close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Sovetov

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Б. Я. Советов, М. О. Колбанёв, Т. М. Татарникова
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ
И ТЕХНОЛОГИИ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки бакалавра 09.03.02 и магистра 09.04.02
«Информационные системы и технологии» (230400)
Санкт-Петербург
2014
УДК 004.9 (075)
ББК 32.973.202я73
С56
Рецензенты:
Заведующий кафедрой систем обработки информации и управления
Балтийского государственного технического университета «Военмех»
им. Д. Ф. Устинова, доктор технических наук, профессор О. С. Ипатов;
заведующий кафедрой бортовых приборов управления, вооружения
и военной техники Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики,
доктор военных наук, профессор И. М. Левкин
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Советов, Б. Я.
С56Информационные процессы и технологии: учеб. пособие /
Б. Я. Советов, М. О. Колбанёв, Т. М. Татарникова – СПб.: ГУАП,
2014. – 239 с. ISBN 978-5-8088-0952-9
Учебное пособие содержит основные разделы дисциплины «Теория
информационных процессов и систем» и описание базовых информационных процессов сохранения, распространения и обработки данных. Приводятся модели базовых информационных процессов, которые рассматриваются на уровне этапов и фаз реализации, эталонные
и метрические модели, создающие основу для оценки характеристик
информационных процессов и разработки аппаратных и программных средств информационных технологий.
Издание предназначено для подготовки бакалавров и магистров
образовательных направлений 230400 «Информационные системы»
и 090900 «Информационная безопасность».
УДК 004.9 (075)
ББК 32.973.202я73
ISBN 978-5-8088-0952-9
©
©
Советов Б. Я., Колбанёв М. О.,
Татарникова Т. М., 2014
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2014
ВВЕДЕНИЕ
В основе создания и исследования информационных систем лежит методология научного познания, которую называют системным подходом.
Системный подход – это методология решения сложных проблем и построения сложных систем. До появления системного
подхода исследователи сочетали эксперимент с методами анализа бесконечно малых [2]. Считалось, что сложность окружающего
мира – это сложность кажущаяся. И. Ньютон, который в конце
XVII в. соединил эксперимент с моделями непрерывной математики и окончательно сформировал методологию классической науки, утверждал: «Природа проста и не роскошествует излишними
причинами вещей. Отсюда и методология исследований: раздели
как кажется сложный объект на части, исследуй эти части, суммируй полученные знания, и все законы существования объекта
будут изучены полностью».
Такому подходу в полной мере соответствует аппарат анализа
бесконечно малых.
Классический подход оказался в высшей степени конструктивным и позволил смоделировать существующую картину мира!
С течением времени наука столкнулась с необходимостью исследовать объекты такой сложности, что возможности классического
подхода оказались недостаточными, а сам метод – неприменимым.
Примером подобных объектов могут служить сверхсложные биологические, социальные, информационные системы. Это связано
с тем, что сложная система как целое обладает качествами, которые не присущи ни одному ее элементу в отдельности. Например,
человеческий мозг обладает свойствами, которые не присущи никакому отдельному из миллиардов нейронов.
Если классическая наука предполагает изучение целого по части, то системный подход, напротив, ориентирован на познание части по целому. Данный подход основан на изучении связей между
множеством внешних и внутренних факторов, влияющих на поведение системы и предполагает рациональное согласование частей
изучаемых систем для достижения единой цели. Он строится на
общей схеме рассуждений, отличной от рассуждений при классическом подходе [3].
В результате появления системного подхода наряду с делением науки по виду исследуемых объектов (по предметной области –
физика, химия, биология и т. д.) возникло деление ее на теорию
3
простых систем, или классическую науку, или физику в широком
смысле, и теорию сложных систем, или системный подход, или кибернетику, или информатику, в широком смысле.
Первая концентрирует свое внимание на проблемах силы, движения, вещества, реакции, работы, энергии и т. п., вторая – вокруг
проблем организации, структуры, языка, информации, программирования, управления и т. п.
Системный подход как методология научного познания возник примерно в середине XX в. Сам термин «системный подход»
предложил американский ученый, австриец по происхождению,
Лео фон Бертоланфи (1901–1972) в докладе «О системном подходе
к определению биологического понятия «вид». Его главная работа
«Общая теория систем» издана в 1968 г.
Системный подход позволил получить качественно новые результаты в самых разных областях человеческой деятельности.
Система – ключевое понятие системного подхода. Оно носит
настолько общий характер, что ему трудно дать исчерпывающее
определение. В общем смысле системное противоположно хаотическому. Хаос – это когда все зависит от всего другого, но непонятно,
как именно. Все, что, напротив, упорядочено тем или иным образом, может считаться системой.
Когда говорят о системе, то представляют себе некоторое множество элементов, между которыми имеются связи, отношения,
взаимодействия.
Однако такое определение недостаточно. Для того чтобы понять
это, ответим на вопрос: объективно или субъективно понятие системы?
С одной стороны, мир – это и есть одна большая система, в которой все взаимосвязано. В то же время не вызывают сомнения
существование и необходимость исследования замкнутых систем,
таких, как студенческая группа, автомобиль, город и т. д.
Объективное содержание понятия системы связано с тем, что
она как часть мира обладает пространственной или функциональной замкнутостью. Это означает, что можно провести границу либо
в пространстве компонентов этой системы, либо в пространстве ее
функций, по одну сторону которой окажется система, а по другую –
внешняя среда, причем элементы системы связаны сильнее, чем те
же элементы с внешней средой. Значит, системы существуют объективно, независимо от человека.
С другой стороны, положение этой границы полностью зависит от выбора исследователя, т. е. является актом субъективным.
4
Исследователь, выделяя некоторый объект из внешней среды,
стремится к тому, чтобы его изучение позволило достигнуть поставленных целей и чтобы этот объект легче и естественнее поддавался анализу или изучению.
Таким образом, под системой следует понимать совокупность
взаимосвязанных объектов (компонентов), образующих определенную целостность, единство, выделенных исследователем из
внешнего мира по пространственному и(или) функциональному
признаку [1].
Основными предметами определения являются:
− объект исследования;
− исследователь;
− цель исследования.
Системный подход применим для исследования сложных систем. Такие системы в общем случае определяются рядом признаков. Для них характерны:
− целостность – принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов, и, наоборот, невыводимость из
свойств отдельных компонентов системы свойств ее как целого;
− зависимость от среды – проявление свойств системы лишь
в процессе ее взаимодействия с внешней средой;
− иерархичность – возможность рассмотрения каждого элемента системы как самостоятельной системы и самой системы как элемента более широкой системы;
− множественность описания – необходимость построения
множества моделей, описывающих разные стороны системы для ее
адекватного познания в целом.
Из множества сложных целенаправленных систем обычно выделяют:
− технические – различные сложные автоматы, являющиеся целенаправленными, поскольку их назначение и оптимальный режим
функционирования заранее определены и заложены человеком;
− биологические – живые организмы, популяции живых организмов, совокупности этих популяций и т. п.;
− человека со всеми сложнейшими психофизиологическими системами его организма;
− социальные – существующие в человеческом обществе, в том
числе и экономические.
Из комбинированных систем особое значение в нынешнюю эпоху информационной цивилизации имеют человеко-машинные системы, называемые информационными.
5
Сложность систем потребовала разработки специальных методов их исследования. Таким методом, в частности, является функциональный. В соответствии с ним исследователь, в первую очередь, должен интересоваться тем что делает система, а не тем,
как она устроена. В самом общем смысле то, что делает система, и
есть ее функция.
В соответствии с определением системы исследователь, выделяя
ее, делит мир на саму систему и ее внешнее окружение.
Естественно предположить, что система связана с внешним
окружением двояко:
− внешнее окружение воздействует на системы через ее входы;
− система воздействует на внешнее окружение через свои выходы.
Входы и выходы системы – это весьма общее понятие системного
подхода. Примером входа могут служить клемма прибора, сырье,
поступающее на предприятие, орган зрения у животного, примером выхода – изображение на экране, поток готовой продукции,
двигательная реакция животного.
Сложная система имеет огромное число входов и выходов, однако в соответствии с целью исследования следует принимать во
внимание только те из них, которые существенны с точки зрения
поставленной цели.
Очевидно, что состояния выходов так или иначе зависят от состояния входов. Теоретически доказана возможность исследования систем на функциональном уровне, или на уровне их входов и
выходов, без уточнения того, почему на то или иное изменение входов система реагирует тем или иным изменением выходов. Такой
функциональный подход носит название метода «черного ящика».
«Черный ящик» – это модель сложной системы, которая описывает
зависимость состояния выходов от состояния входов системы.
Пусть, например, исследователь выделил m разных входов и n разных выходов. Состояния входов описываются величинами x1,…, xm,
а состояния выходов – величинами y1,…,yn. Тогда в некоторый момент t состояние входов описывается вектором Xt = (x1,…,xm)t, состояние выходов – вектором Yt = (y1,…,yn)t, а функция системы – зависимостью Yt = (Xt ).
Функция F – это действие системы. Только в частных случаях
такую функцию можно выразить математически. Знание функции
F позволяет получить достаточно большой объем информации о
системе, в частности, целенаправленно воздействовать на входы,
стремясь к достижению желаемого состояния выходов. При этом
6
функция F не отражает никакой информации о том, как система
устроена.
Развернутая во времени последовательность реакций системы
на внешние воздействия называется поведением, или функционированием, системы.
Системотехник, сталкиваясь с незнакомой системой, в первую
очередь исследует ее как «черный ящик», разбирается с тем, что
она делает, и только затем в том, как она устроена.
Функциональное описание соответствует такому уровню рассмотрения, при котором можно игнорировать детали внутреннего устройства и всю систему воспринимать как один элемент.
Функции системы в целом определяются ее взаимодействием с другими системами, составляющими внешнее окружение.
Каждая целенаправленная система характеризуется как набором функций, выполняемых ею, так и теми органами, которые их
реализуют. Поэтому метод «черного ящика» не исчерпывает возможностей исследования систем. Общий философский принцип
познания от явления к сущности проявляется в системном подходе
к переходу от функции системы к ее структуре.
Структура – это организация целого из составных частей. Это
взаимное расположение и связь составных частей. Системный подход под структурой системы понимает то, как она организована из
отдельных элементов и каким образом ее элементы связаны друг
с другом.
При структурном подходе основное внимание уделяется анализу элементов системы и их организации посредством взаимосвязей.
Каждый элемент системы рассматривается как самостоятельная
система, функции которой реализуются с помощью связей этого
элемента с другими.
В самом общем виде задача структурного анализа включает в себя следующие шаги:
1. Выявление элементов системы. Элементом системы называется такая ее часть, подсистема, которая в рамках проводимого
исследования представляется неделимой и не подлежит дальнейшему расчленению на составляющие. Каждая система может быть
разделена на некоторое число элементов, причем в рамках одной и
той же системы структуризация может быть проведена по-разному.
Так, структурной единицей почтовой системы связи может быть
как региональное управление, так и отделение связи или рабочее
место оператора. Соответственно выбору структурных единиц изменяются и связи. Например, элементы почтовой сети – пути со7
общений и транспортные средства – могут рассматриваться не как
элементы, а как связи между различными узлами почтовой связи.
Поскольку каждая система имеет множество структур, понятие
элемента не вытекает непосредственно из определения системы.
Элемент является частью понятия структуры. Выделение элементов связано с целью проводимого исследования.
С точки зрения профессора, финансиста и хозяйственника, университет состоит из разных элементов.
2. Описание свойств элементов. На этом этапе исследователь
должен вернуться к модели «черного ящика» и описать функции
и поведение каждого выделенного элемента системы. В результате
у каждого из них будут определены входы, выходы и зависимость
состояний выходов от состояний входов.
3. Построение связей между элементами. Если элементы принадлежат одной системе, то они должны иметь связи. Это означает,
что выходы одних элементов должны быть связаны с входами других и внешним окружением. Построение связей сводится к определению для каждого входа каждого элемента соответствующих ему
входов других элементов. Это самый сложный этап структурного
анализа. Связей всегда существенно больше, чем элементов. Если,
например, каждая пара из n элементов имеет прямую и обратную
связь, то связей будет n(n – 1).
Структурный анализ расширяет возможности исследователя,
поскольку теперь можно влиять на состояние выходов не только
через входы системы, но и путем воздействия на связи между ее
элементами.
Для изображения структур удобно использовать графические
модели, сопоставляя элементам структуры вершины графа, а связям между элементами – его дуги или ребра.
Практически все проблемы, возникающие при анализе и синтезе систем, сводятся к описанию структуры системы на основе функциональных характеристик (структурный анализ) и определению функций системы, заданной в соответствии со структурным
принципом (функциональный анализ).
Эти виды анализа являются частями так называемого системного анализа.
Понятия «функционирование системы» и «структура» имеют
такое же значение, как время и пространство в классической физике.
8
1. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЩЕСТВО:
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ,
ТЕХНОЛОГИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Человечество вступило в новый, информационный, век. Благодаря
широкому внедрению информационных и телекоммуникационных
систем наряду с социальной и экологической сформировалась новая
среда обитания человека. В ее рамках кардинально изменились условия труда и жизни каждого, обеспечиваются интеллектуальное взаимодействие между людьми, свободный доступ к мировым духовным
ресурсам, удовлетворение потребностей людей в информационном
продукте и услугах. Эффективная работа специалистов во всех сферах
человеческой деятельности уже сегодня невозможна без использования новой информационной технологии [15, 16].
Информационная индустрия стала доминирующей областью
деятельности человека, является ключевым фактором, определяющим статус мировых держав, и по темпам развития опережает другие отрасли экономики.
С точки зрения формационного подхода к периодизации истории, человечество проходит в своем развитии ряд общественно-экономических формаций (этапов) [1]. Переход к очередному этапу
развития цивилизации – информационному обществу (рис. 1.1) –
обеспечивается социально-техногенным процессом массового внедрения информационных и телекоммуникационных (инфокоммуникационных) технологий и средств. Соответствующий процесс
называют информатизацией. Общественно-экономическая формация, предшествующая информационному обществу, называется
индустриальной. Дальнейшее развитие средств информатизации
приведет к формированию интеллектуального общества [15].
Результатом такого движения, по В. И. Вернадскому, в текущем
тысячелетии станет новая среда обитания человека – ноосфера, которая может быть представлена двумя уровнями. Первый – материальный – обеспечивает накопление глобального информационного ресурса благодаря целенаправленной деятельности многих
поколений людей.
Индустриальное
общество
Информационное
общество
Интеллектуальное
общество
Информатизация
Рис. 1.1. Этапы развития человечества
9
На разных этапах развития человечества такое накопление обеспечивали великие технологии, стихиями для которых являлись земля,
вода и воздух [16]:
− масштабом Великого шелкового пути в I−XIV вв. был континент. Сети караванных дорог пересекали Евразию и обеспечивали глобализацию, связывая культуры Запада и Востока
(рис. 1.2);
− Великие географические открытия XV−XVII вв. были сделаны
благодаря новым технологиям строительства каравелл и каракк
и управления ими в океане. Такие парусные суда были основным
средством переноса материальных ценностей и информации между
континентами и цивилизациями (рис. 1.3);
− на современном этапе технологическим средством мировой
глобализации стала цифровая инфокоммуникационная технология, которая также может быть названа великой, поскольку
Земля для нее – это единый объект для организации информационного взаимодействия через природные объекты, такие,
как атмосфера, космос, поверхность Земли или искусственно
созданные проводные линии связи. И это несмотря на то, что
с момента создания первых электрических сетей связи прошло
в историческом масштабе совсем немного времени (телеграфия –
1832 г., телефония – 1876 г., радио – 1895 г., ТВ – 1925 г., протокол
TCP/IP – 1983 г.).
Масштаб технологии - континент
Рис. 1.2. Великий шелковый путь
10
Масштаб технологии - континенты
Рис. 1.3. Великие географические открытия
Становление информационного общества можно рассматривать
как многоэтапный процесс накопления информационного ресурса,
включающий в себя этапы языкового взаимодействия людей и цивилизаций, массового создания и тиражирования информации и,
наконец, массового доступа к информационным ресурсам [1, 15, 16].
Второй уровень ноосферы следует понимать как интеллектуальный. Он будет достигнут благодаря накопленному информационному ресурсу при условии, что этот ресурс эффективно сохраняется
во времени, распространяется в пространстве и обрабатывается при
решении многообразных задач с применением качественно новых
интеллектуальных технологий и систем во благо развития цивилизации. Переход от информационного к интеллектуальному обществу станет одним из результатов такого развития.
К числу основных признаков информационного общества как
новой общественно-экономической формации можно отнести следующее [15]:
− информация и знания становятся наиболее значимым стратегическим ресурсом наряду с материальными, энергетическими,
трудовыми и финансовыми ресурсами;
− формируются рынок информации и знания как фактор производства наравне с рынками природных ресурсов, труда и капитала;
− стремительно растет удельный вес информационного и коммуникационного секторов экономики, потребление информации за11
нимает в информационном обществе центральное место среди всех
других видов деятельности людей;
− информационная инфраструктура в значительной степени
определяет конкурентоспособность государств, регионов и предприятий;
− инфокоммуникационные технологии становятся базовыми
для большинства технологий в других сферах деятельности людей.
Для современного уровня развития цивилизации характерен лавинообразный рост объема информации. На рис. 1.4 представлены
данные о динамике роста объема информации, циркулирующей
в обществе в XIX–XXI вв., из которых видно, что сегодня темпы
производства новой информации в 30 раз выше, чем в XIX в. Объем
информации в последние годы каждые 20 месяцев удваивается против 50 лет (или шестисот месяцев) в XIX в. Во втором десятилетии
XXI в. динамика роста информации существенно ускоряется!
Сравнение индустриального и информационного обществ по
нескольким группам характеристик приводится в табл. 1.1–1.3
[16].
Как следует из этого сравнения, переход к информационному
обществу приводит к коренной перестройке всех основных социально-экономических структур, росту интеллектуальной составляющей трудовой деятельности, изменению общественной роли
членов общества. Изменяются цели, приоритеты, проблемы и стандарты общественной жизни. Экономика информационного общества (табл. 1.3) отличается мобильностью и ориентирована на стремительный рост информационного ресурса, постоянное изменение
внешней обстановки.
Объем
информации
XIX в. −
удвоение за 50 лет
(600 месяцев)
1800
XXI в.−
удвоение за
20 месяцев
1900
2000
Рис. 1.4. Динамика роста объема информации
12
Годы
Таблица 1.1
Информатизация и социально-экономические структуры общества
Характеристика
Общество
Индустриальное
Информационное
Информация, знание,
новая технология (идеи
становятся все дороже
их реализации)
Фабрики и заводы
Информационные сети
Основная единица
по производству
и банки, автоматизиропроизводства
традиционной техники ванные заводы, IT-парки
Расширение фронта знаРазвивающиеся страны,
ний, производства
Рынок
колонии
и продажи информации
Мануфактурное
Интеллектуальная
Ведущие отрасли
производство
индустрия
Производство средств
Матричная структура
производства
промышленности: все
Структура прои инфраструктура
отрасли взаимосвязаны,
мышленности
(транспорт, энергетика,
нет разделения на персвязь)
вичные и вторичные
Закон информационной
Закон цен (по соответстоимости (объем знаСоциально-эконоствию спроса и предлоний, овеществленных
мический принцип
жения)
в товаре)
Централизованная
Функциональное общеФорма организавласть (иерархическая
ство (децентрализованции общества
структура)
ная структура)
Продукты
Полезные товары
и услуги
Таблица 1.2
Цели и проблемы информационного общества
Характеристика
Общество
Индустриальное
Информационное
Цели и приоритеты
Валовой внутренний
продукт
Формы политического
управления
Парламентская
демократия
Движущие силы
социальных изменений
Рабочее движение
Социальные проблемы
Тоталитаризм, войны,
фашизм, безработица
Валовое внутреннее
потребление
Непосредственное
участие граждан
в принятии решений
Гражданское
движение
«Футуршок», террор, проникновение
в частную жизнь
13
Окончание табл. 1.2
Общество
Характеристика
Индустриальное
Информационное
Наиболее высокая ступень развития
Высокое массовое
потребление
Высокое массовое
творчество,
производство знаний
Стандарты ценностей
Материальные ценности (удовлетворение
физиологических потребностей)
Духовные (информационные) ценности
Этические стандарты
Осуществление основных человеческих прав
Самодисциплина
Дух времени
Возрождение
человеческой свободы
Единство природы
и человека, единая
экологическая
система
Таблица 1.3
Особенности экономики информационного общества
Экономика
Старая
Новая
Опора на полученные знания и навыки
Обучение – непрерывный процесс
Опора на безопасность
и стабильность
Готовность к риску
Ориентация на сохранение
Ориентация на создание новых рабочих мест
рабочих мест
Опора на капитал
Опора на знания и интеллектуальную
собственность. Капитал – один из рабочих
инструментов, факторов производства
Стремление к сохранению
status quo
Скорость и изменения
Концепция «выигрыш /
проигрыш» (одна из сторон выигрывает от сделки
больше)
Концепция «выигрыш / выигрыш» (каждая
из сторон получает явный выигрыш)
Высокая степень внешнего
регулирования
Формирование новых альянсов
и саморегулирование
14
Информатизация изменяет все сферы жизни человека:
− техническую – вследствие повсеместного внедрения цифровых информационных технологий;
− экономическую – благодаря превращению информации в товар;
− социальную – информация стала главным измерителем качества жизни;
− политическую – благодаря свободному доступу к информации
и обмену мнениями;
− культурную – из-за изменения форм, норм и ценностей общественной жизни.
Возрастающий объем информационного ресурса вовлекает в информационную индустрию все большее число людей. Рис. 1.5 иллюстрирует тенденции в распределении рабочей силы между отраслями экономики. Из него видно, что доля занятых в сфере производства и распространения информации стремительно увеличивается
по отношению к другим видам человеческой деятельности. Вклад
информационного сектора в ВВП развитых стран приблизился
к 40 %, а 60–70 % новых рабочих мест в развитых странах связаны
сегодня с той или иной формой обработки информации [1].
Приведенные аргументы на качественном уровне обосновывают
необходимость внедрения в социально-экономические структуры
новых информационных технологий. Количественное обоснование
этого обстоятельства дал академик В. М. Глушков, который оценил
Доля занятых
в разных
областях, %
70
60
50
Инфокоммуникации
40
Услуги
30
Промышленность
20
10
0
Сельское хозяйство
1800
1850
1900
1950
2000
Годы
Рис. 1.5. Тенденции в распределении рабочей силы между
отраслями промышленности
15
сложность задач управления большими экономическими системами и сопоставил ее с пропускной способностью организационных
систем управления.
Его рассуждения сводятся в основном к следующему. Всякая
экономическая система представляет собой совокупность элементарных объектов, между которыми имеется та или иная система
связей. Очевидно, что сложность управления так или иначе зависит от числа материальных, информационных, энергетических
и других связей между этими объектами. Сложность управления
с определенной степенью достоверности можно оценивать при этом
линейной функцией числа связей, что позволяет рассматривать общую сложность управления как сумму сложностей управления отдельными связями.
Проведенные исследования показали, что со второй половины
XX в. рост числа связей выражается не менее чем квадратичной
функцией от числа элементарных объектов, в частности, от числа людей и единиц оборудования, занятых в материальном производстве.
Если число людей обозначить через n, а число единиц оборудования – через m, то функция c(m+n)2 является оценкой сложности задач
управления (c – некая константа). Если далее через A обозначить пропускную способность человека в системе управления, то суммарные
возможности переработки информации для коллектива из n человек
не могут быть больше, чем An. Таким образом, при достижении достаточно больших размеров любая экономическая система должна проходить два информационных барьера. Сначала, когда оказывается,
что c(m+n)2 = A, система уже не может полностью управляться одним
человеком. Затем, когда c(m+n)2 = An, для полного решения всех задач управления не хватит всех имеющихся в наличии людей.
Когда процесс роста и объединения систем, действующих в человеческом обществе, вызвал переход через первый информационный барьер, люди получили два механизма распараллеливания
функций управления – иерархические структуры управления и
товарно-денежные отношения. В первом случае задача распараллеливания решается прямым путем, во втором случае – косвенным,
поскольку каждый акт купли/продажи на рынке влияет на уровень
цен, а через них и на уровень производства. Товарно-денежные отношения фактически создают возможность вовлечения в процесс
принятия управленческих решений всего взрослого населения.
Однако этого оказывается недостаточно для достижения экономической системой второго информационного барьера, который,
по оценкам разных специалистов, индустриально развитые стра16
ны прошли примерно в середине XX в. Так, к началу 1970-х годов
оценкой снизу для сложности задач управления считалось число,
равное примерно 1016 арифметическим операциям. Хорошей оценкой сверху возможностей человека является примерно 106 арифметических операций в год. Таким образом, для решения управленческих задач уже недостаточно всех людей, живущих на Земле!
С этого момента классические приемы распараллеливания задачи
управления экономикой все больше теряют свое значение в сравнении с коренной задачей – повышением производительности труда
управленческого аппарата. Основным методом здесь является внедрение информационных систем, которые «усиливают» интеллектуальные возможности человека.
Очевидно, что уровень развития цивилизации зависит от объемов информации, которая создается людьми, сохраняется ими для
дальнейшего использования, перемещается между ними во времени и пространстве. На основании этого можно выделить следующие
уровни развития цивилизации:
− предъязыковой (~107 бит) – доступная для использования информация хранится в памяти человека и накапливается каждым
самостоятельно с учетом собственного жизненного опыта;
− языковой (~109 бит) – каждый человек обладает не только собственной информацией, но и информацией своих современников;
− письменный (~1011 бит) – человек дополнительно получает доступ к информации, содержащейся в рукописях, которые созданы
современниками и предшествующими поколениями;
− печатный (~1017 бит) – возможность доступа к информации
расширяется благодаря библиотекам. Объем доступной информации становится больше, чем возможности человека при ее изучении;
− компьютерный (~1025 бит).
Современный уровень развития цивилизации характеризуется
стремительным ростом мощности инфокоммуникационных сетей,
обеспечивающих доступ каждому к глобальному информационному ресурсу всего человечества и лавинообразным ростом объема
информации. В 2011 г. объем цифровой информации приблизился
к 1800 экзабайтам (1 Эбайт = 1018 байт) и в десять раз превысил
объем 2006 г.
В настоящее время уже накоплены настолько большие объемы
информационного ресурса, что главной проблемой информационного общества в технологической сфере стала сложность доступа
к данным в процессе удовлетворения информационных потребностей людей. Основная задача технологии информационного обще17
ства заключается соответственно в повышении эффективности процедур доступа к данным с применением инфокоммуникационных
систем, реализующих функции сохранения, распространения и обработки данных [16].
Эта проблема решается на всех уровнях: применительно к конкретным людям, предприятиям, государствам и на межгосударственном уровне.
На основании проведенного анализа становится очевидно, что
комплексная автоматизация, информатизация управленческой
деятельности относятся к числу важнейших задач современности. Современному производству наряду с финансовым, кадровым
и производственным менеджментом необходим информационный
менеджмент, главная функция которого – это интеграция отдельных
компонентов хозяйственной деятельности в единую информационную систему. Менеджер по информации должен нести ответственность за создание информации, организованной в банки данных и
банки знаний, ее эффективное использование, информационные
связи подразделений предприятия друг с другом и внешней средой,
техническое и организационное обеспечение такого процесса и т. п.
Решение этих задач на современном этапе основывается на технологии, инструментальным компонентом которой являются цифровые средства информатизации (табл. 1.4). В основе этих средств лежат достижения в области электроники, фотоники и радиотехники.
Электроника обеспечивает аппаратную платформу для решения
задач хранения и обработки информации. Важный технологический
принцип сформулировал в 1964 г. Г. Мур: «Производительность
кремниевых интегральных микросхем и количество транзисторов на одном кремниевом кристалле будут удваиваться каждые
Таблица 1.4
Сравнение технологии индустриального и информационного общества
Характеристики
технологии
Общество
Индустриальное
Информационное
Инструментальный
компонент
Паровая машина
Компьютер
Основные функции
и цели
Замена физического
труда машинами
и компьютерами
Усиление значимости
интеллектуального
труда
Характер
производительных
сил
Материальные
Информационные
18
18 месяцев, а их стоимость при этом будет уменьшаться в два раза».
Таким образом, возможности аппаратной платформы для создания
компьютерных технологий растут такими же темпами, как и объем
информационного ресурса в обществе. Закон Мура будет справедлив
примерно до 2015 г. Это означает, что в ближайшем будущем:
− станет возможной реализация персонального компьютера,
телекамеры, мобильного терминала, других электронных изделий
на одной микросхеме при значительном расширении их функциональных возможностей;
− емкость оперативной памяти компьютера достигнет нескольких террабит (1 Тбит = 1012 бит), что по объему соизмеримо с объемом информации, хранящейся в мозге человека (объем памяти
человека не превышает 100 – 400 Тбит);
− стоимость персонального компьютера с вычислительной мощностью, соизмеримой с возможностями мозга человека, будет равна примерно 30 тыс. р.;
− существенно уменьшится мощность, потребляемая электронными устройствами.
Главный резерв улучшения характеристик электронных компонентов связан с наноэлектроникой – областью электроники, где
создают интегральные электронные схемы с топологическими размерами элементов менее 0,1 мкм (1 мкм = 10–6 м). В перспективе
технология может перекрыть весь диапазон размеров вплоть до
атомарного (примерно 10−10 м).
Одновременно увеличивается объем информации, который может быть сохранен на долговременных цифровых информационных носителях. Максимальная теоретическая плотность данных
в случае использования магнитной записи с подогревом (технология HAMR) в ближайшее время составит 5−20 Тбит на квадратный
дюйм. Предполагается, что к 2014 г. емкость твердотельного накопителя SSD приблизится к 16 Тбит. Согласно новому открытию,
можно синтезировать частицу ДНК, записать в нее экзабайты данных и сохранять их теоретически тысячи лет в лиофилизированной форме.
На смену кремниевым технологиям должны прийти оптические
и квантовые методы обработки и сохранения данных, которые обладают несоизмеримо большими возможностями.
Фотоника объединяет разнообразные технологии создания волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) от изготовления лазера
до производства оптического волокна. Для ВОЛС характерно также увеличение объемных характеристик при уменьшении относи19
тельной стоимости систем. Пропускная способность коммерческих
ВОЛС удваивается за год, т. е. возрастает даже быстрее, чем производительность электронных устройств, и в два раза быстрее, чем
объем информационного ресурса в обществе. Эти темпы должны сохраняться в течение следующих примерно десяти лет.
Современные технологии модуляции с разделением каналов
по длине волны позволяют получить скорость передачи 10 Тбит/с
в одном волокне без переприема при передаче информации на расстояние до 100 км. Это означает, что всю информацию из мозга человека или весь мировой объем междугородного и международного
трафика можно передать на значительные расстояния по одному
волокну за несколько секунд.
Технологии построения ВОЛС приводят к снижению стоимости передачи 1 бита информации. В результате магистральные сети становятся «гладкими» в том смысле, что затраты на передачу
информации зависят не от расстояния, на которое эта информация
передается, а только от ее объема.
Главный резерв увеличения дальности оптических систем заключается в отказе от оптоэлектрических и электрооптических
преобразований на этапах усиления и ввода/вывода сигналов.
С этой целью разрабатываются новые типы лазеров, оптические
регенераторы, маршрутизаторы и другие оптические устройства.
В перспективе возможна полная замена электронных технологий
на оптические.
Достижения в области радиотехники привели, в частности, к появлению мобильных сетей (сети связи с подвижными объектами).
В последние годы постепенно изменяются роль и место, которое
они занимают в общей архитектуре телекоммуникационных технологий. Число абонентов мобильной и фиксированной связи в мире
сравнялось примерно в 2004 г. (рис. 1.6) и в 2005 г. превысило 1,5
млрд подключений.
Мобильные сети становятся универсальным средством доступа пользователей к глобальным сетям, информационным услугам
и контенту. Возможность мобильной передачи экономической информации, в первую очередь мобильные платежи, когда мобильный телефон заменит и наличные деньги, и кредитные карты, существенно повлияет на технологии ведения бизнеса.
Для того чтобы мобильные сети заменили привычный стационарный доступ к получению услуг по передаче голоса, видео и данных, инженерам-радиотехникам необходимо добиться увеличения
спектральной эффективности, т. е. получения числа информаци20
Число абонентов, млн чел.
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
Годы
Рис. 1.6. Развитие мобильных и фиксированных сетей связи
– cтационарные абоненты,
– мобильные абоненты
онных бит, которое можно передать в спектре 1 Гц. Спектральная
эффективность определяется формулой К. Шеннона
æSö
C
= log 2çç ÷÷÷,
(1.1)
çè N ø
W
где C – максимальная пропускная способность канала, бит/с; W – ширина спектра сигнала, которая ограничивает скорость модуляции,
т. е. число дискретных состояний (символов), передаваемых в единицу времени, Гц; S/N – отношение мощности сигнала к мощности шума, которое задает максимально возможное число различимых уровней квантования в амплитудной модуляции (или объем алфавита
символов); log2(S/N) – число бит, передаваемых одним символом.
Ключевыми факторами здесь являются методы сжатия сигналов, их кодирования и обработки и построения нового типа множественных приемо-передающих антенн. Использование этих методов позволит приблизить спектральную эффективность к ее теоретически возможным значениям.
Перечисленные достижения в базовых областях построения информационных систем и сетей связи определили переход к новому инновационному циклу развития человечества. При анализе
этих циклов общепринятой является модель волн Н. Кондратьева
(1892−1938), которая приведена на рис. 1.7. В соответствии с ней динамика роста и падения значений экономических показателей с конца XVIII в. описывается большими волнами. Каждая большая волна
связана с открытием принципиально новой технологии, которая спо21
1793 г.
1-я волна
2-я волна
Паровая
машина
Железная
дорога
1847 г.
3-я волна
4-я волна
5-я волна
Электриче- Автомобили, Вычислительство,
электроная техника
химия
ника
и связь
2040 г.
1990 г.
1939 г.
1893 г.
Рис. 1.7. Инновационные циклы (по Кондратьеву)
собна изменить производственные отношения. Нарастающий фронт
каждой большой волны укладывается в два-три десятилетия и включает в себя более короткие промышленные инновационные циклы,
объединяющие значительное число открытий и изобретений [14].
Как показано на рис. 1.5, начало пятой инновационной волны
можно отнести к 90-м годам XX в. Именно в эти годы были изобретены и получили широкое распространение такие системы, как персональные компьютеры и сверхмощные компьютерные системы,
новые типы систем хранения информации, интеллектуальные и экспертные информационные системы, цифровые сотовые сети, интеллектуальная сеть, Интернет, высокоскоростные системы передачи
на базе ВОЛС, и др. Подтверждением этого является время создания
и(или) принятия стандартов на следующие важные технологии:
− сохранения данных: винчестер – 1973, CD – 1982, SCSI – 1986,
RAID – 1987, FibreChannel – 1994 г.;
− распространения данных: OSI/RM – 1978, Ethernet – 1980,
TCP/IP – 1983, GSM – 1989 г.;
− обработки данных: ПК – 1981, UNIX – 1982, Windows 1.0 –
1985, C++ – 1985, SQL – 1987 г.
Последовавшая затем конвергенция услуг систем хранения данных, телекоммуникаций и вычислительной техники как раз и породила новую технологию инфокоммуникации (рис. 1.8), которая
стала доминирующей областью деятельности человека и может
быть названа технологией XXI в.
Таким образом, стремительный рост объема информационного
ресурса, на котором основывается интеллектуальный потенциал современного общества, требует для освоения и распространения разработки и внедрения новой информационной и коммуникационной
технологии целого комплекса принципиально новых взаимосвязанных научных, технологических и инженерных методов и средств, построенных на использовании вычислительной техники и связи [13].
В 2008 г. стало очевидно, что информационное общество в России
развивается гораздо медленнее, чем в других странах, и в существо22
Системы
хранения
данных
Магнитная, полупроводниковая, оптическая технологии сохранения данных, сети
хранения данных, формирование глобального информационного ресурса и др.
ИнфокоммуТелекоммуникации
Архитектура систем, алгорит- никационные
мика, среда программировния,
технологии
структурирование данных,
операционные системы и др.
Открытые архитектуры, мультиплексирование, коммутация,
широкополосный доступ, мобильВычислительная ность, волоконно-оптические линии
техника
связи, Интернет и др.
Рис. 1.8. Возникновение инфокоммуникационных технологий
вавших условиях невозможно ожидать каких-либо заметных перемен. Поэтому наше государство приняло решение пересмотреть подход к политике в области информационных технологий. Главная
идея нового подхода заключается в том, что ценность представляют
не внедренные технологии и разработанные информационные системы сами по себе, а то, какую пользу они приносят гражданам, бизнесу, всему обществу.
Для создания эффективной системы использования информационных технологий была разработана государственная программа
«Информационное общество (2011−2020)». Цель программы – получение гражданами и организациями преимуществ от применения информационных и телекоммуникационных технологий.
Задачи программы:
− обеспечение предоставления гражданам и организациям услуг
с использованием современных информационных и телекоммуникационных технологий;
− развитие технической и технологической основы становления
информационного общества;
− предупреждение угроз, возникающих в информационном обществе.
Таким образом, технологическая основа информационного общества была создана благодаря поэтапному развитию цифровых
технологий сохранения, распространения и обработки информации и их конвергенции в инфокоммуникационных системах.
23
До сих пор эти технологии развивались по экстенсивному пути.
Другими словами, совершенствовались в основном объемные характеристики, такие, как плотность записи в системах хранения, пропускная способность систем распространения, технологический процесс в системах обработки данных. На сегодняшний день технологические проблемы сохранения, распространения и обработки больших
объемов информационного ресурса можно считать решенными.
Для перехода к интеллектуальному обществу необходимо интенсивное развитие [14]. Это означает, что должна появиться новая, интеллектуальная, возможно, нецифровая, технология работы с информацией, предоставляющая пользователю такие инструменты, которые позволят ему самостоятельно создавать новые
средства для эффективного применения информационного ресурса
в интересах развития цивилизации [1,16].
Контрольные вопросы по теме
1. Каковы особенности информационного общества как очередного этапа развития человечества?
2. Что такое ноосфера по В. И. Вернадскому? Какие функции
выполняют материальный и интеллектуальный уровни?
3. В чем состоит количественное обоснование необходимости
внедрения новых информационных технологий по В. М. Глушкову?
4. Каковы особенности социально-экономических структур индустриального и информационного общества?
5. Каковы цели и проблемы индустриального и информационного общества?
6. Каковы особенности экономики информационного общества?
7. Как изменялся объем информации на разных этапах развития
человечества?
8. В чем состоит главная технологическая проблема информационного общества? Что означает «информационный менеджмент»?
9. Каковы основные достижения в области электроники, фотоники и радиотехники?
10. В чем состоят особенности характеристик инновационных
циклов развития человечества? Как были созданы инфокоммуникационные технологии?
11. В чем заключаются цель и задачи Государственной программы «Информационное общество (2011−2020)»?
24
2. ИНФОРМАЦИЯ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Термин «информация» (лат. informatio – разъяснение, изложение, осведомленность) является ключевым в информатике и интуитивно понятен любому человеку, поскольку он часто встречается
с ним не только в специальных трудах, но и во множестве обиходных ситуаций. Однако, с научной точки зрения, понятие «информация» стоит в одном ряду с такими фундаментальными категориями, как пространство, время, материя и энергия и не может быть
выражено через более общие понятия. Поэтому в научной литературе оно имеет множество определений, которые после тщательного анализа, как правило, признаются недостаточно полными [3].
В связи с этим информация как объект исследования изучается
с разных позиций для получения ответов на множество вопросов:
Как информация влияет на поведение потребителей информации?
Какую роль играет информация в процессе открытия новых явлений объективного мира, получения, преобразования, развития и
накопления новых научных знаний?
Каким образом информация передает значение и смысл, как интерпретировать информацию?
Как выбрать способ материального воплощения информации,
обеспечить преобразование одних информационных объектов
в другие?
Как сформулировать требования к точности, надежности, временным параметрам хранения и передачи информации?
Как определить ценность информации? И многие другие.
Поиск ответов на подобные вопросы имеет мировоззренческое
значение, придает человеческой деятельности организованный, осмысленный и целенаправленный характер.
2.1. Сущность информации
Рассмотрим взгляды на понятие «информация», которых придерживаются специалисты разных областей знания.
Первые попытки изучения информации были предприняты
в рамках теории журналистики в 20−30-е годы XX в. Основной подход к сущности информации в данной теории заключается в том,
что она – принципиально субъективное понятие, связанное с обменом сообщениями между людьми (субъектами). Тогда же было
сформировано одно из определений информации, применяемое до
25
сих пор: информация – это сообщение, осведомление о положении
дел, сведения о чем-либо, передаваемые людьми.
Понимание того, что информацию следует рассматривать как
самостоятельный объект, возникло в середине XX в. вместе с кибернетикой – наукой об управлении. Кибернетика оценивает взаимодействие системы со средой и элементов системы друг с другом
исключительно как информационное в отличие от других наук, где
то же взаимодействие может исследоваться как физическое, химическое, биологическое и т. п. Процессы управления в кибернетических системах определяются как перевод системы в одно из возможных состояний, производимый в результате передачи и получения
информации. Основная задача управления, с точки зрения кибернетики, – сохранение и накопление имеющейся и поступающей в систему информации, что эквивалентно сохранению или повышению
организованности системы [3, 19].
Информация в кибернетике – это нечто нематериальное, но при
этом самым существенным образом влияющее на поведение системы и принятие решений.
В философии различают две информационные концепции –
атрибутивную и функциональную.
При первом подходе выделяется статический аспект информации, делается упор на объективность ее существования, независимость от процесса использования. Предполагается, что все объекты
природы могут порождать и хранить информацию. Информация
представляется как всеобщее неотъемлемое свойство всех материальных объектов живой и неживой природы естественного и искусственного происхождения, носит абсолютный характер, является
атрибутом материи. При этом информация существует и хранится
в форме определенных структурных изменений объекта.
Функциональный подход связывает информацию не столько
с внутренними свойствами объектов материального мира, сколько с изменением их состояний, взаимодействием друг с другом.
Предполагается, что придание объекту некоторого количества информации позволяет реализовать определенные процессы, которые
не могли бы быть реализованы в ее отсутствие. Наличие информации
в объекте может способствовать получению тех или иных эффектов,
которые могут иметь то или иное значение. При этом информация
носит относительный характер, поскольку может быть извлечена и
использована для познания мира только тем из взаимодействующих
объектов, который способен в данных конкретных условиях воспринять информацию в своих целях. Таким образом, для информацион26
ного взаимодействия объектов необходимо обеспечить преобразование хранимой информации и ее передачу от одного объекта к другому [12].
Представители естественнонаучных дисциплин предлагают рассматривать информацию как физическую величину в одном ряду,
например, с массой, температурой или силой электрического тока.
Для того чтобы пояснить это положение, приведем два примера:
− живая природа. Две молекулы ДНК могут иметь одинаковые
значения энергии и энтропии и в то же время отличаться по свойствам. Физическая величина, определяющая степень этого различия, и есть информация;
− технические системы. Мощность паровой машины зависит не
только от разности температур нагревателя и холодильника, но и
от взаимного расположения золотника и шатунов с кривошипом.
Степень соответствия их положений можно оценивать специальной
физической величиной – информацией, поскольку она отражает
именно степень информированности одной части системы о другой.
В рамках кибернетики сформировалась классическая теория
информации, или теория связи, родоначальником которой является К. Шеннон. Ученые, развивавшие это направление, не стремились дать строгое определение понятию «информация», а ввели
и определили понятие «количество информации». Очевидно, что
количественная оценка не должна быть связана с содержательной
стороной. В основе оценки количества информации лежит следующая идея: информация устраняет неопределенность, незнание
того, в каком из возможных состояний находится описываемый
объект [18, 21].
Чем больше неопределенность выбора или, другими словами,
чем в большем числе состояний может находиться объект, тем
больше информации можно получить из сообщения о его конкретном текущем состоянии, так как оно устраняет большую неопределенность [18].
Вот, например, какие определения понятия «информация» дали ученые – авторы теории, положенной в основу современной информатики:
− отрицательная энтропия (негэнтропия) (Л. Бриллюэн);
− снятая неразличимость, передача разнообразия (У. Р. Эшби);
− мера сложности структур, мера упорядоченности материальных систем (А. Моль);
− отраженное разнообразие (А. Д. Урсул);
− вероятность выбора (А. М. Яглом, И. М. Яглом).
27
Таким образом, своеобразным базисом для измерения количества информации выступает мощность исходного множества объектов или состояний системы. Информация для инженера – это
внутреннее свойство сообщения, никак не связанное со смыслом,
вложенным в сообщение авторами.
Понятие «информация» является также юридическим термином и рассматривается с точки зрения экономики и права.
Любой вид деятельности государства, предприятий или граждан предполагает получение информации по каналам связи, ее
обработку, принятие решений на основе анализа и, наконец,
передачу принятых решений по назначению. Искажение информации, блокирование ее получения и передачи так же, как
и внедрение ложной информации, способствуют принятию ошибочных решений либо мешают реализации уже принятых правильных решений.
В последние годы было принято много законов и актов, регулирующих вопросы информатизации. В Федеральном законе «Об информации, информационных технологиях и защите информации»
дается следующее определение: «Информация – сведения (сообщения, данные) независимо от формы их представления». С этих позиций применительно к экономическим информационным системам под информацией наиболее конструктивно понимать новые
сведения, позволяющие улучшить процессы, связанные с производством, распределением, обменом и потреблением материальных
благ и самой информации [12].
Согласно принятому закону, информация наделена правами
товара. Она может представлять определенную ценность, обмениваться, продаваться, дариться, наследоваться [13].
В целом наука рассматривает информацию как меру неоднородности распределения материи и энергии в пространстве и времени, меру изменений, которыми сопровождаются все протекающие
в мире процессы.
Обобщая существующие взгляды на понятие информации, можно выделить два противоположных, но дополняющих друг друга
аспекта:
− информация (или первичная информация) существует объективно – это атрибут всей живой и неживой материи, мера неоднородности распределения материи и энергии в пространстве
и времени. Первичная информация создается в соответствии с объективными законами природы как самой природой, так и человеком в процессе труда и воздействия на нее;
28
− информация (или вторичная информация) является субъективным понятием – это сведения о чем-либо независимо от формы
их представления, выраженные в данных, сигналах, сообщениях,
известиях, уведомлениях, документах и других информационных
объектах, которые создало и накопило человечество, изучая объективный мир в процессе социальных и экономических взаимодействий. Таким образом, вторичная информация – это результат познания, научного исследования мира.
Информация является результатом отражения, под которым
понимают самую общую форму взаимодействия различных систем
материального мира. В частном случае при информационном взаимодействии людей могут быть выделены источник и получатель информации (рис. 2.1).
Человек воспринимает информацию только с помощью органов
чувств через физические поля – электромагнитные и звуковые волны, космические, гамма- и рентгеновские излучения, гравитацию
и др. Смысловое содержание информации передается от человека
к человеку с помощью языка.
ИНФОРМАЦИЯ
Семантика
Синтаксис
Прагматика
Смысловое
содержание
Материальное
представление
Потребность
потребителя
Тезаурус
Данные
Старение
информации
Язык
Цифровизация
Количество
информации
Объем
информации
Рис.2.1. Свойства информации
29
Наука, изучающая свойства естественных и искусственных
языков представления информации, называется семиотика. Она
включает в себя три раздела – семантику, синтаксис и прагматику. Семантика рассматривает отношение информационных языков
с реальной действительностью, позволяет оценить смысл информации. Синтаксис исследует внутренние свойства языков, не связанные со смыслом, изучает способы материального представления
информации. Прагматика связана с ее ценностью, возможностью
достижения потребителем поставленных целей с помощью получаемой информации.
Ценность информации связана с особенностями конкретных
предметных областей. Одна и та же информация может быть чрезвычайно полезна в одной и абсолютно бесполезна в другой ситуации. Изучение прагматических свойств информации выходит за
рамки настоящего курса, поэтому подробнее остановимся на семантическом и синтаксическом аспектах.
2.2. Смысловое содержание информации
Главную ценность для человека имеет смысловое содержание
информации. Смысл – это понятие, которое описывает глобальное
содержание некоторого высказывания, не сводимое к значениям
составляющих его частей и элементов. Смысловые понятия и связи
между ними образуются в процессе мышления, которое является
свойством сознания человека. Человек – это единственная созданная природой структура, которая обладает сознанием. В человеческом сознании смысл существует в виде слов, образов, ощущений,
понятий, идей [5].
Смысл передается с помощью языка.
Язык – это набор знаков и связей между знаками, для которых
существуют правила смысловой интерпретации, позволяющие передавать смысловое содержание информации.
Для описания свойств знаков языка в семиотике предложен семантический треугольник (рис. 2.2). Структура знака объединяет
и смысл, и материальную форму воплощения этого смысла: реальный объект отражается в сознании в виде смысла, который выражается именем (физической формой) знака.
При этом язык может быть жестким или мягким. Жесткий
язык – это жестко детерминированная знаковая система, безусловным образом связывающая знаки с передаваемой информацией (языки программирования, генетики, дорожных знаков и др., рис. 2.3).
30
Смысл
От
ра
ж
ае
тс
я
Содержание знака
Называется
Форма знака
Объект
Рис. 2.2. Семантический треугольник
Мягкий язык – это знаковая система, в которой каждому знаку соответствует целое поле смысловых значений, реализуемых с разной
вероятностью (языки музыки, поэзии, человеческого общения и др.).
Чем выше интеллект взаимодействующих сторон, тем более
мягкий язык используется для взаимодействия. Интеллект компьютера, в частности, может быть измерен степенью мягкости языка, с помощью которого с ним взаимодействует человек. На сегодняшний день, несмотря на интенсивное развитие компьютерных
технологий и увеличение их объемных характеристик, которые
определяются терабайтами сохраняемых данных и петафлопсами
производительности, язык взаимодействия с компьютером остается жестким. Это свидетельствует о том, что компьютер не облаб)
а)
Лежать!
Стоять!
Рис. 2.3. Примеры жесткого и мягкого языков: а – жесткий язык жестов
передает информацию (команды) от кинолога к собаке; б – мягкий язык
музыки передает информацию (образы и ощущения) от музыканта
к публике
31
дает интеллектом и не способен порождать или постигать смысл.
Данное обстоятельство понимали ученые, создававшие теоретическую базу современной информатики в середине XX в. Например,
в монографии Н. Винера «Кибернетика» как одно из отличий ЭВМ
от человека отмечается способность компьютера правильно преобразовывать данные только в том случае, если он будет получать от
человека необходимую информацию в самой точной форме (с помощью жесткого языка взаимодействия).
Для формирования информационного базиса языка необходимо
установить соответствие между смысловыми понятиями и состояниями материального объекта. Состояния объекта станут знаками языка.
Рассмотрим пример. Пусть состояние объекта определяется расположением разных камней (рис. 2.4).
Каждому состоянию сопоставим еще три знака (латиница, азбука Морзе, таблица ASCII).
A
·
B
· · ·
C
 · ·
D
 ··
E
·
100 0001
100 0010
100 0011
100 0100
100 0101
В результате знаки информационного базиса получают и физическую, и смысловую интерпретацию, и появляются две возможности:
− для информирования кого-либо о текущем состоянии объекта
(например, положении камней) достаточно передать ему соответствующий знак;
− для формирования требуемого знака достаточно изменить состояние объекта.
Расположение камней, последовательность точек и тире, череда
1 и 0, графика букв – это разные информационные базисы (способы физического представления информации). Один и тот же смысл
можно передать на разных языках. Возможна перекодировка информации с одного языка на другой.
Информация кодируется порядком следования состояний материального объекта из информационного базиса. Так, генетический
код – это система обозначений последовательности расположения
Состояние 1
Песок Песок
Состояние 2
Песок
Состояние 3
Состояние 4
Песок
Песок
Состояние 5
Рис. 2.4. Примеры разных информационных базисов
32
Песок
материальных носителей наследственности (генов), передающаяся
от поколения к поколению. В ДНК используются четыре нуклеотида – аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), составляющие
информационный базис (язык) генетического кода (рис. 2.5).
Текстовый код – это системный способ кодирования речи человека последовательностями букв, причем разные этносы используют для отображения речи разные наборы букв. Алфавит – это информационный базис текстового кода.
Числовой код – системный способ кодирования количественной
меры объектов последовательностью цифр.
Информационный базис зависит от системы счисления. В информационных системах наиболее широко используют двоичную
систему 0, 1.
Например, латинские буквы кодируются в компьютере следующими цифрами:
С – числом 067 или 01000011
О – числом 079 или 01001111
М – числом 077 или 01001101
Р – числом 080 или 01010000
Свернутая
ДНК
Ген
Хромосома
Двойная
спираль ДНК
Четыре
основания
Гуанин
Тимин
Цитозин
Аденин
Сахарный фосфат −
основа ДНК
Рис. 2.5. Генетический код
33
U – числом 085 или 01010101
T – числом 084 или 01010100
Е – числом 069 или 01000101
R – числом 082 или 01010010.
Поэтому слово COMPUTER можно закодировать как 01000011
01001111 01001101 01010000 01010101 01010100 01000101
01010010
Последовательности знаков, с помощью которых кодируется
информация, во всех случаях имеют физическую реализацию (положение камней, генов, графика символа) – без этого нельзя осуществлять сохранение, передачу и обработку информации и отражают смысловое содержание – без этого теряется цель сохранения,
распространения и обработки информации.
С учетом сказанного информации, которой люди обмениваются друг с другом, можно дать следующее определение: это смысл,
созданный человеком и представленный им на каком-либо языке
взаимодействия в виде последовательности знаков, имеющих физическую реализацию.
2.3. Физическое представление информации
Для представления исходных объектов реального мира знаками языка взаимодействия необходимо выбрать такую физическую
форму знаков, которая была бы удобна при проведении информационных преобразований. Соответствующая форма называется
данными [11].
Данные – это физическая форма знаков языка, это способ материального представления информации, основанный на физических
законах и удобный с точки зрения сохранения, распространения и
обработки, это обобщенное обозначение любой материальной формы информации, это то, с чем имеет дело машина.
Данные переносят смысл, доступный источнику и получателю
информации, но того, кто преобразует данные, смысл не интересует.
Данные всегда связаны с каким-либо материальным носителем,
выбор которого зависит от материальной формы знаков языка, и
будут утрачены, если разрушить материальный носитель информационных знаков.
Преобразование данных может и должно быть автоматизировано.
Для любых данных можно определить две количественные характеристики: n – число знаков в языковой информационной по34
следовательности, m – число разных знаков, которые можно использовать в ней.
Показательная функция P = mn задает число разных последовательностей (сообщений), которые могут быть сформированы при этих
условиях. Если предположить, что любой знак может быть использован с одинаковой вероятностью 1/m, то и любое из P сообщений может быть сформировано с одинаковой вероятностью 1/P. Например,
существует 10n разных десятичных чисел длиной n знаков (цифр), и
любая цифра может быть использована с вероятностью 0,1.
В теории информации величина P используется в качестве меры количества данных. На практике вместо самой показательной
функции P удобнее использовать ее логарифм:
logkP = nlogkm.
Основание логарифма k логично выбрать равным k = 2:
log2P = nlog2m.
В современных компьютерных системах данные представляют
в виде последовательности двоичных чисел 0 и 1. В таком виде данные наиболее удобно сохранять на цифровых носителях, распространять по цифровым линиям связи и обрабатывать в цифровых
процессорах. Поэтому m = 2.
Двоичное число (n = 1), если предположить, что значения 0 и 1
возникают равновероятно, несет информацию
nlog2m = log22 = 1
и называется 1 бит. 8 бит – это 1 байт.
Бит можно рассматривать как логическое суждение со значениями «истина» и «ложь» (рис. 2.6).
Истина/Ложь
Есть/Нет
1 бит
Хорошо/Плохо
За/Против
Вперед/Назад
Да/Нет
Рис. 2.6. Бит как логическое суждение
35
Битовые операции близки к логическим связкам в булевой алгебре, где определена функционально полная система логических
утверждений И, ИЛИ и НЕ, комбинируя которые можно построить любое математическое высказывание. В конце 1930-х годов
К. Шеннон был первым, кто связал булеву алгебру с двоичными
переключающими цепями.
Таким образом, информация имеет идеальную и материальную
стороны. Идеальная сторона – это смысл, существующий в виде
образов, ощущений, понятий, идей, идеалов в сознании человека.
Материальное в информации – это вещественность реальных физических объектов, носителей данных.
Как связаны идеальное и материальное в информации? Можно
предложить несколько формул.
Идеальная составляющая информации – смысл – не зависит от
времени и сохраняет свое значение в неизменном виде до тех пор,
пока сохраняется в неизменном виде материальный носитель информации – данные.
Информация доступна человеку, только если она содержится на
материальном носителе в виде данных.
Информационные системы имеют дело с материальной составляющей информации и предназначены для автоматизации процессов преобразования данных. Материальный носитель информации
всегда характеризуется тремя координатами:
− интервалом времени, в течение которого он доступен для использования;
− местом размещения в пространстве;
− физической формой знаков языка представления смысла.
2.4. Данные в цифровой форме
Поскольку компьютерные технологии работают с данными,
представленными в цифровой форме, аналоговые (непрерывные)
данные требуется преобразовывать в дискретные (рис. 2.7).
Основной процедурой аналого-цифрового преобразования является разделение (дискретизация) пространства и времени на
фиксированные по размеру области (точки, отрезки, прямоугольники и т. п.). В каждой такой области характеристики аналогового сигнала считаются одинаковыми. Положение человека на наклонной линии задают значения координат X и Y (рис. 2.8). Они
изменяются непрерывно и принимают бесконечное множество
значений.
36
Преобразование голоса
(звука) в цифровые данные
Аналоговые данные
Преобразование изображения
в цифровые данные
... 11111110000010101011
Преобразование аналогового видео
в цифровые данные
Преобразование текста
в цифровые данные
... 00110101001010010...
Цифровые данные
...10010100001001010 ...
... 1010100001000110 ...
Рис. 2.7. Аналого-цифровое преобразование
Y
Аналоговые
данные
Дискретные
данные
Y4
Y3
Y2
Y1
0
t1
t2
t3
t
Рис. 2.8. Принцип дискретизации
37
а)
б)
Рис. 2.9. Виниловая пластинка и компакт-диск под микроскопом:
а – аналоговая, б – цифровая информация
На лестнице координаты человека принимают дискретные значения Xi и Yj и изменяются скачкообразно. Чем выше и шире ступеньки лестницы, тем «грубее» дискретизация аналоговых данных
X и Y. Аналого-цифровое преобразование всегда приводит к потере
части аналоговой информации.
Рассмотрим методы аналого-цифрового преобразования звука,
изображений, видео и текста.
Аналоговый звук создают, например, струны музыкального инструмента и голосовые связки человека, так как они совершают
непрерывные колебания во времени. Виниловая пластинка также
сохраняет аналоговый звук, так как звуковая дорожка непрерывно
изменяет свою форму в пространстве (рис. 2.9, а).
Компакт-диск, напротив, сохраняет дискретные данные, так
как они записаны c помощью чередования участков с разной способностью отражать лазерный луч (рис. 2.9, б).
Конструктивно компакт-диск (рис. 2.10) – это прозрачная
подложка, информационный рисунок, состоящий из ямок (питов) и промежутков между ними (лэндов) и отражающий слой.
Компакт-диск покрывается защитным лаком. Питы и лэнды
обеспечивают разную интенсивность отражения луча от отражающего слоя при поступлении его через подложку на вращающийся диск.
Аналого-цифровое преобразование (АЦП) звука происходит
в определенной последовательности. Аналоговый звук представляет собой сумму гармоник (синусоидальных колебаний). Одна из
таких гармоник показана на рис. 2.11, а. Сначала аналоговый сигнал замещается дискретными отсчетами (отрезками). Этот процесс
38
Защитный лак
Отражающий слой
Подложка
Питы и лэнды под микроскопом
Рис. 2.10. Принцип устройства компакт-диска
(рис. 2.11, б) называется дискретизацией, или квантованием по
уровню.
Период временной дискретизации (размер временных интервалов между дискретными отсчетами) определяется теоремой
В. А. Котельникова: если аналоговый сигнал имеет ограниченный
спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по
своим дискретным отсчетам, взятым с частотой, строго большей
удвоенной максимальной частоты спектра.
Длина отрезков равна уровню сигнала в соответствующий момент времени.
Далее каждому дискретному отсчету сопоставляется двоичный
код, задающий уровень аналогового сигнала в этот момент времени, т. е. выполняется кодирование (рис. 2.11, в). В результате получаем набор цифр (цифровой сигнал), которые могут быть сохранены в памяти компьютера, переданы в линию связи или пересчитаны в другой набор цифр с помощью цифровых технологий.
Чем меньше период дискретизации и больше число уровней выделяется в процессе кодирования, тем более качественна оцифровка аналогового звука.
Для того чтобы сохраненный цифровой звук могло воспринять
человеческое ухо, необходимо обратное преобразование цифровых
39
а)
Амплитуда
Время
б)
Уровни
квантования
6
5
4
3
2
1
Время
в)
3 5
6
6
7
6
6 5 3 2 1
0
0 1
2
4 5
011 101 110 110 111 110 110 101 011 010 001 000 000 001 010 100 101
Рис. 2.11. Аналого-цифровое преобразование звука:
а – одна гармоника звукового сигнала; б – квантование звукового
сигнала; в – кодирование того же сигнала
АЦП
ЦАП
Рис. 2.12. Принцип цифроаналогового преобразования звука
40
данных в аналоговые. Цифроаналоговое преобразование (ЦАП)
производится в обратном порядке (рис. 2.12)
Перейдем к рассмотрению способов создания цифровых изображений.
Изображение – это зрительное восприятие чего-либо. В аналоговых изображениях цвет и контуры фигур меняются непрерывно.
Их можно нарисовать, например, с помощью карандаша, красок
и кисти или зафиксировать аналоговым фотоаппаратом, который
формирует изображение на светочувствительной фотопленке на
молекулярном уровне.
Примером дискретных изображений могут служить светодиодное панно (рис. 2.13, а) или мозаика из кусков колотой смальты
(рис. 2.13, б). Цифровые технологии позволяют создать дискретное изображение с помощью цифрового фотоаппарата, матрица
светочувствительных элементов которого (рис. 2.13, в) преобразует свет (поток фотонов) в электрический сигнал (в электроны) благодаря внутреннему фотоэффекту в кремниевой структуре. Чем
больше света попадает на элемент матрицы, тем больше образуется электронов и выше напряжение сигнала на выходе элемента.
Значение этого напряжения сохраняется в памяти фотоаппарата.
В совокупности элементы светочувствительной матрицы формируют цифровой код, который и представляет собой дискретное
изображение. Если элементы матрицы закрыть красными, зелеными и синими светофильтрами, то цифровой код будет нести и
информацию о цвете. Зеленых фильтров должно быть больше,
чем красных и синих, из-за особенностей восприятия цвета глазом человека.
В любом случае цифровое изображение – это набор отдельных
квадратов (или других геометрических фигур) разного цвета, на
границе которых цвет и контуры меняются скачкообразно, а качество изображения зависит от размера квадратов (рис. 2.13, г).
Элементы цифровых изображений называются пикселями. В общем случае для перехода от аналогового изображения к цифровому
необходимо осуществить пространственную дискретизацию – разбить изображение на отдельные пиксели.
Сохранить цифровое изображение – значит сохранить данные
о расположении (координатах в пределах изображения) и цвете
каждого пикселя. Данные о координатах пикселей задают одним
из двух способов:
– растровой картой – массивом данных, элементы которого
определяют положение и цвет пикселей на плоском изображении.
41
Рис. 2.13. Цифровые изображения
Приемы работы с изображениями, сохраненными в виде растровой
карты, называются растровой графикой;
– геометрическими примитивами (прямоугольниками, окружностями, эллипсами, линиями и др.), которые задаются формулами относительно точки начала координат. Приемы работы с такими изображениями называются векторной графикой.
Всегда возможно осуществить преобразование растровых изображений в векторные и, наоборот, векторных – в растровые.
Цвет пикселя также можно задать двумя способами:
– номером цвета в специальной структуре данных, которую называют палитрой;
– номерами яркости координат модели RGB (Red, Green,
Blue).
Глубина цвета – это число бит, которое выделяется для задания
цвета одного пикселя. Палитра используется, если необходимо за42
Таблица 2.1
Соответствие между глубиной цвета и числом цветов
Глубина цвета, бит
1
Число цветов
2
8 = 3 + 3+ 2
12 = 4+ 4+ 4
16 = 5 + 6 + 5
18 = 6 + 6 + 6
24 = 8 + 8 + 8
28 = 256
212 = 4096
216 = 65536
218 = 262144
224 = 16 777 216
дать небольшое число (обычно от 2 до 256) цветов. Если же изображение характеризуется разнообразной цветовой гаммой, то модель
RGB позволяет уменьшить объем изображения.
В табл. 2.1 приводится соответствие между глубиной цвета и
числом цветов, которое может быть сформировано при такой глубине.
В столбце «Глубина цвета» указано число бит, которое выделяется для задания яркости красного, зеленого и синего цветов соответственно.
Качество изображения и объем данных для его сохранения зависят от разрешения (число пикселей на единицу площади изображения) и глубины цвета. Для уменьшения объема изображения эти
параметры следует, напротив, уменьшать, так как
V = RSG,
где V – объем изображения, бит; R – разрешение; S – площадь изображения; G – глубина цвета.
Уникальным примером оцифровки аналогового изображения может служить репродукция фрески Леонардо да Винчи
«Тайная вечеря» в высоком разрешении – более 16 гигапикселей
(16⋅109 пикселей), 172 181 пикселей в ширину и 93 611 пикселей
в высоту (рис. 2.14).
Качество изображения не ухудшается даже при многократном
увеличении и позволяет рассмотреть каждый миллиметр росписи.
Это сделано для всех, желающих изучить выдающееся произведение искусства, доступ к оригиналу которого ограничен из-за трудностей его хранения. Благодаря оцифровке можно увидеть даже
черновой рисунок Леонардо, сделанный им еще до нанесения красочного слоя на стену. Объем изображения составляет примерно
64 Гбайт.
43
Рис. 2.14. «Тайная вечеря» Леонардо да Винчи
Изображение, которое изменяется во времени, называется видео, а статические изображения, являющиеся элементами видеоряда, – кадрами. Принцип последовательной демонстрации кадров
(сначала 16, потом 24 кадра в секунду) был изобретен в аналоговых
кино и телевидении. Первый кинофильм – «Прибытие поезда на
вокзал Ла-Сиоты» – в 1895 г. создали братья Люмьер.
В аналоговом кино кадры формируются на светочувствительной кинопленке, как и аналоговые фотографии, на молекулярном
уровне, в аналоговом телевидении – с помощью электронно-лучевой трубки с кадровой и строчной разверткой.
Цифровое видео – это видео, в котором отдельные кадры (фреймы) формируются как цифровые изображения. Число фреймов
в секунду (fps – Frame Per Second) может изменяться от 25 до нескольких сотен.
Главная проблема при хранении и обработке цифровых видеоданных – их большой объем, который можно рассчитать по формуле
W= V fps Т,
где W – объем видео, бит; V – объем изображения в видеоряде (фрейма), бит; T – продолжительность видео, с.
Для уменьшения объема видеоданных применяют кодирование
с потерей исходной информации. В основе сжатия лежат два принципа:
44
К
лю
че
вы
е
ка
д
ры
из Ци
о ф
(к бра ров
ад ж ы
ры ен е
) ия
− пространственный – каждый кадр содержит группы близких по цвету пикселей, различия которых почти незаметны для
глаза человека. Если заменить близкие цвета одним, то можно сократить код благодаря образованию одинаковых областей кадра.
Фактически это означает уменьшение разрешения кадра;
− временной – несколько соседних кадров, как правило, мало
отличаются друг от друга. Поэтому можно выделить ключевые
кадры, а в остальных хранить информацию только об имеющихся
отличиях от ключевых (рис. 2.15). Ключевые кадры необходимы
для восстановления видео в случае сбоев в процессе воспроизведения.
Еще одним информационным объектом, требующим оцифровки, является текст. Его оцифровка сводится к присвоению двоичного кода каждому символу, который используется для формирования текста. Присвоение символу того или иного кода – это
прерогатива международных соглашений, которые фиксируются
в кодовых таблицах, устанавливаемых стандартами.
Одним из международных стандартов является кодовая таблица ASCII (American Standard Code for Information Interchange).
В ней на один символ отводится 1 байт, и можно закодировать
28 = 256 символов:
Рис. 2.15. Принцип временного сжатия изображения
45
− с 0 по 32 – функциональные клавиши (перевод строки, пробел
и т. п.);
− с 33 по 127 – символы латинского алфавита, цифры, арифметические операции, знаки препинания;
− с 128 по 255 – символы для кодирования национального алфавита. Используется пять кодировок кириллицы: КОИ-8, CP1251,
CP866, ISO, Mac.
Для перехода из одной кодировки в другую применяются специальные программы – конверторы.
В 1997 г. (на замену АSCII) принят международный стандарт
Unicode, который отводит для кодировки одного символа 2 байта
и позволяет закодировать 216 = 65536 символов. Он включает в себя
все существующие, вымершие и искусственно созданные алфавиты мира, множество математических, музыкальных, химических
и прочих символов.
Одной из важных макроэкономических характеристик является оценка количества информации, с которой имеют дело люди
в процессе экономической деятельности. Преобразование аналоговых данных в цифровые позволяет оценить объем разнообразных
данных в битах и байтах. Вот некоторые результаты такой оценки.
Килобайт (Кбайт) – это 1000 байт. Например, 2 Кбайт соответствуют машинописной странице, 100 Кбайт – фотографии с низким
разрешением.
Мегабайт (Мбайт) – это 1 000 000 байт. Например, 1 Мбайт занимает небольшой роман или один флоппи-диск, 2 Мбайт – фотография с высоким разрешением, 5 Мбайт – собрание работ Шекспира,
7 Мбайт – все статьи Шеннона по теории информации, 10 Мбайт –
минута аудиозаписи высокого качества, 100 Мбайт – полка книг
длиной 1 м, 500 Мбайт – CD-ROM.
Гигабайт (Гбайт) – это 1 000 000 000 байт. Например, 1 Гбайт
соответствует грузовику книг, 20 Гбайт – записи всех сочинений
Бетховена, 100 Гбайт – библиотечное собрание академических
журналов.
Терабайт (Тбайт) – это 1 000 000 000 000 байт. Например,
1 Тбайт – это объем текста, который может быть напечатан на бумаге, произведенной из 50 тыс. деревьев, 2 Тбайт – фонды крупной академической библиотеки, 162 Тбайт – емкость электронного хранилища книг Российской государственной библиотеки
(РГБ), 100 – 400 Тбайт – объем памяти человека.
Петабайт (Пбайт) – это 1 000 000 000 000 000 байт. Например,
2 Пбайт вмещает полный объем фонда РГБ, 20 Пбайт – емкость
46
жестких дисков, выпущенных в 1995 г., 200 Пбайт – все когда-либо напечатанные материалы.
Экзабайт (Эбайт) – это 1 000 000 000 000 000 000 байт. Например,
2 Эбайт – это общее количество данных, произведенных в 1999 г.
(площадь CD, требуемых для их хранения, более 2 млн м2, масса – более 15 тыс. т), 5 Эбайт – число слов, произнесенных человечеством за все время его существования, 80 Эбайт – объем данных
к 2014 г. (80 % – неструктурированные файловые данные).
Зеттабайт (Збайт) – это 1 000 000 000 000 000 000 000 байт.
Определение объема данных, производимых людьми, имеет
большое значение для информационных отраслей экономики,
поскольку позволяет прогнозировать необходимые масштабы
производства средств информатизации. В то же время эти оценки
мало связаны со смыслом, который переносят цифровые данные.
Например, сложно сказать, где больше смысла – в произведениях В. Шекспира (5 Мбайт) или во всех данных, произведенных
в 1999 г. (2 Эбайт).
Контрольные вопросы по теме
1. В чем заключается этимология термина «информация»?
Каковы цели изучения информации?
2. Какие существуют взгляды на информацию? В чем разница
между ними?
3. Как определяют количество информации? Что является количественной мерой данных?
4. Каково юридическое определение понятия информации?
5. В чем состоит общенаучный взгляд на информацию? Что означает первичная и вторичная информация?
6. Что изучает наука семиотика? Приведите характеристики и
свойства информации.
7. Как определяется смысловое содержание информации?
Какую роль при определении смысла играет язык? Какие бывают языки? Что собой представляет семантический треугольник?
8. Как образуется информационный базис языка?
9. Что такое данные?
10. Что означает идеальная и материальная стороны информации?
11. Каковы принципы дискретизации аналоговых сигналов?
47
12. Как происходит аналого-цифровое преобразование звука?
13. Что собой представляет цифровое изображение?
14. Как происходит кодирование цифровых видеоданных?
15. Как происходит цифровое представление текста?
16. От каких параметров зависят количество и объем информации?
48
3. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Общефилософский принцип движения познания от явления
к сущности и системный принцип перехода от функции к структуре должны быть реализованы в результате перехода к информационной технологии от всестороннего описания информационного
процесса [6].
Можно выделить три типа моделей информационных процессов:
− обобщенные – объединяют основные информационные и материальные компоненты и сопоставляют их этапам и фазам реализации информационного процесса;
− метрические – количественно описывают процессы преобразования информационных объектов в системе с координатами пространства, времени и энергии и создают основу для оценки материальных параметров информационных процессов;
− эталонные – представляют собой абстрактное, не связанное
с реализацией соглашение о способе информационного взаимодействия объектов в электронной цифровой среде. Они ориентированы
на разработку аппаратных и программных средств информационных технологий и задают архитектуру будущей информационной
системы в виде совокупности функциональных компонентов, связей этих компонентов друг с другом и внешней средой, а также
принципов проектирования структуры и поведения системы. Они
лежат в основе разработки международных стандартов на реализацию открытых информационных технологий.
3.1. Обобщенная модель информационного процесса
Основной теоретической задачей информатики является изучение общих законов и закономерностей информационного взаимодействия в природе и обществе, реализуемое с помощью информационных процессов.
Процесс – это система последовательных действий для достижения какой-либо цели. Информационный процесс – это последовательность операций по преобразованию информации, которая
обеспечивает или поддерживает информационное взаимодействие
источника и ее получателя.
Информационное взаимодействие сопровождает любую деятельность человека и изучается многими науками. Одно из наиболее распространенных направлений – кибернетическое моделирование.
49
Кибернетика рассматривает информационное взаимодействие
исключительно как нематериальный процесс, приводящий к изменению состояния систем, а саму информацию – как нематериальную субстанцию. Такой взгляд позволил построить целый ряд
математических теорий, в том числе теории алгоритмов и автоматов, математическую и формальную логику, теории формальных языков и грамматик, социальную информатику, теории информации, принятия решений, массового обслуживания, управления, имитационное моделирование, исследование операций
и т. д.
Подобно тому как методология классической науки сформировалась благодаря объединению математических методов анализа
бесконечно малых с экспериментом, кибернетика создала свою методологию, объединив системный подход с прикладной математикой и цифровой информационной технологией.
Однако сложившееся в XX в. деление технологических процессов на энергоемкие и информационные (неэнергоемкие) противоречит современному уровню развития информационных технологий.
Вот несколько примеров [15]:
− изменились масштабы информационного пространства.
Объемы данных, которыми необходимо управлять в процессе человеческой деятельности, достигли астрономических значений
и возрастают экспоненциально. Малая энергия, требуемая для
управления малыми информационными потоками, превращается в большую вслед за ростом объема и интенсивности этих потоков и охватываемой ими территории;
− строительство мощных центров обработки данных, суперкомпьютеров и других подобных информационных систем не позволяет не учитывать энергозатраты. Известно, например, что мощные
информационные системы не могут функционировать без отвода
значительного количества теплоты. Поэтому наиболее выгодно
строить их на севере, в холодном климате;
− широкое распространение мобильных информационных
устройств требует экономии энергии электрических батарей.
«Привязка к электрической розетке» становится главным фактором ограничения информационной мобильности.
Вследствие этого разработку информационных технологий
в XXI в. требуется проводить не только на основе формализованных
описаний логики информационного взаимодействия, но и с учетом
затрат на его ресурсное обеспечение. Только в этом случае появляется возможность выбирать такие варианты реализации, которые
50
соответствуют заданным требованиям как на логическом, так и на
материальном уровне.
Развивая идеи кибернетики, следует перейти к моделированию
информационного взаимодействия на двух метауровнях (рис. 3.1).
Идеальный метауровень является продуктом мышления людей и
обеспечивает на передающей стороне порождение, а на приемной –
постижение таких идеальных категорий, как смысл, значение, образы, эмоции. Материальный метауровень поддерживает идеальный и обеспечивает обмен данными, представленными в физической форме [15].
Именно в результате выделения материального и идеального метауровней процесса информационного взаимодействия появляется
возможность рассматривать информацию как смысл, созданный
людьми и представленный ими в виде данных, имеющих физическую реализацию [17].
На метауровнях реализуются информационные процессы.
Таким образом, информационное взаимодействие, подобно тому
как и сама информация, имеет идеальный и материальный аспекты. Идеальный аспект предполагает наличие сознания (интеллекта) у источника и получателя информации и приводит к изменению
знаний взаимодействующих сторон.
Материальный аспект обеспечивает физический доступ получателя к данным. Для этого необходимо:
− открыть доступ к данным в выбранное получателем время;
− разместить данные в точке пространства, доступной ему;
− представить данные в форме, доступной для интерпретации
получателем.
В основе разработки способов реализации информационных процессов должны лежать общие описания их свойств
и требований к характеристикам информационного взаимодействия.
Идеальный
метауровень
Смысл
Идеальный
метауровень
Материальный
метауровень
Данные
Материальный
метауровень
Сторона А
Сторона B
Рис. 3.1. Модель информационного взаимодействия
51
Одним из первых подобных описаний является общая схема
системы связи, которая предназначена для точного или приближенного переноса сообщения между двумя точками пространства
(рис. 3.2).
Модель К. Шеннона положена в основу теории информации
и позволила получить важные результаты в части кодирования
и борьбы с шумами, разрушающими данные, благодаря введению
избыточности в передаваемые сигналы [3, 4].
В терминологии К. Шеннона, перенос сообщения включает в себя следующие фазы:
− источник информации создает сообщение или последовательность сообщений, которые должны быть переданы получателю;
− передатчик некоторым образом перерабатывает сообщения
в сигналы, соответствующие характеристикам канала. В процессе
передачи сигнал может быть искажен шумом;
− канал, т. е. специальная среда взаимодействия, обеспечивает
перенос сигнала в пространстве от передатчика к приемнику;
− приемник выполняет операцию, обратную операции передатчика, восстанавливая сообщения по сигналам, и передает их получателю;
− адресат (получатель информации) принимает предназначенную ему информацию от источника.
Обобщение модели К. Шеннона связано с расширением понятий
«канал связи», «источник информации», «получатель», «передатчик» и «приемник».
Понятие канала связи в модели К. Шеннона в прямом смысле
означает среду передачи сигнала. Оно распространяется на взаимодействие источника информации и получателя, только если они
находятся в разных точках пространства. Однако источник и получатель могут располагаться в разных точках не только пространственной, но и временной оси существования материальных объектов. Кроме того, целью организации процесса взаимодействия
может служить изменение формы сигнала, образованного при пеСигнал
Источник информации
Передатчик
Принятый сигнал
Канал
Сообщение
Передатчик
Адресат
Сообщение
Источник
шума
Рис. 3.2. Общая схема системы связи по К. Шеннону
52
редаче, таким образом, чтобы он стал доступен для интерпретации
на приемной стороне [4].
Более широким по отношению к каналу связи понятием, охватывающим всевозможные цели организации процесса взаимодействия источника и получателя, является понятие физической среды
взаимодействия. Цель функционирования среды взаимодействия
сводится к преобразованию координат существования данных таким образом, чтобы они стали доступны получателю. Этими координатами являются:
− время доступности данных для использования;
− пространственное их расположение;
− физическая и(или) логическая форма представления данных.
Способность среды взаимодействия изменять временную, пространственную и физическую координаты сигнала превращает ее
соответственно в:
− память – средства для записи (сохранения) сигналов в момент
доступа источника и считывания (снятия) сигналов в момент доступа получателя;
− канал связи – средства для передачи сигналов в пространстве
от источника к получателю;
− обработчик данных (процессор) – средства для изменения формы представления сигнала между моментами доступа источника
и получателя.
Среда взаимодействия призвана не только распространять сигнал (свойство канала связи), но и сохранять (свойство памяти),
а также изменять форму его представления (свойство обработчика данных). С помощью управления можно регулировать количественные и качественные проявления свойств среды взаимодействия в зависимости от требований источника и получателя к ходу
протекания информационного процесса.
В модели К. Шеннона роли источника и получателя информации отличаются друг от друга. Однако в реальности они в одинаковой степени обладают способностью генерировать и осваивать
информацию, и разделение на источник и получателя условно. Их
можно рассматривать как равноправных взаимодействующих друг
с другом коммуникантов.
На материальном уровне коммуниканты должны различать знаки языка взаимодействия:
− устанавливать совпадение и различие между знаками из информационного базиса;
53
− определять порядок следования знаков друг за другом в пространстве и во времени.
Роли коммуникантов в процессе взаимодействия могут меняться. Обратная связь превращает информационный процесс в диалог (рис. 3.3). Заметим, что каждое из сигнальных устройств выполняет здесь функции и передатчика, и приемника из модели
К. Шеннона. При передаче они превращают сообщение в сигнал, а
при приеме – сигнал в сообщение.
Кроме того, один и тот же коммуникант может быть одновременно и источником, и получателем информации (рис. 3.4). Такая
ситуация возникает, например, если среда взаимодействия по требованию коммуниканта должна вернуть ему сигнал после обработки.
Обобщенная модель информационного процесса представлена
на рис. 3.5. Она включает в себя:
− материальные объекты – коммуниканты, выполняющие
роль источника и получателя информации, среда взаимодействия,
обеспечивающая преобразование координат сигнала, сигнальные
устройства, которые выполняют функции и передатчика, и приемника, превращая при передаче сообщение в сигнал, а при приеме –
сигнал в сообщение;
− информационные объекты – данные (сигнал и сообщения
коммуникантов);
− воздействия со стороны внешних объектов – помехи (шум) и
управление средой взаимодействия.
Информационными объектами процесса информационного взаимодействия являются сообщения, данные и сигналы. Все эти объекты
материальны, но имеют разную физическую природу. Во всех случаях они несут одну и ту же информацию, сгенерированную источником.
Сообщение – это кодовая последовательность материальных знаков языка, составленная источником информации и отражающая
закодированный им смысл. Главное в сообщении – это то, что оно
несет смысл, и закодированная в нем информация понятна получателю.
Данные – это обобщенное обозначение для любой информации,
представленной в материальной форме. Если абстрагироваться от
смысла сообщения, то оно представляет собой данные информационного взаимодействия, и, наоборот, данные превращаются в сообщение только для такого коммуниканта, который понимает заложенный в них смысл.
54
Коммуникант
Сигнальное
устройство
Среда
взаимодействия
Сигнальное
устройство
Коммуникант
Рис. 3.3. Диалоговая модель информационного процесса
Сигнальное
устройство
Коммуникант
Среда
взаимодействия
Рис. 3.4. Модель процесса обработки информации
Коммуникант
Сигнальное
устройство
Среда
взаимодействия
Сигнальное
устройство
Коммуникант
Управление
Информация
источника
Данные
(сообщение
источника)
Данные
(сигнал)
Данные
(сообщение
источника)
Информация
источника
Помехи
Идеальная
часть
Материальная
часть
Идеальная
часть
Рис. 3.5. Обобщенная модель информационного процесса
Сигнал – это те же данные, но имеющие физическую форму (механическую, электрическую, световую или любую другую), согласованную со средой взаимодействия. Главное в сигнале то, что он
способен перемещаться в среде взаимодействия от источника к получателю информации и во времени, и в пространстве и изменять
55
свою физическую форму. Итак, сигнал – это носитель (или переносчик) данных [3].
В качестве сигнала может использоваться любой физический
объект или процесс, параметры которого способны изменяться
в соответствии с передаваемым сообщением. Следует различать
естественные и искусственные сигналы. Естественные сигналы
создаются в природе независимо от человека, но могут декодироваться им. Примером естественных сигналов могут служить:
− геологические срезы, которые несут информацию о последовательности важнейших событий геологической истории Земли;
− годовые кольца дерева, которые несут информацию о климатических особенностях далеких эпох;
− свет звезд, который является носителем информации о физической природе далеких галактик;
− молекула ДНК – носитель информации обо всех предках человека и др.
Для информационного взаимодействия друг с другом люди создают искусственные сигналы, к которым предъявляются три главных требования:
− сигнал должен существовать до тех пор, пока коммуникант не
снимет информацию;
− скорость распространения сигнала в пространстве должна соответствовать желаемой скорости доставки информации;
− сигналы должны допускать обработку, изменение формы
представления данных.
В соответствии с используемыми физическими принципами
следует различать искусственные сигналы в виде физических полей и вещественные. Сигналы в виде физических полей (звуковых,
электромагнитных, гамма- и рентгеновских излучений и др.) имеют относительно малое время жизни, но высокую скорость распространения в пространстве. Их используют для информационного
взаимодействия на расстоянии по каналам связи.
Вещественными сигналами служат надписи (на камне, глине,
папирусе, пергаменте, бересте, бумаге и др.), узлы на веревке, компьютерные запоминающие устройства и др. Они имеют значительное время жизни, но ограниченную скорость перемещения в пространстве. Их удобнее использовать как память для сохранения
информации во времени.
Сигналы бывают аналоговыми и дискретными. Аналоговые сигналы отражают непрерывность времени и пространства в природе
и основываются на неделимости объекта как целого. Дискретные
56
сигналы предполагают возможность разделения объекта и во времени, и в пространстве на относительно самостоятельные составляющие. Дискретные сигналы особенно удобны для преобразования
с помощью цифровой техники.
Аналоговые сигналы, представленные физическими полями,
описываются непрерывными математическими функциями, представляют собой непрерывный поток энергии, изменяющейся во
времени и пространстве, а дискретные сигналы – функцией отсчетов в виде последовательности значений энергии сигнала в определенные моменты времени в определенных точках пространства.
Любой сигнал подвержен воздействию помех, которые могут
разрушить его настолько, что получатель не сможет декодировать
заложенный в сигнале смысл.
С учетом сделанных обобщений информационный процесс может быть разделен на этапы и фазы информационного взаимодействия, которые представлены на рис. 3.6.
Эти этапы и фазы имеют следующий смысл.
Этап 1 – доступ источника к среде взаимодействия включает
в себя следующие фазы:
фаза 1 – рождение СМЫСЛА у источника информации;
фаза 2 – формирование СООБЩЕНИЯ (кодирование смысла) источником информации на каком-либо языке;
фаза 3 – превращение сообщения в СИГНАЛ (кодирование сообщения сигнальным устройством).
Èñòî÷íèê
èíôîðìàöèè
1 – ðîæäåíèå
ñìûñëà
2 – êîäèðîâàíèå
ñìûñëà èñòî÷íèêîì
3 – êîäèðîâàíèå
ñîîáùåíèÿ ñèãíàëüíûì
óñòðîéñòâîì
Ýòàï 1 (äîñòóï èñòî÷íèêà
ê ñðåäå âçàèìîäåéñòâèÿ)
Ïîëó÷àòåëü
èíôîðìàöèè
7 – èíòåðïðåòàöèÿ
ñìûñëà
ÔÀÇÛ 1–7
6 – äåêîäèðîâàíèå
ñìûñëà èñòî÷íèêîì
4 – ïðåîáðàçîâàíèå
ñèãíàëà
Ñèãíàë
Ñðåäà
Ñèãíàë
âçàèìîäåéñòâèÿ
Ýòàï 2 (ïðåîáðàçîâàíèå
ñèãíàëà ñðåäîé
âçàèìîäåéñòâèÿ)
5 – äåêîäèðîâàíèå
ñîîáùåíèÿ ñèãíàëüíûì
óñòðîéñòâîì
Ýòàï 3 (äîñòóï ïîëó÷àòåëÿ
ê ñðåäå âçàèìîäåéñòâèÿ)
Рис. 3.6. Этапы и фазы информационного процесса
57
Этап 2 – преобразование сигнала средой взаимодействия включает в себя следующие фазы:
фаза 4 – передача сигнала (преодоление времени, пространства
и (или) физической (логической) формы представления).
Этап 3 – доступ получателя к среде взаимодействия включает
в себя следующие фазы:
фаза 5 – восстановление сообщения по сигналу (прием сигнала
сигнальным устройством, выделение из помех, декодирование);
фаза 6 – интерпретация (постижение смысла) сообщения получателем информации;
фаза 7 – реакция на смысловое содержание сообщения.
Диаграмма, демонстрирующая выполнение информационного
процесса во времени, приведена на рис. 3.7.
Этапы 1 и 3 связаны со смыслом преобразуемой информации.
Для их реализации коммуниканты должны иметь возможность
доступа к техническим средствам, обеспечивающим кодирование
смысла в сообщении и сигнале и декодирование смысла из сигнала
и сообщения.
Источник Сигнальное
Сигнальное Получатель
Среда
информации устройство взаимодействия устройство информации
t1
Фаза 2
t3
t4
t5
t6
Этап 3
Этап 2
Этап 1
Фаза 1
t2
Сообщение
источника
Фаза 3
Сигнал
источника
Фаза 4
t7
t8
t9
t10
Сигнал
получателя
Фаза 5
Сообщение
получателя
Фаза 6
t11
Фаза 7
t12
Рис. 3.7. Временная диаграмма выполнения информационного процесса
58
На этапе 2 осуществляется преобразование информации, т. е.
решается основная задача информационного взаимодействия,
для которой коммуниканты инициируют информационный процесс.
3.2. Базовые информационные процессы
С учетом содержания этапа 2 (см. рис. 3.6) можно выделить три
вида информационных процессов, которые назовем базовыми. Они
преобразуют временную, пространственную и физическую координаты сигнала. Это соответственно процессы:
− сохранения данных – поддерживает такой вид информационных объектов, который гарантирует выдачу данных получателю
в установленные сроки через достаточно большой интервал времени;
− распространения данных – обеспечивает своевременное доведение информационных объектов до получателей, находящихся
в удаленных точках пространства, для установления между источником и получателями информационного баланса, при котором
в идеальном случае последние будут располагать той же информацией, что и источник;
− обработки данных – реализует алгоритмы получения новых
по форме представления информационных объектов из исходных.
Обработка является главным источником увеличения объема информационных ресурсов, если в процессе обработки исходные данные не утрачиваются.
Для сохранения данных последовательность физических объектов языка взаимодействия необходимо разместить в пространстве
и защищать от разрушения (помех) их взаимное пространственное
расположение. Таким образом, для сохранения всегда требуется
пространство. Не случайно общая площадь компакт-дисков, необходимых для сохранения данных, произведенных в 1999 г., достигает величины, превышающей 2 тыс. км2.
Для распространения данных необходимо последовательно перемещать физические объекты языка взаимодействия из текущей
в какие-либо другие точки пространства. Последовательное перемещение физических объектов не может произойти мгновенно, поэтому для распространения требуется время. Например, для того
чтобы передать на расстояние все данные, произведенные в 1999 г.,
по самому быстрому каналу связи, а это 10 Тбит/с, потребуется около 16⋅106 с (более полугода).
59
Для обработки данных требуется изменять состав и(или) последовательность физических объектов языка взаимодействия. Любые
действия, направленные на изменение структуры, формы или других свойств физических объектов, требуют энергетических затрат.
Энергия – это комплексная характеристика, выражающая способность произвести действия, в том числе и при обработке данных.
Итак, для обработки данных требуется энергия. Именно поэтому
главными потребителями ее в современном компьютере являются
устройства обработки, такие, как процессор или видеокарта.
Рассмотрим базовые информационные процессы подробнее, обращая внимание не на способы их реализации, а только на особенности сигналов и среды взаимодействия и не учитывая операции,
связанные с образованием смысла у коммуникантов.
Информационный процесс сохранения данных обеспечивает перемещение информации во времени. Для этого их необходимо доверить такому сигналу, который представляет собой долговечный
материальный носитель (хранитель) данных, даже если этот носитель из-за его физических и пространственных свойств не способен
достаточно быстро перемещаться в пространстве и требует значительных затрат энергии при обработке.
Материальная природа сигналов, предназначенных для хранения данных, может быть различной. Например, данные об окружающей действительности хранятся в памяти человека, а генетическая информация – в молекулах ДНК. Для долговременного
хранения больших объемов данных используются носители, обладающие возможностями, отличающимися от физиологических
возможностей людей. Самыми долговечными носителями являются камни, рисунки на которых донесли до нас информацию о жизни людей в доисторические эпохи. Глиняные таблички шумеров,
папирусы древнего Египта, берестяные грамоты Новгорода, кипу
инков – все это примеры материальных носителей, которые успешно хранят данные сотни и тысячи лет.
В современном компьютере используются магнитные, полупроводниковые и оптические носители.
Любой носитель данных характеризуется информационной емкостью, т. е. количеством данных, которое он может сохранить на
единице площади, и гарантированным временем хранения.
В процессе хранения носители данных подвергаются разнообразным разрушающим воздействиям, которые можно рассматривать
как помехи. Среда взаимодействия в этом случае призвана обеспечивать сохранность информационного носителя, и ее можно назвать
60
хранилищем данных – датахранилищем. Датахранилище – это
определенным образом организованная среда, предназначенная для
защиты сигнала от помех и таким образом увеличивающая время
хранения данных на том или ином носителе. Примером датахранилища могут служить библиотека, в которой созданы условия для
хранения бумажных книг, или компьютерный центр, в котором надежность хранения поддерживается гарантированным электропитанием, системами кондиционирования, дублированием данных и др.
Важным свойством датахранилища является способ организации доступа к данным при их сохранении и считывании.
Поэтому качество его оценивают не только объемом и надежностью хранения, но и временем доступа к информационному ресурсу.
Информационный процесс распространения данных обеспечивает перемещение их в пространстве. Для этого данные необходимо
доверить сигналу, способному достаточно быстро переместиться от
источника к получателю информации. Можно не препятствовать
разрушению сигнала сразу же после того, как данные доставлены
на приемную сторону и считаны получателем. Среда взаимодействия в этом случае, как и в модели К. Шеннона, представляет собой канал связи и обеспечивает перемещение сигнала в пространстве и защиту от помех.
Материальная природа сигналов, способных достаточно быстро
перемещаться в пространстве, может быть различной. Исторически
первой возникла почта, где в качестве сигналов выступают почтовые отправления. Электрические колебания, радиоволны или свет –
это примеры сигналов, используемых в современных сетях связи.
Соответственно природе сигналов в качестве каналов связи выступают почтовый транспорт, медный кабель, эфир, волоконно-оптические линии связи.
Главными характеристиками информационного процесса распространения, которые интересуют коммуникантов, являются количество данных, которое за единицу времени можно переместить
от источника к получателю, и скорость перемещения сигнала по
каналу связи.
Важным свойством информационных сетей является способ организации доступа к каналам со стороны коммуникантов при отправке и приеме данных.
Обработка информации – это процесс преобразования данных,
который приводит к изменению физической формы их представления. Примерами обработки данных могут служить математические
61
вычисления, логические преобразования, индексация или шифрование данных, изменение языка представления.
Информационный процесс обработки данных не меняет смыслового содержания информации. Очевидно, что математическая формула или построенный с ее помощью график, словесный портрет
или фоторобот одного и того же человека, стихотворение поэта на
русском или французском языке – это информация, имеющая один
и тот же смысл, но представленная в разной форме. Новая форма
представления информации предоставляет новые возможности для
ее использования коммуникантами. В этом и заключается смысл
самой обработки, производимой с учетом тех или иных процедур.
Смысл обработки должен быть понятен коммуниканту, который
является инициатором обработки.
Таким образом, информационный процесс обработки данных
состоит в получении одних информационных объектов из других
путем выполнения некоторых преобразований.
Материальная природа сигналов, допускающих обработку, может
быть самой разной, но должна обеспечивать экономию энергии, которую придется затратить при переходе от одного состояния информационных объектов к другим. Палочки для обучения счету, арифмометр,
счеты или логарифмическая линейка – это механические устройства,
ориентированные на обработку механических сигналов. В электромеханических устройствах для обработки в качестве элементной базы
используются электромагнитные реле, а сигнал представляет собой
постоянный электрический ток. В компьютерных системах сигнал,
подготовленный для обработки, также имеет электрическую природу, но является дискретным и представляет собой импульсы постоянного тока. Интенсивно развиваются технологии построения оптических и квантовых процессоров, основанных на физических законах,
отличных от законов механики или электродинамики.
Задача обработки зачастую представляется в хорошо известной
форме: имеется информационный объект (сигнал) в виде некоторого набора исходных данных. Требуется получить результат в виде
информационного объекта с другими свойствами.
Среда взаимодействия, которая должна реализовать процесс обработки, представляет собой обработчик данных. Обработчик реализует физические законы, изменяющие форму представления
данных.
Главной характеристикой информационного процесса обработки, важной для коммуникантов, является время, т. е. интервал
времени, который проходит между началом обработки исходного
62
информационного объекта до получения результата в форме нового
информационного объекта. Уменьшение времени обработки, как
правило, требует увеличения энергии, затрачиваемой на обработку
данных.
Как и для других базовых информационных процессов, для процесса обработки большое значение имеет время доступа коммуникантов к обработчику данных.
Среда взаимодействия для базовых информационных процессов
должна строиться так, чтобы уменьшить влияние помех на сигналы взаимодействия коммуникантов. Однако полностью исключить
их влияние невозможно, и необходимо считаться с возможностью
появления значительных искажений сигнала.
К. Шенноном была разработана специальная теория помехоустойчивого кодирования сигналов, представленных цифровым кодом. Она дает эффективный метод борьбы с помехами.
Одна из главных идей этой теории состоит в том, что сигнал,
представленный в виде числового кода, должен быть избыточным. Вследствие этого потеря какой-то части кода может быть
компенсирована. Однако нельзя делать избыточность слишком
большой. Это приведет к задержкам и удорожанию процесса
взаимодействия.
Выделение трех базовых информационных процессов в некоторой степени условно. Информационное взаимодействие в реальной
ситуации всегда в той или иной степени изменяет все три координаты существования данных, а соответственно требует и времени,
и пространства, и энергии, и очевидно, что не только для:
− обработки, но и сохранения и распространения данных всегда
требуется энергия;
− сохранения, но и распространения и обработки всегда требуется пространство;
− распространения, но и сохранения и обработки всегда требуется время.
Однако у каждого информационного процесса есть свой основной ресурс, экономия которого наиболее существенно сказывается
на эффективности его реализации. Так, для процесса сохранения
таким ресурсом является пространство, для процесса распространения – время, для процесса обработки – энергия.
Общие сведения о базовых информационных процессах представлены на рис. 3.8.
Управление средой взаимодействия призвано настроить ее работу таким образом, чтобы улучшить проявление свойств, желатель63
Базовые информационные процессы
Сохранение
Распространение
Обработка
Сигнал переносит
данные во времени
Сигнал переносит
данные в пространстве
Сигнал изменяет свою
физическую форму
Среда взаимодействия
Память
Время
Канал связи
Обработчик данных
Основной технологический ресурс
Пространство
Энергия
Характеристики
Информационная
емкость, время
хранения
Время доставки,
пропускная
способность
Скорость обработки,
разнообразие
алгоритмов
Рис. 3.8. Особенности базовых информационных процессов
ных для коммуникантов в условиях конкретного информационного взаимодействия, и подавить те из них, которые при этом нежелательны.
Базовые информационные процессы сохранения, распространения и обработки данных не изолированы, а протекают циклично
в единстве и взаимосвязи друг с другом. Зачастую отдельные фазы
различных информационных процессов реализуются с помощью
одних и тех же устройств. Любые другие информационные процессы являются синтетическими, поскольку могут быть представлены в виде последовательности выполнения базовых информационных процессов, или частью (фрагментом) базового информационного процесса.
Синтетическими информационными процессами могут служить
сбор, поиск, сортировка, коммутация, мультиплексирование, накопление, визуализация, учет, упаковка, комбинирование, измерение, разрушение данных и другие.
Так, процесс сбора данных, заключающийся в сосредоточении
разнородных данных в одном месте, предполагает выполнение
не только процесса сохранения искомых данных в месте сбора, но
и процесса распространения, поскольку собираемые данные необходимо переместить из места их начального расположения.
64
Поиск данных, который имеет целью определение места их расположения, отвечающего заданным описаниям (шаблонам), предполагает выполнение не только процесса распространения, но и процесса обработки при сравнении доставленных данных с шаблоном.
Сортировка, формирующая несколько групп данных, предполагает наличие нескольких шаблонов – по одному для каждой группы. Процесс сортировки требует обработки каждого информационного объекта при сравнении с шаблонами и сохранения данных
в той или иной группе по результатам сравнения.
Фрагменты базовых информационных процессов – это процессы записи данных на физический носитель при сохранении, процесс коммутации при распространении или процесс вычисления
при обработке.
Запись – это изменение состояния минимальных единиц хранения информационного носителя в соответствии с сохраняемыми
цифровыми данными.
Коммутация данных является частью процесса их распространения, обеспечивающего занятие канальных ресурсов и построение сетевых соединений в соответствии с адресами взаимодействующих коммуникантов.
Реализацию любого информационного процесса с помощью компьютерной техники можно рассматривать либо как синтетический
информационный процесс, требующий сохранения, распространения и обработки данных, либо как одну из фаз этих базовых информационных процессов.
3.3. Метрические модели информационных процессов
Возможность реализации информационных процессов с учетом
объективных и субъективных ограничений зависит от ресурсов [7],
которые могут быть разделены на физические, интеллектуальные
и информационные.
Физические ресурсы – это количественная мера, позволяющая
оценить возможность физической среды реализовать информационное взаимодействие.
Интеллектуальные ресурсы позволяют коммуникантам в процессе информационного взаимодействия генерировать и осваивать
смысл.
Информационные ресурсы – это условия, позволяющие в процессе информационного взаимодействия получить доступ к данным на материальном метауровне.
65
Именно использование физических ресурсов обеспечивает перемещение данных как материальных объектов во времени, в пространстве и изменение формы представления данных.
Таким образом, под метрическими моделями информационных
процессов будем понимать модели, которые позволяют оценить
количественную меру трех типов физических ресурсов: пространственных, временных и энергетических.
Пространственные ресурсы – это мера, которая определяет взаимное положение коммуникантов, данных и знаков информационной последовательности.
Временные ресурсы – это мера для сопоставления порядка
следования событий, связанных с изменением состояния коммуникантов, данных и знаков информационной последовательности.
Энергетические ресурсы – это мера для оценки усилий, которые
необходимо совершить для преобразования временной, пространственной или физической координат данных.
В табл. 3.1 приведены основные физические ресурсы, потребляемые базовыми информационными процессами.
Плотность записи сохраняемых знаков – это число знаков,
которое может быть сохранено в одном квадратном дюйме
информационного носителя, или площадь носителя, которая
требуется для записи эталонного блока данных.
Дальность перемещения сигнала – это максимальное расстояние, на которое может переместиться сигнал по каналу связи без
дополнительных переприемов.
Таблица 3.1
Физические ресурсы для базовых информационных процессов
Базовые информационные процессы
Сохранение
Технологические ресурсы
Пространственные
Временные
Энергетические
Плотность размещения знаков
Гарантированное
время сохранения
Энергозатраты
на сохранение
знака
Время
перемещения
сигнала
Энергозатраты
на перемещение
знака
Время
изменения знака
Энергозатраты
на изменение
знака
РаспростраТерритория охвата
нение
Обработка
66
Технологический
процесс
Технологический процесс – это уровень технологии изготовления чипов, характеризующийся топологическими размерами транзисторов, или размер эталонного обработчика, который способен
выполнять задачи обработки.
Гарантированное время сохранения – это период времени, в течение которого возможно считывание данных, сохраненных на информационном носителе.
Время перемещения знака – это время, которое требуется для
перемещения сигнала между двумя наиболее удаленными точками
территории охвата.
Время изменения знаков – это время, которое требуется для изменения состояния переключающего элемента, отображающего
знак информационной последовательности.
Энергозатраты на сохранение знака – это энергия, которая
расходуется на сохранение одного знака информационной последовательности за гарантированное время сохранения.
Энергозатраты на перемещение знака – это энергия, которая
расходуется на перемещение одного знака на нужное расстояние за
время перемещения.
Энергозатраты на изменение знака – это энергия, которая расходуется на изменение одного знака при соответствующем технологическом процессе.
Эти ресурсы связаны друг с другом. Например, при магнитной
записи увеличение ее плотности ведет к сокращению гарантированного времени сохранения. Увеличение территории охвата увеличивает время перемещения знака и энергозатраты. Уменьшение
технологического процесса уменьшает время изменения знака и
энергозатраты.
Модель физических ресурсов может быть представлена в виде куба, который характеризует объем технологии, применяемой
для реализации соответствующего информационного процесса
(рис. 3.9). В этой модели ось ординат (S) отображает пространственные параметры технологии, которыми могут служить плотность
размещения оборудования, удаленность пользователей, плотность
записей на носителях данных, размер транзисторов, площадь или
объем технологических помещений, площадь фальшпола. Ось аппликат (F) отображает энергетические параметры технологии, такие, как, например, киловатт-часы потребляемой энергии, выделяемая тепловая мощность или масса выделяемого углеводорода
при выработке электроэнергии. Ось абсцисс (T) отображает временные параметры технологии, к числу которых относятся, например,
67
Пространство
Smax
Технология
с параметрами
(S, T, F)
S
T
Tmax
Время
F
Fmax
Энергия
Рис. 3.9. Модель физических ресурсов информационных процессов
время сохранения, доставки и обработки данных, распространения сигналов, переключения элементов электрических схем и др.,
а также характеристики, обратные времени и имеющие смысл интенсивности наступления событий в единицу времени.
Точки, лежащие в пределах объема параллелепипеда и имеющие координаты 0 ≤ S ≤ Smax, 0 ≤ T ≤ Tmax, 0 ≤ F ≤ Fmax, соответствуют некоторым уже реализованным или еще разрабатываемым
технологиям.
Никакой информационный процесс нельзя реализовать, если
отсутствует хотя бы один из технологических ресурсов, но у каждого процесса существует главный ресурс, экономия которого
наиболее существенно влияет на эффективность реализации информационного взаимодействия. Выявление главного ресурса для
базовых информационных процессов основывается на особенности
данных, представляющих собой последовательность материальных знаков.
Чем больше число знаков в информационной последовательности, тем больший объем пространства требуется для их одновременного сохранения. Пространство, необходимое для сохранения данных, всегда пропорционально числу знаков. Поэтому при
любом времени хранения и доступной энергии для записи/чтения
68
данных их нельзя сохранить, если отсутствует достаточный объем
пространства. Главный технологический ресурс информационного
процесса сохранения – пространство, а технологическая характеристика – плотность записи.
Плотность записи современного жесткого диска 620 Гбит на
квадратный дюйм. Максимальная теоретическая плотность в случае использования технологии HAMR (магнитной записи с подогревом) составляет 5−20 Тбит на квадратный дюйм и может быть
достигнута в скором будущем. Наиболее плотную запись обеспечивают биотехнологии. Согласно новому открытию, можно синтезировать частицу ДНК и записать в нее экзабайты данных. Затем
в лиофилизированной форме ДНК можно сохранять теоретически
тысячи лет.
Таким образом, для выбора технологии сохранения пользователь должен задать:
− верхний уровень плотности записи Sс ;
− нижний уровень допустимого времени гарантированного хранения Tс ;
− верхний уровень энергозатрат Fс .
Это означает, что технология сохранения должна отвечать требованию
S ≤ Sс, T ≥ Tс, F ≤ Fс.
Модель физических ресурсов процесса сохранения приведена на
рис. 3.10.
Объем технологии сохранения увеличивается по мере увеличения времени жизни носителя данных, плотности записи и уменьшения энергии, затрачиваемой за время сохранения.
Чем больше знаков в последовательности, тем больше времени
требуется для их последовательного перемещения в пространстве.
При любых пространственных координатах коммуникантов и любых доступных объемах энергии данные нельзя распространить,
если отсутствует время.
Параллельное перемещение знаков информационной последовательности в пространстве не может быть реализовано на практике, а последовательное перемещение физических объектов не может произойти мгновенно. Поэтому время распространения всегда
пропорционально числу знаков в информационной последовательности. Главный технологический ресурс при распространении данных в пространстве – это время, а технологическая характеристика – время перемещения знака или сигнала.
69
Плотность
записи
Smax
S ≤ Sс, T ≥ Tс, F ≤ Fс
Sс
Tс
Tmax
Гарантированное
время хранения
Fс
Fmax
Энергозатраты
Этот объем можно
использовать при выборе
технологии сохранения
Рис. 3.10. Модель физических ресурсов процесса сохранения
Наиболее совершенными поэтому следует считать такие сети
связи, которые переносят сигнал со скоростью света. Но даже при
этом задержка сигнала, вынужденного преодолевать значительные
расстояния, например, до спутника связи, приходится учитывать
при проектировании информационных систем.
Таким образом, для выбора технологии распространения пользователь должен задать:
− нижний уровень размера охватываемой территории Sр;
− верхний уровень допустимого времени доставки Tр;
− верхний уровень энергозатрат Fр.
Это означает, что технология сохранения должна отвечать требованию
S ≥ Sр, T ≤ Tр, F ≤ Fр.
Модель физических ресурсов процесса распространения приведена на рис. 3.11.
Объем технологии распространения увеличивается по мере увеличения территории охвата, уменьшения времени доставки данных и энергии, затрачиваемой за время доставки.
Обработка данных изменяет состав и(или) последовательность
знаков информационной последовательности. Любые изменения
70
Территория
охвата
Smax
S ≥ Sр, T ≤ Tр, F ≤ Fр
Sр
Этот объем можно
использовать
при выборе
технологии
распространения
Tр
Tmax
Время
доставки
Fр
Fmax
Энергозатраты
Рис. 3.11. Модель физических ресурсов процесса распространения
структуры или формы физических объектов требуют затрат энергии, которая выражает способность произвести необходимые
действия. При любых доступных объемах времени и любых размерах процессора данные нельзя обработать, если отсутствует
энергия, которая пропорциональна числу изменяемых знаков.
Поэтому главный технологический ресурс при обработке данных – это энергия, а технологическая характеристика – энергозатраты.
Не случайно основными потребителями энергии в компьютере являются процессор и видеокарта. В современных процессорах
используются специальные технологии, способствующие энергосбережению: сокращение технологического процесса, новые типы
транзисторов, уменьшение напряжения питания, отключение в режиме бездействия отдельных ядер, кэш-памяти или участков интегрированного графического ядра и др.
Таким образом, для выбора технологии обработки пользователь
должен задать верхний уровень:
− технологического процесса Sобр;
− времени обработки Tобр;
− энергозатрат Fобр.
Технология сохранения должна отвечать требованию
S ≤ Sобр, T ≤ Tобр, F ≤ Fобр.
71
Модель физических ресурсов процесса обработки приведена на
рис. 3.12.
Объем технологии обработки увеличивается по мере уменьшения технологического процесса, времени обработки и энергии, затрачиваемой за время обработки.
На объемы технологических ресурсов слабо влияют внешние условия реализации процессов информационного взаимодействия и
поведение коммуникантов, поэтому их можно считать детерминированными.
Для сравнения достигнутых исходов выполнения информационных процессов и их отдельных этапов и фаз с исходами, которые
являются желательными для коммуникантов, служат показатели
эффективности. Значения этих показателей зависят не только от
выбранных технологий, но и от поведения коммуникантов и объема данных взаимодействия, поэтому являются стохастическими.
Дополнительное влияние на значения показателей оказывают коллизии, которые возникают при обращении нескольких коммуникантов к одним и тем же ресурсам.
Отдельно следует рассматривать этапы доступа коммуникантов к среде взаимодействия и этапы преобразования данных.
Выполнение этапов доступа к базовым информационным процессам описывают три показателя, значения которых зависят от проТехнологический
процесс
Smax
S ≤ Sобр, T ≤ Tобр, F ≤ Fобр
Sобр
Объем
технологии
обработки
Tобр
Tmax
Время
обработки
Fобр
Fmax
Энергозатраты
Рис. 3.12. Модель физических ресурсов процесса обработки
72
странственных, временных и энергетических свойств технологий
доступа:
− удаленность точки доступа – это расстояние, которое должен преодолеть коммуникант для получения возможности доступа
к среде взаимодействия;
− время доступа – это отрезок времени с момента возникновения потребности в информационном взаимодействии до момента
начала преобразования сигнала средой взаимодействия;
− энергозатраты – это энергия, расходуемая за время ожидания момента инициации коммуникантом процесса взаимодействия
и на организацию доступа к среде взаимодействия после этого момента.
Объемы перечисленных ресурсов могут измеряться как в удельных, так и в относительных единицах, и их значения являются
важной характеристикой для выбора информационной технологии, реализующей соответствующий информационный процесс.
3.4. Эталонные модели информационных процессов
в цифровой среде
Достижения в области компьютерных технологий позволяют
принципиально изменить подход к реализации информационных
процессов.
Основной тенденцией в области создания средств для реализации информационных процессов в настоящее время является применение принципа открытых систем. Идеологии открытых систем
придерживаются в своих последних разработках все ведущие фирмы – поставщики средств вычислительной техники, передачи информации, программного обеспечения и разработки прикладных
информационных систем. Их результативность на рынке информационных технологий и систем определяется согласованной научно-технической политикой и реализацией стандартов открытых
систем.
Обилие различных программно-аппаратных средств и систем,
созданных в последние десятилетия, привело к несовместимости
многих из них. Решить эту проблему можно лишь выработкой
единых правил, которые затем приобретут статус отраслевых, национальных и международных стандартов. Именно для решения
проблемы совместимости предложен принцип открытых систем.
Открытые системы – это одно из актуальных глобальных и стратегических направлений информатики.
73
Открытая система (Open system) – это цифровая среда взаимодействия, состоящая из компьютерных аппаратных и программных компонентов, разработанных в соответствии с общедоступными и общепринятыми международными стандартами. Основной
эффект открытых систем для пользователей информационных технологий состоит в независимости от их поставщиков. Потребители
смогут решать задачи информационного взаимодействия с помощью любого технологического продукта, если только он создан
в соответствии со стандартами открытых систем.
Общие свойства открытых систем сводятся в основном к следующим:
− возможность переноса программного обеспечения, информации и пользователей с одной компьютерной платформы на другую.
Это свойство продлевает жизнь морально устаревшим системам, если их работа не может быть остановлена или хотя бы приостановлена для модернизации без задержки производственных процессов;
− интероперабельность – возможность взаимодействия независимо разработанных программных модулей, подсистем или функционально завершенных программных систем на уровне платформ
и приложений. Это свойство требует открытых интерфейсов и дает
возможность совместного использования информации и ресурсов
компонентами распределенной системы;
− масштабируемость – возможность наращивания эффективности систем путем модернизации аппаратных компонентов. Это
свойство экономит средства при приспособлении систем к новым
требованиям (изменении числа процессоров, узлов сети, обслуживаемых пользователей, обрабатываемых транзакций и т. п.).
Основные аспекты открытых систем представлены на рис. 3.13.
Новый взгляд на информационные технологии и системы определяется тем, что эти аспекты должны рассматриваться в совокупности как взаимосвязанные и реализовываться в комплексе.
АСПЕКТЫ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ
Персонал
Не должен
переучиваться
при переходе
от одной системы
к другой
Прикладные
программы
Должны
исполняться
на любых
системах
Данные
Должны быть
переносимы
из одной
системы
в другую
Рис. 3.13. Аспекты открытых систем
74
Взаимодействие
Должно
обеспечиваться
свободным
обменом данными
между системами
Решение проблем создания открытых систем посредством стандартизации основных компонентов основывается на системном
подходе. К числу базовых системных принципов стандартизации
относятся:
− функциональный подход к созданию систем, в соответствии
с которым разработка должна основываться на эталонных моделях, стандартизирующих систему на функциональном уровне;
− многоуровневый подход к описанию информационных процессов, в соответствии с которым между функциями системы должна
быть установлена иерархическая подчиненность.
Понятие функции системы означает следующее. Если система
(рис. 3.14) имеет m входов и n выходов и их состояния в некоторый момент времени t описываются векторами Xt = (x1, x2 ,..., xm )
и Yt = (y1, y2 ,..., yn ) соответственно, то функцию системы задает
соотношение
Yt = F ( Xt ) ,
устанавливающее зависимость состояний выходов системы от состояния ее входов.
Функциональную модель системы, связывающую Yt и Xt, называют «черным ящиком», а под функционированием (поведением)
системы понимают развернутую во времени последовательность ее
реакций на изменение состояний входов.
В информатике совокупность средств, методов и правил взаимодействия между элементами открытой системы и системы с внешней средой c помощью входных-выходных сигналов называется
интерфейсом.
Интерфейс системы или ее элемента никак не связан с реализацией (внутренним устройством). Однако для того чтобы организовать взаимодействие системы и ее элементов с другими системами
и элементами, достаточно знать интерфейсы этих систем и элементов.
Следуя функциональному подходу, информационную систему
необходимо разрабатывать в заданном порядке.
xm
y1
F
...
...
x1
yn
Рис. 3.14. Модель системы в виде «черного ящика»
75
Во-первых, разделить информационный процесс на отдельные
фазы и выделить функции, которые следует выполнять в ходе реализации каждой фазы (рис. 3.15).
Во-вторых, описать выделенные функции с помощью модели
«черного ящика». В результате для каждой функции будут определены входы, выходы и зависимость состояний выходов от состояний входов.
В-третьих, построить функциональную модель системы, установив связи межу входами и выходами всех функций. В результате каждый выход каждой функции будет связан с соответствующими ему входами других функций или с внешним окружением
(рис. 3.16).
В-четвертых, выбрать способы программной и(или) аппаратной
реализации каждой функции независимо от реализации других
функций, следуя требованиям интерфейсов.
F1
Функции
системы
F2
Fn
…
Выделение
и описание функций
F1
F2
…
Fn
Рис. 3.15. Функции информационного процесса
F1
F2
…
Fn
…
…
«Черный ящик»
Описание интерфейсов
Рис. 3.16. Взаимодействие между функциями через интерфейсы
76
Функции сложной системы всегда образуют иерархическую
структуру, поэтому поведение системы может быть описано через
интерфейсы взаимодействия функций смежных иерархических
уровней. Такой подход позволяет:
− сделать сложную систему более простой для понимания;
− использовать для описания функций разных уровней специальные модели, отличающиеся от моделей функций других уровней.
Рассмотрим несколько примеров представления сложных систем с помощью многоуровневых описаний.
Система образования имеет уровневую организацию. На каждом уровне (рис. 3.17) разрабатываются особые содержание и модели учебного процесса, при этом верхние уровни опираются на нижние, основываясь на достигнутых знаниях учащихся.
Каждый уровень языковой системы (рис. 3.18) отличается от других совокупностью однородных единиц и правил их использования.
Единицы одного уровня вступают друг с другом в отношения для поддержания более высокого уровня. Так, фонемы составляют звуковые
оболочки морфем, из морфем состоят слова, а из слов – предложения.
Рассмотрим последовательность выделения уровней изучения
информационных технологий:
− на первом (физическом) изучаются базовые технологии построения инфокоммуникаций в рамках, например, таких дисциплин, как электроника, фотоника, радиотехника и др.;
− на втором (логическом) изучаются программно-аппаратные
средства вычислительной техники и связи, в том числе архитектура ЭВМ, операционные системы, программирование, базы данных,
схемотехника, цифровая техника, электропитание устройств, преобразование сигналов и др.;
− на третьем (методическом) изучению подлежат модели, методы и средства реализации информационных процессов сохранения, распространения и обработки информации. Соответствующие
знания можно получить, изучая информационные технологии,
системный анализ и технологию системного проектирования, моделирование информационных процессов и систем, управление
информационными системами, интеллектуализацию информационных систем, интеграцию распределенных информационных систем и ресурсов, визуализацию информационного пространства,
безопасность информационных систем и др.;
− на четвертом (прикладном) рассматривается возможность применения информационных технологий для создания, проектирования и эксплуатации социальных, биологических и технических си77
УРОВНИ СИСТЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ
Дополнительное профессиональное образование
Высшее профессиональное образование
Среднее профессиональное образование
Начальное профессиональное образование
Дополнительное образование детей
Общее среднее образование
Дошкольное образование
Рис. 3.17. Многоуровневая организация системы образования
Структурные уровни языковой системы
Интеграция
Сегментация
Синтаксический уровень
ПРЕДЛОЖЕНИЕ
Лексический уровень
ЛЕКСЕМА
Морфологический уровень
МОРФЕМА
Фонологический уровень
ФОНЕМА
Рис. 3.18. Многоуровневая организация языковой системы
стем во всевозможных предметных областях – экономике, сервисе,
менеджменте и т. д.
Сам информационный процесс с учетом введенной обобщенной
модели (см. рис. 3.5) может быть представлен двухуровневым описанием (рис. 3.19).
На первом, материальном, метауровне информационного процесса данными обмениваются сигнальные устройства. Они преобразуют сообщения в сигнал, согласованный с физической средой
взаимодействия, и обеспечивают обратное преобразование. На этом
метауровне важны не смысл сообщений, а физическая форма пред78
Идеальный
метауровень
Коммуникант А
Смысл
Коммуникант B
Сообщение
Материальный
метауровень
Сигнальное
устройство
Сигнал
Физическая среда
взаимодействия
Сообщение
Данные
Сигнальное
устройство
Преобразование временной,
пространственной
и материальной координат
сигнала
Сигнал
Рис. 3.19. Двухуровневое представление информационного процесса
ставления информации и методы ее преобразования для наиболее
эффективной трансформации сигнала. Именно это и определяет
особенности моделирования информационного взаимодействия на
физическом метауровне.
На втором, идеальном, метауровне происходит обмен смысловым содержанием информации между коммуникантами, которых интересует только смысл, а не те технические приемы и преобразования, которые использовались для перемещения данных
во времени и пространстве или для изменения формы ее представления. Им важно, чтобы в результате всех преобразований не
был искажен язык, с помощью которого источник информации
закодировал смысл. Для изучения информационного взаимодействия на этом метауровне необходимы модели совершенно другого типа.
Подобно тому как в физике нельзя обойтись без первичных эталонов массы, длины, времени и других физических величин, при
разработке информационных технологий для стандартизации
наиболее общих правил организации информационных процессов
в цифровой среде взаимодействия на уровне функций и интерфейсов используют эталонные модели.
Эталонная модель (Reference Model) – это абстрактное, не связанное с реализацией соглашение о способе информационного взаимодействия между объектами в электронной цифровой среде. Она вводит понятия, которые лежат в основе языка общения специалистов
на всех этапах жизненного цикла систем и является инструментом
для изучения технических решений, принятых разработчиками при
создании этих систем.
79
Эталонные модели задают архитектуру (функциональную организацию) будущей системы в виде совокупности функциональных
компонентов, связей этих компонентов друг с другом и внешней
средой, а также принципов проектирования структуры и поведения системы. Архитектура не связана с реализацией системы.
Эталонные модели описывают информационные процессы в цифровой среде взаимодействия и основаны на следующих предпосылках:
– взаимодействие коммуникантов осуществляется с помощью
компьютеров, которые управляются как единая система и состоят
из набора аппаратных средств, программного обеспечения, периферийного оборудования, терминалов и т. д.;
− информационный процесс может быть описан в виде последовательности отдельных функциональных задач независимо от способа их реализации;
− функциональные задачи могут быть распределены по уровням
взаимодействия, между которыми установлены уровневые иерархические взаимосвязи;
− информацию пользователей сопровождает служебная (управляющая) информация, которая создается компьютерными системами до, во время и после информационного обмена и регулирует
процесс информационного взаимодействия;
− согласованию при разработке эталонных моделей подлежат
последовательность реализации этапов информационного процесса, содержание и интерфейсы каждой функциональной задачи.
Эталонные модели принимаются в виде стандартов. Они конкретизируются и детализируются разработчиками в соответствии
с возможностями информационных технологий и в итоге воплощаются в реальные системы.
Комплекс операций, выполняемых при обмене данными на материальном метауровне, можно рассматривать либо как единый
информационный процесс, включающий в себя все его операции,
либо как совокупность отдельных связанных друг с другом информационных процессов (подпроцессов), каждый из которых реализует только часть операций этого метауровня.
Цифровые технологии строятся по второму принципу и подразумевают разделение информационного взаимодействия на последовательность иерархически связанных процессов, расположенных
на разных уровнях материального метауровня. Эти уровни характеризуются вертикальной декомпозицией, последовательностью
(приоритетом) реализации и взаимосвязью показателей, в совокуп80
ности характеризующих процесс информационного взаимодействия,
и соответственно представляют собой страты описания материального метауровня. В общем случае может быть выделено N страт.
Стратам соответствуют (рис. 3.20):
− информационные процессы преобразования данных на определенной страте;
− множества информационных технологий, которые отличаются методом или способом реализации информационных процессов
на определенной страте;
− временные, пространственные и энергетические характеристики протекания информационных процессов при их выполнении
с применением тех или иных информационных технологий.
Символом « * » на рис. 3.20 помечена совместимость информационных технологий с информационными процессами. Например, i-й
информационный процесс может быть реализован с помощью j-й
информационной технологии, но не может быть реализован с применением технологий 1 и M.
Информационные процессы i-й страты непосредственно взаимодействуют только с двумя типами процессов (рис. 3.21):
− процессами i-й страты материальных метауровней других систем с помощью протоколов;
− процессами смежных (i+1)-й и (i−1)-й страт собственного метауровня с помощью интерфейсов.
И протоколы, и интерфейсы представляют собой формализованные правила обмена данными.
...
Информационная технология М
*
...
Информационная технология j
*
Информационная технология 1
Информационный процесс i
...
Страта i
...
...
Информационный процесс N
...
Страта N
Страта 1
Информационный процесс 1
*
*
*
*
Рис. 3.20. Стратифицированная модель информационного
взаимодействия
81
Сообщение
...
Сообщение
Протокол
Интерфейс
i-я страта
Протокол
Интерфейс
(i−1)-я страта
Протокол
...
Материальный метауровень
(i+1)-я страта
Сторона А
Сторона B
Сигнал
Рис. 3.21. Модель взаимодействия информационных процессов
Стратифицированным описанием процессов информационного
взаимодействия на материальном метауровне может служить модель интерактивного взаимодействия компонентов MIC (Model for
Interactions between Components), представленная в виде матрицы
7×4 (см. с. 84). Столбцы ее соответствуют основным компонентам
цифровых компьютерных систем, которые формируют их функциональность при организации обмена данными: с конечными пользователями, системными средствами, системами хранения данных
с помощью коммуникационных средств.
Строки матрицы разделяют процесс информационного взаимодействия на семь страт. На первой (нижней) страте располагаются
информационные процессы нижнего уровня, реализуемые, например, шинами доступа к цифровым данным, на седьмой (верхней) –
процессы обмена сообщениями с идеальным метауровнем (или прикладной программой пользователя).
Наиболее известным фрагментом модели MIC является эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI/RM (Open
82
Область
пользователя
Область
систем и
процессов
Информационная
область
Коммуникационная область
Определения Спецификация Специфи- Данные
Спецификации
интерфейса
кация про- концепкоммуникаций
пользователя
цессов
туального
характера
Инструментарий высокого уровня
Генераторы
форм и отчетов
Утилиты
Язык
Прикладной
четверто- уровень модели
го поколе- OSI
ния
Инструмен- Объектное
тарий низко- кодирование
го уровня
(символы)
Язык
Язык
команд и
запросов
программирования
Сеансовый и
представительский уровни
модели OSI
Системы
высокого
уровня
Система
высокого
уровня
Доступ
к данным
Транспортный
уровень модели
OSI
Система низ- Драйверы
кого уровня
Ядро
системы
Файловые Сетевой уросистемы
вень модели
OSI
Исполнительные
устройства
высокого
уровня
Интерфейсы
Центральный процессор
Память
Канальный
уровень модели
OSI
Исполнительные
устройства
низкого
уровня
Периферия
Шины
Шины и
внешние
накопители
большой
емкости
Физический
уровень модели
OSI
Многооконность
Systems Interconnection Reference Model), описывающая процессы взаимодействия через сеть связи с коммутацией пакетов. На ее
первом уровне выполняются информационные процессы кодирования сообщений последовательностями электрических импульсов, на втором – информационные процессы формирования кадров
и множественного доступа к среде передачи, на третьем – информационные процессы формирования и маршрутизации пакетов
и т. д. В целом последовательная реализация всех операций, раз83
деленных между информационными процессами на семи уровнях,
обеспечивает доставку блока данных от источника к получателю.
При стандартизации взаимодействия открытых систем дополнительно используются следующие понятия:
− прикладной процесс – источник и(или) потребитель информации в открытой системе, будь то человек или программа;
− соединение – состояние, при котором между открытыми системами передаются данные;
− i-й уровень – подраздел архитектуры, элементы которого непосредственно взаимодействуют только с элементами смежных
(i+1)-го и (i−1)-го уровней этой открытой системы;
− i-я услуга – функциональная возможность i-го и нижерасположенных уровней, предоставляемая (i+1)-му уровню;
− i-я служба – весь набор услуг, которые предоставляются вышележащему уровню;
− интерфейс – весь комплекс правил взаимодействия с соседними уровнями.
Модель взаимодействия заключается в следующем. Сообщение,
подготовленное прикладным процессом А, поступает в открытую
систему А и последовательно проходит все уровни архитектуры от
верхнего до нижнего. В результате обработки сообщение превращается в сигнал, который через физическую среду взаимодействия
доставляется в открытую систему В. Открытая система В, последовательно обрабатывая сигнал на всех уровнях архитектуры от нижнего до верхнего, превращает его в сообщение, которое передается
прикладному процессу В.
Таким образом, процесс взаимодействия открытых систем состоит во взаимодействии одноименных уровней иерархии систем
друг с другом с помощью протоколов. В грубом приближении его
можно сравнить с оформлением почтовых конвертов на каждом
уровне. На передающей стороне данные пользователя проходят все
иерархические уровни открытой системы сверху вниз. На самом
верхнем уровне N они запечатываются в первый конверт, на котором записываются данные для уровня N приемной стороны. После
поступления на уровень N−1 этот конверт становится содержимым
нового конверта с данными для уровня N−1 приемной стороны
и т. д. На уровне 1 формируется последний пакет, который несет
данные уровню 1 приемной стороны и содержит последовательно
вложенные конверты всех вышележащих уровней.
На стороне приема происходит обратный процесс. Каждый уровень использует данные, зафиксированные на соответствующем
84
конверте, и после его вскрытия передает содержимое на более высокий уровень. Потребитель в результате получает лишь предназначенную ему исходную информацию.
Рассмотренный подход к систематизации информационных
процессов и технологий, обеспечивающих стандартное описание
процесса информационного взаимодействия, позволяет сформулировать следующие определения.
Информационное взаимодействие – это комплекс операций,
обеспечивающих обмен информацией между коммуникантами.
Информационный процесс – последовательность операций по
преобразованию данных на материальном метауровне или отдельных стратах метауровня.
Информационная технология – это особенности реализации какого-либо информационного процесса на материальном метауровне.
Значительным результатом создания открытых систем является разработка эталонных моделей для важнейших разделов области информационных технологий. Эталонными моделями помимо
моделей MIC и OSI/RM могут служить:
− модель открытых систем MUSIC: M – Management (администрирование и управление); U – User Interface (интерфейсы пользователя); S – Service Interface for Programms (интерфейсы операционной системы и приложений); I – Information and Data Formats
(доступ к данным и информации); C – Communication Interfaces
(коммуникационные интерфейсы);
− эталонная модель среды открытых систем OSE/RM (Open
System Environment/ Reference Model);
− эталонная модель управления данными RMDM (Reference
Model of Data Management);
− эталонная модель открытой распределенной обработки ODP
(Open Distributed Processing);
− общая информационная модель CIM (Common Information
Model).
Функциональные области открытых систем, требующие стандартизации и соответствующие столбцам модели MIC, выделены
в модели MUSIC. Наименование модели – это акроним от английских названий основных элементов, которые формируют функциональность открытых систем (рис. 3.22).
Модель MUSIC содержит перечень процессов и функций открытых систем, которые требуют четкой стандартизации интерфейсов.
Элемент Management реализует функции системной администрации, защиты данных, надежности системы, управления рабо85
Платформы приложений: операционные
системы и техническое обеспечение
Интерфейсы
пользователя
Интерфейсы
Доступ
ОС
к данным
Коммуникации
и приложений и информации
Внешние
функции
Администрирование
и управление
Приложения
Среда существования
Рис. 3.22. Модель открытых систем MUSIC
той в сетях, учета использования ресурсов, поддержки конфигурации системы.
Эти функции создаются для системных администраторов, и их
стандартизация позволяет:
− улучшить мобильность профессиональных знаний специалистов в области информационных технологий;
− обеспечить централизованную поддержку всей неоднородной,
зависимой от многих специалистов распределенной среды взаимодействия в целом.
Типовыми задачами системного администратора являются:
− подготовка и сохранение резервных копий данных, их проверка и уничтожение;
− установка и конфигурирование обновлений операционной системы и приложений;
− установка и конфигурирование нового аппаратного и программного обеспечения;
− создание и поддержание в актуальном состоянии пользовательских учетных записей;
− ответственность за информационную безопасность;
− устранение неполадок в системе;
− планирование и проведение работ по расширению сетевой
структуры;
− документирование всех произведенных действий и др.
Таким образом, задача стандартизации элемента Management
представляет собой разработку типового обобщенного списка процедур и интерфейсов для решения задач администрирования
и управления.
86
Элемент User Interface реализует функции взаимодействия системы с человеком. Особое внимание в интерфейсе пользователя
уделяется его удобству (юзабельности). Хороший пользовательский интерфейс учитывает человеческие возможности, перекладывает работу на машину, минимизирует ошибки и раздражение
пользователя. Основные характеристики, делающие его привлекательным для пользователя, – понятный, удобный, дружественный,
красивый. Классификация пользовательских интерфейсов приведена на рис. 3.23.
Пользовательский интерфейс подразделяется на:
− командный, в котором взаимодействие человека с системой
осуществляется путем подачи команд, которые выполняются пакетом или покомандно и затем пользователю выдается полученный
результат;
− WIMP (Window – окно, Image – образ, Menu – меню, Pointer –
указатель). Команды в таком интерфейсе подаются с помощью
графических образов объектов и программ, вся работа происходит
в окнах, которые содержат меню и являются метафорой рабочего
стола с документами;
− SILK (Speech – речь, Image – образ, Language – язык, Knowledge –знания). Данный интерфейс основан на технологиях искусственного интеллекта, наиболее приближен к человеческой форме
общения, использует речевую, биометрическую (мимическую) и
семантическую технологии.
Таким образом, задача стандартизации элемента User Interface –
обеспечить мобильность пользователя, его переход с системы на систему без изучения новых правил ввода/вывода однотипной информации. В компьютерах этот компонент реализуется операционной
системой.
Элемент Service Interface for Programms обеспечивает взаимодействие прикладных программ с аппаратными и программными
средствами системы (рис. 3.24).
Системное программное обеспечение и его важнейшая часть операционная система (ОС) – это комплекс программ, которые обеспечивают работу других программ и управляют аппаратными ресурсами
(процессором, оперативной памятью, устройствами ввода/вывода, сеПользовательский интерфейс
Командный
WIMP
SILK
Рис. 3.23. Классификация пользовательских интерфейсов
87
Прикладные программы
Интерфейс прикладного
программирования
Операционная система
Аппаратная платформа
Физические устройства
Рис. 3.24. Упрощенное уровневое представление компьютера
тевым оборудованием и др.). Оно выступает посредником между приложениями и аппаратурой. Библиотека (набор функций или подпрограмм), предоставляемых ОС прикладным программистам, называется интерфейсом прикладного программирования – API (Application
Programm Interface). Все особенности ОС для программиста сконцентрированы в ее API. Разные ОС, имеющие одинаковый набор функций API, воспринимаются программистами как одна и та же ОС.
Прикладная программа (приложение) – программа, рассчитанная на непосредственное взаимодействие с пользователем и
предназначенная для выполнения определенных пользовательских задач.
Таким образом, задача стандартизации элемента Service
Interface for Programms и операционных систем в части функций
API – обеспечить переносимость приложений между внутренне
разными ОС.
Элемент Information and Data Formats обеспечивает взаимодействие приложений благодаря использованию ими одних и тех же
данных (обмен данными).
Обмен данными требует согласования трех групп параметров:
− типов данных – множества возможных значений данных
каждого типа и допустимых действий над ними. Возможность прикладной программы работать с данными того или иного типа зависит от использованного языка программирования;
88
− форматов данных – способов описания элементов и структур
данных. Форматы данных можно изменять с помощью специальных программ (конверторов);
− правил хранения данных – способов доступа к их материальным носителям. Материальные носители данных с приспособлениями для записи/считывания называются запоминающими устройствами.
Таким образом, задача стандартизации элемента Information
and Data Formats, – в первую очередь, обеспечить переносимость
данных с помощью стандартных интерфейсов с системой их хранения.
Элемент Communication Interfaces обеспечивает обмен данными между открытыми системами по неоднородным локальным и
глобальным телекоммуникационным сетям. В процессе взаимодействия открытая система рассматривается как единое целое.
Главное – обеспечить доставку данных к другой открытой системе
через соединения из неоднородных участков сетей, которые могут
отличаться технологическими, энергетическими, логическими,
экономическими, надежностными и другими характеристиками.
Таким образом, задача стандартизации элемента Communication
Interfaces – обеспечить информационное взаимодействие территориально разнесенных пользователей с помощью стандартных интерфейсов открытых систем с телекоммуникационными сетями.
Итак, стандартизация способов выполнения информационных
процессов на уровне эталонных моделей дает разработчикам информационных технологий и систем мощный инструмент для согласования принимаемых технических решений.
Контрольные вопросы по теме
1. Как выглядит уровневое описание информационного взаимодействия?
2. Что такое информационный процесс?
3. Как выглядит общая схема системы связи К. Шеннона как
модель информационного процесса?
4. Какова функция физической среды взаимодействия в обобщенной модели К. Шеннона?
5. Какую роль выполняют коммуниканты в обобщенной модели
К. Шеннона?
6. В чем заключается разница между сообщением, данными и
сигналом?
89
7. Как классифицируются сигналы?
8. Как выглядит обобщенная модель информационного процесса?
9. Какие этапы и фазы включает в себя временная диаграмма
информационного процесса?
10. В чем заключаются особенности базового информационного
процесса сохранения данных?
11. В чем заключаются особенности базового информационного
процесса распространения данных?
12. В чем особенность базового информационного процесса обработки данных?
13. В чем особенность синтетических информационных процессов?
14. В чем особенность фрагментов базовых информационных
процессов?
15. Какова концепция открытых систем?
16. В чем суть системного подхода к созданию открытых систем?
17. Как выглядит модель двухуровневого представления информационного процесса?
18. В чем состоят особенности эталонных моделей информационных процессов?
19. В чем заключается стратифицированное описание материального метауровня открытой системы?
20. Какие элементы включает в себя эталонная модель интерактивного взаимодействия компонентов MIC?
21. Какие уровни включает в себя эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI/RM.
22. Каковы особенности эталонной модели MUSIC?
90
4. ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
4.1. Сущность информационной технологии
Основной прикладной задачей информатики является создание
информационных технологий, предназначенных для автоматизации информационных процессов.
Термин «технология» происходит от греч. τέχνη – искусство,
мастерство, умение, др.-греч. Λόγος – мысль, причина, методика,
способ производства и в современной литературе употребляется
в широком и узком смысле.
В широком смысле – это объем знаний, которые можно использовать для производства товаров и услуг из экономических ресурсов,
в узком – это способ преобразования вещества, энергии, информации
в процессе изготовления продукции, обработки и переработки материалов, сборки готовых изделий, контроля качества, управления.
Соответственно под информационной технологией в широком
смысле следует понимать комплекс взаимосвязанных научных
дисциплин, изучающих методы организации труда людей, занятых реализацией информационных процессов с помощью средств
вычислительной техники и связи, с целью повышения эффективности использования информации (информационных ресурсов) [6].
Основными компонентами информационной технологии XXI в.
являются:
− инструментальная часть – компьютер и информационные сети;
− основные цели и функции – замена и усиление интеллектуального труда;
− производительные силы – информационные.
Информационная технология в узком смысле – это способ реализации информационных процессов, последовательность регламентированных правил выполнения операций, действий, этапов, фаз разной
степени сложности над данными взаимодействия коммуникантов.
Как следует из приведенных определений, один и тот же информационный процесс может быть реализован с помощью разных информационных технологий (рис. 4.1–4.3).
Обычно, когда говорят «информационная технология», имеют в виду, прежде всего, объем знаний. Когда же говорят об информационных технологиях, то полагают, что это способы реализации.
Информационные технологии существенно влияют на способ производства продуктов и услуг, формы организации досуга, воспитания
91
Рис. 4.1. Технологии сохранения данных
Рис. 4.2. Технологии распространения данных
Рис. 4.3. Технологии обработки данных
и образования, оказывают воздействие на социальную структуру общества, экономику, политику, развитие общественных институтов.
Важнейшие этапы развития цивилизации связаны с изобретением новых информационных технологий:
− письменности (около 3000 г. до н. э.);
− почты (эстафетный способ доставки около 500 г. до н. э.);
− книгопечатания (в 1445 г. немец Иоганн Гутенберг изобрел наборные литеры, в 1564 г. Иван Федоров напечатал первую русскую
книгу «Апостол);
92
− оптического телеграфирования (в 1684 г. представлен телеграф
Гука в виде подвижных линеек, видимых с дальнего расстояния);
− машинописи (в 1714 г. англичанин Генри Миллу запатентовал
машину и способ последовательной печати литер);
− электрической связи (в 1832 г. начал действовать электромагнитный телеграф П. Л. Шиллинга между Зимним дворцом и
Министерством путей сообщения в Санкт-Петербурге);
− компьютера (в 1946 г. первый компьютер ENIAC запущен
в США для нужд американской армии. Он предназначался для обсчета баллистических таблиц артиллерии и авиации).
Информационные технологии не привязаны к какой-либо предметной области, они представляют собой инструментарий для реализации информационных процессов.
Достижения в области информационных технологий XXI в. позволяют создать глобальную информационную инфраструктуру.
В ее рамках должны обеспечиваться эффективное интеллектуальное взаимодействие между людьми, свободный доступ к мировым
духовным ресурсам, удовлетворение их потребностей в информационном продукте и услугах [6].
Информационные технологии существенно отличаются от материальных. Материальные технологии (рис. 4.4) изменяют первоначальные состояние, свойства, форму и качество материи для получения материального продукта с помощью различных технических
средств и инструментов.
Информационные технологии (рис. 4.5) реализуют информационные процессы и изменяют временную, пространственную и физическую координаты существования данных с помощью средств
вычислительной техники и связи.
Сравнение некоторых этапов реализации материальной и информационной технологий проводится в табл. 4.1.
Рис. 4.4. Материальная
технология
Рис. 4.5. Информационная
технология
93
Таблица 4.1
Сравнение этапов реализации
материальной и информационной технологий
Технология
Материальная
Информационная
Подготовка сырья и материалов
Кодирование, подготовка сообщений
Производство материальных продуктов
Реализация информационного
процесса
Сбыт продуктов
Передача данных (сообщений)
получателю
Складирование сырья, материалов,
продуктов
Сохранение данных
Охрана сырья, материалов, продуктов Защита информации (данных)
Для реализации информационных технологий требуются специальные средства, которые отличаются от таких элементов материального производства, как оборудование, станки или инструменты. Средства, необходимые для реализации информационной
технологии, формируются технической, программной и организационной средами (рис. 4.6) и связаны с внедрением цифровых вычислительной техники и связи.
Информационные
технологии
Аппаратное обеспечение
для сохранения
и распространения данных
(вычислительная техника,
телекоммуникации)
Математическое
и программное обеспечение
для обработки данных
(методы, модели, алгоритмы)
Организационнометодическое обеспечение
(специалисты,
документация, управление
и др.)
Главные достижения
Электроника,
фотоника,
радиотехника
Операционные системы,
языки программирования,
интерфейсы
Наука,
образование,
законодательство
Рис. 4.6. Средства информационной технологии
94
Коммуникант информационного процесса, использующий цифровую (компьютерную) информационную технологию, называется
пользователем.
4.2. Базовые информационные технологии
Классификация информационных технологий может производиться по многим признакам. Остановимся на трех из них [6]. Так,
инструментальные средства, используемые информационными
технологиями, делятся на:
− ручные (рукописание, курьерская почта, ручной коммутатор);
− механические (пишущая машинка, маятниковый видеотелеграф, декадно-шаговая АТС и др.);
− электронные (компьютер, цифровой фотоаппарат, цифровая
сеть связи).
Основополагающим признаком классификации информационных
технологий является вид реализуемого информационного процесса.
По аналогии с базовыми информационными процессами введем
понятие базовой информационной технологии в цифровой среде.
К числу базовых относятся технологии сохранения, распространения и обработки данных. Комбинируя базовые информационные
технологии, можно сформировать синтетическую технологию, реализующую любые преобразования данных на пути от источника
к получателю информации (рис. 4.7).
Классификация информационных технологий по способу реализации отдельных фаз и этапов информационного процесса приведена на рис. 4.8.
Она устанавливает, что информационные технологии:
− обеспечивают взаимодействие не только людей, но и человека
с машинами и машин друг с другом;
По виду реализуемых информационных процессов
Базовые технологии
Реализуют базовые ИП
Сохранение Распространение
Синтетические технологии
Объединяют возможности базовых ИТ
Обработка
Сбор
Поиск
...
и др.
Рис. 4.7. Классификация информационных технологий
95
По способу реализации элементов информационного процесса
Техническая база
(цифровая,
традиционная)
Сообщения (текстовые,
звуковые, изображения,
видео, мультимедиа)
Пользователи (человек−
человек, человек−машина,
машина−машина)
Сигналы
(дискретные,
аналоговые)
Степень автоматизации
(автоматизированные,
автоматические)
Данные
(структурированные,
неструктурированные)
Интерфейсы
(стандартные,
закрытые)
Рис. 4.8. Классификация компьютерных информационных технологий
− работают со всевозможными типами сообщений;
− способны представлять сигналы в аналоговом или цифровом
виде;
− имеют дело не только с простыми, но и со структурированными данными, которые разделены пользователями на связанные
друг с другом поименованные части, каждая из которых относится
либо к простым данным, либо представляет собой структурированные данные;
− основаны на цифровой вычислительной технике;
− могут использовать возможности человека при автоматизации
информационных процессов;
− применяют стандартные (открытые для взаимодействия разных компонентов компьютерных систем) или закрытые для такого
взаимодействия интерфейсы.
Несмотря на различия реализуемых информационных процессов, базовые технологии имеют много общего. В частности, их реализация в цифровой среде предполагает выполнение четырех обязательных процедур:
− цифровизации данных пользователя;
− формирования метаданных;
− преобразования данных пользователя;
− предоставления данных пользователю.
В результате реализации процедур цифровизации данных, поступивших от источника, любая информация, будь то звук, изображение, видео или текст, могут быть представлены в виде цифровых битовых массивов данных. Число бит в строке массива зависит от разрядности компьютера, а число строк – от объема данных.
Впоследствии при работе с данными компьютер оперирует не битами, а байтами или группами по четыре, восемь, шестнадцать байт
этих цифровых данных.
96
Компьютерные технологии смогут работать с цифровыми данными только после того, как им будут сопоставлены метаданные.
Формирование метаданных – это вторая обязательная процедура реализации компьютерной технологии. Метаданными называется служебная информация, которая добавляется к исходному
битовому массиву для того, чтобы можно было определить тип цифровых данных, которые представлены в компьютере.
Сами по себе, без сопоставленных им метаданных, бит или
байт не являются компьютерными данными, так как не известно,
что они обозначают, – буквы, ноты, цифры, цвет или что-то еще
(рис. 4.9). Например, если данным, представляющим собой растровое изображение, сопоставить метаданные музыкального произведения, то компьютер воспримет соответствующий битовый массив
как цифровой звук и воспроизведет их с помощью соответствующих аппаратных и программных средств. Какофония, которая раздастся при этом из динамиков, не испугает компьютер, так как он
работает с данными, а не со смыслом информации.
Метаданные – это вспомогательный набор данных, который
формируется и используется в процессе реализации цифровых информационных технологий и содержит сведения о типе данных
взаимодействия пользователей. Метаданные определяют формат,
структуру, место расположения, использованные и допустимые
к использованию процедуры и алгоритмы преобразования данных.
Аналогом метаданных являются каталоги традиционных библиотек. В них хранятся описания публикаций в форме типовых
карточек. Описание каждой публикации содержит фиксированный
набор именованных атрибутов, по которым можно вести поиск.
Каждая карточка – это набор метаданных публикации. Такой набор
может содержать, например, название, тему, описание, источник,
язык, связи, охват в пространстве и(или) времени, создателя, издателя, соавторов, права, дату, тип, формат, идентификатор.
Компьютерные данные
Метаданные
Цифровой массив данных
взаимодействия
Рис. 4.9. Структура компьютерных данных
97
Метаданные требуются внутренним процессам компьютерных
технологий. Они описывают данные, которыми обмениваются пользователи, не являясь частью таких данных. Это данные о данных.
При реализации разных информационных технологий метаданные могут исполнять разные функции (рис. 4.10). Однако формирование метаданных является стандартным обязательным приемом при использовании всех компьютерных информационных
технологий. Метаданные несут «смысл» всех преобразований над
цифровыми данными взаимодействия на их пути от источников
к получателям информации.
Метаданные имеют собственную структуру, которая связана со
структурой цифровых данных пользователя и соизмерима с ней по
сложности. Для работы с данными пользователя может потребоваться дополнительная информация о метаданных цифровых данных. Данные о метаданных называются метаметаданными, и т. д.
Для формирования метаданных и управления ими используются специальные программные и аппаратные средства компьютерных технологий.
Третьей обязательной процедурой любой информационной технологии является преобразование данных пользователя, в результате
которого и реализуется процесс информационного взаимодействия.
Преобразования, как известно, связаны либо с сохранением данных на каком-либо носителе, либо с перемещением их в пространстве, либо с обработкой, либо с любой комбинацией этих базовых
информационных технологий.
Принцип, заложенный в технологии сохранения цифровых данных, заключается в сопоставлении битам данных минимальных единиц хранения цифрового носителя данных. Главным свойством минимальных единиц хранения является способность оставаться в одном
из нескольких (в частном случае в одном из двух) устойчивых состояний после прекращения действия переключающего сигнала управления, который как раз и несет в себе номер требуемого состояния.
МЕТАДАННЫЕ ЗАДАЮТ
Для процесса
сохранения
Форматы, структуры,
конфигурацию данных
Для процесса
распространения
Для процесса
обработки
Процедуры
Адреса коммуникантов
и информационных объектов и алгоритмы обработки
Рис. 4.10. Функции метаданных в разных информационных технологиях
98
Именно это свойство позволяет сохранять числа, записанные в двоичном коде. Если единица хранения может занимать два устойчивых
состояния, то с ее помощью можно сохранить один бит данных. По договоренности одному из двух состояний сопоставляют логическую 1, а
другому – логический 0. Если минимальная единица хранения может
занимать четыре состояния, то она способна сохранить значения двух
бит, например, 00 – в состоянии 1, 01 – в состоянии 2, 10 – в состоянии
3 и 11 – в состоянии 4. Восемь устойчивых состояний дают возможность в каждом из них сохранить 3 бита, и т. д.
Количество данных, которое может быть сохранено на цифровом носителе, зависит, таким образом, от числа содержащихся на
нем минимальных единиц хранения и числа устойчивых состояний каждой единицы хранения.
Похожий принцип используется и в технологиях распространения
цифровых данных по электрическим сетям связи, с той лишь разницей, что значения данных сопоставляются не минимальным единицам хранения, а электрическим или электромагнитным импульсам,
которые перемещаются от источника к получателям данных по каналам связи. На стороне источника информации сигналы управления
придают физическим параметрам импульсов значения, которые соответствуют цифровым данным, подлежащим распространению.
Изменяемыми (информационными) параметрами импульсов
могут являться, например:
− амплитуда – значение уровня импульса;
− фаза – задержка импульса относительно временной точки начала отсчета.
Единичный импульс, физические параметры которого под воздействием управляющего сигнала принимают те или иные значения, называется символом. Если параметры символа принимают
два значения, то одному из них сопоставляется логическая 1, а другому – логический 0. Если таких значений четыре, то каждое значение символа передает два бита исходных данных, и т. д.
Для передачи одного символа выделяется строго фиксированный интервал времени, длительность которого задается импульсами тактового генератора. Массив двоичных данных отправляется
потребителю информации как развернутая во времени последовательность символов. Для того чтобы при приеме было возможно
правильно зарегистрировать всю последовательность символов,
отправленных передающей стороной, процессы передачи и приема
должны протекать синхронно, т. е. совершаться в определенном
порядке с неизменяемым сдвигом во времени.
99
Принцип, используемый при обработке числовых данных, заключается в получении новых данных путем математических преобразований исходных. Этот принцип как раз и дал название современному компьютеру – вычислитель, т. е. прибор, который один
набор чисел пересчитывает в другой с помощью некоторой последовательности арифметических и логических операций.
Физически процедуры пересчета реализуются дискретными электрическими схемами, элементной базой которых выступают транзисторы. Эти схемы имеют дискретные множества внутренних состояний, входных и выходных сигналов и изменяют свои состояния в дискретные моменты времени.
Можно выделить два важных типа электрических схем, используемых при обработке в цифровой среде:
− регистры – это небольшая по объему быстродействующая память;
− арифметико-логическое устройство (АЛУ) – схема, выполняющая математические операции над данными, записанными в регистрах.
Регистры связаны с входами и выходами АЛУ и состоят из разрядов, каждый из которых может занимать одно из нескольких (в
частном случае одно из двух) состояний и отображает несколько (в
частном случае один) бит числового кода. Чем больше разрядов содержит регистр, тем больше знаков обрабатываемого числа он может сохранить. Для хранения исходных числовых данных предназначены входные регистры. Результаты вычислений сохраняются
в выходных регистрах.
Схема арифметико-логического устройства функционально состоит из логических схем И (дизъюнкция), ИЛИ (конъюнкция) и
НЕ (отрицание). Комбинируя последовательное выполнение этих
элементарных операций над данными, записанными в разряды
входных регистров, можно реализовать практически любые виды
математических преобразований операндов.
Типы математических операций, которые следует применить
к операндам, передают в АЛУ сигналы управления. Совместная
работа дискретных электрических схем, образующих регистры
и АЛУ, синхронизируется тактовым генератором.
Сохраняемые, распространяемые и обрабатываемые данные могут иметь разный объем. Больший объем требует больших ресурсов
для реализации процедур преобразования. Компьютерные информационные технологии никогда не оперируют данными объемом
1 бит или сразу со всем объемом преобразуемых данных. Общий
100
прием, который используется при преобразовании, заключается
в разделении преобразуемых данных на блоки:
− при сохранении данных блоки занимают память определенного размера и представляют собой минимальный адресуемый объем
сохраняемой информации;
− при передаче эти блоки требуют определенного числа тактовых импульсов для перемещения символов по каналу связи и представляют собой минимальный объем данных, который можно рассматривать как самостоятельный информационный объект;
− при обработке блоки имеют размер, соответствующий разрядности регистров, и представляют собой группу бит, значение которых может быть изменено одновременно за некоторое конечное
число тактов дискретного времени.
Разделение совокупности преобразуемых данных на блоки приводит к соответствующему разделению процесса преобразования
данных на технологические этапы, число которых зависит от числа выделяемых блоков. Каждый этап связан с преобразованием
одного определенного блока данных. Только после преобразования
всех блоков процедуры сохранения, распространения и обработки
данных можно считать законченными. Именно поэтому продолжительность указанных процедур зависит от объема данных.
Выделение блоков данных для преобразования никак не связано
со смыслом преобразуемой информации.
Еще одной процедурой реализации компьютерных технологий
является представление пользователю результатов преобразования данных после их сохранения, распространения или обработки. Представление цифровых данных реализуется с помощью периферийных устройств, преобразующих данные в данные в форме, доступной для восприятия органами чувств человека. Такими
устройствами являются мониторы, принтеры, плоттеры, устройства виртуальной реальности, картриджи запахов и т. п.
При разработке систем сопряжения человека с техническими
средствами первостепенное значение имеют эргономические (инженерно-психологические) факторы. Для интерактивного взаимодействия с цифровой информационной средой необходимо создать
эффективный и удобный интерфейс в системе «человек – компьютер».
Контрольные вопросы по теме
1. Что такое технологии и информационные технологии?
101
2. Каковы значения и значимые исторические вехи развития
информационных технологий?
3. В чем разница между материальной и информационной технологией?
4. Какие существуют средства реализации информационных
технологий?
5. Какие базовые процедуры информационных технологий вы
знаете? Что такое метаданные?
6. Какой принцип положен в основу технологии сохранения
цифровых данных?
7. Какой принцип положен в основу технологии распространения цифровых данных?
8. Какой принцип положен в основу технологии обработки цифровых данных?
9. Какие блоки цифровых данных используются при сохранении, распространении и обработке этих данных?
10. В каком виде данные представляются пользователю?
11. В чем разница между классификацией информационных
технологий по виду реализуемых информационных процессов и
способу реализации элементов информационного процесса?
12. Как определяется сложность информационных технологий?
В чем состоит информационная поддержка изделий?
13. В чем состоит технология баз и хранилищ данных?
14. В чем состоят особенности базовых информационных технологий? Приведите примеры известных вам информационных технологий.
15. Какие существуют информационные технологии управления предприятиями?
16. О каких технологиях работы с данными вы можете рассказать?
17. Что собой представляет система поддержки принятия решений (СППР)? Какие СППР вы знаете?
102
5. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
СОХРАНЕНИЯ ДАННЫХ
5.1. Общие сведения
Неотъемлемым элементом любой информационной системы является память, предназначенная для сохранения данных. Технологии
сохранения информации в компьютерной памяти связаны со спецификой определенного базового информационного процесса, суть
которого состоит в переносе данных во времени.
Особое значение технологиям сохранения данных придает то
обстоятельство, что данные являются важным культурным и экономическим ресурсом, который после утери трудно или просто невозможно восстановить [6, 7].
Соответственно своему назначению технологии сохранения
должны обеспечивать выполнение трех операций:
− запись в память данных, подлежащих сохранению;
− достаточно длительное сохранение данных в памяти;
− считывание данных из памяти для дальнейшего использования.
Для записи и считывания данных необходимо обеспечить своевременный их доступ к памяти сначала источника, а потом потребителя. Процесс доступа для записи включает в себя доставку данных от источника к памяти и обращение к ней для фиксации их на
физическом носителе. Аналогично процесс доступа для считывания
включает в себя обращение к памяти для снятия данных с физического носителя и доставку их от памяти к потребителю. Процесс сохранения данных осуществляется между моментами записи и считывания и состоит в защите информационных носителей от помех.
Характеристики памяти можно разделить на физические и информационные. Первые зависят от физических законов, которые
положены в основу процесса сохранения, вторые – от способа организации памяти в запоминающих устройствах (ЗУ).
К числу физических характеристик относятся:
− гарантированное время сохранения данных в памяти;
− время фиксации их в памяти;
− время снятия данных из памяти;
− вероятность безотказной работы устройства в заданном интервале времени и заданных условиях эксплуатации.
Главными информационными характеристиками ЗУ являются:
− емкость – объем данных, который может быть сохранен единовременно;
103
− скорость записи и считывания данных – количество данных,
которое за единицу времени пользователь может переслать в ЗУ
для сохранения и получить из него после сохранения;
− плотность записи;
− соотношение информационных сигналов и сигналов помех
в моменты записи и считывания информации.
Важными характеристиками ЗУ являются также габарит, масса, потребляемая мощность и стоимость. Кроме того, к специальным ЗУ предъявляют особые требования по параметрам механических и климатических воздействий.
Современные информационные системы используют память
разного типа и назначения. К числу основных классификационных
признаков относятся:
− зависимость от источников энергии (память может сохранять
или не сохранять данные после выключения электроэнергии);
− допустимые операции с данными (изменяемая память допускает, а постоянная не допускает изменения сохраненных данных);
− продолжительность хранения данных (оперативная память
предназначена для сохранения данных только на время решения
оперативных задач, долговременная – для сохранения их продолжительное время в интересах тех задач, которые будут решаться
в отдаленном будущем);
− взаимодействие с другими элементами информационной системы (внутренняя память в отличие от внешней имеет не только
информационные, но и конструктивные связи с другими элементами системы);
− способ поиска затребованных данных (адресуемая память
жестко связывает данные с местом их размещения на носителе информации, ассоциативная память позволяет найти необходимые
данные по описанию их внешних признаков) и др.
Далее будем рассматривать энергонезависимую изменяемую
долговременную внешнюю адресуемую компьютерную память,
объединенную в систему хранения данных.
Система хранения данных (СХД) – это комплексное программно-аппаратное решение по организации надежного хранения информации (информационного ресурса) и предоставления гарантированного доступа к ним. Создание СХД является одной из тенденций развития информационных технологий и позволяет решать
несколько сложных проблем, с которыми сталкиваются разработчики информационных систем:
104
− во-первых, СХД способны к масштабированию и допускают
наращивание объемов памяти для сохранения данных. Это особенно важно в условиях информационного общества, когда лавинообразный рост информационных ресурсов требует все больших объемов долговременной памяти;
− во-вторых, СХД имеют развитые интерфейсы с внешним окружением и обеспечивают, в том числе и дистанционное, взаимодействие через сети связи со многими пользователями в реальном масштабе времени;
− в-третьих, централизация информационных ресурсов в СХД позволяет повысить эффективность управления данными и увеличить
не только надежность хранения, но и скорость записи и считывания.
Современные СХД способны сохранять десятки и сотни терабайт
данных, обеспечивая пользователям доступ на скорости, измеряемой в гигабайтах в секунду.
Технология сохранения, как и любая информационная технология, состоит из аппаратных и программных компонентов.
К числу аппаратных компонентов относятся:
− запоминающие устройства;
− шины ввода/вывода данных;
− управляющие устройства.
В компьютерных информационных системах ЗУ состоит из носителя информации и устройства доступа к нему.
В качестве носителя информации может выступать любой материальный объект, способный достаточно длительное время сохранять зафиксированные на нем данные.
Принцип сохранения заключается в сопоставлении цифровым
данным состояний минимальных единиц хранений. Тогда записи
данных будет соответствовать перевод минимальных единиц хранения в новое состояние.
Создать минимальную единицу хранения можно, основываясь
на разных физических законах. Наиболее широко сегодня в практике построения информационных систем используют законы магнетизма, электроники, фотоники. Соответственно все запоминающие устройства по физическому принципу создания минимальной
единицы хранения делятся на магнитные, полупроводниковые или
оптические. Изобретены носители, основанные и на других физических законах, но пока они не нашли широкого применения.
Запоминающие устройства реализуют функции физической
среды взаимодействия обобщенной модели информационного процесса. Остановимся на их устройстве более подробно.
105
5.2. Магнитные запоминающие устройства
Наибольшее распространение в системах хранения данных получили магнитные запоминающие устройства. Конструктивная
форма ЗУ, в которых используется магнитная запись, может быть
разной, но в основе процесса сохранения для каждой из них лежит
запоминание 0 или 1 на небольшом участке магнитного материала.
Принципы работы магнитных ЗУ основаны на явлении остаточного намагничивания некоторых материалов. Рабочая поверхность носителя покрывается магнитным слоем, при воздействии
на который магнитным полем на носителе сохраняется остаточная
намагниченность. Магнитное поле создается записывающим или
считывающим устройством, в качестве которого используется специально сконструированный электромагнит – магнитная головка,
по обмотке которой пропускают импульсный ток.
Позиционирование головки на нужный участок носителя осуществляется с помощью приводного механизма. Линейный размер
области намагниченности для записи одного бита составляет примерно 0,1–0,2 мкм и носит название домена. В считывающем или
записывающем устройстве обычно устанавливают несколько головок, чтобы получить несколько каналов записи/чтения.
При записи на магнитную головку подается электрический импульс и по индукционной катушке проходит ток определенного
направления. На рабочей поверхности носителя в том месте, где
прошла головка, остается участок с направлением намагниченности (поляризации), которое соответствует направлению тока. Одно
из этих направлений считается кодом нуля, другое – кодом единицы. В режиме чтения, когда головка проходит над намагниченной
областью, в ней возникает ток с направлением, соответствующим
направлению поляризации, который воспринимается как прочитанное значение бита – 0 или 1. Считывание производится без разрушения хранящейся информации и может выполняться многократно. Процесс стирания информации осуществляется отдельной
стирающей головкой, через обмотку которой обычно пропускается
ток высокой частоты. Высокочастотное поле многократно меняет
ориентацию доменов, приводя к тому, что их направленность вновь
становится хаотической.
Характерной особенностью магнитных ЗУ является то, что для
сохранения данных не требуется промежуточной обработки, и процесс записи или чтения выполняется сразу же. Кроме того, во всех
магнитных ЗУ используется динамический принцип сохранения,
106
т. е. носитель информации перемещается относительно считывающего или записывающего устройства.
Для увеличения емкости ЗУ необходимо как можно полнее использовать рабочую поверхность носителя. Степень ее использования определяется плотностью записи информации, т. е. числом
двоичных знаков, размещающихся на единице площади носителя. Плотность записи зависит от характеристик магнитного носителя, конструкции головки, величины зазора между носителем
и головкой, используемого способа записи и других факторов.
Теоретический предел плотности записи информации на магнитных носителях на несколько порядков выше, чем реализуемая ее
плотность.
По конструктивной форме носителя ЗУ различают накопители
на магнитной ленте и на магнитных дисках.
Современные накопители на магнитной ленте называют стримерами (от англ. streamer). Стример – запоминающее устройство
с последовательным доступом к данным. Данные хранятся линейно по всей длине ленты. Лента запакована в специальную кассету
или картридж.
При записи применяется линейный или наклонно-строчный
способ.
Принцип линейной записи состоит в том, что используются достаточно широкая лента с большим числом расположенных по всей
ее длине параллельных дорожек и многоканальная магнитная головка. Лента протягивается лентопротяжным механизмом рядом
с головкой. При этом считывается группа дорожек. При достижении конца ленты головка переводится на следующую группу дорожек, лентопротяжный механизм протягивает ленту в обратном
направлении и записываются/считываются другие дорожки. Этот
процесс повторяется, пока не будут считаны или записаны все дорожки. Такой метод записи называют серпантинным (рис. 5.1, а).
Принцип наклонно-строчной записи заключается в том, что лента протягивается с небольшой скоростью (несколько сантиметров
в секунду) рядом с вращающимся с высокой скоростью цилиндром,
на котором закреплены головки записи/чтения. В результате вращения блока головок создается высокая относительная скорость
между лентой и головкой. При наклонно-строчной записи плотность расположения дорожек в несколько раз выше, чем при линейной, поскольку применяется специальный механизм подстройки положения вращающегося барабана с магнитными головками
(рис. 5.1, б).
107
а)
б)
Рис. 5.1. Способы записи данных на стример:
а – наклонно-строчная; б – линейная серпантинная
Картриджи можно группировать в библиотеки, где каждая магнитная лента идентифицируется номером и автоматически извлекается из отсека хранения и устанавливается в накопитель с помощью робота или механической системы управления.
Магнитная лента является самым экономичным средством
хранения при обеспечении сохранности данных более 30 лет.
Магнитную ленту обычно применяют для хранения больших
объемов ответственных данных, которые используются достаточно редко. К ним относятся информационные архивы, резервные файлы, копии для восстановления в аварийных ситуациях.
Ленточные библиотеки способны хранить петабайты информации, а стоимость хранения информации у них в пять-десять раз
меньше, чем в современных СХД на основе жестких дисков. Более
того, ленточный картридж не потребляет энергии до момента доступа к нему в отличие от непрерывно вращающихся дисков, для
поддержания которых в рабочем состоянии к ним необходимо периодически обращаться.
Накопители на магнитных дисках обеспечивают произвольный
доступ к сохраненным на них данным. Несколько собранных воедино магнитных дисков с устройством записи/чтения называются
жестким диском (HDD).
Типичный HDD представляет собой герметично закрытый пакет
из одного или нескольких магнитных дисков, насаженных на одну
ось, и единого блока головок записи/чтения (рис. 5.2). У каждого
диска две рабочие поверхности – верхняя и нижняя.
Ось пакета собирает все магнитные диски (см. рис. 5.2) и подключается к двигателю. Двигатель оси вращается с постоянной
скоростью, измеряемой в оборотах в минуту (rpm), включается при
подаче питания на диск и остается включенным до снятия питания.
У каждого магнитного диска по две головки записи/чтения – по
одной с каждой стороны. При записи данных головка чтения/записи меняет магнитную поляризацию его поверхности. При чтении
108
Сектор
Ось пакета
Головка
записи/чтения
Цилиндр
Рычаг
привода
Трек
Рис. 5.2. Принцип устройства HDD
данных эта головка фиксирует магнитную поляризацию поверхности диска.
При чтении и записи магнитная головка воспринимает поляризацию, но никогда не касается поверхности магнитного диска. При вращении оси пакета образуется микроскопический воздушный зазор
между головками записи/чтения и магнитными дисками, известный
как высота зависания головки. Этот воздушный зазор исчезает, когда
ось пакета прекращает вращение и головки записи/чтения остаются
в специальной области магнитного диска рядом с осью пакета. Эта
область называется зоной парковки. Если происходит сбой диска и
головка записи/чтения случайно касается его поверхности вне зоны
парковки, то, как правило, это ведет к потере сохраненных данных.
Установку головки записи/чтения на место магнитного диска,
в котором необходимо считать или записать данные, выполняет
рычаг привода. Головки записи/чтения всех магнитных дисков
крепятся к одному рычагу привода и движутся по магнитным дискам одновременно.
Данные, находящиеся на диске, записываются на треки, которые представляют собой концентрические кольца, расположенные
на магнитном диске вокруг оси пакета (рис. 5.3). Треки нумеруются, начиная с нулевого, от наружного края диска.
Таким образом, любая операция записи /чтения данных состоит
из трех этапов. На первом этапе происходит механический подвод
109
Сектор
Трек
Рис. 5.3. Треки магнитного диска
магнитной головки, содержащей требуемые данные, к треку. На
втором этапе обеспечивается ожидание момента, пока требуемая
запись не окажется в зоне такой головки. Максимальное ожидание
равно времени, за которое совершается полный оборот магнитного
диска. На третьем этапе осуществляется собственно процесс обмена информацией между компьютером и магнитным диском. Таким
образом, общее время, затрачиваемое на операцию записи/считывания, состоит из суммы времени поиска соответствующего трека,
ожидания подвода записи и обмена с компьютером.
Плотность записи зависит от плотности размещения треков на магнитном диске и измеряется как число треков на дюйм (TPI). Процесс
управления плотностью записи называется прекомпенсацией.
Каждый трек поделен на более мелкие части, называемые секторами (см. рис. 5.3). Сектор – это минимальная единица хранения данных с индивидуальным адресом. Структура треков и секторов записывается на магнитный диск производителем посредством
операции форматирования. Число секторов на диске зависит от характеристик диска. У дисков первых персональных компьютеров
имелось по 17 секторов на каждом, а у современных дисков число
секторов на одном треке значительно больше.
На магнитном диске может быть несколько тысяч треков в зависимости от размеров и плотности записи магнитного диска. Общий
объем жесткого диска зависит от числа магнитных дисков и объема
каждого из них.
Как правило, в секторе содержится 512 байт пользовательских
данных, хотя некоторые диски могут быть отформатированы под
110
секторы больших размеров. Помимо пользовательских данных
в секторе хранятся метаданные: информация о номере сектора, головки или магнитного диска и номера трека. Эти метаданные необходимы контроллеру для определения местонахождения данных
на диске. Хранение метаданных занимает дисковое пространство,
поэтому объем неотформатированных дисков отличается от объема
отформатированных. Например, на диске с заявленной емкостью
500 Гбайт поместится 465,7 Гбайт пользовательских данных, а
остальные 34,3 Гбайт используются под метаданные.
Совокупность идентичных треков на обеих поверхностях каждого магнитного диска называется цилиндром. Местоположение
головок записи/чтения дисков определяется номером цилиндра.
Поскольку магнитные диски состоят из концентрических треков, внешние треки содержат больше данных, чем внутренние. Это
обстоятельство не позволяло эффективно использовать свободное
пространство диска при старых технологиях хранения данных, так
как у внешних и внутренних треков число секторов было одинаковым, и соответственно плотность записи на внешних треках была
низкой.
Для компенсации разной плотности записи используют зонносекторный метод, в котором все пространство диска делится на
зоны (восемь и более), в каждую из которых входит обычно от 20 до
30 цилиндров с одинаковым числом секторов. Треки группируются
в зоны с учетом их расстояния от центра диска. Зоны нумеруются:
самая крайняя зона – нулевая. Каждой зоне присваивается соответствующее число секторов на треке. Таким образом, ближайшая
к центру магнитного диска зона имеет меньшее число секторов на
трек, чем крайняя. У всех треков одной зоны одинаковое число секторов (рис. 5.4).
В зоне, расположенной на внешнем радиусе (младшая зона), записывается большее число секторов на дорожку (120–96). К центру
диска число их уменьшается и в самой старшей зоне достигает 64–
56. При этом емкость жестких дисков можно увеличить приблизительно на 30 %.
Существует несколько способов физического сохранения данных на жестком диске. Обычные жесткие диски используют вертикальное отображение (рис. 5.5, а). Данные записываются сначала
на одном цилиндре сверху вниз, затем головки переходят на другой
цилиндр, и т. д. При горизонтальном отображении сначала данные
записываются последовательно от цилиндра к цилиндру на поверхности одного диска, затем так же на поверхности следующего, и т. д.
111
2 2 1 1
0 0
Рис. 5.4. Зонная запись
(рис. 5.5, б). Такой способ лучше подходит для записи непрерывного
высокоскоростного потока данных, например, при записи потокового видео. Комбинированный способ отображения (рис. 5.5, в) использует как вертикальное, так и горизонтальное отображение.
У магнитных дисков существует планируемый срок службы.
Среднее время безотказной работы – это параметр, определяющий
средний срок службы магнитного диска в часах. В современных условиях информационные центры используют в своих системах хранения данных тысячи дисков, объединенных в массивы.
Наиболее широко для хранения больших объемов данных в СХД
используются избыточные массивы независимых жестких дисков, или RAID-массивы (Redundant Array of Independent Disks), –
это группа магнитных дисков, которые связаны скоростными каналами, имеют общее управление (контроллер) и воспринимаются
при записи и считывании данных как единое целое.
RAID-массивы обеспечивают выполнение требований к доступности данных методами зеркалирования и контроля четности.
Зеркалирование – это технология хранения данных на двух
разных дисках при сохранении двух копий. При выходе из строя
а)
б)
в)
Диск 0
Диск 1
Диск 2
Рис. 5.5. Способы размещения данных на магнитном диске
112
одного жесткого диска данные остаются на другом (рис. 5.6).
Поврежденный диск меняется на новый, и контроллер копирует
данные с оставшегося диска, на который производилось зеркалирование.
Зеркалирование применяет дублирование данных, т. е. для этого необходим объем запоминающего устройства, превышающий
объем хранения данных в два раза. Поэтому оно является дорогостоящей технологией, которую предпочтительно использовать для
данных, не допускающих потерь.
Зеркалирование уменьшает время чтения данных, поскольку
оно может выполняться с обоих дисков. Однако скорость записи
снижается, поскольку она производится на два диска.
Контроль четности – это метод защиты данных от выхода из
строя дисков. В RAID-массив добавляется дополнительный жесткий диск, используемый для контроля четности – математического алгоритма, позволяющего восстановить утраченные данные.
Контроль четности обеспечивает полную защиту данных без сохранения дублированных данных в полном объеме.
На рис. 5.7 первых четыре диска D содержат данные. Пятый
диск R несет контрольную информацию, которая в данном случае
является суммой элементов в каждом ряду. При повреждении одного из дисков D утраченные значения вычисляют вычитанием
суммы других элементов из контрольных значений. Расчет является функцией RAID-контроллера.
Зеркалирование
Диски:
А
А
В
В
С
С
D
D
Рис. 5.6. Зеркалирование на диски массива
113
D
3
1
2
3
9
1
1
2
1
5
2
3
1
3
9
1
1
3
2
7
D
D
Диски c данными
D
R
Диск с контрольной
информацией
Рис. 5.7. RAID с контролем четности
По сравнению с зеркалированием контроль четности существенно снижает стоимость защиты данных. Тем не менее этот метод
обладает рядом недостатков. Контрольная информация генерируется из данных, расположенных на диске. Следовательно, при
каждом их изменении происходит перерасчет контрольной информации, что требует времени и снижает производительность RAIDконтроллера.
Известно около десяти вариантов организации RAID. Они используют различные сочетания объемов и числа дисков в RAID,
способы защиты данных, разные схемы их резервирования, интерфейсы для связи с компьютером и т. д. Кроме дополнительных возможностей по защите данных RAID-массивы позволяют увеличить
скорость доступа к данным благодаря централизованному управлению доступом к дискам со стороны RAID-контроллера, например,
вследствие одновременного обращения к нескольким дискам.
5.3. Полупроводниковые запоминающие устройства
В последнее время в системах хранения данных все шире используются полупроводниковые запоминающие устройства.
Конструктивно такие ЗУ представляют собой полупроводниковый кристалл (чип), в объеме или на поверхности которого сосредоточены изолированные друг от друга транзисторные элементы, соединенные согласно электрической схеме. Электрическая
схема реализует матричную структуру, в которой строки образуются адресными (АШ), а столбцы – разрядными (РШ) шинами.
В узлах матрицы находятся транзисторы особого устройства, основным свойством которых является наличие двух устойчивых
состояний – 0 или 1 (рис. 5.8).
114
РШ3
РШ2
РШ1
РШ0
АШ0
...
АШ1
АШ2
АШ3
...
Рис. 5.8. Принцип построения полупроводникового ЗУ
Ячейки полупроводниковой памяти могут располагаться как
на одном, так и на двух транзисторах. В простейшем случае каждая ячейка содержит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной
областью (плавающим затвором – floating gate), способной хранить заряд многие годы (рис. 5.9). Наличие или отсутствие заряда
кодирует один бит информации. При записи заряд помещается на
плавающий затвор. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда
с плавающего затвора) производится методом тунеллирования.
Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический 0, а его отсутствие – как логическая 1.
Разрядная шина
Диэлектрик
Управляющий затвор
Плавающий затвор
Сток
Подложка
Исток
Рис. 5.9. Транзистор с плавающим затвором
115
Общий принцип работы ячейки полупроводникового ЗУ состоит
в следующем. Поведение транзистора зависит от числа электронов
на плавающем затворе. Плавающий затвор хранит записанное значение. При чтении в отсутствие заряда на плавающем затворе под
воздействием положительного поля на управляющем затворе образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает
ток (рис. 5.10, а).
Наличие заряда на плавающем затворе меняет вольт-амперные
характеристики транзистора таким образом, что при обычном для
чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и
стоком не возникает (рис. 5.10, б).
При записи на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение (причем на управляющий затвор напряжение подается приблизительно в два раза выше). Электроны из канала инжектируются
на плавающий затвор (рис. 5.11, а) и изменяют вольт-амперные характеристики транзистора. Такие электроны называют горячими за
то, что они обладают высокой энергией, достаточной для преодоления
потенциального барьера, создаваемого тонкой пленкой диэлектрика.
При стирании высокое напряжение подается на исток. На
управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток (рис. 5.11, б). Эффект туна)
б)
Разрядная шина
Разрядная шина
+ + + + + + +
Сток
+ + + + + + +
Сток
Исток
Исток
Рис. 5.10. Принцип работы ячейки полупроводникового ЗУ
а)
б)
Высокое напряжение (+)
Высокое напряжение (+)
– –
Сток
–
Высокое напряжение (–)
Высокое
напряжение (+)
– –
–
– – –
Исток
Сток
Рис. 5.11. Запись и стирание данных
116
Исток
нелирования заключается в преодолении электроном тонкого слоя
диэлектрика, являющегося барьером между двумя проводящими
областями. Преодолеть этот слой обычным образом электрон не может – не хватает энергии. Но при создании соответствующего напряжения он проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь
него), создавая ток.
Процедуры стирания и записи сильно изнашивают ячейку полупроводникового накопителя, поэтому в новейших микросхемах
применяются специальные алгоритмы, оптимизирующие процесс
стирания-записи, а также алгоритмы, обеспечивающие равномерное использование всех ячеек в процессе функционирования.
Различают транзисторы, которые имеют два состояния: 1 – заряжен и 0 – не заряжен или большее число состояний – четыре или
восемь. В соответствии с этим различают технологии хранения:
− SLC (Single Level Cell);
− MLC (Multi Level Сell);
− TLC (Three Level Cell).
Особенность состоит в том, что SLC позволяет хранить в каждой
ячейке только один бит информации, MLC – два, а TLC – три бита:
SLC
MLC
11
1
10
TLC
111
110
101
100
01
0
00
011
010
001
000
Во время записи на плавающий затвор помещается число зарядов, соответствующее необходимому состоянию. От величины заряда на плавающем затворе зависит пороговое напряжение транзистора. Пороговое напряжение транзистора можно измерить при
чтении и определить по нему записанное состояние, а значит, и записанную последовательность бит.
117
Технология использования разных уровней электрического заряда на плавающем затворе транзистора делает память MLC и TLC
более дешевой относительно емкости. Вместе с тем с каждым дополнительным уровнем усложняется задача распознавания уровня
сигнала, увеличивается время поиска адреса ячейки, повышается
вероятность ошибок, что приводит к необходимости встраивания
более сложного механизма коррекции ошибок (чем больше бит
приходится на ячейку, тем сложнее механизм коррекции ошибок).
Тем не менее технология MLC/TLC активно развивается и по скоростным характеристикам приближается к SLC.
Несколько микросхем, объединенных в одном корпусе, образуют ЗУ, которое получило название твердотельного накопителя
SSD (Solid-State Drive). Твердотельный накопитель – это энергонезависимое, перезаписываемое запоминающее устройство без движущихся механических частей, состоящее из микросхем памяти и
управляющего контроллера.
Существует несколько типов архитектуры организации соединений между ячейками полупроводникового ЗУ. Наиболее распространенными в настоящее время являются микросхемы с организацией NOR и NAND: в случае использования NOR к каждому
транзистору подводятся индивидуальные контакты, а в случае
NAND транзисторы расположены на пересечении строк и столбцов
матрицы из проводников. Обе эти технологии различаются лишь
способом доступа к данным, а хранитель информации – транзистор
с плавающим затвором – в обоих случаях один и тот же.
В архитектуре NOR (NOT OR, ИЛИ–НЕ) каждая ячейка в микросхеме подключена к двум перпендикулярным линиям – шине
разрядов (битов) и шине слов. Суть логической операции NOR заключается в переходе шины разрядов в состояние 0, если хотя бы
один из транзисторов-ячеек, подсоединенных к ней, проводит ток.
Выбор читаемой ячейки осуществляется с помощью шины слов.
Все ячейки микросхемы NOR подключены к своим шинам разрядов параллельно (рис. 5.12).
Преимущества архитектуры NOR – быстрый произвольный доступ и возможность побайтной записи. Недостатки заключаются
в относительно медленных записи и стирании. Кроме того, архитектура NOR плохо масштабируется.
В архитектуре NAND (NOT AND, И–НЕ) шина разрядов переходит в состояние 0, если все транзисторы, подключенные к ней,
проводят ток. Ячейки подсоединяются к шине разрядов сериями,
что снижает эффективность и скорость операции чтения, посколь118
ку ток каждой ячейки уменьшается, зато повышается скорость
стирания и записи (рис. 5.13). Благодаря гирляндному принципу
подсоединения ячеек данная архитектура обеспечивает более компактную упаковку транзисторов, чем в случае с параллельной архитектурой микросхем NOR. Такая архитектура ЗУ наиболее удобна для хранения программного кода, например, сотовые телефоны,
карманные персональные компьютеры.
Доступ к ячейкам произвольный, но небольшими блоками, как
в кластере жесткого магнитного диска, через последовательный
интерфейс. Преимущества архитектуры NAND заключаются в быстрых записи и стирании, а недостатки – в относительно медленном
произвольном доступе и невозможности побайтной записи. Такая
архитектура ЗУ наиболее подходит для приложений, ориентированных на блочный обмен, например, MP3-плееров, цифровых камер и в качестве заменителя жестких дисков.
По форме различают два вида твердотельных накопителей: несъемный SSD на основе микросхемы, которая устанавливается
в переносное устройство производителем (рис. 5.14), и съемный
SSD на основе флеш-памяти (рис. 5.15).
В настоящее время твердотельные накопители используются
в основном в переносных устройствах: ноутбуках, сотовых телеШина разрядов
Шина слов
Шина слов
Шина слов
Шина слов
Шина слов
Шина слов
Шина разрядов
Рис. 5.12. Архитектура NOR
Рис. 5.13. Архитектура NAND
119
Рис. 5.14. Несъемный накопитель SSD
Рис. 5.15. Внешний вид флеш-памяти
фонах, планшетах и т. п. Некоторые известные производители уже
полностью перешли на выпуск твердотельных накопителей.
Распространенность полупроводниковых ЗУ объясняется несколькими достоинствами, присущими SSD, главная из которых –
высокая скорость записи/считывания данных. Если для чтения
блока данных с HDD сначала устанавливается место его нахождения, затем блок магнитных головок перемещается на нужную
дорожку, далее возникает ожидание подвода записи, после чего
производится считывание, то в SSD вычисляется только адрес нужного блока, и к нему сразу же будет получен доступ на чтение/запись. Никакие механические операции не выполняются, все время
уходит на трансляцию адреса и передачу блока. Кроме того, SSD
имеют малые габариты, низкое энергопотребление и способны противостоять внешним магнитным полям. Отсутствие движущихся
частей и охлаждающих вентиляторов способствует высокой надежности SSD и отсутствию шума.
120
К главным недостаткам SSD следует отнести ограниченное число циклов перезаписи данных и высокую стоимость по сравнению
со стоимостью других видов ЗУ. Однако эти недостатки постоянно
компенсируются. Ограниченный ресурс перезаписи компенсируется применением интеллектуальных схем балансирования нагрузки. Контроллер хранит информацию о числе перезаписей каждой
ячейки и при необходимости меняет их местами. Стоимость накопителя SSD также снижается с увеличением его емкости.
5.4. Оптические запоминающие устройства
В оптических ЗУ используется микрорельефный способ представления данных, а запись и считывание происходят с помощью
светового луча. Сигналы записываются на рабочую поверхность
цифровым кодом с помощью лазера. В результате записи на поверхности оптического носителя образуется дорожка, состоящая
из миниатюрных углублений и гладких участков. В режиме чтения
лазерный луч, сфокусированный на дорожку, перемещается по поверхности оптического носителя, и впадины считываются как единицы, а ровно отражающие свет участки – как нули.
В отличие от магнитных дисков, дорожки которых представляют собой концентрические окружности, компакт-диск имеет одну
физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от
наружной стороны диска к внутренней. Тем не менее одна физическая дорожка может быть разбита на несколько логических: каждый из ее 360-градусных фрагментов рассматривается как отдельная дорожка по аналогии с магнитными дисками.
В то время как магнитные диски вращаются с постоянным
числом оборотов в минуту, т. е. с неизменной угловой скоростью,
компакт-диск вращается обычно с переменной угловой скоростью,
чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении.
Таким образом, чтение внутренних треков осуществляется с увеличенным числом оборотов, а наружных – с уменьшенным их числом.
Наибольшее распространение получили накопители на оптических дисках. Оптический диск состоит из нескольких слоев, соединенных в единую круглую тонкую пластину. Диаметр большинства
оптических дисков составляет 120 мм, или пять дюймов. Сегодня существуют разнообразные форматы оптических дисков: CD, DVD, HDDVD, Blu-Ray Disk (BD). Формат зависит от размера пита и расстояния между дорожками, которые задаются частотой и длиной волны
лазера. Оптические диски разных поколений приведены на рис. 5.16.
121
0,32мкм
1,6 мкм
BD 25 Гбайт
DVD 4,7 Гбайт
0,74мкм
CD 0,7 Гбайт
0,4 мкм
0,833 мкм
0,14 мкм
Рис. 5.16. Сравнение оптических носителей разных поколений
Каждому виду оптических дисков свойственна своя модификация: CD имеют три модификации (CD-ROM, CD-R, CD-RW), у DVD
их шесть – DVD-R, DVD+R, DVD RAM, DL, DVD-RW, DVD+RW.
Знак «плюс» свидетельствует о технологии записи, а модификация
DL подразумевает использование двухслойных DVD-дисков емкостью 8,5 Гбайт. Модификации разных оптических дисков приведены на рис. 5.17.
Существуют следующие разновидности компакт-дисков:
− CD-ROM – этот тип компакт-дисков изготовляется на заводах
методом штамповки и является незаписываемым носителем данных;
Оптические носители
Только для
чтения
Для многократной
записи
Для однократной
записи
CD -RW
DVD-ROM
DVD-RW
DVD-R
DVD+RW
DVD+R
DVD-RAM
BD-R
BD-RW
Рис. 5.17. Модификации оптических дисков
122
CD-R
CD-ROM
− CD-R (CD Recordable) – одноразовый записываемый компактдиск. Стандартный объем 700 Мбайт, иногда встречаются 800-мегабайтные диски;
− CD-RW (CD Rewritable) – перезаписываемый (многоразовый)
компакт-диск. Стандартный объем 700 Мбайт.
Компакт-диск CD-ROM создается промышленным способом и
состоит из трех слоев (рис. 5.18). Основа диска, созданная из прозрачного поликарбоната, занимает основной его объем.
Методом штамповки или литья под давлением на диск наносится информационный узор (записываются данные), в результате чего получается прозрачная пластиковая пластина, гладкая с одной
стороны, а с другой содержащая множество микроскопических впадин – питов. Далее на основу наносится отражающий металлический слой (чаще всего алюминий), а затем – защитное покрытие из
тонкой пленки поликарбоната или специального лака, на котором
часто размещается полиграфия – различные рисунки и надписи.
Диск CD-R имеет более сложную структуру. На его поверхность
дополнительно наносится еще один активный, или регистрирующий, слой, который расположен между подложкой и отражающим
слоем и на который собственно и производится запись (рис. 5.19).
Чистый CD-R, его еще называют болванка, имеет спиральную
дорожку, которая содержит специальные метки и сигналы синхронизации. Такая предварительная разметка помогает движению лазера по требуемой траектории во время записи на CD-R.
Во время записи луч лазера движется по спиральной дорожке
и в момент своей активности расплавляет регистрирующий слой.
Под воздействием лазера этот слой меняет свою структуру. Таким
образом, получаются питы, соответствующие данным, записываемым на компакт-диск. После этого этапа изменение структуры
Защитный лак
Отражающий слой
Полиграфия
1,2 мм
Полиграфия
Лазерный луч
Поликарбонатная подложка
Рис. 5.18. Структура CD-ROM
123
Защитный лак
Отражающий слой
1,2 мм
Полиграфия
Лазерный луч
Поликарбонатная подложка
Регистрирующий слой
Рис. 5.19. Структура CD-R
активного слоя диска невозможно, и данные, записанные на диск,
удалению не подлежат.
Регистрирующий слой изготавливают из органических соединений: цианина и его производной – фталоцианина. Требования
к светоотражающему слою CD-R по сравнению со штампованными
дисками достаточно высоки из-за наличия регистрирующего слоя.
Поэтому для изготовления отражающего слоя используются более дорогие материалы – промышленное золото и серебро, а также
сложные сплавы.
Рабочая поверхность CD-R в зависимости от комбинации веществ, используемых в регистрирующем и отражающем слоях, может быть разного цвета. Раньше многие диски имели золотистую
рабочую поверхность из-за применения золота. В настоящее время
для изготовления светоотражающего слоя используют серебро, так
как этот материал дешевле и обладает более высоким коэффициентом отражения. Чаще всего рабочая поверхность бывает прозрачной, темно-синего или светло-зеленого цвета. Срок службы таких
дисков в зависимости от материала изготовления составляет от 10
до 100 лет.
Диск CD-RW кроме описанных ранее имеет еще два термозащитных слоя (рис. 5.20). Во время записи на диск луч лазера нагревает участки промежуточного слоя. При последующем охлаждении
эти участки переходят из кристаллического состояния в аморфное.
Если информацию с CD-RW необходимо стереть, луч лазера нагревает промежуточный слой менее интенсивно, и аморфные участки
кристаллизуются. Наличие дополнительных слоев позволяет записывать на такой диск более 1000 раз.
124
Защитный лак
Отражающий слой Термозащитный слой
1,2 мм
Полиграфия
Лазерный Поликарбонатная Термозащитный Регистрирующий
подложка
слой
слой
луч
Рис. 5.20. Структура CD-RW
Схема работы устройства чтения/записи компакт-дисков приведена на рис. 5.21:
1. Лазерный диод излучает маломощный пучок света длиной
730–780 нм, который, проходя через направляющую призму и разделитель луча, попадает на отражающее зеркало. Во время записи
мощность лазерного луча значительно возрастает, а при стирании
данных уменьшается.
2. Подчиняясь командам микропроцессора, каретка с отражающим зеркалом перемещается к нужной дорожке.
3. Лазерный луч отражается от диска, попадает на зеркало, затем на разделитель луча и далее на направляющую призму.
4. Из призмы луч поступает в фотодатчик, который посылает
сигналы во встроенный в привод компакт-дисков микропроцессор,
где данные обрабатываются и передаются по шлейфу на материнскую плату.
Диск DVD (Digital Versatile Disc) – цифровой универсальный (многоцелевой) диск. Он внешне идентичен CD, но позволяет записывать
информацию, большую по объему в 24 раза, т. е. до 17 Гбайт. Это стало возможным благодаря изменению физических характеристик диска и применению новых технологий. Расстояние между дорожками
уменьшилось до 0,74 мкм, а геометрические размеры пит – до 0,4 мкм
для однослойного диска и 0,44 мкм для двухслойного. Увеличилась
область данных, уменьшились физические размеры секторов.
Технология DVD предоставляет большое число форматов и четыре типа конструктивного исполнения двух размеров. Диск тако125
Рис. 5.21. Схема работы устройства чтения/записи компакт-дисков
1 – CD; 2 – пит; 3 – лэнд; 4 – отражающий слой; 5 – регистрирующий
слой; 6 – защитный слой (лак); 7 – фокусирующий объектив;
8 – лазерный луч; 9 – преломляющая призма; 10 – фотодетектор;
11 – лазерное устройство; 12 – привод, вращающий диск
го стандарта может быть как односторонним, так и двухсторонним.
Каждая сторона содержит один или два рабочих слоя. Рассмотрим
основные характеристики DVD различных типов.
Размер диска 80 мм (3 дюйма):
− DVD-1 (Single-sided, single-layer) – односторонний и однослойный диск. Может содержать до 1,36 Гбайт информации.
− DVD-DL-2 (Single-sided, double-layer) – односторонний двухслойный диск. Содержит до 2,48 Гбайт информации.
− DVD-3 (Double-sided, double-layer) – двухслойный диск с одним информационным слоем на каждой стороне. Емкость диска до
2,74 Гбайт информации.
− DVD-DL-4 (Double-sided, double-layer) – диск с двумя информационными слоями на каждой стороне. Емкость такого диска до
4,95 Гбайт.
Размер диска 120 мм (5 дюймов):
126
− DVD-5 (Single-sided, single-layer) – односторонний однослойный диск. Содержит до 4,7 Гбайт информации.
− DVD-DL-9 (Single-sided, double-layer) – односторонний и двухслойный диск. Емкость до 8,5 Гбайт.
Число в наименовании диска, например, DVD-1, DVD-3, DVD-4
и т. д., – это округленное значение его емкости.
Диск DVD имеют толщину 0,6 мм. Для физической совместимости с CD на DVD дополнительно приклеивалась поликарбонатная
подложка толщиной 0,6 мм. С целью не только увеличить толщину DVD до 1,2 мм, но и одновременно улучшить его функциональность, увеличив емкость носителя в два раза, был создан двухсторонний диск (типы DVD-3 и DVD-10). Для получения диска типа
DVD-3 достаточно склеить между собой со стороны этикеток два
DVD-1; для получения дисков типа DVD-4 следует склеить два
DVD-2, для DVD-18 – соответственно два DVD-9. Таким образом,
склеивая между собой два диска толщиной 0,6 мм, получаем один
диск, по толщине равный CD и обладающий возможностью записать вдвое больше информации (рис. 5.22).
Принцип записи информации на DVD-R (Digital Versatile
Disk Read-only – однократно записываемый DVD) и считывания
с него аналогичен записи на CD-R и считыванию с него. Во время записи на DVD в специальных рекордерах лазерный луч повышенной мощности «прожигает» в активном слое отверстия.
При считывании информации лазерный луч обычной мощности,
Отражающий
слой
0,6 мм
0,6 мм
Лазерный Поликарбонатная Полупрозрачный
луч
подложка
слой
Лазерный Поликарбонатная Отражающий Полупрозрачный Связующий
слой
слой
слой
подложка
луч
Рис. 5.22. Структура двухстороннего DVD
127
свободно проходя сквозь образовавшееся отверстие, отражается
от металлизированного слоя и попадает на фотодатчик, а потом
в контроллер.
Для записи и считывания информации с DVD-RW (Digital
Versatile Disk ReWritable – перезаписываемый DVD) применяется
технология изменения фазы. Лазерный луч во время записи движется по спиральной дорожке. В период повышенной активности
луча регистрирующий слой меняет структуру, переходя из кристаллического состояния в аморфное.
При считывании информации детектор распознает, от какой поверхности отразился лазерный луч – кристаллической или аморфной, и преобразует данные в цифровой поток. Под воздействием
лазерного луча определенной мощности активный (регистрирующий) слой возвращается в исходное состояние, и диск может быть
перезаписан множество раз.
В связи с большой стоимостью лицензии на DVD-технологию рядом компаний в 2002 г. был разработан стандарт DVD+R(W):
– DVD+R (Recordable) – одноразовые записываемые DVD-диски.
Объем 4,7 Гбайт.
– DVD+RW (ReWritable) – перезаписываемые (многоразовые)
DVD диски. Объем 4,7 Гбайт.
– DVD-RAM (Random Access Memory) – специальные перезаписываемые диски с произвольным доступом к памяти, которые позволяют свободно записывать и стирать данные.
– DVD-DL (Double-layer) – двухслойные записываемые DVDдиски. Объем до 8,5 Гбайт. Эти диски создаются с помощью сложных технологий и стоят в несколько раз дороже обычных.
Двухслойные диски типов DVD-2 и DVD-9 для записи информации имеют два рабочих слоя. Эти слои разделяются с помощью
специального полупрозрачного материала. Для выполнения своей
функции такой материал должен обладать взаимоисключающими
свойствами, т. е. хорошо отражать лазерный луч в процессе считывания наружного слоя и одновременно быть максимально прозрачным при считывании внутреннего. Во время считывания информации с такого диска лазерный луч сначала проходит сквозь
полупрозрачный слой, фокусируясь на треках внутреннего слоя.
Считав всю информацию внутреннего слоя, лазерный луч автоматически меняет свою фокусировку и считывает информацию с полупрозрачного слоя. Наличие в приводе DVD буфера и возможность
быстрой смены фокусировки позволяет непрерывно подавать данные на компьютер.
128
При изготовлении двухслойного диска сначала штампуется
первый слой, основанный на поликарбонатах. Затем наносится
полупрозрачный материал, который, в свою очередь, покрывается
пленкой из фотополимерного материала. С помощью ультрафиолетового излучения фотополимеру придается жесткость, и DVD заливается поликарбонатом, который служит защитным слоем.
Blu-Ray Disc переводится как «голубой луч». Разновидностями
таких дисков являются:
– BD-R (Blu-Ray Disk Recordable) – одноразовый записываемый
диск, объем которого равен 25 Гбайт. Если диск двухслойный, то
его объем 50 Гбайт;
– BD-RW (Blu-Ray Disc Rewritable) – это перезаписываемый
(многоразовый) диск. Объем такого диска равен 25 Гбайт. Если
диск двухслойный, то объем составляет 50 Гбайт.
Сравнительные характеристики рассмотренных и распространенных в настоящее время форматов оптических ЗУ приведены
в табл. 5.1.
Очевидна динамика уменьшения длины волны лазера, что позволяет более плотно записывать информацию на оптические диски. В настоящее время намечается тенденция к переходу длин
волн в ультрафиолетовый диапазон.
При записи разных дисков используются разные виды лазера.
Так, для записи на CD применяется красный лазер с длиной волны 780 нм, для записи на DVD – такой же лазер с длиной волны
635 нм, а для записи на Blue-Ray Disc необходим гораздо более
мощный лазер – синий с длиной волны 405 нм. Чем меньше длина волны, тем тоньше становится лазерный луч, тем меньше места занимают информационные участки – питы, следовательно,
увеличивается емкость диска.
Таблица 5.1
Сравнительные характеристики оптических дисков
Тип ЗУ
Диапазон
Длина
волны, нм
Ширина
дорожки,
мкм
Минимальная
длина пита,
мкм
CD
Инфракрасный
780
1,6
0,833
DVD
Красный
650
0,8–0,74
0,44 (0,40)
BR-DVD
Сине-фиолетовый
405
0,32
0,16
(0,14; 0,138)
129
Уже на протяжении нескольких лет разрабатывается принципиально новый формат оптических дисков HVD. В отличие от предыдущих форматов, принцип которых не менялся, изменялась только ширина дорожек, питов и длина волны лазера, а это решение основано на технологии голографии, т. е. сохранения данных в трехмерном объеме носителя, при котором используются два лазера.
При этом достигаются емкость, которая измеряется в терабайтах
информации на одном диске, и высокая скорость передачи данных.
Такой формат получил название HVD (Holographic Versatile Disc) –
голографический многофункциональный диск.
Оптические диски уступают твердотельным носителям по размерам и скорости записи/считывания, но при этом способны к долговременному хранению информации. Если при изготовлении оптических дисков использовать высокостабильные материалы, то срок
хранения может составлять сотни лет, в то время как гарантированный срок хранения информации на магнитных носителях не превышает 30–40 лет, а в полупроводниковой памяти – 10–20 лет.
5.5. Иерархия запоминающих устройств
Совершенствование современных систем обработки информации связано с совершенствованием их памяти, т. е. с созданием памяти, обладающей большой информационной емкостью, высоким
быстродействием и надежностью и низкой стоимостью. Так как
требуемое сочетание всех параметров в одном типе ЗУ получить не
представляется возможным (с увеличением емкости ЗУ снижается
его быстродействие), единственный путь решения этой проблемы –
объединение в систему различных (а иногда и однотипных) ЗУ с целью получения такой структуры памяти, которая максимально
удовлетворяла бы приведенным требованиям.
Структура памяти, в которой можно выделить несколько разных
по характеристикам уровней, называется иерархической. При иерархической организации структуры памяти обычно каждый ее уровень
(ступенька) с большим быстродействием имеет меньшую емкость ЗУ,
использующихся на самом высоком уровне иерархии, обладают наименьшей информационной емкостью и наибольшим быстродействием. Эту память часто называют набором регистров и иногда относят
к устройствам обработки. Она позволяет выполнять некоторые логические и арифметические операции. На следующей ступени иерархии
ЗУ ЭВМ располагаются сверхоперативные ЗУ (СОЗУ) – устройства,
имеющие быстродействие, соизмеримое с быстродействием процессо130
ра, и служащие для хранения информации (чисел и команд), которая
наиболее часто встречается в процессе решения задач.
На третьей ступени иерархии находится большая быстрая память, называемая оперативной. Оперативные ЗУ имеют более значительную информационную емкость и работают с циклом, в несколько раз большим цикла процессора. Для увеличения скорости
обмена информацией между процессором и ОЗУ последние иногда
делят на несколько модулей (блоков или секций) и обращаются
к разным блокам непосредственно или через СОЗУ.
На самом нижнем уровне иерархии находится относительно медленная, но вместительная внешняя память. Во внешнем ЗУ (ВЗУ)
обычно хранится вся вводимая в машину информация. Для того чтобы избежать усложнения конструкции системы, к ВЗУ не предъявляются требования по быстродействию. Такие ЗУ являются наиболее
экономичными для хранения больших массивов информации.
Данные, хранящиеся во внешнем ЗУ, в вычислительном процессе непосредственно не используются, что и отражается в их
названии. Для использования этой информации необходимо переместить ее из ВЗУ в оперативные ЗУ, образующие внутреннюю
память системы. Для повышения эффективности обмена информацией между устройствами используют буферную память. Буферное
ЗУ (БЗУ) занимает промежуточное положение между внутренним
и внешним ЗУ. Оно предназначено для расширения внутренней памяти при условии сохранения быстродействия ЭВМ.
При иерархическом принципе построения ЗУ логическая организация потоков информации производится таким образом, чтобы
все типы ЗУ, вместе взятые, выступали в виде единого ЗУ, имеющего большую информационную емкость (благодаря внешним ЗУ)
и высокое быстродействие (благодаря внутренним ЗУ). Такое абстрактное ЗУ называют виртуальным. Так, например, при двухступенчатой организации ЗУ, содержащего ОЗУ и СОЗУ, среднее
время обращения
t = (1 + αT/T1)T1,
где T1 – время обращения к СОЗУ; T – время обращения к ОЗУ; α –
коэффициент, учитывающий долю обращений к ОЗУ.
Из этой зависимости следует, что при правильном выборе параметров ОЗУ и СОЗУ и соответствующем выборе информационных
потоков общие характеристики виртуального ЗУ оказываются такими, как если бы оно имело цикл работы СОЗУ, а информационную емкость ОЗУ.
131
Контрольные вопросы по теме
1. Какова характеристика технологии сохранения данных?
2. Какие существуют физические и информационные характеристики компьютерной памяти?
3. Как можно классифицировать компьютерную память?
4. Что такое система хранения данных?
5. Каковы основные программные и аппаратные компоненты
технологии сохранения?
6. В чем заключается принцип действия магнитных ЗУ?
7. Как устроена работа стримера? Приведите достоинства и недостатки стримера как ЗУ.
8. Как устроен HDD? Приведите его достоинства и недостатки
как ЗУ.
9. Какова структура данных, сохраненных на магнитном диске?
10. Как работает метод зонно-секторной записи на магнитный
диск?
11. Какие существуют способы физического сохранения данных
на жестком диске?
12. Что такое RAID-массивы?
13. Как строятся полупроводниковые ЗУ?
14. Как работает транзистор с плавающим затвором?
15. Каковы достоинства и недостатки технологий хранения SLC,
MLC и TLC?
16. Как устроены твердотельные накопители SSD?
17. В чем состоят особенности, достоинства и недостатки доступа к данным по технологиям NOR и NAND?
18. Как устроены оптические ЗУ?
19. Какие существуют типы компакт-дисков? В чем их особенности, достоинства и недостатки?
20. Какова иерархия запоминающих устройств?
132
6. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
РАСПРОСТРАНЕНИЯ ДАННЫХ
6.1. Общие сведения
Информационные технологии распространения данных реализуют телекоммуникационные сети (сети связи). Они являются неотъемлемой частью любой информационной системы. Это обусловлено двумя обстоятельствами:
− значением, которое имеет для современного информационного
общества интерактивный обмен информацией между коммуникантами, находящимися в разных точках пространства;
− все более широким внедрением таких информационных систем, функционально-структурные компоненты которых распределены в пространстве и должны обмениваться данными в процессе
предоставления пользователям информационных услуг.
Основным процессом, обеспечивающим распространение данных, является процесс перемещения их в пространстве от передающей к приемной стороне. Главные проблемы, которые возникают
при этом, сводятся к трем следующим:
– как сформировать сообщение? Ответ на этот вопрос применительно к цифровым технологиям дает теория информации, разработанная К. Шенноном;
– как преобразовать сообщение в сигнал? Решение этой проблемы предложили изобретатели телеграфа, телефона, радио и других
чрезвычайно остроумных технических устройств;
– как построить среду (линии и каналы) связи для передачи
сигналов? Для решения этой проблемы создана целая индустрия
производства и эксплуатации линий связи и других технических
устройств. О ее масштабах свидетельствует хотя бы тот факт, что
стоимость линейных сооружений составляет большую часть стоимости сетей связи.
Главными характеристиками процесса распространения данных являются время, достоверность и безопасность их доставки
адресатам в необходимую точку пространства. Нижняя оценка
времени доставки зависит от расстояния между взаимодействующими системами и скорости распространения сигналов по линиям
связи. К увеличению этого времени приводит выполнение средой
взаимодействия различных процедур обработки сигнала по мере
его продвижения от источника к получателю. Время доставки может включать в себя и время доступа пользователей к сетевым ре133
сурсам как со стороны отправителя, так и со стороны получателя
информации [10].
Достоверность и безопасность доставки характеризуют соответственно способность технологии противостоять помехам, искажающим передаваемые сигналы, и несанкционированному считыванию сигналов.
Решение всех задач, обеспечивающих доставку данных от источника к получателю, возлагается на сети связи. Для распространения данных они используют электрические, световые или
электромагнитные сигналы и называются соответственно электрическими, оптическими или радиосетями.
Развиваемые на современном этапе технологии способны
преобразовывать сигналы одного вида в сигналы другого, поэтому современные сети связи могут быть названы смешанными.
Применительно к этапам информационного процесса телекоммуникационные сети реализуют функции сигнальных устройств и
среды взаимодействия [10].
Сеть связи предназначена для переноса сигналов в пространстве
и как и любая информационная технология состоит из аппаратных
и программных компонентов (см. рис. 4.6).
Рассмотрим в этом разделе аппаратную часть, которая представляет собой комплекс, состоящий из элементов трех типов:
− линий связи;
− оконечного (терминального) оборудования;
− коммуникационных элементов.
6.2. Линии связи
Линия связи – это совокупность технических устройств и физической среды, которая связывает терминальное оборудование и
коммуникационные элементы друг с другом и обеспечивает распространение сигналов между ними.
Различают проводные и беспроводные линии связи. Проводная
линия – это специально созданная физическая среда, предназначенная для распространения сигналов с определенными характеристиками. Она строится на основе электрических или волоконнооптических кабелей. Альтернативу кабелям связи как направляющим системам для распространения сигналов информационного
взаимодействия составляют линии электропередачи, которые тоже
могут использоваться как среда для распространения цифровых
данных.
134
Средой распространения сигналов по беспроводным линиям являются естественные природные объекты, такие, как атмосфера,
космос или земля.
Кабель связи представляет собой конструкцию из нескольких
электрических проводников или оптических волокон, заключенных
в оболочки, предназначенные для электро- и гидроизоляции, механической защиты, экранирования от электромагнитных излучений и
др. Разработано большое число различных кабельных конструкций,
ориентированных на разное применение и условия эксплуатации.
Электрические кабели делятся на симметричные и коаксиальные.
Симметричный кабель состоит из одной или нескольких пар
скрученных между собой изолированных медных проводников, совершенно одинаковых в электрическом и конструктивном отношении. Свивание проводников кабеля по парам улучшает условия передачи электрического сигнала и дает еще одно название для этой
конструкции – витая пара (рис. 6.1). Основные достоинства витых
пар по сравнению с другими типами кабеля заключаются в низкой
стоимости, простоте монтажа и устранения любых повреждений.
Все остальные характеристики у них хуже, чем у кабелей других
конструкций. Это относится к:
− затуханию сигнала (уменьшению его уровня по мере прохождения по кабелю);
− ширине полосы пропускания (непрерывному интервалу частот, в пределах которого можно обеспечить распространение сигнала), ограничивающей спектр аналогового и скорость передачи
цифрового сигнала;
− защищенности сигнала от внешних электромагнитных помех
и несанкционированного снятия его как контактным, так и бесконтактным методом.
Экранирование симметричных кабелей улучшает их эксплуатационные характеристики, но требует заземления и увеличивает
стоимость.
Коаксиальный кабель (рис. 6.2) представляет собой два цилиндра с совмещенной осью, причем один цилиндр (сплошной внутренний проводник) концентрически расположен внутри другого – полого (внешнего проводника). Проводники изолированы друг от
друга диэлектрическим материалом.
Коаксиальный кабель по сравнению с симметричным отличают
высокая помехозащищенность и более широкая полоса пропускания. Он лучше защищен от несанкционированного прослушивания
благодаря меньшим электромагнитным излучениям вовне, однако
135
Рис. 6.1. Витая пара
Рис. 6.2. Коаксиальный кабель
монтаж и ремонт такого кабеля существенно сложнее, чем витой
пары, а стоимость его выше.
Оптоволоконный кабель может содержать один или несколько
световодов (оптических волокон). Каждый световод – это оптически
прозрачная нить, изготовленная из стекла или пластика и способная
переносить световой луч посредством полного внутреннего отражения (рис. 6.3).
Световоды обладают исключительными характеристиками по
помехозащищенности и секретности передаваемой информации.
Никакие внешние электромагнитные помехи, в принципе, не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к такому кабелю
для несанкционированного контактного снятия сигнала практически невозможно, так как при этом нарушается целостность оптиче-
Главный кабель
Рис. 6.3. Оптоволоконный кабель
136
ских волокон. Теоретически возможная полоса пропускания такого
кабеля достигает значений несравнимо более высоких, чем у электрических. Величина затухания сигнала также существенно меньше, что позволяет увеличивать длину ретрансляционных участков
до 100 и более километров. К этому следует добавить, что габарит и
масса у них на порядок меньше, чем у электрических кабелей.
Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и в настоящее время соизмерима со стоимостью некоторых типов коаксиального.
К числу недостатков оптоволокна относится высокая сложность
монтажа. Сварка или склеивание оптических волокон требует высокой квалификации персонала и более точных инструментов.
Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический,
хуже переносит и механическое растяжение, и раздавливающие воздействия, и резкие перепады температуры. Еще один недостаток –
это чувствительность к ионизирующим излучениям, из-за которых
снижается прозрачность нити и возрастает затухание сигнала.
В качестве проводных линий связи возможно также использовать уже находящиеся в эксплуатации линий электропередачи – от
магистральных ЛЭП до электрической проводки в жилых домах.
Специальные технологии позволяют превратить линии энергопередачи в магистрали по передаче данных, а любую электрическую розетку в доме одновременно и в порт для подключения к сетям передачи данных. Достоинством такого подхода является экономия на
строительстве линейных сооружений связи. К числу недостатков
следует отнести повышение требований к качеству электропроводки,
зависимость характеристик процесса распространения данных от работы многих электрических приборов (энергосберегающих ламп, импульсных блоков питания, зарядных устройств, выключателей освещения и т. п.), отрицательное влияние распространяемых сигналов
на радиоприем, особенно на средних и коротких волнах, и др.
В целом связь по электрическим проводам пока не может рассматриваться как техническое решение для массовой передачи данных.
Особенность беспроводных линий связи заключается в невозможности управления средой распространения сигналов. Такие характеристики, как затухание сигнала, ширина полосы пропускания,
способность к противодействию помехам, зависят от законов природы, а не от технологических решений. Единственное, что остается
специалистам, – это формирование сигналов таким образом, чтобы
природные явления наиболее эффективно использовались для надежной доставки сообщений [10].
137
Самой эффективной технологией построения беспроводных линий связи является радиосвязь, использующая в качестве носителя
сигнала радиоволны. Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания, которые, распространяясь в пространстве со скоростью света, переносят энергию, излучаемую источником электромагнитных колебаний. Если на пути радиоволн встречается любой
электрический проводник, то благодаря своей энергии они наводят
в этом проводнике переменный электрический ток, повторяющий
колебания, заложенные в волну. Радиоволна характеризуется частотой, длиной и мощностью переносимой энергии (рис. 6.4). Характер
распространения радиоволны существенно зависит от ее длины.
Принцип распространения данных с помощью радиоволн заключается в следующем. На передающей стороне путем модуляции
радиоволны формируется радиосигнал, несущий данные. Этот сигнал излучается передающей антенной в пространство. На приемной стороне радиосигнал наводит модулированный электрический
сигнал в приемной антенне, после чего из него извлекается исходное сообщение. Линия радиосвязи представляет собой сочетание
радиопередатчика и радиоприемника, передающей и приемной антенн и среды распространения радиосигнала.
Достоинства и недостатки линий радиосвязи определяются особенностями распространения радиоволн. Зависимость дальности
и качества связи от погодных условий, времени года, воздействий
Электромагнитная волна
Длина волны
Электрическая
волна
Магнитная
волна
Направление
Рис. 6.4. Радиоволна
138
...
i
m
1, ..., i, ..., m
m каналов
в одной линии
...
Высокоскоростная
линия связи
Низкоскоростные
линии связи
1
i
...
...
1
Мультиплексор
Низкоскоростные
линии связи
Демультиплексор
любых внешних источников электромагнитных колебаний, препятствий, встречающихся на пути радиоволны, возможность несанкционированного «прослушивания» радиосигналов – это далеко не
все проблемы, которые приходится решать радиотехникам. Однако
эти и другие недостатки компенсируются возможностью использования линий радиосвязи, во-первых, для передачи данных между
движущимися объектами и, во-вторых, для одновременной их передачи из одного источника любому числу получателей данных.
Пропускная способность физических линий связи может быть
увеличена благодаря одновременной передаче по одной линии нескольких сигналов или потоков данных. Соответствующий процесс
называется уплотнением, или мультиплексированием, линий связи, а устройства, реализующие эту и обратную функции, – мультиплексором и демультиплексором (рис. 6.5).
На передающей стороне перед передачей в линию мультиплексор смешивает сигналы, отображающие сообщения разных информационных источников, а на приемной демультиплексор разделяет и преобразует их в независимые сообщения. Если зафиксировать
объем данных, содержащихся в одном сигнале, то пропускная способность линии будет тем выше, чем большее число сигналов может
передаваться по ней одновременно.
Процесс мультиплексирования физических линий связи можно
представить как процесс разделения линии на отдельные каналы,
каждый из которых независимо от других используется для организации информационного взаимодействия пользователей.
В сетях связи мультиплексоры и демультиплексоры образуют
иерархические каскады. В первом каскаде мультиплексоров объединяются информационные потоки нескольких низкоскоростных
линий связи, через которые информационные системы пользователей подключаются ко входам сети. Во втором каскаде объединяются линии, уплотненные в первом каскаде, и т. д. Для выделения
m
Рис. 6.5. Принцип мультиплексирования линий связи
139
исходных информационных потоков необходимо построить соответствующую иерархию демультиплексоров (рис. 6.6).
Принципиальные различия разных технологий мультиплексирования обусловлены способом образования каналов при уплотнении физической линии связи (рис. 6.7).
При частотном мультиплексировании FDM (Frequency-Division
Multiplexing) каналы занимают определенные частотные полосы
От других мультиплексоров
Второй каскад
Третий каскад
11
1, …, nm2
m
m
m
m
...
Мультиплексор
1, …, nm
...
11
Мультиплексор
1, …, n
...
11
Мультиплексор
Первый каскад
1, …, nm3
m
m
Направление увеличения числа каналов
Рис. 6.6. Иерархический каскад мультиплексоров
Рис. 6.7. Способы мультиплексирования
140
Комбинация
разных подходов
Разделение путем
кодирования сигналов
Разделение
по временным слотам
Разделение
по частотным диапазонам
Образование каналов при мультиплексировнии
в отведенных для них частотных диапазонах (рис. 6.8). Каждый
входной сигнал модулирует частоту своего канала (эту частоту называют несущей) и поэтому в частотной области практически не
перекрывается другими входными сигналами. Обратная процедура – выделение конкретного сигнала из смеси, передаваемой по линии, – осуществляется с помощью фильтров.
В оптических сетях аналогичный принцип используется при
оптическом мультиплексировании с разделением по длине волн
WDM (Wavelength Division Multiplexing). Технология WDM
(рис. 6.9) позволяет организовать двухстороннюю многоканальную
передачу данных по одному оптическому волокну.
Канал 1
А
3100
300
А
f, Гц
60
64
68
f,
3100
Канал 3
А
300
3100
f, Гц
60
64
68
60
60
64
68
л3
Кана
f, кГц
А
f, Гц
Кана
А
300
л2
А
Кана
Канал 2
А
л1
кГц
64
68
72 f, кГц
f, кГц
Рис. 6.8. Принцип частотного мультиплексирования
λ1
Оптический
усилитель
...
λ3
λn
λ2
λ3
Мультиплексор
Оптоволоконная
линия
Демультиплексор
...
λ2
λ1
Оптический
усилитель
λn
Рис. 6.9. Принцип мультиплексирования по длинне волн
141
1
2
1
2
1
3
4
2
3
4
1
2
3
4
3
Временные слоты
TDM
Мультиплексор
4×1
TDM
Мультиплексор
4×1
4
Рис. 6.10. Принцип временного мультиплексирования
Временное мультиплексирование TDMA (Time Division
Multiplexing Access) предполагает (рис. 6.10), что все время использования линии делится на циклы передачи, которые, в свою
очередь, делятся на конечное число временных интервалов (слотов). В распоряжение источников сообщений предоставляется весь
ресурс линии связи, но периодически один раз за цикл и лишь на
время продолжительности слота. Число каналов в уплотненной линии, таким образом, равно числу образованных слотов.
Для выделения необходимого сигнала при приеме необходимо
синхронизировать работу передающей и приемной сторон так, чтобы на приемной стороне был точно известен момент начала и окончания каждого цикла и каждого временного слота.
Метод кодового разделения каналов CDMA (Code Division Multiple
Access) позволяет источникам осуществлять передачу во всем частотном диапазоне, а не в пределах выделенных частотных полос, как при
FDM, и постоянно, а не в пределах выделенных временных слотов, как
при TDMA. Для этого передача каждого бита данных осуществляется
с помощью так называемых чип-кодов. Чип – это временной отрезок,
который требуется для передачи одного знака чип-кода. В современных сетях время передачи одного бита данных может разделяться,
например, на n = 64 или n = 128 чипов. Каждому источнику данных
присваивается уникальный n-значный двоичный чип-код, отличающийся от значений чип-кодов других источников. Единичное значение бита данных источник передает с помощью прямого значения
чип-кода, а нулевое – с помощью инверсного его значения.
Чип-коды для разных источников, одновременно передающих
данные, выбирают так, чтобы все они были попарно ортогональны.
Ортогональность сигналов означает, что в процессе передачи они
взаимодействуют друг с другом особым образом, что позволяет на
142
приемной стороне из смеси ортогональных сигналов выделить любой из одновременно переданных сигналов, если только известен
его чип-код.
Возможны и смешанные механизмы уплотнения линий связи,
при которых используется некоторая комбинация способов мультиплексирования. Например, канал может образовываться в результате временного мультиплексирования отдельных частотных
диапазонов, или каждый временной слот может использоваться
для организации нескольких каналов в результате кодового разделения передаваемых по нему сигналов от нескольких источников.
Важной характеристикой является число каналов, которое может быть образовано в пределах одной линии связи. При частотном
мультиплексировании оно зависит от общей полосы пропускания
линии связи и ширины полосы, выделяемой на один канал. При
временном мультиплексировании – от максимально допустимой
скорости передачи данных по соответствующей линии связи и той
скорости, которая выделяется на отдельные каналы. При кодовом
мультиплексировании число образуемых каналов ограничивается
уровнем взаимных помех сигналов разных каналов из-за неполной
ортогональности кодовых последовательностей.
В целом современные технологии построения линий связи, их
мультиплексирования, а также построения и объединения уплотненных линий связи в физические структуры позволили в настоящее время построить первичную сеть каналов для распространения
огромных объемов данных в реальном времени по всей территории
Земли.
6.3. Терминальное оборудование
Терминал – это обобщенное название оконечного сетевого прибора, который связан, с одной стороны, с источником сообщений,
а с другой – с линией и каналами связи. Терминал превращает сообщения, подлежащие передаче, в сигналы, и, наоборот, при приеме трансформирует сигналы, поступившие по линиям связи, в сообщения. При этом на передающей и соответственно на приемной
стороне реализуются три операции – преобразование/восстановление, модуляция/демодуляция и кодирование/декодирование. Эти
операции могут выполняться независимыми устройствами, образующими терминал, или одним совмещенным устройством.
Преобразование – это операция изменения вида физической величины, представляющей собой сообщение. Ее осуществляют, на143
пример, микрофон телефонного аппарата (преобразует звуковое
давление в электрический сигнал), цифровой фотоаппарат (преобразует в электрический сигнал световой поток) или сетевая плата
компьютера (преобразует компьютерные данные в электрические
сигналы, передаваемые по сети).
Модуляция – это операция изменения того или иного физического параметра сигнала в соответствии с передаваемым сообщением. Изменяемые параметры называются информационными. Ими
могут быть, например, амплитуда, фаза или частота сигнала.
Устройство, реализующее операции модуляции/демодуляции,
называется модемом.
По отношению к линии связи сигналы в каждом канале представляют собой модулированные электромагнитные колебания,
с помощью которых переносится информация. В зависимости от
способа модуляции сигналов канал, который создается в линии
связи для их передачи, может быть аналоговым или цифровым.
При этом сама линия связи используется как физическая среда для
соединения двух или нескольких точек сети связи.
Аналоговые каналы настроены на такие модулирующие воздействия, которые приводят к непрерывным изменениям информационных параметров сигнала, придают им любые значения из допустимых диапазонов.
Методы модуляции дискретных каналов отличаются от методов
модуляции аналоговых, поскольку в данном случае достаточно,
чтобы сигнал занимал ограниченное число состояний. Каждое такое состояние представляет собой символ, который соответствует
одному из знаков дискретного сообщения или одной из комбинаций этих знаков. Например, если дискретное сообщение представляет собой последовательность из 1 и 0, а сигнал может занять четыре разных состояния, то в каждом состоянии одним из четырех
символом он способен передать два бита исходного сообщения: 00 –
в первом состоянии, 01 – во втором, и т. д.
Процесс цифровой модуляции, преобразующий последовательности дискретных знаков в последовательность дискретных символов или состояний дискретного сигнала, называют манипуляцией.
Аналоговый канал характеризуется шириной полосы пропускания, измеряемой в герцах, цифровой – двумя параметрами:
− символьной скоростью – это тактовая частота канала или
число дискретных символов, которое можно передать по каналу
в единицу времени. Символьная скорость измеряется в бодах в секунду;
144
− пропускной способностью канала – это максимальная скорость битового потока, которую способен поддержать канал при
выбранном способе модуляции. Пропускная способность измеряется в битах в секунду и может совпадать с символьной скоростью
или быть выше, так как один символ способен передать несколько
информационных битов за один такт. Из-за воздействия помех при
увеличении числа состояний сигнала уменьшается распознаваемость символов при приеме. Это обстоятельство ограничивает число состояний, которое может занимать дискретный сигнал.
Характеристики и аналогового, и дискретного канала имеют
одинаковый физический смысл допустимой скорости изменения
информационного параметра сигнала. Разница заключается в том,
что физические параметры аналогового сигнала в отличие от цифрового изменяются и во времени, и в пространстве непрерывно, а
не дискретно .
Способ представления символов, передаваемых по дискретным
каналам связи в виде электрических импульсов, называется физическим кодированием. Дискретные символы передаются либо в виде значений потенциала импульсов, либо в виде изменения фронта
импульсов.
Выбор способа физического кодирования является сложной
многофакторной задачей. Он должен основываться в том числе на
стремлении к:
− уменьшению спектра сигнала при фиксированной символьной
скорости, что позволяет увеличить пропускную способность каналов;
− построению кодов, способных к самосинхронизации, что упрощает определение моментов прихода очередных символов на приемной стороне;
− помехозащищенности кодов, что повышает достоверность передачи данных по каналам связи под воздействием помех.
Разработано и используется множество различных способов физического кодирования дискретных символов. В качестве примера
на рис. 6.11 представлены три кода:
− NRZ (Non Return Zero) – без возврата к нулю;
− Манчестер II;
− RZ (Return to Zero) – с возвратом к нулю.
Два первых кода являются двухуровневыми. Каждое их состояние передает один бит исходных данных. Код NRZ кодирует логические 1 и 0 импульсами разного уровня. У кода Манчестер II логическому нулю соответствует положительное, а логической единице – отрицательное изменение фронта импульса в центре бита.
145
0
1
0
1
1
0
0
NRZ
Манчестер II
RZ
Рис. 6.11. Способы физического кодирования дискретных символов
Код RZ является трехуровневым, так как на один бит приходятся
два изменения уровня напряжения. Логический 0 передается положительным импульсом, логическая 1 – отрицательным. Первая половина передаваемого бита является информационной, а во второй
половине происходит возвращение уровня к нулевому значению.
Терминалы непосредственно связаны с источниками сообщений, а значит, и с пользователями сетей. Поэтому помимо своего
основного функционального назначения – формирования сигналов
для передачи сообщений и восстановления сообщений при приеме
сигналов – они должны отвечать эстетическим и эргономическим
требованиям. Терминал – это не только инженерное оборудование,
но и дизайнерское изделие.
6.4. Коммуникационные элементы сетей связи
Коммуникационные элементы, используемые при построении
сетей, делятся на сигнальные и коммутационные. К первой группе
относятся те, которые отвечают за перенос сигналов, выработанных терминалом, их сохранение в виде, который позволит восстановить эти сигналы при приеме. Они, в свою очередь, могут быть
пассивными или активными.
Пассивные сигнальные коммуникационные элементы предназначены для передачи, деления или объединения мощности сигналов, циркулирующих по сети. К ним, например, относятся:
146
− разъемы, которые обеспечивают соединение отдельных участков линий связи друг с другом и иными сетевыми элементами;
− оптические сплиттеры (разделители), применяемые для деления световых потоков с разной длиной волны из одной в разные оптические линии;
− электрические фильтры, делящие общую физическую среду
между разными терминалами, передающими данные на разной частоте.
Активные коммуникационные элементы увеличивают энергию
сигнала, компенсируя затухание сигнала, проходящего по линии
связи. В цифровых сетях они, кроме того, корректируют искажения, которым подвергается сигнал под воздействием помех, восстанавливая не только уровни, но и фронты импульсов. Использование
активных коммуникационных элементов позволяет увеличить допустимое расстояние между передатчиками и приемниками сигналов. Примером таких элементов могут служить:
− усилители для аналоговых сетей
− регенераторы для цифровых сетей;
− повторители для локальных сетей связи.
Коммутационные сетевые элементы носят обобщенное название
центры коммутации. Они отвечают за доставку сигналов к терминалам в соответствии с их сетевыми адресами. Под коммутацией
при этом понимается процесс занятия канальных ресурсов и построения сетевых соединений между адресованными терминалами. Само понятие «сеть связи» подразумевает существование совокупности терминалов, распределенных в пространстве и имеющих
единую систему адресации.
В зависимости от типа, назначения и масштаба сетей связи и
принятой технологии коммутации для центров коммутации используют разные названия:
− почтамт;
− телефонная станция;
− узел коммутации;
− коммутатор;
− маршрутизатор и др.
При этом их общее функциональное назначение – анализ сетевых адресов терминалов и передача сигналов по сети от исходящего терминала к входящему в соответствии с этими адресами – не
меняется.
Любой центр коммутации состоит из исполнительной и управляющей систем (рис. 6.12):
147
Линии,
каналы
связи
Исполнительная система
(коммутация,
согласование параметров)
Линии,
каналы
связи
Управляющая
система
Рис. 6.12. Модель центра коммутации
− исполнительная система обеспечивает реализацию телекоммуникационных процессов передачи, мультиплексирования и
коммутации. К числу ее компонентов относятся каналы и линии
связи, оборудование коммутации, разнообразные элементы, согласующие энергетические параметры сигналов и т. п.;
− управляющая система обрабатывает управляющую информацию и вырабатывает команды, в соответствии с которыми занимаются или освобождаются элементы исполнительной системы. Ее
компонентами являются программы управления, компьютеры, реализующие эти программы, средства взаимодействия данных компьютеров и т. п.
В качестве примера на рис. 6.13 приведена архитектура маршрутизатора Cisco CRS-1, который содержит линейные карты для
подключения линий связи, многоуровневую матрицу коммутации
и процессоры управления.
Основным назначением центров коммутации является организация доступа большой группы источников сообщений к ограниченному сетевому ресурсу, с помощью которого может быть построено ограниченное число соединений для передачи сигналов.
Альтернативой сетям с центрами коммутации может служить
только такая сеть, в которой каждый терминал соединен с каждым
другим терминалом отдельным каналом. В качестве примера на
рис 6.14 приведены две сети емкостью шесть абонентов. В первой
из них для соединения абонентов «каждого с каждым» необходимо
148
Рис. 6.13. Архитектура маршрутизатора Cisco CRS-1
15 абонентских линий связи, во второй, использующей два центра
коммутации ЦК1 и ЦК2, – шесть абонентских линий и одна линия, связывающая центры коммутации. Очевидно, что соединение
«каждого с каждым» возможно лишь в сетях малой емкости.
Использование центров коммутации при построении сетей приводит к тому, что:
− сети приобретают иерархическую структуру;
− для выполнения своих функций центры коммутации должны
получать адресную информацию о направлениях (адресах) передачи сигналов. По отношению к данным взаимодействия коммуникантов эта служебная (управляющая) информация представляет
собой метаданные;
− существует вероятность отказа или задержки передачи сообщений из-за перегрузки, поскольку пропускная способность линий
В сети используются
центры коммутации
Аб.1
Аб.2
ЦК 1
ЦК 2
Аб.4
Аб.5
11
1
7
В сети каждый пользователь соединен
с каждым
15 абонентских Аб. 2
линий
5
9
Аб.1
4
Аб.3
3
0 8
2
12
1
6
15 13
14
Аб. 6
Аб. 4
Аб. 5
Аб.3
6 абонентских линий,
одна соединительная
Аб.6
Рис. 6.14. Принцип использования центров коммутации
149
связи меньше, чем количество данных, которое может быть одновременно заявлено для передачи информационными источниками
[6, 7, 10].
Примером иерархической сети может служить телефонная сеть
общего пользования (рис. 6.15). Она включает в себя местные (городские и сельские) сети, которые входят в зоновые сети, образующие, в свою очередь, общегосударственную междугородную
телефонные сеть. Иерархический принцип построения сети отражает нумерация (адресация) абонентов. Для выбора вызываемого
абонента, находящегося в другой зоне, необходим десятизначный
номер. Первые три цифры задают код зоны (например, 813 для
Ленинградской области), следующие две цифры – номер местной
сети (например, 75 для Кингисеппского района), последние пять
цифр – номер абонента в местной сети.
Коммутацию осуществляют центры коммутации разного иерархического уровня: выбор зоны – узлы автоматической коммутации
первого (УАК-1) и второго (УАК-II) класса, выбор местной сети –
автоматическая междугородная телефонная станция (АМТС), выбор абонента – узлы коммутации местных сетей.
Таким образом, номер абонента включает в себя номера всех
иерархически связанных друг с другом сетей, к которым он принадлежит, – местной, зоновой и междугородной.
Иерархическая структура сети позволяет локализовать трафик.
Так, например, для соединения двух абонентов одной и той же
местной сети достаточно набрать пятизначный номер и не задействовать ресурсы зоновой или междугородной сети.
Зона 1
Зона 2
Местная
первичная сеть
Местная
первичная сеть
Внутризоновая
первичная сеть
Внутризоновая
первичная сеть
Рис. 6.15. Иерархическая структура телефонной сети
150
Другим примером служит трехуровневая иерархическая модель
цифровой сети (рис. 6.16).
Базовый уровень формирует ядро сети и отвечает за быструю
и надежную пересылку больших объемов трафика. Здесь важно
обеспечить высокую скорость передачи данных с незначительными задержками.
Уровень распространения предназначен для коммутации при
доступе к региональным сетям и базовому уровню.
Уровень доступа управляет пользователями и рабочими группами при их обращении к ресурсам глобальной сети. Для уменьшения потока данных к глобальным сетям значительная часть информационного ресурса должна быть доступна пользователям локально уже на этом уровне.
Поскольку число устанавливаемых соединений не может превышать числа каналов связи, возникает конкуренция пользователей,
пытающихся занять одни и те же сетевые ресурсы. Состояние, при
котором два или несколько пользователей конкурируют за один и
тот же канал, называется коллизией.
Для урегулирования коллизий используются специальные алгоритмы. При алгоритме с потерями (рис. 6.17) заявка на занятие
сетевых ресурсов получает отказ в обслуживании и не сохраняется
Базовый
уровень
Уровень
распределения
Уровень
доступа
Рис. 6.16. Иерархическая модель цифровой сети
151
Общие ресурсы центра
коммутации
1
Обслуженный трафик
...
Входной трафик
Трафик,
обслуженный
меньше входного
на величину
потерянного
П
от
тр еря
аф нн
ик ый
n
Рис. 6.17. Алгоритм урегулирования коллизий с потерями
Пользователи
N>>n
Общие ресурсы центра
коммутации
1
Входной трафик
Очередь на
обслуживание
.
.
.
n
Обслуженный трафик
Обслуженный трафик
равен входному
Рис. 6.18. Алгоритм урегулирования коллизий с ожиданием
в центре коммутации, если каналы в момент попытки установления соединения заняты обслуживанием других пользователей.
Алгоритм с ожиданием (рис. 6.18) образует очереди заявок на обслуживание. Если в момент поступления заявки все доступные каналы заняты, то заявка не покидает центра коммутации, а сохраняется в буфере и ставится в очередь на обслуживание. Выбор заявок
из очереди для обслуживания происходит по мере освобождения каналов. В этом случае появляется возможность установить приоритеты обслуживания для разных сообщений и(или) пользователей.
Промежуточное положение занимают дисциплины урегулирования коллизий с ограниченным временем ожидания (заявка теряется при превышении некоторого допустимого времени пребывания в буфере) и ограниченным числом мест ожидания (потери возникают, если при поступлении заявки заняты не только требуемые
каналы, но и все места ожидания в буфере).
Процесс коммутации характеризуется временем задержки начала передачи сообщений и коэффициентами загрузки (использования по назначению) общесетевых ресурсов и управляющих систем центров коммутации.
152
Время задержки обусловлено длительностью процессов выбора
и занятия каналов, необходимых для построения соединений. Это
случайная величина, которая увеличивается в случае занятости
каналов, поскольку при дисциплине с отказами пользователь вынужден генерировать повторные заявки, а при дисциплине с ожиданием – ожидать освобождения занятых каналов.
Коэффициент загрузки того или иного канала – это доля времени, в течение которого канал используется по назначению.
Экономические показатели сети тем лучше, чем выше использование ее каналов.
Полезная загрузка уменьшается в основном в двух случаях:
− из-за отсутствия заявок на услуги связи, так как каналы простаивают;
− из-за увеличения объема служебной информации, передаваемой по сети, так как каналы загружаются не данными пользователей, а метаданными.
Для уменьшения времени простоя ресурса можно увеличить
число пользователей, имеющих доступ к общему ресурсу, однако
при этом увеличится время задержки начала передачи сообщений.
Другой путь – статистическое уплотнение, при котором занятый
ресурс используется для передачи одних сообщений в паузах, возникающих при передаче других, однако при этом возрастает объем
служебной информации.
Загрузка управляющих систем сетевых центров мало зависит от времени занятия общесетевых ресурсов. Она определяется
интенсивностью поступления заявок на установление соединений и сложностью алгоритмов выбора, занятия и освобождения
ресурсов, которые загружают компьютеры управляющей системы.
При увеличении загрузки управляющих систем увеличиваются очереди заявок на установление соединений. Необходимо стремиться к уменьшению числа повторов реализации алгоритмов обработки заявок в пересчете на одно сообщение, рациональному выбору языков программирования для создания оптимального кода
программ обслуживания.
К числу важных свойств коммутируемых соединений, которые
устанавливаются центрами коммутации, относятся:
− направление соединения – симплексные (односторонние) или
дуплексные (двусторонние);
− конфигурация соединения – точка-точка, точка-многоточка,
многоточка-точка, многоточка-многоточка;
153
− однородность соединений – технологические, энергетические,
логические и другие характеристики отдельных участков могут
или не могут отличаться друг от друга;
− информационная безопасность соединения – способность регистрировать и хранить передаваемую информацию и параметры
соединений;
− способ оплаты за соединение – плата за время существования
соединения или переданную информацию;
− требования к информационной технологии – ручная, электромеханическая, электронная, аналоговая или цифровая технологии
построения соединения;
− представление передаваемой информации – имеются или отсутствуют ограничения на формат передаваемых сообщений;
− качество канала – вероятность искажения сообщений;
− чувствительность к перегрузкам – сложность механизмов защиты от избыточного трафика.
Главной характеристикой соединения является скорость, с которой можно передавать данные.
Способность устанавливать соединения с затребованными пользователями свойствами и скоростью передачи данных – важная характеристика узла коммутации.
Следует различать три технологии коммутации. Коммутация:
– каналов – центр коммутации предоставляет каналы связи
в распоряжение пользователей на все время соединения;
– сообщений – центр коммутации организует очередь из поступивших сообщений и передает их получателям по мере освобождения каналов связи;
– пакетов – сообщение делится на отдельные блоки данных (пакеты), которые коммутируются центром коммутации и передаются
по сети независимо друг от друга.
Коммутируя каналы, центры коммутации создают составное
соединение, связывающее центры коммутации друг с другом
и терминалами пользователей (рис. 6.19). Такое соединение выЦентр
коммутации
каналов
Центр
коммутации
каналов
Канал связи
Рис. 6.19. Принцип коммутации каналов
154
зывающего и вызываемого терминалов разрушается только по
инициативе пользователей и обеспечивает работу в реальном масштабе времени. В электромеханических сетях коммутация каналов реализуется в форме соединения электрических цепей для
переноса энергии сигналов, в цифровых сетях – в форме переноса
данных об уровне сигнала во временных слотах.
Процесс коммутации каналов состоит из четырех последовательных этапов:
− получения от пользователя метаданных, которые включают
в себя адрес (номер) получателя и другие требования к свойствам
нужного соединения;
− выбора и занятия сетевых ресурсов для создания соединения.
В результате все ресурсы закрепляются за источником и получателем информации, скорость передачи фиксируется, соединение
остается недосягаемым для других пользователей;
− информационного обмена между пользователями через созданное соединение;
− освобождения занятых ресурсов после отбоя вызывающей или
вызываемой стороны.
На первом этапе используется дисциплина обслуживания с потерями.
Алгоритм коммутации каналов обеспечивает жесткое закрепление
сетевых ресурсов, выбранных центрами коммутации, за одним определенным соединением на все время взаимодействия. Следовательно,
в интервалы времени, когда передающая сторона не осуществляет
передачи данных, возникают паузы в использовании канального ресурса. Это ограничивает эксплуатацию полосы пропускания линии
связи в целом.
Особенности технологии коммутации каналов сводятся к следующему:
− канал связи устанавливается на все время взаимодействия
пользователей;
− скорость передачи данных является фиксированной;
− установленный канал связи недосягаем для других пользователей;
− использование пропускной способности канала связи является неэффективным;
− в случае перегрузки сети вероятен отказ в установлении соединения.
Коммутация сообщений, напротив, не предполагает закрепления за пользователем сетевых и канальных ресурсов. Пришедшее
155
в центр коммутации сообщение должно сопровождаться адресной
информацией и сначала сохраняется в специальной памяти и лишь
затем, после определения адресата, ставится в очередь для передачи в требуемом направлении связи.
В результате сообщение передается по сети связи не в реальном
масштабе времени, а по мере освобождения общесетевых ресурсов.
Коммутация сообщений используется в сочетании с дисциплиной обслуживания с ожиданием. Она была разработана для телеграфных сетей и продолжает оставаться эффективной в почтовых
сетях, где в качестве материальных носителей информации используются различные предметы – от почтовой карточки до контейнера.
Коммутация пакетов получила свое название от почтового пакета и реализуется в соответствии со следующим алгоритмом
(рис. 6.20):
− сообщение, представленное в цифровом виде, разбивается на
части (блоки данных, или пакеты) одинаковой или разной длины;
− к каждому пакету прикрепляются метаданные, которые включают в себя адреса отправителя и получателя данных, информацию
о принадлежности пакета к тому или иному сообщению, о том, какое место пакет занимает внутри разделенного сообщения и др.;
Дискретное сообщение, подлежащее передаче адресату
Адрес 011010101010011010100101010010100101001111011001000101001101001010...
Разделение сообщения на блоки данных
Блок 1
Адрес+служебная
0110101010
информация
Сеть связи
1
Блок 2
Адрес+служебная
В пакетной сети связи
1001101010
2
информация
коммутация и передача каждого
блока одного и того же
Блок 3
3
сообщения осуществляются
Адрес+служебная
независимо друг от друга
0101010010
информация
4
Блок 4
Адрес+служебная
5
1001010011
информация
Блок 5
Адрес+служебная
1101100100
информация
Рис. 6.20. Алгоритм коммутации пакетов
156
− передача пакетов происходит по технологии коммутации сообщений и в общем случае может осуществляться через разные соединения (каналы связи);
− после поступления пакетов на приемную сторону сообщение
восстанавливается и передается адресату.
Алгоритмы коммутации пакетов используют дисциплину обслуживания с ожиданием, поэтому возможна задержка пакетов
при передаче их по сети. Эта задержка возрастает при увеличении
загрузки сети.
Особенности технологии коммутации пакетов сводятся к следующему:
− передаваемые данные разбиваются на отдельные блоки (кадры, пакеты, сегменты);
− каждый блок содержит данные и адреса пользователей, а также другие служебные данные (метаданные);
− трансляция блоков данных от пользователя в сеть осуществляется поочередно;
− центры коммутации анализируют адреса и служебные данные
и последовательно передают блоки данных друг другу в направлении адресата;
− в центрах коммутации возможна задержка блоков данных;
− постоянный канал связи между терминалами пользователей
не устанавливается;
− скорость передачи данных зависит от загрузки сети;
− блокам данных могут придаваться приоритеты.
Различают два режима коммутации пакетов. Если каждый следующий пакет одного сообщения передается в сети по выбранному специально для него маршруту, то говорят, что пакетная сеть
работает в дейтаграммном режиме без установления соединений.
Дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все
передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга.
Выбор направления, в котором центр коммутации должен передать
поступивший пакет, происходит только на основании адреса назначения, содержащегося в метаданных пакета. Принадлежность
пакета к определенному информационному потоку никак не учитывается. В этом режиме задержка может оказаться разной для
разных пакетов одного и того же сообщения. Поэтому порядок доставки пакетов получателю не может быть гарантирован.
Особенности дейтаграммного режима сводятся к следующему:
− каждый центр коммутации самостоятельно выбирает направление передачи на основании адреса и состояния сети;
157
− разные блоки данных могут достигнуть адресата разными путями и за разное время;
− последовательность поступления данных к адресату может
быть нарушена и восстанавливается в терминале;
− надежность доставки пакета увеличивается благодаря выбору
разных направлений передачи.
Если же пакетная сеть выбирает последовательность центров
коммутации для передачи блоков данных один раз для всех пакетов сообщения, то принято считать, что пакетная сеть работает
с установлением виртуального соединения.
Виртуальные каналы – это устойчивые пути следования пакетов. Для того чтобы выделить поток данных из общего трафика,
каждый пакет этого потока помечается меткой, включаемой в состав его метаданных.
Прокладка виртуального канала начинается с отправки источником сообщения специального пакета-запроса. В запросе указываются адрес назначения и метка сообщения, для которого прокладывается это виртуальное соединение. Запрос, проходя по сети,
формирует новую запись в каждом центре коммутации, расположенном на пути от отправителя до получателя.
Особенности режима виртуального соединения состоят в следующем:
− перед отправлением блоков данных одного сообщения формируется полный маршрут (последовательность центров коммутации) между терминалами пользователей;
− к метаданным блока данных добавляется идентификатор виртуального канала;
− порядок следования блоков данных не меняется;
− время доставки блоков данных изменяется незначительно.
Важным достоинством технологии коммутации пакетов является
осуществляемое ею статистическое уплотнение каналов связи, при
котором их пропускная способность распределяется между источниками информации в зависимости от их активности. Недостаток состоит в необходимости передавать по сети адресную и другую служебную
информацию многократно в каждом пакете одного и того же сообщения, загружая каналы связи. Этого недостатка лишена коммутация
каналов, поскольку в подобном случае достаточно сообщить сети
адресную информацию для установления соединения один раз.
Возможны и промежуточные варианты построения технологий
коммутации, которые используют достоинства коммутации и каналов, и пакетов.
158
Разнообразное сетевое оборудование, такое, как мультиплексоры и демультиплексоры, активные сигнальные устройства и центры коммутации организационно объединяются на сетях связи
в сетевые центры. В зависимости от масштаба сетевого центра к нему с помощью пассивных сигнальных коммуникационных элементов подключаются две или несколько линий связи.
Главное назначение центра сводится к выполнению функций:
− коммутации;
− регенерации сигналов;
− мультиплексирования и демультиплексирования потоков данных.
На границе сети находятся сетевые центры, которые называются
оконечными. Они непосредственно связаны с терминальным оборудованием и организуют доступ пользователей к сетевому ресурсу.
6.5. Последняя миля сетей связи
Последняя миля – это канал связи, соединяющий терминал
пользователя с оконечным узлом сети связи и обеспечивающий доступ ему к услугам глобальных сетей. Технологии доступа реализуются специальными сетями доступа, которые являются наиболее динамичным сегментом телекоммуникационной отрасли. Они
непосредственно связаны с доведением информационных потоков
до терминалов пользователей и предоставлением им информационных услуг. В этой области постоянно совершенствуются технологии для удовлетворения их новых потребностей, появляются новые, характерные только для данных сетей, технические решения.
Кроме того, на сети доступа приходится основная доля капитальных и эксплуатационных затрат оператора связи.
Опыт внедрения и эксплуатации цифровых сетей показал, что
все современные информационные технологии, которые используются для предоставления услуг по сетям связи, представляют собой комбинацию услуг по передаче речи, данных и видео. Модель
обслуживания, при которой пользователям по единой системе широкополосного доступа предоставляется одновременно три названных сервиса, обозначают термином TriplePlay. В сетях мобильной
связи еще одним, четвертым, сервисом, доступным пользователям,
является пространственное позиционирование, привязанное к карте местности.
Для того чтобы соответствовать требованиям TriplePlay, технологии доступа должны создавать для пользователя два логически
159
независимых канала передачи данных (два канала взаимодействия): прямой (входной) и обратный (выходной). Входной канал
используется для доставки данных от оконечного центра телекоммуникационной сети к пользователю, а выходной – для передачи
их от пользователя к оконечному сетевому центру.
Требования к сетевой инфраструктуре доступа зависят от того,
какие вид и объем информации должны быть доведены до пользователя и какие должны быть получены от него. К числу основных
характеристик технологий доступа соответственно относятся:
− скорость передачи данных по прямому и обратному каналам;
− максимально допустимое расстояние между оборудованием
пользователей и оконечным сетевым центром.
Сети доступа реализуют функции первого и в большинстве случаев второго уровней модели взаимодействия открытых систем.
Поэтому в основу классификации технологий доступа следует положить три признака:
− физическую структуру сети, построенную с помощью линий
связи того или иного типа и соединяющую пользователей с глобальной сетью;
− метод мультиплексирования линий связи при выделении каналов взаимодействия;
− режим использования выделенных каналов пользователями.
Линии связи используются в качестве физической среды взаимодействия между терминальным оборудованием пользователей и
оконечным сетевым центром. Они могут образовывать самые разнообразные топологии и строятся на основе проводных и беспроводных технологий, в том числе [10]:
− абонентских линий телефонной сети общего пользования;
− коаксиального кабеля сети кабельного телевидения;
− оптоволоконного кабеля;
− радио и спутниковых систем;
− комбинации этих технологий.
Для мультиплексирования может быть использован любой из
рассмотренных ранее методов: частотный, временной, с кодовым
разделением каналов или смешанный.
Режимы эксплуатации прямого и обратного каналов передачи
данных между пользователями и оконечным сетевым центром, образованных в результате мультиплексирования, сводятся в основном к трем следующим:
− индивидуальный, когда для каждого пользователя организуется собственный канал приема и (или) передачи данных;
160
− широковещательный, когда данные поступают одновременно
ко всем пользователям, имеющим подключение к сети через один и
тот же сетевой центр;
− множественного доступа, когда пропускная способность канала приема и (или) передачи данных динамически делится между
пользователями в соответствии с некоторой процедурой управления коллизиями.
Режимы использования каналов доступа обеспечивается технологиями второго уровня модели.
Рассмотрим некоторые из наиболее распространенных технологий проводного доступа.
6.6. Цифровые абонентские линии
Использование телефонных абонентских линий для организации доступа к сетевым ресурсам отражает стремление операторов
связи к экономии ресурсов с учетом уже существующей медной
инфраструктуры, которая многие десятилетия строилась для подключения абонентов к аналоговым и цифровым фиксированным
телефонным сетям. Способ высокоскоростной передачи цифровой
информации по таким медным парам имеет обобщенное название
цифровая абонентская линия хDSL (Digital Subscriber Line).
К технологиям этого типа относятся:
− ADSL (Asymmetric DSL);
− HDSL (High bit-rate DSL);
− SDSL (Single line/Symmetric DSL);
− VDSL (Very-high data rate DSL) и др.
Одной из наиболее востребованных индивидуальными пользователями является технология ADSL (асинхронная цифровая линия).
Асинхронной она называется потому, что каналы для приема и передачи данных имеют разную скорость. Скорость приема данных
выше, чем скорость передачи. Это связано с тем, что у большинства
конечных пользователей цифровых сетей, использующих услуги
TriplePlay, объем входящих к ним данных заметно превышает объем данных, которые они передают в сеть.
Передача данных по технологии ADSL реализуется на первом
физическом уровне модели MIC с помощью модема, установленного у пользователя, и мультиплексора доступа DSLAM (DSL Access
Multiplexer), находящегося на оконечном сетевом центре. В результате в аналоговой телефонной линии образуются цифровые каналы, не связанные с оборудованием телефонной сети связи. Для
161
того чтобы не мешать использованию телефонной связи, нижняя
граница диапазона частот в ADSL расположена значительно выше
диапазона частот, используемого для передачи телефонных сообщений. Поэтому телефонные разговоры и обмен данными по одной
линии могут быть совмещены.
Мультиплексор DSLAM мультиплексирует в одну высокоскоростную магистраль сигналы от группы абонентских линий DSL.
В современных стандартах технологии ADSL (ADSL2+ и др.)
скорость входящего потока данных может достигать 24 Мбит/с, а
скорость исходящего потока – 3,5 Мбит/с на расстоянии до 5,5 км.
Технология HDSL – это высокоскоростная технология двухсторонней передачи данных по витой паре без ретрансляторов, обеспечивающая фиксированную скорость в обоих направлениях.
Технология SDSL аналогична HDSL, но для организации соединения достаточно двухпроводной абонентской линии.
Технология VDSL обеспечивает высокоскоростную цифровую
асимметричную связь.
К наиболее распространенным вариантам использования технологий xDSL относятся:
− передача данных по телефонной паре с сохранением функций
аналогового телефона;
− соединение близко расположенных узлов в корпоративных сетях (кампусные сети);
− замена аппаратуры мультиплексирования телефонных линий.
В целом применение модемов xDSL можно рассматривать только
как временное решение, поскольку экономия вследствие использования существующих линейных сооружений приводит к ограничению скорости передачи цифровых данных. Например, для приема
сигналов телевидения высокой четкости HDTV требуется скорость
не менее 9 Мбит/с для одного телевизионного канала.
6.7. Кабельное телевидение
Еще одним наследием аналоговых сетей является сеть кабельного телевидения (КТВ), выполненная на основе коаксиального
кабеля. Она строилась независимо от телефонных сетей и использовалась для доставки аналоговых или цифровых телевизионных
программ абонентам в широковещательном режиме. Для организации обратного канала и внедрения услуг на основе технологий
TriplePlay старые сети КТВ необходимо полностью модернизировать, заменив активное оборудование распространения телевизи162
онного сигнала. Сохранить удается только кабельную инфраструктуру.
Сети КТВ строятся сегодня на основе стандарта передачи данных по коаксиальному (телевизионному) кабелю, последней
версией которого является DOCSIS 3.0 (Data Over Cable Service
Interface Specifications). Сеть доступа включает в себя кабельные
модемы, размещаемые у пользователей, системный терминал, находящийся на оконечном сетевом центре, систему управления,
обслуживающую всю сеть доступа, и кабельную сеть как транспортную среду.
Сеть КТВ содержит два нижних уровня модели MIC (см. рис. 3.17).
На первом уровне в разных частотных диапазонах образуются независимые физические каналы для передачи цифровых потоков данных.
В прямом направлении от оконечного центра к пользователям в соответствии с европейскими стандартами каждый канал занимает полосу шириной 7 или 8 МГц. Методы модуляции позволяют при этом
поддерживать скорость передачи данных до 50 Мбит/с. В обратном
направлении от пользователей к оконечному центру полоса ограничена 6,4 МГц, а скорость передачи данных может достигать 30 Мбит/с.
Особенностью сети КТВ является возможность объединения нескольких физических каналов в один виртуальный логический канал таким образом, чтобы все связываемые каналы размещались
в полосе 60 МГц. В результате один пользователь или одно из его
приложений получают возможность передавать блоки данных, относящиеся к одной услуге, по всем физическим каналам, включенным в логическое объединение. Это позволяет увеличивать максимальную скорость передачи данных примерно до 200 Мбит/с в прямом и более чем до 100 Мбит/с в обратном направлении.
При передаче данных по прямому каналу со стороны сетевого
центра вся полоса делится между теми пользователями, которые
в данный момент принимают данные. Чем больше пользователей
и чем с большей скоростью они принимают данные, тем меньше
доступная полоса для каждого пользователя. Это ограничивает емкость сети доступа при предоставлении широкополосных услуг.
Для повышения эффективности сети доступа в прямом канале
задействуются механизмы поддержки многоадресной передачи
данных (multicast). Это одна из форм широковещания, при которой
одни и те же данные одновременно направляются определенному
подмножеству получателей.
Примером приложения, эффективность реализации которого
существенно возрастает благодаря реализации широковещания,
163
может служить распределение телевизионных программ. Без использования функции multicast пакеты данных пришлось бы многократно пересылать по сети каждому получателю программы.
Использование групповой адресации позволяет значительно
экономить сетевые ресурсы, поскольку:
− добавление новых пользователей не требует пропорционального увеличения пропускной способности сети;
− значительно сокращается нагрузка на оконечный сетевой
центр, который больше не должен поддерживать множество двухсторонних соединений.
Сетевые ресурсы обратного канала используются в режиме множественного доступа: либо с разделением по времени TDMA, либо
с кодовым разделением CDMA.
Система управления сетью КТВ построена таким образом, чтобы обеспечить прозрачность доступа для абонента – абонент при
передаче и приеме данных не замечает существования между ним
и цифровой сетью какого-либо промежуточного оборудования.
Сети кабельного телевидения имеют запас информационных
возможностей для внедрения новых услуг, которые будут востребованы в будущем. Поэтому распределительная внутридомовая сеть
на коаксиальном кабеле в сочетании с оптической магистралью для
связи с глобальной сетью успешно используется операторами сетей
доступа. Технология КТВ позволяет создать единую информационную среду небольшого города или отдельного городского района,
в которую могут быть включены и местное телевещание, и радио,
и телефония, и Интернет, и другие услуги.
6.8. Пассивные оптические сети
Технология проводного доступа по пассивным оптическим сетям PON (Passive Optical Network) связывает многие абонентские
узлы с одним сетевым центром, образуя соединение точка-многоточка P2MP (point-to-multipoint). Пассивность означает отсутствие
в сети элементов, усиливающих сигнал в процессе его распространения от сетевого центра к абонентским узлам и обратно.
Сетевой центр осуществляет подключение к высокоскоростной магистрали многих линий, идущих от абонентский узлов.
К абонентским узлам подключаются терминалы пользователей.
Древовидная топология создается с помощью пассивных оптических разветвителей (сплиттеров), которые можно устанавливать
практически в любом месте прокладки оптоволоконного кабеля.
164
Мощность сигнала в сплиттере не обязательно делится на равные
части.
Активные устройства выполняют следующие функции:
− терминал оптической линии OLT (Optical Line Terminal) располагается в сетевом центре, генерирует оптические сигналы и мультиплексирует трафик пользователей;
− оптический сетевой терминал ONT (Optical Network Termination) располагается в абонентском устройстве. Он может иметь
практически любые интерфейсы для подключения терминалов
пользователей по витой паре, коаксиальному кабелю, линии радиосвязи или локальным сетям. Взаимодействуя с OLT, он выделяет из
общего потока входные данные, направляемые к его пользователям.
Для передачи в OLT исходящих данных применяется временное
мультиплексирование.
Для передачи данных по прямому и обратному каналам используется одно оптическое волокно, полоса пропускания которого динамически распределяется между пользователями, или два волокна в случае резервирования.
Один приемопередающий модуль OLT позволяет передавать
информацию множеству абонентских устройств ONT. Число ONT,
подключенных к одному OLT, может быть настолько большим, насколько позволяют бюджет мощности и максимальная скорость
приемопередающей аппаратуры. Волоконно-оптические сегменты
сети PON могут охватывает до 128 абонентских узлов в радиусе до
60 км. Каждый абонентский центр рассчитан на обычный жилой
дом или офисное здание и, в свою очередь, может обслуживать сотни абонентов. Все абонентские узлы являются терминальными, и
отключение или выход из строя одного или нескольких из них никак не влияет на работу остальных. При этом возможна организация высокоскоростных потоков в прямом канале до 2,488 Гбит/с, а
в обратном – до 1,244 Гбит/с.
Реализация пассивных оптических сетей отличается тем, насколько близко к пользовательским терминалам подходит оптоволоконный кабель. Общее обозначение FTTx (Fiber-To-The-x – оптоволоконный кабель до точки x) реализуется в следующих вариантах:
− FTTN (Fiber to the Node) – оптоволоконный кабель до сетевого
узла;
− FTTC (Fiber to the Curb) – оптоволоконный кабель до микрорайона, квартала или группы домов;
− FTTB (Fiber to the Building) – оптоволоконный кабель до здания;
165
− FTTH (Fiber to the Home) – оптоволоконный кабель до жилища
(квартиры или отдельного коттеджа).
Выбор участка сети для размещения активного оборудования
у пользователей зависит от наличия или отсутствия альтернативной медной инфраструктуры, возможности установки в доме или
квартирах ONT, числа, плотности и платежеспособности пользователей, загруженности, планов предоставления услуг и развития сети и т. д. Чем большая скорость доступа требуется пользователям,
тем ближе к терминалам должен подходить оптоволоконный кабель. Активное внедрение новых услуг, включая видео по запросу,
ТВ высокого разрешения, трехмерное ТВ и видеопочту предполагает расположение точки х в доме или квартире.
Слабой стороной систем доступа PON с топологией дерева является отсутствие резервирования. Самым неблагоприятным в этом
случае может быть повреждение оптоволоконного кабеля, идущего
от OLT к ближайшему разветвителю. При этом связь теряет весь
сегмент, подключенный к этому каналу.
К преимуществам PON следует отнести:
− отсутствие промежуточных активных узлов;
− экономию оптических приемопередатчиков в центральном узле;
− экономию волокон;
− эффективное использование ресурсов оптического волокна;
− простоту подключения новых абонентов и удобство обслуживания (подключение, отключение или выход из строя одного или
нескольких абонентских узлов никак не сказывается на работе
остальных);
− наличие древовидной топологии, которая позволяет оптимизировать размещение оптических разветвителей исходя из реального расположения абонентов, что делает возможным снижение затрат на прокладку кабеля и эксплуатацию кабельной сети.
Недостатками PON являются:
− отсутствие резервирования в простейшей топологии дерева,
что снижает надежность;
− применение резервных каналов, что увеличивает стоимость
решения;
− пропускная способность PON делится между абонентами и может оказаться недостаточной для будущих услуг HDTV;
− необходимость тщательной проработки архитектуры сети для
возможности будущего наращивания с учетом затухания, вносимого каждым сплиттером;
166
− достаточная сложность применения рефлектометров для диагностики.
Технология PON относится к числу наиболее перспективных
технологий проводного доступа к услугам глобальных сетей связи.
Контрольные вопросы по теме
1. Какова общая характеристика технологии распространения
данных?
2. Что такое линия связи? Как можно классифицировать линии
связи?
3. Какие электрические кабели существуют?
4. Как устроен волоконно-оптический кабель?
5. Как выполняется передача данных по электрическим проводам?
6. В чем состоит особенность беспроводных линий связи?
7. Как выполняется мультиплексирование линий связи?
8. Как выполняется частотное мультиплексирование?
9. Как выполняется временное мультиплексирование?
10. Как реализуется кодовое разделение каналов?
11. Какова функция терминального оборудования сетей связи?
12. Что представляет собой аналоговый канал связи?
13. Что представляет собой цифровой канал связи?
14. В чем суть цифровой модуляции и манипуляции?
15. Как реализуется физическое кодирование данных?
16. Какие существуют сигнальные коммуникационные элементы сетей связи? Опишите их назначение и классификацию.
17. Какие существуют коммутационные сетевые элементы?
Опишите их назначение и классификацию.
18. Как выглядит модель центра коммутации?
19. В чем состоят принцип и последствия использования центров
коммутации?
20. Каковы особенности иерархического строения сетей связи?
21. Какие существуют методы урегулирования коллизий на сетях связи?
22. Каковы характеристики процесса коммутации?
23. Каковы свойства коммутируемых соединений?
24. Как реализуется коммутация каналов?
25. Как реализуется коммутация сообщений?
26. Как реализуется коммутация пакетов?
27. Что собой представляет дейтаграммный режим коммутации
пакетов?
167
28. В чем состоит особенность пакетной сети с установлением
виртуального соединения?
29. Что такое сетевой центр?
30. Что такое последняя миля сетей связи?
31. Какие технологии цифровых абонентских линий существуют?
32. В чем состоит особенность сетей кабельного телевидения?
33. На каких элементах строятся пассивные оптические сети?
168
7. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
7.1. Общие сведения
Технология обработки данных относится к числу базовых для
любой информационной системы и реализует соответствующий
базовый информационный процесс. В общем случае результатом
обработки исходного информационного объекта является новый
информационный объект, который отражает смысл, заложенный
пользователями в информацию, в иной по сравнению с исходным
информационным объектом физической форме. Подчеркнем, что
понятие «технология обработки», как и любая информационная
технология, относится к данным и предполагает их изменение,
т. е. изменение формы представления информации, а не смысла,
который заложен в данные и может быть понятен только пользователям.
Сама обработка, выполняемая по инициативе пользователя,
так же, как и обрабатываемые данные, должна иметь смысл. Он
предполагает новые возможности, возникающие в связи с появлением нового по форме информационного объекта [20]. Смысл
обработки, известный пользователю, выражается в виде алгоритма.
Алгоритм, имеющий смысл, обладает рядом свойств:
− дискретность состоит в том, что алгоритм представляет собой
процесс преобразования исходного информационного объекта как
последовательность простых шагов, на которых за конечное время
выполняются алгоритмические операции;
− определенность означает, что каждая его операция определена однозначно и не допускает противоречивых трактовок;
− результативность требует, чтобы искомый информационный
объект мог быть получен за конечное число шагов;
− массовость предполагает, что алгоритм можно применять для
некоторого класса задач обработки, различающихся лишь исходными данными;
− правильность позволяет действительно получить искомый информационный объект из исходного.
Рассмотренные ранее технологии сохранения и распространения информации могут быть эффективно организованы и при использовании аналоговых сигналов. Примером служат библиотеки, в которых собрано, систематизировано и надежно сохраняется
169
огромное число информационных источников, или аналоговые
телефонные сети связи, которые объединяли и объединяют огромное число абонентов, давая каждому возможность в планетарном
масштабе устанавливать разговорные соединения в реальном масштабе времени.
Принципиального скачка эффективности процессов обработки данных, напротив, удалось достигнуть только после перехода
к цифровым технологиям. Новые возможности обработки информации на ЭВМ привели к стремительному росту объемов цифровых
данных и изменили требования к объемным характеристикам процессов сохранения и распространения.
Представление данных пользователей в виде числовых массивов, используемое в компьютерной технике, позволяет конкретизировать определение технологии обработки. Обработка в цифровой среде – это получение необходимых пользователю числовых
массивов данных из исходных с помощью последовательности математических операций, организованных в алгоритм [20].
Обработка данных является функцией процессора, который наряду с системами хранения данных и системами связи является неотъемлемой частью любой информационной системы. Процессор
как обработчик цифровых данных имеет дело с тремя видами информационных объектов:
− исходные цифровые данные, которые должны быть подвергнуты обработке;
− алгоритм обработки, определяющий порядок применения
к исходным данным тех или иных алгоритмических операций;
− собственно искомые цифровые данные, которые будут получены в результате выполнения алгоритма.
Обработка цифрового массива данных в процессоре предполагает деление его на блоки данных. Блоки цифровых данных, поступающих на обработку в процессор, называются операндами,
а описания элементарных операций, которые процессор должен
выполнить над операндами для достижения результатов обработки, – машинными командами. И операнды, и машинные команды,
и результаты обработки представляют собой числа с той разницей,
что операнды и результаты содержат данные взаимодействия пользователей, а команды – действия, которые по инициативе пользователя, следует применить к операндам.
В общем случае машинная команда должна содержать:
− код операции – то, что требуется сделать, указание на содержательную сторону обработки;
170
− адреса операндов – указание на место расположения в памяти
данных, к которым необходимо применить действия, заданные кодом операции;
− адрес результата – указание на место в памяти, куда следует
поместить результат выполнения команды.
Современные реализации технологии обработки основаны на
принципе, предложенном фон Нейманом. В соответствии с ним процессор, обрабатывающий данные, и память, которая используется
для хранения всех трех видов информационных объектов, представляют собой отдельные устройства, связанные информационными шинами. Связь по информационной шине дает возможность
процессору получать из памяти операнды и машинные команды и
записывать в память полученные результаты [6].
Непосредственно обработку данных, как это описано в подразделе 4.2, осуществляет арифметико-логическое устройство, получающее команды на выполнение тех или иных математических
операций. Для организации обмена данными между АЛУ и памятью используются специальные операционные регистры, располагающиеся между памятью и АЛУ. Операнды поступают из памяти
во входные регистры, а затем в АЛУ, результаты же обработки записываются в выходные регистры, а потом передаются в память.
Технологический процесс реализации алгоритмов обработки
требует согласованного выполнения отдельных операций.
Обработка операндов может включать в себя, например, следующие шаги:
− выделение адресов операндов из машинной команды;
− перемещение операндов из памяти в регистры входа;
− обработку операндов в АЛУ в соответствии с кодом операции;
− запись результатов обработки в выходной регистр;
− выделение из машинной команды адреса для сохранения результата;
− перемещение результата из выходного регистра в память.
После выполнения очередной машинной команды необходимо
выбрать из памяти следующую команду и приступить к ее реализации и т. д., пока не будут выполнены все операторы алгоритма
обработки.
Разные процессоры содержат разный набор команд. К их числу относятся арифметические и логические операции с числами,
операции по пересылке операндов из одних областей памяти в другие, операции управления порядком выполнения команд и т. д.
Алгоритм, составленный из команд, которые способен выполнить
171
компьютер, называется компьютерной программой, а процесс написания компьютерных программ – программированием.
Чем большее число операций выполняет процессор, тем сложнее его внутреннее устройство, но проще запись программы. И наоборот, упрощение системы команд упрощает схему процессора, но
увеличивает число операторов и усложняет логику программы.
Программирование сложных процедур обработки данных с использованием машинных команд является трудоемкой задачей.
Для ее упрощения и ускорения разработаны языки программирования высокого уровня, операторы которых обозначают более
крупные действия, чем элементарные машинные операции. С помощью специальных программ – трансляторов, или компиляторов, – программа, написанная на языке высокого уровня, автоматически, без участия человека, может быть превращена в последовательность машинных команд и реализована процессором.
7.2. Системы обработки данных
Современные системы обработки данных – это результат конвергенции цифровых технологий не только обработки, но и сохранения, и распространения информации. Примером таких систем являются датахранилища, сети связи, суперкомпьютеры.
Технологии их построения позволяют перемещать между потребителями огромные объемы информации, постоянно совершенствуются объемные характеристики.
Конвергенция этих технологий нашла отражение в современной
технологии облачных вычислений. Основой построения облака являются центры обработки данных (ЦОД).
Такие центры обеспечивают предоставление информационных
услуг (процесс распространения), таких, как хранение данных
(процесс сохранения), поддержка бизнес-процессов (процесс обработки) и других с требуемым качеством обслуживания пользователей этих информационных услуг.
Конвергенцию технологий отражает и структурно-функциональная организация современного ЦОД, включающая в себя серверный комплекс, системы хранения данных, эксплуатации и информационной безопасности, которые интегрированы и объединены сетевыми решениями.
Серверный комплекс включает в себя разные группы серверов,
объединенные в вычислительные кластеры по назначению, например, серверы приложений, систем управления базами данных, тер172
минальные, web-серверы и другие. Каждый сервер кластера представляет собой многопроцессорную систему. Отдельные узлы или
компоненты многопроцессорной системы имеют единое представление, что обеспечивает их взаимозаменяемость, непрерывность и
безотказное функционирование.
Система хранения данных предназначена для организации надежного хранения информационных ресурсов и предоставления
доступа к ним серверов. Данные системы также объединены в кластеры хранения по важности информации. Системы хранения
данных отличаются как способом подключения и организацией
доступа, так и возможностями, предоставляемыми используемой
технологией хранения, например, дисковые массивы, ленточные и
оптические библиотеки и другие.
Сетевая система состоит из:
− узлов коммутации, объединяющих серверный комплекс и системы хранения данных;
− узлов маршрутизации, объединяющих ЦОД с корпоративными сетями и удаленными клиентами;
− межсетевых экранов, обеспечивающих информационную безопасность ЦОД;
− каналов связи.
Концепция построения топологии ЦОД базируется на тех же
принципах, что и традиционные локальные сети на основе коммутаторов и маршрутизаторов, что значительно упрощает построение
многоузловых конфигураций систем.
Различают следующие виды топологий [9]:
− древовидная, или каскадируемая, структура, представляющая
собой набор соединенных между собой коммутаторов, организованных в виде дерева (рис. 7.1, а);
− структура решетка представляет собой группу коммутаторов, соединенных между собой несколькими линиями для повышения надежности структуры (рис. 7.1, б). При выходе из строя
одного соединения коммутатор автоматически перенаправляет
данные по альтернативному пути. Решетка применяется при
проектировании кластеров ЦОД, предназначенных для передачи трафика реального времени или требующих высокой надежности;
− в топологии кольцо передача данных осуществляется последовательно от узла к узлу. Для того чтобы начать передачу данных,
передающее устройство инициализирует разрешение на право использовать среду передачи данных (рис. 7.1, в).
173
а)
б)
в)
Рис. 7.1. Топологии ЦОД
Инженерные системы, входящие в ЦОД, отвечают за надежное
электропитание, определенные условия окружающей среды, физическую безопасность и кабельную инфраструктуру, предоставляя
все необходимые условия для надежной эксплуатации вычислительного оборудования в целом.
Системы управления ЦОД обеспечивают контроль и администрирование всех систем центра и являются частью инструментария перераспределения IT-ресурсов для наиболее эффективной эксплуатации приложений в изменяющейся бизнес-среде.
Компоненты управления образуют целостную систему, направленную на комплексное управление инфраструктурой ЦОД.
Центр обработки данных формируется из функциональных модулей в зависимости от масштаба корпоративной сети, которую он
обслуживает, и собственно центра, нагрузки, запросов и бизнесприложений. С увеличением нагрузки по определенному классу
запросов производительность ЦОД увеличивается расширением
серверного комплекса путем добавления одного или нескольких
серверов. Появление новых бизнес-приложений может привести
к возникновению нового кластера серверов. При необходимости
резервного копирования, зеркалирования и других процессов, требующих значительных объемов памяти, все системы хранения могут быть замещены съемными и взаимозаменяемыми. Кроме того,
можно добавлять дополнительные системы хранения – более современные или объемные.
Увеличивающиеся объемы сетей хранения данных и разные виды их организации привели к необходимости деления различных
топологий СХД.
174
Кластерная организация структурной модели ЦОД в общем виде приведена на рис. 7.2.
Таким образом, под процессами функционирования ЦОД понимают процессы обработки запросов пользователей и предоставления услуг по сохранению данных.
Запрос пользователя на предоставление информационной услуги ЦОД представляет собой задание, состоящее из последовательности задач и времени на обдумывание между ними, т. е. времени,
Аутентификация, DNS,
обнаружение вторжений
Кластер
web-серверов
Кластер серверов
приложений
Кластер серверов
баз данных
Сеть хранения данных
Рис. 7.2. Структурная модель ЦОД
175
прошедшего между завершением выполнения задачи на каком-либо узле и поступлением следующей на другой узел ЦОД в пределах
одного задания. Таким образом, процесс предоставления пользователю i-й информационной услуги можно описать кортежем
Ui = {ti, Hi, Аi},
где ti – момент инициирования i-го задания; Hi – характеристики
i-го задания, такие, как режим и приоритет его обработки, адрес и
имя пользователя, запросившего информационную услугу, и др.;
Аi – алгоритм обработки i-го задания.
Алгоритм задания – это последовательность задач, при выполнении которых пользователю предоставляется информационная
услуга. Формально Аi – это упорядоченное множество событий
{S1, S2,…,SM}, имевших место в моменты времени t1, t2,…,tM соответственно. К событиям относятся моменты начала выполнения
задания, начала и завершения обработки отдельных задач, начала
и окончания выполнения процессов в системах хранения данных
ЦОД и др. Алгоритм может быть представлен в виде временной
диаграммы, изображающей выполнение задания в ЦОД (рис. 7.3).
Поскольку ЦОД является примером системы конвергенции технологий обработки, сохранения и распространения информации,
качество его функционирования также оценивают характеристиками выполнения соответствующих информационных процессов.
Потенциально высокая производительность – одна из основных
характеристик ЦОД. Эта характеристика обеспечивается возможностью параллельного выполнения задач при предоставлении услуг
как на нескольких серверах кластера, так и в разных кластерах.
Производительность ЦОД оценивается несколькими основными
характеристиками, к числу которых относятся [8]:
− время реакции;
− пропускная способность;
− время ответа и вариация времени ответа.
S1
S2 S3
S4
S5
S6 S7 ... Sn
t1
t2
t3
t4
t5
t6 t7
...
tn
Рис. 7.3. Временная диаграмма выполнения алгоритма задания,
осуществляемого в ЦОД по запросу пользователя
176
t
С позиции пользователя, время реакции является интегральной
характеристикой производительности ЦОД. В общем случае данное время определяется как интервал времени между поступлением запроса пользователя к какому-либо сервису и получением ответа на него.
Очевидно, что значение этого показателя зависит от типа сервиса, к которому обращается пользователь, того, какой пользователь и к какому серверу обращается, а также от текущего состояния элементов ЦОД – загруженности сегментов, коммутаторов и
маршрутизаторов, через которые проходит запрос, загруженности
сервера и кластера и т. п. Поэтому имеет смысл использовать также средневзвешенную оценку времени реакции ЦОД, усредняя этот
показатель по пользователям, серверам и времени дня (от которого
в значительной степени зависит загрузка ЦОД).
Время реакции tр является аддитивной характеристикой и
обычно состоит из нескольких составляющих (рис. 7.4). В общем
случае в него входит время подготовки запросов на клиентском
компьютере (t1), передачи запросов от клиента к соответствующему серверу через корпоративную сеть и сегменты ЦОД и промежуточное коммуникационное оборудование (t2–tn–1), доступа
к базе данных ЦОД (tn), передачи ответов от сервера к клиенту
(tn¢ -1 - t2¢ ) и обработки получаемых ответов на клиентском компьютере (t ′1).
а)
Пользователь
Интернет
...
...
...
Браузеры,
устройства доступа,
web-сервисы
Кластер
web-серверов
Кластер
Кластер
серверов серверов баз
данных
приложений
Системы
хранения
данных
б)
t1
t2
t'1–t'2
...
ti
...
tn–1
tn
...
t'i
...
t'n–1
t'n
Рис. 7.4. Время реакции сети – интегральная характеристика
177
Таким образом,
n
tp = å ti
i=1
где n – число кластеров обработки и звеньев передачи запроса пользователя.
Пропускная способность − это метрическая характеристика,
выражающая соотношение объема данных, обработанных ЦОД
в единицу времени. Пропускная способность характеризует качество выполнения основной функции ЦОД – обработки запросов
пользователей и применяется при анализе его производительности
вместе с временем реакции:
Λ=
J(t)
, çàïðîñîâ (çàäà÷)/c,
t
где J(t) – число запросов (задач), обслуживаемых ЦОД за интервал
времени (0, t).
Обычно запросы (задачи) поступают на обработку в ЦОД в случайные моменты времени, и время выполнения задач в нем зависит
от состава сочетания (числа и характеристик) задач, одновременно
обрабатываемых ЦОД. В результате J и t – случайные величины.
Пропускная способность Λ в интервале времени (0, t) оценивается
с погрешностью, имеющей статистическую природу и зависит от
случайной величины J и ее дисперсии. С увеличением длительности интервала t значение N возрастает, и погрешность оценки Λ
стремится к нулю при t→∞.
Пропускная способность может быть средней, мгновенной, максимальной.
Средняя пропускная способность вычисляется путем деления
общего объема выполненных запросов (задач, транзакций) на время их обработки, причем выбирается достаточно длительный промежуток времени – час, день или неделя.
Мгновенная пропускная способность отличается от средней тем,
что для усреднения выбирается самый небольшой промежуток времени, например, 10 мс.
Максимальная пропускная способность – это наибольшая мгновенная пропускная способность, зафиксированная в течение периода наблюдения.
Пропускную способность можно измерять между любыми двумя
узлами или точками ЦОД, например, между сервером и системой
хранения или между сервером одного кластера и сервером другого.
178
Для анализа и настройки ЦОД важно знать данные о пропускной
способности отдельных элементов ЦОД.
Иногда полезно оперировать общей пропускной способностью
ЦОД, которая определяется как среднее количество информации,
переданной между всеми узлами ЦОД в единицу времени. Этот показатель характеризует качество ЦОД в целом, не дифференцируя
его по отдельным сегментам или устройствам.
Время ответа tотв – время, затраченное на прохождение запроса
пользователя к ЦОД и обратно. Является метрической характеристикой и оценивается, как среднее арифметическое всех измерений
за определенный период времени, например, сутки. Этот параметр
производительности по смыслу близок ко времени реакции, но отличается от него тем, что всегда характеризует только этапы обработки задания непосредственно в ЦОД без учета задержек, связанных с доставкой по сети. Например, время ответа на запрос пользователя к серверу баз данных на рис. 7.4 характеризуют временные
составляющие от ti до tn−1 включительно.
В общем случае tотв – случайная величина и поэтому наиболее
полно характеризуется функцией распределения, или функцией
плотности вероятностей.
Для оценки надежности сложных систем, какими являются
центры обработки данных, используются различные характеристики, в том числе:
− коэффициент готовности, означающий долю времени, в течение которого ЦОД может быть использован;
− безопасность, т. е способность ЦОД защитить данные от несанкционированного доступа; отказоустойчивость – способность
ЦОД работать в условиях отказа некоторых его элементов.
Расширяемость означает возможность сравнительно простого
добавления отдельных элементов ЦОД (пользователей, серверов,
систем хранения, приложений, сервисов) и замены действующей
аппаратуры более мощной.
Масштабируемость означает, что ЦОД позволяет наращивать его вычислительные мощности по мере необходимости. Это
актуально, например, в случае увеличения объемов данных и
сложности вычислений при развитии бизнеса или переходе предприятия от распределенной модели вычислений к централизованной.
В общем случае существуют две технологии масштабирования:
горизонтальная и вертикальная. Под горизонтальным масштабированием ЦОД понимается увеличение единиц оборудования:
179
в серверном комплексе числа серверов, в хранилище данных отдельных систем хранения. Под вертикальным масштабированием
ЦОД понимается увеличение мощности одного устройства, например, сервера.
7.3. Общие аспекты реализации
базовых информационных технологий в цифровой среде
Некоторые особенности базовых информационных технологий
в цифровой среде взаимодействия приведены на рис. 7.5 [6].
Как видно, в их реализации можно выделить общие аспекты:
– во всех технологиях существует минимальный физический
объект отображения данных: для сохранения – это домен, триггер, микрорельеф или другое в зависимости от применяемой технологии сохранения, для распространения – это потенциал и(или)
фронт электрического импульса, для обработки – это разряды регистров АЛУ;
– выполнение информационного процесса происходит блоками
данных: для сохранения – это сектор и кластер, для распространения – это кадр, пакет, сегмент и для обработки – это байт и машинное слово;
Базовые информационные технологии в цифровой среде
Сохранение
Распространение
Обработка
Физические объекты отображения данных
Потенциал и (или) фронт
Домен, триггер,
Разряды регистра АЛУ
электрического импульса
микрорельеф
Блоки данных
Сектор, кластер
Кадр, пакет, сегмент
Принцип сохранения: Принцип распространения:
сопоставление битам сопоставление битам данных
данных минимальных
физических параметров
единиц хранения
импульсов
Набор
адресуемых секторов
(форматирование)
Байт, машинное слово
Принцип обработки:
выполнение арифметикологических операций
с машинными словами
Функции сигналов управления
Набор
Набор
адресуемых каналов связи
адресуемых операций
(уплотнение)
Рис. 7.5. Особенности базовых информационных технологий
180
– исходя из определения блока данных можно сформулировать основной принцип реализации информационной технологии:
принцип сохранения – это сопоставление битам данных минимальных единиц хранения, принцип распространения – сопоставление
битам данных физических параметров импульсов и принцип обработки – выполнение арифметико-логических операций с машинными словами;
– в соответствии с сформулированным принципом реализации
информационной технологии функции сигналов управления при
сохранении сводятся к установлению определенного состояния
минимальных единиц хранения, при распространении – к выбору значения потенциала и(или) фронта импульсов и при обработке – к заданию типа математической или логической операции
над данными.
Особенности физической среды взаимодействия для базовых информационных технологий приведены на рис. 7.6.
Как видно из рис. 7.6, можно использовать разные технологии
и конструкции физической среды взаимодействия. Каждая конструкция технологически реализована таким образом, чтобы имелась возможность присвоить адрес блоку данных для реализации
соответствующего информационного процесса.
Базовые информационные технологии в цифровой среде
Сохранение
Обработка
Распространение
Физическая среда взаимодействия
Магнитная,
оптическая,
полупроводниковая
Медная, оптическая,
природная
Полупроводниковая
Конструкция
Магнитные диск или
лента, компакт-диск,
чип
Витая пара,
коаксиальный кабель,
оптоволоконный кабель
Набор
адресуемых секторов
(форматирование)
Набор
адресуемых каналов связи
(уплотнение)
Чип
Набор
адресуемых операций
Рис. 7.6. Особенности физической среды взаимодействия для базовых
информационных технологий
181
Контрольные вопросы по теме
1. Какова общая характеристика технологии обработки данных?
2. Какими свойствами характеризуется алгоритм обработки?
3. В чем заключается принцип обработки в цифровой среде?
4. Какова структура машинной команды?
5. В чем состоит процесс реализации алгоритмов обработки?
6. В чем особенности характеристики процессора?
7. Какие существуют команды процессора?
8. В чем особенность базовых информационных технологий в цифровой среде взаимодействия?
9. В чем особенности систем обработки данных? Опишите принципы их работы.
10. Каковы общие аспекты реализации базовых информационных технологий?
11. В чем заключаются особенности физической среды взаимодействия для базовых информационных технологий?
182
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В основу описания процессов информационного взаимодействия
людей может быть положена модель, которая содержит идеальный
и материальный метауровни и, таким образом, в отличие от кибернетической учитывает идеальную и материальную природу информации.
Использование стратифицированных описаний на физическом
метауровне позволяет с помощью информационных технологий
выделить подпроцессы, подлежащие автоматизации. По такому
принципу построены технологии современных цифровых систем
хранения данных, сетей связи и компьютеров. Их возможности
неуклонно вырастают и позволяют перемещать огромные объемы
данных между людьми. Достигнутый уровень развития информационных технологий на материальном метауровне обеспечил формирование информационного общества.
Для реализации информационных технологий требуются ресурсы, которые представляют собой либо количественную меру
возможности выполнения информационных преобразований, либо
определяют условия, позволяющие получить в результате таких
преобразований желаемый результат. Объемы ресурсов, необходимых для преобразования данных, зависят от вида информационного процесса и используемой информационной технологии.
Таким образом, задача специалистов информационной сферы на
современном этапе развития состоит в том, чтобы обеспечить экономию ресурсов для эффективной передачи смыслов между людьми.
Обязательным условием реализации любого информационного
взаимодействия независимо от целей идеального метауровня является выполнение одного из базовых информационных процессов –
сохранения, распространения или обработки данных. Несмотря на
то, что современные информационные системы являются результатом конвергенции базовых информационных процессов, такие процессы информационного взаимодействия необходимо изучать независимо друг от друга. Это позволяет определить наиболее значимые
ресурсы, необходимые для преобразования данных.
Проектирование современных информационных систем должно
выполняться с учетом ресурсов, потребляемых информационными
технологиями, с помощью которых реализуются информационные
процессы.
183
Литература
1. Абдеев, Р. Ф. Философия информационной цивилизации / Р. Ф. Абдеев.
М.: ВЛАДОС, 1994. 336 с.
2. Бертоланфи, Л. фон. Общая теория систем – обзор проблем и результатов / Л. фон Бертоланфи // Системные исследования: ежегодник. М.: Наука,
1969. С. 30–54.
3. Глушков, В. М. Кибернетика, вычислительная техника, информатика: избранные труды. В 3 т. / В. М. Глушков. Киев: Наукова думка, 1990.
Т. 1: Математические вопросы кибернетики. 264 с.; Т. 2: ЭВМ – техническая база кибернетики. 268 с. Т. 3: Кибернетика и ее применение в народном хозяйстве. 224 с.
4. Кожанов, Ю. Ф. Интерфейсы и протоколы сетей следующего поколения / Ю. Ф. Кожанов, М. О. Колбанев. СПб.: ГУАП, 2009. 258 с.
5. Кожанов, Ю. Ф. Технология инфокоммуникации / Ю. Ф. Кожанов,
М. О. Колбанев. Курск: Науком, 2011. 260 с.
6. Колбанев, М. О. Модели и методы оценки характеристик обработки информации в интеллектуальных сетях связи / М. О. Колбанев, С. А. Яковлев.
СПб.: СПбГУ, 2002. 230 с.
7. Колбанев, М. О. Выбор вариантов построения информационных систем: учеб. пособие для студентов вузов / М. О. Колбанев, Т. М. Татарникова,
А. И. Воробьев. М.: ФГАОУ ДПО «ИПК ТЭК», 2011. 80 с.
8. Кутузов, О. И. Моделирование систем и сетей телекоммуникаций:
учеб. пособие / О. И.Кутузов, Т. М. Татарникова. СПб.: РГГМУ, 2012. 113 с.
9. Кутузов, О. И. Коммутаторы в корпоративных сетях. Моделирование
и расчет / О. И. Кутузов, В. Г. Сергеев, Т. М. Татарникова. СПб.: Судостроение, 2003. 264 с.
10. Ляпунов, А. А. Проблемы теоретической и прикладной кибернетики /
А. А. Ляпунов. М.: Наука, 1980. 335 с.
11. Налимов, В. В. Вероятностная модель языка. О соотношении естественных и искусственных языков / В. В. Налимов. М.: Наука, 1974. 271 с.
12. Советов, Б. Я. Теория информационных процессов и систем /
Б. Я. Советов. М.: Академия, 2010. 432 с.
13. Советов, Б. Я. Проблемы перехода к ноосферному образованию /
Б. Я. Советов // 4-я Международная научно-практическая конференция
«Ноосферное образование в Евразийском пространстве». СПб., 2012.
14. Советов, Б. Я. Двухуровневая модель информационного взаимодействия / Б. Я. Советов, М. О. Колбанев, Т. М. Татарникова. // Матер. VIII
Санкт-Петербургской межрегиональной конференции «Информационная
безопасность регионов России», Санкт-Петербург, 23–25 октября 2013.
С. 184−185.
15. Советов, Б. Я. О развитии технологии информационного общества / Б. Я. Советов, М. О. Колбанев, Т. М. Татарникова. // Матер. VIII
Санкт-Петербургской межрегиональной конференции «Информационная
безопасность регионов России», Санкт-Петербург, 23–25 октября 2013.
С. 23−24.
184
16. Советов, Б. Я. Информационные технологии / Б. Я. Советов,
В. В. Цехановский. М.: Юрайт, 2012. 263 с.
17. Советов, Б. Я. Интеллектуальные системы и технологии /
Б. Я. Советов, В. В. Цехановский, В. Д. Чертовской. М.: Академия, 2013.
320 с.
18. Шеннон, К. Работы по теории информации и кибернетике / К. Шеннон.
М.: Изд-во иностр. лит., 1963. 830 с.
19. Эшби, У. Р. Введение в кибернетику: изд. 2-е, стереотипное /
У. Р. Эшби; пер. с англ.; под. ред. В. А. Успенского; предисл.
А. Н. Колмогорова. М.: КомКнига, 2005. 432 с.
20. Herman, H. Goldstine the computer from Pascal to von Neumann /
H. Herman. Princeton, NJ: Princeton Univ. Press, 2008. 365 p.
21. Shannon, C. E. A mathematical theory of communication / C. E. Shannon //
Bell System Techn. Journ. 1948. Vol. 27. P. 379–423.
185
ПРИЛОЖЕНИЕ
ТЕСТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Тема «Введение»
1. Системный подход в науке – это:
− методология научного познания;
− метод построения информационных систем;
− методика решения задач классической науки.
2. Классическая наука основана на:
− эксперименте и математическом методе анализа бесконечно
малых;
− системном подходе;
− рациональном согласовании частей изучаемых систем для достижения единой цели.
3. К числу ключевых понятий классической науки относятся:
− сила, движение, вещество, реакция, работа, энергия и т. п.;
− организация, структура, язык, информация, программирование, управление и т. п.;
− физика, химия, биология, психология, информатика, кибернетика.
4. К числу ключевых понятий системного подхода относятся:
− организация, структура, язык, информация, программирование, управление и т. п.;
− сила, движение, вещество, реакция, работа, энергия и т. п.;
− физика, химия, биология, психология, информатика, кибернетика.
5. Термин «системный подход» предложил:
− Лео фон Бертоланфи;
− Исаак Ньютон;
− Клод Шеннон.
6. В основе системного подхода лежит следующий постулат:
− сложная система как целое обладает такими свойствами, которые не присущи ни одному из ее элементов в отдельности;
− системы просты, и изучение их частей позволяет судить о свойствах систем в целом;
− разделяй и властвуй.
7. Система – это:
− совокупность взаимосвязанных элементов, образующих определенную целостность, единство, которые выделены исследователем по пространственному или функциональному признаку;
186
− совокупность элементов внешнего окружения и связей между ними, которые находят отражение в памяти информационной системы;
− организационно упорядоченная совокупность документов, массивов документов (информационных ресурсов) и информационных
технологий, которая реализует информационные процессы.
8. Понятие «система» является:
− и объективным, и субъективным;
− сугубо объективным;
− сугубо субъективным.
9. Под целостностью информационной системы понимают:
− несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов, и, наоборот, невыводимость из свойств отдельных компонентов системы свойств системы как целого;
− проявление свойств системы лишь в процессе ее взаимодействия с внешней средой;
− возможность рассмотрения каждого элемента системы как самостоятельной системы и самой системы как элемента более широкой системы;
− необходимость построения множества моделей, описывающих
разные стороны системы для ее адекватного познания в целом.
10. Зависимость от среды означает:
− проявление свойств системы лишь в процессе ее взаимодействия с внешней средой;
− несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов, и, наоборот, невыводимость из свойств отдельных компонентов системы свойств системы как целого;
− возможность рассмотрения каждого элемента системы как самостоятельной системы и самой системы как элемента более широкой системы;
− необходимость построения множества моделей, описывающих
разные стороны системы для ее адекватного познания в целом.
11. Иерархичность системы – это:
− возможность рассмотрения каждого элемента как самостоятельной системы и самой системы как элемента более широкой системы;
− проявление свойств системы лишь в процессе ее взаимодействия с внешней средой;
− несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов, и, наоборот, невыводимость из свойств отдельных компонентов свойств системы как целого;
− необходимость построения множества моделей, описывающих
разные стороны системы для ее адекватного познания в целом.
187
12. Множественность описания системы – это:
− необходимость построения множества моделей, описывающих
разные стороны системы для ее адекватного познания в целом;
− возможность рассмотрения каждого элемента как самостоятельной системы и самой системы как элемента более широкой системы;
− проявление свойств системы лишь в процессе ее взаимодействия с внешней средой;
− несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов, и наоборот, невыводимость из свойств отдельных компонентов
свойств системы как целого.
13. «Черный ящик» – это:
− функциональная модель системы, которая описывает ее поведение на уровне входных и выходных сигналов взаимодействия
с внешней средой;
− абсолютно черное тело;
− способ описания структуры системы.
14. Примером входа системы не может служить:
− поток готовой продукции предприятия;
− поток сырья на предприятие;
− орган зрения животного.
15. Примером выхода системы не может служить:
− поток сырья на предприятие;
− поток готовой продукции;
− клемма прибора.
16. Функция системы – это:
− зависимость состояния выходов от состояния входов;
− способ объединения элементов системы;
− то же, что и структура.
17. Поведение системы – это:
− последовательность смены состояний во времени;
− степень соответствия ее характеристик заданным требованиям;
− степень защищенности от вредных воздействий.
18. Главным фактором системы являются:
− связи между элементами системы;
− элементы системы;
− входы и выходы системы.
19. Структура системы – это:
− совокупность множества элементов и множества связей между
элементами, которые определенным образом соединены между собой;
− то же, что и функция системы;
− зависимость состояния выходов от состояния входов.
188
20. Элемент системы – это:
− подсистема, которая не подлежит дальнейшему делению на составляющие в условиях конкретного исследования;
− характеристика системы, которая не связана с другими характеристиками;
− часть внешнего окружения, с которой взаимодействует система.
21. Структурный анализ – это:
− описание структуры системы на основе функциональных характеристик;
− определение функций системы на основе заданной структуры;
− то же, что и системный анализ.
22. Функциональный анализ – это:
− определение функций системы на основе заданной структуры;
− описание структуры системы на основе функциональных характеристик;
− то же, что и системный анализ.
Тема «Информационное общество: современное состояние,
проблемы, технологии и перспективы»
1. Уровень развития цивилизации зависит от объема информации:
− создаваемой, сохраняемой и перемещаемой между пользователями во времени и пространстве;
− создаваемой и визуализируемой человеком;
− сохраняемой для дальнейшего использования.
2. Результатом информатизации, по В. И. Вернадскому, в текущем тысячелетии станет создание:
− ноосферы;
− информационного общества;
− индустриального общества.
3. Второй уровень ноосферы следует понимать как:
− интеллектуальный;
− информационный;
− инфокоммуникационный.
4. Главной проблемой информационного общества в технологической сфере является:
− сложность доступа к данным в процессе удовлетворения информационных потребностей пользователей;
− сложность информатизации управленческой деятельности;
− сложность защиты информации.
189
5. Объем доступной информации на печатном уровне развития
цивилизации равен примерно:
− 1017 бит;
− 107 бит;
− 1027 бит.
6. Объем доступной информации на компьютерном уровне развития цивилизации равен примерно:
− 1025 бит;
− 1035 бит;
− 1045 бит.
7. Основными этапами глобализации информационного взаимодействия людей являлись:
− создание Великого шелкового пути, Великие географические
открытия в средние века, создание глобальных инфокоммуникационных сетей и систем;
− строительство автострад, открытие Америки, создание трубопроводного транспорта;
− строительство Суэцкого канала, освоение Северного морского
пути, строительство Панамского канала.
8. Великий шелковый путь наиболее эффективно функционировал в следующие периоды:
− I – XIV вв.;
− I – XVI вв.;
− I – XIX вв.
9. Морские парусные суда были основным средством переноса
материальных ценностей и информации на большие расстояния в:
− XV – XVII вв.;
− I – XVII вв.;
− XVII – XX вв.
10. Основные изобретения, позволившие создать телеграфные,
радио- и телевизионные сети, были сделаны в:
− конце XIX – начале XX в.;
− XX в.;
− XXI в.
11. Информатизация – это процесс:
− массового внедрения информационных и телекоммуникационных технологий и средств, обеспечивающий переход от индустриального к информационному обществу;
− массового приобретения офисной информационной и телекоммуникационной техники и строительства корпоративных информационных сетей;
190
− перехода от аналоговых электромеханических технологий построения сетей связи к электронным цифровым инфокоммуникационным технологиям.
12. Признаками информационного общества являются:
− производство и потребление информации занимают центральное место среди всех других видов деятельности людей;
− значение информационных ресурсов уменьшается по отношению к материальным, энергетическим, трудовым и финансовым;
− все больше разнообразных технологий реализуется без использования информационных технологий.
13. Признаками информационного общества являются:
− информация стала значимым стратегическим ресурсом наряду с материальными, энергетическими, трудовыми и финансовыми
ресурсами;
− производство и потребление информации имеют все меньшее
значение среди всех других видов деятельности;
− все большее значение приобретают нефтеперерабатывающие
технологии.
14. Признаками информационного общества являются:
− информационные технологии стали базовыми для большинства других технологий;
− объем информационных ресурсов возрастает медленнее по
сравнению с материальными, энергетическими, трудовыми и финансовыми ресурсами;
− все больше разнообразных технологий реализуется без использования информационных технологий.
15. В информационном обществе объем информационного ресурса удваивается примерно за:
− 20 месяцев;
− 600 месяцев;
− 2 месяца.
16. Основными продуктами информационного общества являются:
− информация, знание, новая технология;
− полезные товары и услуги;
− нефть и газ.
17. Основной единицей производства информационного общества являются:
− информационные сети и банки, автоматизированные заводы,
IT-парки;
191
− IT-парки;
− фабрики и заводы по производству информационной техники.
18. Рынок в информационном обществе расширяется в основном благодаря:
− расширению знаний, производства и продаже информации;
− развивающимся странам;
− колониям.
19. Особыми проблемами информационного общества являются:
− футуршок, террор, проникновение в частную жизнь;
− тоталитаризм, войны;
− фашизм, безработица.
20. Отличительными особенностями экономики информационного общества являются:
− опора на непрерывное обучение, знания и интеллектуальную
собственность, ориентация на создание новых рабочих мест, готовность к риску, быстрому изменению внешней обстановки;
− опора на капитал, имеющиеся знания и навыки, безопасность
и стабильность, ориентация на сохранение рабочих мест, стремление к сохранению status quo субъектов экономической деятельности;
− увеличение потребления нефти и газа.
21. В информационном обществе наибольшая доля трудоспособного населения занята в:
− инфокоммуникационной индустрии;
− промышленности и сельском хозяйстве;
− сфере услуг.
22. Основными инструментальными компонентами информационной технологии являются:
− компьютер и информационные сети;
− паровая машина и двигатель внутреннего сгорания;
− офисная техника.
23. Основными функциями и целями информационной технологии являются:
− замена и усиление интеллектуального труда;
− замена и усиление физического труда;
− замена труда.
24. Переход к информационному обществу обеспечивается революционными достижениями в области:
− электроники, фотоники и радиотехники;
− космоса, атомной энергетики, генетики;
− разведки, добычи и траспортировки нефти и газа.
192
25. Технологический принцип Г. Мура заключается в следующем:
− производительность кремниевых интегральных микросхем и
число транзисторов на одном кремниевом кристалле удваиваются
каждые 18 месяцев, а их стоимость при этом уменьшается в два раза;
− производительность кремниевых интегральных микросхем и
число транзисторов на одном кремниевом кристалле утраивается
каждые 18 месяцев, а их стоимость при этом увеличивается в два раза;
− производительность компьютера удваиваются каждые 9 месяцев, а его стоимость при этом уменьшается в три раза.
26. Наноэлектроника – это область электроники, в которой создают интегральные электронные схемы с топологическими размерами элементов:
− менее 10–7 м;
− более 10–7 м;
− около 10−11 м.
27. Пропускная способность коммерческих ВОЛС удваивается за:
− два года;
− один год;
− три года.
28. Единица измерения скорости передачи данных по современным скоростным ВОЛС:
− Тбит/с;
− км/ч;
− Кбит/с.
29. Главный резерв увеличения скорости и дальности оптоволоконных систем заключается в отказе от преобразований:
− оптоэлектрических и электрооптических;
− электрооптических и электромеханических;
− оптоэлектрических и электромеханических.
30. Число абонентов фиксированной и мобильной связи в мире
сравнялось примерно в:
− 2004 г.;
− 1994 г.;
− 1894 г.
31. Спектральная эффективность радиотехнической системы – это:
− число информационных бит, которое можно передать в спектре 1 Гц;
− доля информационных бит, потерянных при передаче на частоте 1 Гц;
− доля информационных бит, не потерянных при передаче на частоте 1 Гц.
193
32. Новая инновационная волна развития человечества связана
с изобретениями в области:
− информатики и телекоммуникаций;
− электричества и химии;
− автомобилестроения и электроники.
33. Технология инфокоммуникации возникла благодаря конвергенции:
− систем хранения, распространения и обработки данных;
− политики и экономики;
− корпоративных и глобальных сетей связи.
34. Целью государственной программы «Информационное общество (2011−2020)» является:
− получение гражданами и организациями преимуществ от
применения информационных и телекоммуникационных технологий;
− обеспечение предоставления гражданам и организациям услуг
с использованием современных информационных и телекоммуникационных технологий;
− развитие технической и технологической основы становления
информационного общества и предупреждение угроз, возникающих в этом обществе.
Тема «Информация как объект исследования»
1. Изучение информационных законов:
− имеет мировоззренческое значение, придает человеческой деятельности организованный, осмысленный и целенаправленный характер;
− позволяет выбрать способ материального воплощения информации, обеспечить преобразование одних информационных объектов в другие;
− влияет на поведение потребителей информации.
2. Кибернетика рассматривает информацию как:
− нечто нематериальное, но при этом влияющее на поведение системы и принятие решений;
− внутреннее свойство объектов материального мира;
− физическую величину в одном ряду с массой, температурой
или силой электрического тока.
3. Философия рассматривает информацию как:
− атрибут материи, с одной стороны, и результат взаимодействия систем друг с другом – с другой;
194
− нечто нематериальное, но при этом влияющее на поведение системы и принятие решений;
− сведения (сообщения, данные) независимо от формы их представления.
4. Теория информации:
− определяет понятие «количество информации»;
− дает строгое определение понятия «информация»;
− изучает поведение потребителей информации.
5. В Федеральном законе «Об информации, информационных технологиях и защите информации» даются следующие определения:
− информация – сведения (сообщения, данные) независимо от
формы их представления;
− информация – физическая величина, представляющая собой
данные;
− информация – снятая неразличимость, передача разнообразия.
6. Первичная информация – это:
− атрибут всей живой и неживой материи, мера неоднородности
распределения материи и энергии в пространстве и времени;
− сведения о чем-либо независимо от формы их представления,
выраженные в информационных объектах;
− новые сведения, позволяющие улучшить процессы, связанные
с производством, распределением, обменом и потреблением материальных благ.
7. Вторичная информация – это:
− сведения о чем-либо независимо от формы их представления,
выраженные в информационных объектах;
− внутреннее свойство сообщения, никак не связанное со смыслом, вложенным в сообщение авторами;
− атрибут всей живой и неживой материи, мера неоднородности
распределения материи и энергии в пространстве и времени.
8. Человек воспринимает информацию с помощью:
− органов чувств через физические поля;
− органов чувств через электромагнитные поля;
− искусственных языков представления информации.
9. Наука, изучающая свойства естественных и искусственных
языков представления информации, называется:
− семиотикой;
− кибернетикой;
− юриспруденцией.
10. Семиотика содержит три раздела:
− семантика, синтаксис и прагматика;
195
− юриспруденция, теория информации и кибернетика;
− кибернетика, информатика и прикладная математика.
11. Семантика изучает:
− отношение информационных языков с реальной действительностью, что позволяет оценить смысл информации;
− внутренние свойства языков, не связанные со смыслом, способы материального представления информации;
− ценность информации, возможность достижения потребителем поставленных целей с помощью получаемой информации.
12. Синтаксис изучает:
− внутренние свойства языков, не связанные со смыслом, способы материального представления информации;
− отношение информационных языков с реальной действительностью, позволяет оценить смысл информации;
− ценность информации, возможность достижения потребителем поставленных целей с помощью получаемой информации.
13. Прагматика изучает:
− ценность информации, возможность достижения потребителем поставленных целей с помощью получаемой информации;
− отношение информационных языков с реальной действительностью, позволяет оценить смысл информации;
− внутренние свойства языков, не связанные со смыслом, способы материального представления информации.
14. Смысл информации – это:
− понятие, которое описывает глобальное содержание некоторого высказывания, несводимое к значениям составляющих его частей и элементов;
− прагматическое свойство информации;
− атрибут всей живой и неживой материи.
15. Смысл передается с помощью:
− языков;
− электромагнитных волн;
− мышления.
16. Язык – это:
− набор знаков и связей между знаками, для которых существуют правила смысловой интерпретации;
− то же, что и смысл;
− материальная форма информации.
17. Жесткий язык представления информации – это:
− детерминированная знаковая система, в которой каждому знаку приписывается одно определенное смысловое значение;
196
− детерминированная сигнальная система, в которой некоторые
знаки не имеют смыслового значения;
− структура, в которой каждый знак может иметь более одного
значения.
18. Мягкий язык представления информации – это:
− знаковая система, в которой смысловое значение каждого знака может быть интерпретировано по-разному;
− детерминированная знаковая система, в которой каждому знаку приписывается одно определенное смысловое значение;
− знаковая система, в которой некоторые знаки не имеют смыслового значения.
19. Примером жесткого языка может служить язык:
− программирования для ЭВМ;
− музыки;
− человеческого общения.
20. Для формирования информационного базиса языка необходимо установить:
− соответствие между смысловыми понятиями и знаками (состояниями материального объекта);
− соответствие между знаками (состояниями материального
объекта) и семантическим треугольником;
− соединение между людьми.
21. Информация кодируется порядком следования:
− состояний материальных объектов из информационного базиса;
− нуклеотидов;
− букв и цифр.
22. Данные – это:
− физическая форма знаков языка, способ материального представления информации;
− то же, что и информация;
− то же, что и смысл информации.
23. Для измерения количества информации используется выражение:
− nlog2m;
− mn;
− nlogkm.
24. Основной процедурой аналого-цифрового преобразования
является:
− разделение (дискретизация) пространства и времени на фиксированные по размеру области;
197
− кодирование аналогового сигнала;
− сжатие аналогового сигнала.
25. Виниловая пластинка сохраняет:
− аналоговый звук;
− цифровой звук;
− и аналоговый, и цифровой звук.
26. Компакт-диск сохраняет:
− цифровые данные;
− аналоговые данные;
− и аналоговые, и цифровые данные.
27. Аналого-цифровое преобразование звука происходит в заданной последовательности:
− дискретизация по времени, квантование по уровню, кодирование;
− квантование по уровню, кодирование, дискретизация по времени;
− кодирование, дискретизация по времени, квантование по
уровню.
28. Цвет и контуры фигур меняются непрерывно в изображениях:
− аналоговых;
− цифровых;
− и аналоговых, и цифровых.
29. Элементы цифровых изображений называются:
− пикселями;
− геометрическими примитивами;
− квантами.
30. Данные о координатах элементов цифровых изображений не
задают:
− палитрой;
− растровой картой;
− геометрическими примитивами.
31. Цвет пикселя не задают:
− глубиной цвета;
− номером цвета в специальной структуре данных;
− номерами яркости координат модели RGB.
32. Качество изображения и объем данных для его сохранения
зависят от:
− разрешения и глубины цвета;
− размера пикселей и типа палитры;
− глубины цвета и числа квантов.
198
33. Фрейм – это:
− то же, что и кадр;
− то же, что и fps;
− то же, что и RGB.
34. Главная проблема при хранении и обработке цифровых видеоданных – это их:
− большой объем;
− высокое качество;
− цветовая гамма.
35. В основе сжатия видеоданных лежат два принципа:
− пространственный и временной;
− информационный и физический;
− материальный и идеальный.
36. Международным стандартом кодирования текста не является:
− RGB;
− ASCII;
− Unicode.
37. 1Тбайт – это:
− 1 000 000 000 000 байт;
− 1 000 000 000 байт;
− 1 000 000 000 000 000 байт.
Тема «Информационные процессы»
1. Основной теоретической задачей информатики является:
− изучение общих законов и закономерностей информационного
взаимодействия в природе и обществе;
− создание информационных технологий, предназначенных для
автоматизации информационных процессов;
− моделирование информационных процессов информационного взаимодействия.
2. Информационный процесс – это:
− последовательность операций по преобразованию данных, которая обеспечивает информационное взаимодействие источника и
получателя информации;
− система последовательных действий для достижения какойлибо цели;
− выбор варианта информатизации, который соответствует заданным требованиям.
3. Информационное взаимодействие имеет аспекты:
− идеальный и материальный;
199
− моральный и эстетический;
− политический и экономический.
4. Для физического доступа получателя к данным необходимо:
− открыть доступ к данным в выбранное получателем время,
разместить данные в точке пространства, доступной ему, и представить данные в форме, доступной для интерпретации;
− изучить общие законы и закономерности информационного
взаимодействия в природе и обществе;
− найти эффективный способ борьбы с помехами.
5. Модель информационного процесса К. Шеннона позволила
получить важные результаты в части:
− кодирования данных и борьбы с шумами;
− моделирования информационных процессов;
− изучения общих законов информационного взаимодействия.
6. Перенос сообщения в модели информационного процесса
К. Шеннона не включает в себя следующую фазу:
− интерпретацию смысла сообщения получателем;
− переработку сообщения в сигналы, соответствующие характеристикам канала;
− перенос сигнала в пространстве от передатчика к приемнику
по каналу.
7. Понятия, не относящиеся к модели информационного процесса К. Шеннона:
− смысл, мышление, интеллект;
− передатчик, приемник, канал;
− получатель, сообщение, сигнал.
8. Понятие физической среды взаимодействия обобщает следующее понятие из модели информационного процесса К. Шеннона:
− канал;
− передатчик;
− сигнал.
9. Физическая среда взаимодействия преобразует следующие
характеристики данных:
− время существования, пространственное расположение, физическую форму;
− язык взаимодействия, смысловое содержание, время создания;
− время считывания, скорость доступа, защиту от несанкционированного использования.
10. Коммуниканты в обобщенной модели информационного
процесса должны:
− различать знаки языка взаимодействия;
200
− знать общие законы и закономерности информационного взаимодействия в природе и обществе;
− обеспечивать перенос сигнала в пространстве от передатчика
к приемнику по физической среде взаимодействия.
11. Информационными объектами процесса информационного
взаимодействия являются:
− сообщения и сигналы;
− смысл и понятия;
− коммуниканты.
12. Сообщение – это:
− кодовая последовательность материальных знаков языка, составленная источником информации и отражающая закодированный им смысл;
− обобщенное обозначение любой информации, представленной
в материальной форме;
− данные, которые имеют физическую форму, согласованную со
средой взаимодействия.
13. Сигнал – это:
− данные, которые имеют физическую форму, согласованную со
средой взаимодействия;
− кодовая последовательность материальных знаков языка, составленная источником информации и отражающая закодированный им смысл;
− обобщенное обозначение для любой информации, представленной в материальной форме.
14. В качестве сигнала может использоваться физический
объект или процесс, параметры которого:
− способны изменяться в соответствии с передаваемым сообщением;
− должны быть защищены от изменений при воздействии передаваемого сообщения;
− не должны изменяться.
15. Не являются естественными следующие сигналы:
− текст на бумаге, рисунки на камне;
− геологические срезы, годовые кольца дерева;
− свет звезд, генетический код.
16. Главными требованиями к искусственным сигналам являются:
− время существования, скорость распространения, возможность обработки;
− минимальная масса, яркий цвет, отсутствие запаха;
− радиационная безопасность, возможность копирования, цифровая форма.
201
17. Согласно используемым физическим принципам следует
различать искусственные сигналы в виде:
− физических полей и предметов;
− бумажных и электронных документов;
− текстовых и графических изображений.
18. Сигналы в виде физических полей имеют:
− относительно малое время жизни, но высокую скорость распространения в пространстве;
− относительно высокую стоимость, но продолжительное время
жизни;
− относительно низкую стоимость, но высокую скорость распространения в пространстве;
19. Вещественным сигналом не является:
− радиоволна;
− текст на бумаге;
− рисунок на камне.
20. Аналоговые сигналы:
− отражают непрерывность времени и пространства в природе
и основываются на неделимости объекта как целого;
− предполагают возможность разделения объекта на относительно самостоятельные составляющие;
− могут быть и непрерывными, и дискретными.
21. Дискретные сигналы:
− предполагают возможность деления объекта и во времени, и
в пространстве на относительно самостоятельные составляющие;
− отражают непрерывность времени и пространства;
− не могут быть вещественно-предметными.
22. Информационный процесс состоит из следующих этапов:
− доступа источника к среде взаимодействия, преобразования
сигнала этой средой, доступа получателя к данной среде;
− создания языка взаимодействия, кодирования смысла, выбора среды взаимодействия;
− сохранения, распространения, обработки сигнала.
23. Базовые информационные процессы:
− преобразуют временную, пространственную и физическую координаты сигнала;
− изменяют стоимость сигнала;
− обеспечивают неизменность временной, пространственной и
физической координат сигнала.
24. К числу базовых информационных процессов относятся процессы:
− сохранения, распространения и обработки;
202
− поиска, сортировки и записи;
− передачи, мультиплексирования и коммутации.
25. Процесс сохранения данных:
− поддерживает такой вид сигнала, который гарантирует выдачу данных получателю в установленные сроки через достаточно
большой интервал времени;
− обеспечивает своевременное доведение сигнала до получателей, находящихся в удаленных точках пространства;
− реализует алгоритмы получения новых по форме представления сигналов из исходных.
26. Процесс распространения данных:
− обеспечивает своевременное доведение сигнала до получателей, находящихся в удаленных точках пространства;
− поддерживает такой вид сигнала, который гарантирует выдачу данных получателю в установленные сроки через достаточно
большой интервал времени;
− реализует алгоритмы получения новых по форме представления сигналов из исходных.
27. Процесс обработки данных:
− реализует алгоритмы получения новых по форме представления информационных объектов (сигналов) из исходных;
− обеспечивает своевременное доведение сигналов до получателей, находящихся в удаленных точках пространства;
− поддерживает такой вид сигналов, который гарантирует выдачу данных получателю в установленные сроки через достаточно
большой интервал времени.
28. Главным ресурсом процесса сохранения данных является:
− пространство;
− время;
− энергия.
29. Главным ресурсом процесса распространения данных является:
− время;
− пространство;
− энергия.
30. Главным ресурсом процесса обработки данных является:
− энергия;
− пространство;
− время.
31. Для сохранения данных их необходимо доверить такому сигналу, который:
− представляет собой долговременный материальный носитель;
203
− способен достаточно быстро переместиться от источника к получателю информации;
− способен изменяться под внешним воздействием.
32. Для распространения данных их необходимо доверить такому сигналу, который:
− способен достаточно быстро переместиться от источника к получателю информации;
− представляет собой долговременный материальный носитель;
− способен изменяться под внешним воздействием.
33. Для обработки данных их необходимо доверить такому сигналу, который:
− способен изменяться под внешним воздействием;
− представляет собой долговременный материальный носитель;
− способен достаточно быстро переместиться от источника к получателю информации.
34. Средой взаимодействия для процесса сохранения является:
− память;
− канал связи;
− процессор.
35. Средой взаимодействия для процесса распространения является:
− канал связи;
− память;
− процессор.
36. Средой взаимодействия для процесса обработки является:
− процессор;
− канал связи;
− память.
37. Принцип открытых систем предложен для решения:
− совместимости информационных технологий и систем;
− уменьшения их стоимости;
− создания эталонных моделей таких технологий и систем.
38. Общие свойства открытых систем следующие:
− переносимость, интероперабельность, масштабируемость;
− широкополосность, мультисервисность, ремонтопригодность;
− иерархичность, функциональность, надежность.
39. Персонал, использующий открытые системы, не должен:
− переучиваться при переходе от одной системы к другой;
− изучать новые способы построения информационных систем;
− изучать общие законы информационного взаимодействия.
204
40. Прикладные программы должны:
− исполняться на любых открытых системах;
− обеспечивать свободный обмен данными между открытыми
системами;
− изменяться при переходе от одной открытой системы к другой.
41. Данные должны:
− быть переносимы из одной открытой системы на другую;
− изменяться при переходе от одной системы к другой;
− шифроваться при переходе от одной системы к другой.
42. Взаимодействие открытых систем должно обеспечиваться:
− свободным обменом данными;
− прикладными программами;
− коммуникантами.
43. Важнейшими системными принципами стандартизации открытых систем являются:
− функциональный подход к созданию систем, создание многоуровневых иерархических описаний систем;
− экономия средств при создании систем, обеспечение их надежности;
− обеспечение экологичности и юзабельности систем.
44. Метауровни двухуровневой модели информационного процесса
классифицируются как:
− материальный и идеальный;
− системный и объектный;
− левый и правый.
45. Обмен смысловым содержанием информации между коммуникантами осуществляется на:
− идеальном метауровне;
− материальном уровне;
− и идеальном, и материальном метауровне.
46. Обмен данными осуществляется на:
– материальном метауровне;
– идеальном метауровне,
– и идеальном, и материальном метауровне.
47. Эталонная модель – это:
− абстрактное, не связанное с реализацией соглашение о способе
информационного взаимодействия;
− стандарт на цифровое представление текстов;
− описание способа информационного взаимодействия между
объектами в аналоговой среде.
205
48. Страты иерархического описания информационного процесса на материальном метауровне характеризуются:
− вертикальной декомпозицией, последовательностью реализации и взаимосвязью показателей;
− системным описанием, распределенным управлением и уникальными характеристиками;
− датой принятия стандарта на процесс информационного взаимодействия.
49. Информационные процессы i-й страты непосредственно взаимодействуют:
− с процессами i-й страты материальных метауровней других
систем и процессами смежных (i+1)-й и (i−1)-й страт собственной
системы;
− со всеми процессами, которые реализуются системами;
− только с процессами смежных (i+1)-й и (i−1)-й страт собственного метауровня.
50. Протокол – это правила взаимодействия:
− одноуровневых компонентов двух открытых систем;
− процессов смежных страт собственной системы;
− двух коммуникантов.
51. Интерфейс – это правила взаимодействия:
− процессов смежных страт собственной системы;
− одноуровневых компонентов двух открытых систем;
− нескольких коммуникантов.
52. Модель MIC является моделью:
− эталонной;
− математической;
− графической.
53. Функциональные области открытых систем, требующие
стандартизации, выделены:
− в моделях MIC и MUSIC;
− только в модели MIC;
− только в модели MUSIC.
54. Столбцам матрицы в модели MIC соответствуют:
− функциональные области открытых систем;
− программные средства формирования сообщений, сигналов и данных;
− память, канал связи и процессор.
55. Строки матрицы в модели MIC делят процесс информационного взаимодействия на:
− 7 страт;
206
− 5 страт;
− не более чем на 7 страт.
56. Эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI/RM
описывает процессы взаимодействия посредством сети связи с коммутацией:
− пакетов;
− каналов;
− с конечными пользователями.
57. Элемент Management модели MUSIC реализует функции:
− системной администрации;
− взаимодействия системы с человеком;
− взаимодействия прикладных программ с аппаратными и программными средствами системы.
58. Элемент User Interface модели MUSIC реализует функции
взаимодействия:
− системы с человеком;
− прикладных программ с аппаратными и программными средствами системы;
− приложений путем использования ими одних и тех же данных.
59. Элемент Service Interface for Programms модели MUSIC реализует функции:
− взаимодействия прикладных программ с аппаратными и программными средствами системы;
− взаимодействия приложений путем использования ими одних
и тех же данных;
− обмена данными между открытыми системами по неоднородным локальным и глобальным телекоммуникационным сетям.
60. Элемент Information and Data Formats модели MUSIC реализует функции:
− взаимодействия приложений путем использования ими одних
и тех же данных;
− обмена данными между открытыми системами по телекоммуникационным сетям;
− взаимодействия системы с человеком.
61. Элемент Communication Interfaces модели MUSIC реализует
функции:
− обмена данными между открытыми системами по телекоммуникационным сетям;
− взаимодействия системы с человеком;
− взаимодействия приложений путем использования ими одних
и тех же данных.
207
Тема «Информационная технология»
1. Основной прикладной задачей информатики является:
− создание информационных технологий, предназначенных для
автоматизации информационных процессов;
− изучение общих законов и закономерностей информационного
взаимодействия в природе и обществе;
− моделирование информационных процессов информационного взаимодействия.
2. Технология в широком смысле – это:
− объем знаний, которые можно использовать для производства
товаров и услуг из экономических ресурсов;
− способ преобразования вещества, энергии, информации в процессе изготовления продукции;
− комплекс взаимосвязанных научных дисциплин, изучающих
методы организации труда людей, занятых реализацией информационных процессов.
3. Технология в узком смысле – это:
− способ преобразования вещества, энергии, информации в процессе изготовления продукции;
− объем знаний, которые можно использовать для производства
товаров и услуг из экономических ресурсов;
− способ реализации информационных процессов.
4. Информационная технология в широком смысле – это:
− комплекс взаимосвязанных научных дисциплин, изучающих
методы организации труда людей, занятых реализацией информационных процессов с помощью средств вычислительной техники и
связи с целью повышения эффективности использования информации (информационных ресурсов);
− последовательность регламентированных правил выполнения
операций, действий, этапов, фаз разной степени сложности над данными взаимодействия коммуникантов;
− объем знаний, которые можно использовать для производства
товаров и услуг из информационных ресурсов.
5. Информационная технология в узком смысле – это:
− последовательность регламентированных правил выполнения
операций, действий, этапов, фаз разной степени сложности над данными взаимодействия коммуникантов;
− комплекс взаимосвязанных научных дисциплин, изучающих
методы организации труда людей с целью повышения эффективности использования информационных ресурсов;
208
− способ преобразования сигналов.
6. Письменность была изобретена:
− около 3000 г. до н. э.;
− в XV в.;
− всегда существовала.
7. Эстафетный способ доставки почты был изобретен:
− около 500 г. до н. э.;
− в XV в.;
− в X в.
8. Книгопечатание было изобретено:
− И. Гутенбергом в 1445 г.;
− И. Федоровым в 1564 г.;
− А. Пушкиным в 1812 г.
9. Оптическое телеграфирование было изобретено:
− раньше электромагнитного телеграфа;
− позже электромагнитного телеграфа;
− одновременно с электромагнитным телеграфом.
10. Материальные технологии основаны на использовании:
− различных технических средств и инструментов;
− средств вычислительной техники и связи;
− законов механики.
11. Информационные технологии основаны на использовании:
− средств вычислительной техники и связи;
− различных технических средств и инструментов;
− законов кибернетики.
12. Средством, необходимым для реализации информационных
технологий, не является обеспечение:
− финансовое и материально-техническое;
− аппаратное и организационно-методическое;
− аппаратное и программное.
13. Коммуникант информационного процесса, использующий
компьютерную информационную технологию, называется:
− пользователем;
− гражданином;
− товарищем.
14. По виду инструментальных средств информационные технологии делятся на:
− ручные, механические и электронные;
− базовые, синтетические и фрагментарные;
− аппаратные, программные и организационно-методические.
209
15. Базовыми информационными технологиями являются технологии:
− сохранения, распространения и обработки данных;
− поиска, сбора и сортировки данных;
− оцифровки звука, видео и текста.
16. Выполнение базовых информационных технологий в цифровой среде обязательно предполагает:
− формирование метаданных, преобразование данных пользователя, предоставление данных пользователю;
− включение компьютера, авторизация, выключение компьютера;
− передача, мультиплексирование, коммутация.
17. Метаданными называются:
− служебные данные, которые добавляются к исходному битовому массиву;
− набор данных, зафиксированных на цифровом носителе для
передачи от одного пользователя к другому;
− данные, которые циркулируют в пределах материального метауровня.
18. Принцип, заложенный в технологии сохранения цифровых
данных, заключается в сопоставлении битам данных:
− минимальных единиц хранения цифрового носителя данных;
− электрических импульсов, которые перемещаются от источника к получателям данных;
− электромагнитных импульсов, которые перемещаются от источника к получателям данных.
19. Принцип, заложенный в технологии распространения цифровых данных, заключается в сопоставлении битам данных:
− электрических или электромагнитных импульсов, которые
перемещаются от источника к получателям данных;
− минимальных единиц хранения цифрового носителя данных;
− световых импульсов, которые перемещаются от источника
к получателям данных.
20. Принцип, используемый при обработке числовых данных,
заключается в получение новых данных путем:
− математических преобразований исходных данных;
− сохранения исходных данных на цифровом носителе;
− кодирования исходных данных.
21. Общий прием, который используется при сохранении, распространении и обработке данных, заключается в разделении преобразуемых данных:
210
− на блоки;
− на байты;
− на массивы.
22. При сохранении блоки данных:
− занимают память определенного размера;
− требуют определенного числа тактовых импульсов;
− соответствуют разрядности регистров АЛУ.
23. При передаче блоки данных:
− требуют определенного числа тактовых импульсов;
− соответствуют разрядности регистров;
− занимают память определенного размера.
24. При обработке блоки данных:
− соответствуют разрядности регистров;
− требуют определенного числа тактовых импульсов;
− занимают память определенного размера.
25. Выделение блоков данных при их сохранении, распространении и обработке:
− никак не связано со смыслом преобразуемых данных;
− зависит от смысла преобразуемых данных;
− может быть связано или не связано со смыслом преобразуемых
данных.
26. Представление цифровых данных пользователям реализуется с помощью:
− периферийных устройств, преобразующих цифровые данные
в аналоговые, доступные для восприятия органами чувств человека;
− других пользователей, которые изучили языки программирования;
− драйверов.
27. Периферийными устройствами, предоставляющими данные
пользователям, не являются:
− телевизоры и радиоприемники;
− мониторы и плоттеры,
− устройства виртуальной реальности и картриджи запахов.
Тема «Информационные технологии сохранения данных»
1. Суть информационного процесса сохранения данных состоит в:
− переносе данных во времени;
− переносе данных к пользователям;
− запрете на перенос данных.
211
2. Технология сохранения данных всегда состоит из этапов:
− запись данных в память, хранение данных в памяти, считывание данных из памяти;
− создание данных пользователем, перенос во времени и пространстве, интерпретация данных;
− запись данных в память, избыточное их кодирование, дублирование данных.
3. Характеристики компьютерной памяти можно разделить на
группы:
− физические и информационные;
− материальные и идеальные;
− точные и приблизительные.
4. К числу физических характеристик компьютерной памяти
относятся:
− гарантированное время сохранения данных, время фиксации
и снятия данных, вероятность безотказной работы;
− емкость ЗУ, скорость записи и считывания данных, плотность
записи;
− стоимость, габариты, тип разъема.
5. К числу информационных характеристик компьютерной памяти относятся:
− емкