не существует. Поэтому в целях
восстановления разрушенной вирусом информации и удаленных зараженных
программ необходимо иметь резервные копии программ и файлов, данных на
дискете, магнитной ленте и/или другом ПК не менее, чем в двух экземплярах.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое резервирование файлов?
2. Что такое восстановление файлов?
3. Как выполняется архивное копирование файлов?
4. Как выполняется восстановление зарезервированных файлов?
5. Что такое атрибуты файлов и каталогов?
6. Что такое компьютерный вирус? Классификация вирусов.
7. Перечислите симптомы заражения.
8. Какие существуют средства защиты от компьютерных вирусов?
9. Какие популярные антивирусные программы Вы знаете?
10. Как осуществляется ограничение доступа к информации?
4.2.Защита информации в компьютерных сетях
Интернет и информационная безопасность несовместны по самой
природе Интернет. Она родилась как чисто корпоративная сеть, однако с
помощью единого стека протоколов TCP/IP и единого адресного
пространства объединяет не только корпоративные и ведомственные сети, но
и рядовых пользователей. Чем проще доступ в сети, тем слабее ее
информационная безопасность.
Для сохранения сетевой информации используют различные способы
защиты:
-контроль и разграничение доступа к конфиденциальной
информации, обеспечивается программными и техническими средствами:
применением паролей, шифрованием файлов, уничтожением файлов после
их удаления, использованием электронных ключей, изготовлением ЭВМ в
специальном защищенном исполнении;
- дублирование каналов связи и подключение резервных устройств;
- криптографическое преобразование информации.
Средства защиты запрещают доступ к данным неуполномоченных
пользователей и предохраняют данные от вирусов. Кроме того, в
современных сетях поддерживаются аппаратные средства защиты, которые
за счет избыточности обеспечивают корректность данных и доступность их
при отказе части системы.
50
Предусмотрено несколько уровней защиты:
- защита с помощью пароля. Пароли применяют для идентификации
пользователей и разграничения их прав в сети ЭВМ. Для этих целей
используют утилиты сетевых ОС, других программных средств и встроенные
средства парольной защиты приложений (СУБД, электронных таблиц и т.д.)
После регистрации пользователя доступ осуществляется на основе
полномочий, присвоенных ему администратором сети; при этом могут быть
установлены различные уровни парольной защиты (например, для чтения,
изменения, удаления, сохранения) информации.
- ограничение доступа пользователей к системе на данной машине
и/или в заданный интервал времени с помощью учетных данных;
- защита объектов и файлов в соответствии с предоставленными
пользователю администратором сети прав доступа;
- защита сети с помощью средств, обслуживающих учетные данные
пользователя,
отслеживающих
ресурсы
сети,
устанавливающих
пользователям полномочия доступа к ресурсам (например, NDS-Netware
Directory Services- обслуживание каталогов популярной локальной сети
Netware).
Выживаемость и быстрое восстановление данных на сервере
обеспечивают:
- верификация чтения/записи, т.е. чтение после каждой операции
записи на диск для проверки корректности;
- дублирование каталогов на случай порчи основного каталога;
- дублирование таблицы распределения файлов (FAT). Если оригинал
будет утрачен, то диск все равно будет доступен через дубликат;
- средства коррекции, обнаруживают ошибки в процессе работы
системы и переносят данные из дефектных секторов в другое место диска;
- средства обеспечения устойчивости к сбоям (SFT-Netware’s System
Fault Tolerance) на основе дублирования аппаратных средств сервера;
- система отслеживания транзакций (Transaction Tracking System),
сохраняет файлы данных от незавершенных операций записи при выходе
сервера из строя.
В современных аппаратных средствах предусмотрено отслеживание
состояния источника бесперебойного питания (UPS). При сбое питания
помимо уведомления пользователей начинается сохранение всей открытой
информации (данных кэш-буферов) для нормального завершения работы
системы.
Для предотвращения несанкционированного доступа к своим
компьютерам все корпоративные и ведомственные сети,
а также
51
предприятия, использующие технологию intranet, ставят фильтры (firewalls)
между внутренней сетью и Интернет, что практически означает выход из
единого адресного пространства. Еще большую безопасность дает отход от
протокола TCP/IP и доступ в Интернет через шлюзы.
При переходе к новой архитектуре Интернет нужно предусмотреть
следующее:
- ликвидировать физическую связь между
Интернет и
корпоративными и ведомственными сетями, сохранив между ними лишь
информационную связь через систему World Wide Web;
- заменить маршрутизаторы на коммутаторы, исключив обработку в
узлах IP протокола и заменив его на режим трансляции кадров Ethernet, при
котором процесс коммутации сводится к простой операции сравнения MAC –
адресов (MAC – Media Access Control – управление доступом к среде);
- перейти в новое единое адресное пространство на базе физических
адресов доступа к среде передачи (MAC – уровень), привязанное к
географическому расположению сети и позволяющее в рамках 48 бит создать
адреса для более чем 64 триллионов независимых узлов.
Одним из наиболее распространенных в настоящее время методов
защиты локальных сетей от попыток несанкционированного доступа, в том
числе через глобальную сеть, например Интернет, является применение
межсетевых экранов – специальных программных и/или аппаратных средств,
называемых брандмауэрами
(firewalls). Среди функций, выполняемых
брандмауэрами – аутентификация пользователей и контроль за содержанием
информационного потока на основе заданных правил.
Шифрование - такое преобразование данных, в результате которого
их можно прочесть только при помощи ключа. Шифрование, как защита от
несанкционированного доступа, может быть реализовано как аппаратным,
так и программным методом. Аппаратные шифраторы считаются более
надежными и обеспечивают лучшую защиту.
Аппаратный шифратор по виду и по сути представляет собой
обычное компьютерное "железо", чаще всего это плата расширения,
вставляемая в разъем ISA или PCI системной платы ПК. Бывают и другие
варианты, например в виде USB – ключа с криптографическими функциями.
Помимо функций шифрования аппаратные шифраторы обычно снабжены
различными дополнительными возможностями ,такими как:
- генерация случайных чисел, для получения криптографических
ключей;
52
- контроль входа на компьютер, требует от пользователя при
включении ПК ввести персональную информацию (например, вставить
дискету с ключами);
- контроль целостности файлов операционной системы. Шифратор
хранит в себе список всех важных файлов с заранее рассчитанными для
каждого контрольными суммами (хэш-значениями), и если при следующей
загрузке не совпадает эталонная сумма хотя бы одного из них, компьютер
будет блокирован.
Плата с перечисленными возможностями называется устройством
криптографической защиты данных – УК3Д. Шифратор, выполняющий
контроль входа на ПК и проверяющий целостность операционной системы,
называют "электронным замком". Его программное обеспечение – утилита, с
помощью которой формируются ключи для пользователей и ведется их
список для распознавания "свой/чужой".
Структура шифраторов
В состав УК3Д входят:
- блок управления - основной модуль шифратора, реализуется на базе
микроконтроллера;
- контроллер системной шины ПК, реализует основной обмен
данными между УК3Д и компьютером;
- энергонезависимое запоминающее устройство (ЗУ), содержит
программное обеспечение микроконтроллера, которое выполняется при
инициализации устройства;
- память журнала - тоже энергонезависимое ЗУ, флеш-микросхема
(отдельно от памяти для программ);
- шифропроцессор – микросхема программируемой логики;
- генератор случайных чисел, дает статистически случайный и
непредсказуемый сигнал – белый шум;
- блок ввода ключевой информации, через который вводится
иденфикационная информация о пользователе для решения вопроса
"свой/чужой";
- блок коммутаторов, может ограничивать возможность работы с
внешними устройствами – дисководами, CD-ROM и т.д.
К аппаратным средствам защиты программ и данных относятся
электронные
ключи.
Электронный
ключ
представляет
собой
специализированную заказную микросхему (чип) площадью со спичечный
коробок. Одним разъемом он подключается к параллельному порту
компьютера, а другим – к принтеру. Защищаемая программа при запуске
53
проверяет наличие "своего" ключа и либо выполняется, либо выдает
сообщение и прерывает свою работу. Так можно защищать, например, файлы
данных.
Электронная подпись признается юридически равнозначной подписи
в документе на бумажном носителе. При регистрации электронно-цифровой
подписи в специализированных центрах корреспондент получает два ключа:
секретный и открытый. Открытый ключ хранится на дискете или смарт-карте
и должен быть у всех потенциальных получателей документов. Процесс
электронного подписания документа состоит в обработке с помощью
секретного ключа текста сообщения. Далее зашифрованное сообщение
посылается по электронной почте абоненту. Для проверки подлинности
сообщения и электронной подписи абонент использует открытый ключ.
ЭВМ, изготовленные в специальном
защищенном
варианте
(например,
семейство
ЭВМ
"Багет"),
обеспечивают
излучение
информационных сигналов на уровне естественного шума для
противодействия попыткам получения дистанционного доступа к
конфиденциальной информации при помощи специальной подслушивающей
аппаратуры.
Итак, шифрованием на программном уровне занимается наука,
называемая криптографией. В криптографии любой незашифрованный текст
называется открытым текстом, а зашифрованные данные – зашифрованным
текстом. В традиционной криптографии для шифрования и дешифрования
используется один и тот же ключ. В этом случае алгоритм шифрования
называется симметричным.
В криптографии с открытым ключом используется открытый ключ
для шифрования и
закрытый (секретный,
или частный)
- для
дешифрирования. Алгоритм шифрования с двумя ключами называется
асимметричным. Такой алгоритм позволяет передавать зашифрованную
информацию по компьютерным сетям. Для этого отправитель должен
сначала получить от адресата его открытый ключ, а затем переслать
зашифрованную открытым ключом информацию. Адресат расшифровывает
ее своим закрытым ключом. Понятие "открытый ключ" означает, что ключ
пересылается по сети ЭВМ, например, по электронной почте, в то время как
закрытый ключ таким образом не пересылается.
Для симметричных алгоритмов, применяющихся в коммерческих
системах, рекомендуется использовать ключ, имеющий 128 двоичных
разрядов. Для угадывания ключа методом проб и ошибок нужно перебрать
2128 возможных значений ключа.
54
В асимметричном шифровании ключи для надежной защиты
информации имеют от 768 до 2048 двоичных разрядов. По расчетам взломать
защиту с 2048 – разрядным открытым ключом так же трудно, как найти 128разрядный симметричный ключ.
Итак, аппаратно-программные комплексы защиты информации
выполняют следующие функции:
- уничтожают полиморфные вирусы (мутанты);
- защищают
файлы
и/или
системные области дисков от
несанкционированной записи;
- шифруют файлы;
- создают и обслуживают скрытые диски;
- перезаписывают определенным кодом или автоматически удаляют
исходные файлы, которые были зашифрованы.
Вопросы для самопроверки
Для чего необходима защита сетевых ресурсов?
Какие средства обеспечивают безопасность информации в сети?
Какими правами может наделяться пользователь при работе с
объектами сети?
4. Что такое право доступа? Тип прав доступа? Как построена защита
каталогов и файлов?
5. Что такое пароли? шифрование?
6. Способы цифровой криптографии.
7. Симметричные и асимметричные алгоритмы шифрования.
8. Брандмауэры и их функции.
9. Структура аппаратных шифраторов.
10. Электронные ключи. Электронная подпись.
1.
2.
3.
Заключение
Настоящее учебное пособие по курсу «Информатика» соответствует
содержанию дидактических единиц DE1, DE2, DE6 государственного
образовательного стандарта и является первой частью планируемой серии
методических изданий, ставящих целью углубление изучения указанной
дисциплины и помощь в подготовке к Интернет-экзамену. Понятно, что
материал и объем пособия не в состоянии охватить весь круг задач,
рассматриваемых в данном курсе. Тем более оно не является неким
сборником ответов на вопросы тест-экзамена по дисциплине. Следует еще
55
учесть, что база вопросов, предлагаемых для тестирования, постоянно
расширяется.
Цель настоящего учебного пособия - дать обучающимся представление
о характере предлагаемых в ходе тестирования вопросов и помочь в выборе
литературы для подготовки ответов. Изложенный материал предполагает
дальнейшее
самостоятельное
углубленное
освоения
дисциплины
«Информатика» с привлечением классических источников, приведенных в
библиографическом списке использованной литературы, а также других
издаваемых в настоящее время книг по изучаемому направлению.
Библиографический список
1. Могилев, А.В. Информатика / А.В. Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хеннер. М.: Academia, 2004.-842с.
2. Информатика: учебник: рек. МО РФ/Под ред. Н.В. Макаровой. – 3-е
изд., перераб. – М.: Финансы и статистика, 2005. – 765с.
3. Информатика и информационные технологии: учеб. пособие /И.Г.
Лесничая, И.В. Миссинг, Ю.Д. Романов, В.И. Шестаков. – М.: Эксмо,
2005. - 542с.
4. Острейковский, В.А. Информатика: учеб. для вузов / В.А.
Острейковский. – М.: Высш. шк., 2000. – 511с.
5. Лапчик, М.П. Методика преподавания информатики / М.П. Лапчик, И.Г.
Семакина, Е.К. Хеннер. – М.: Academia, 2002. – 580с.
6. Цилькер, Б.Я. Организация ЭВМ и систем: учеб. для вузов / Б.Я.
Цилькер, С.А. Орлов. – СПБ.: ПИТЕР, 2007. - 434с.
7. Безруков, Н.Н. Компьютерные вирусы / Н.Н. Безруков. -М. :Наука, 1996.
– 412с.
8. Андрончик, А.Н. Защита информации в компьютерных сетях: учеб.
пособие / А.Н. Андрончик, В.В. Богданов, Н.А. Домуховский –
Екатеринбург: УГТУ – УПИ, 2008. – 248с.
9. Степанов, Е.А. Информационная безопасность и защита информации /
Е.А. Степанов, И.К. Корнеев. – М.: Инфра – М., 2001. – 311с.
56
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение………………………………………………………………………………….
1. Основные понятия и методы теории информатики и кодирования………….
1.1. Сообщения, данные, сигнал, атрибутивные свойства информации,
показатели качества информации, формы представления информации.
Системы передачи информации………………………………………………...
1.2. Меры и единицы количества и объема информации………………………….
1.3. Позиционные системы счисления……………………………………………...
1.4. Логические основы ЭВМ……………………………………………………….
Технические средства реализации информационных процессов………………...
2.1. История развития ЭВМ. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ…….
2.2. Состав и назначение основных элементов персонального компьютера, их
характеристики…………………………………………………………………...
2.3. Запоминающие устройства: классификация, принцип работы, основные
характеристики…………………………………………………………………...
2.4. Устройства ввода – вывода данных, их разновидности и основные
характеристики…………………………………………………………………...
3. Локальные и глобальные сети ЭВМ………………………………………………
3.1. Сетевые технологии обработки данных……………………………………….
3.2. Основы компьютерной коммуникации………………………………………...
3.3. Сетевой сервис и сетевые стандарты. Программы для работы
в сети Интернет………………………………………………………………….
4. Методы защиты информации……………………………………………………...
4.1. Защита от вирусов……………………………………………………………….
4.2. Защита информации в компьютерных сетях…………………………………..
Заключение……………………………………………………………………………….
Библиографический список……………………………………………………………..
3
4
4
6
8
11
15
15
22
25
28
31
32
35
40
44
45
49
54
55
Учебное издание
Авдеев Виктор Петрович,
Кононов Александр Давыдович,
Кононов Андрей Александрович
Информатика
Учебное пособие
для подготовки к Интернет-экзамену
Редактор Акритова Е.В.
Подписано в печать
Формат 60×84 1/16. Уч.-изд. л. 3,7. Усл.-печ. л. 3,8.
Бумага писчая. Тираж
экз.
Заказ №
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии
Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
394006, Воронеж, ул.20-летия Октября, 84
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
23
Размер файла
633 Кб
Теги
информатика, часть, 139
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа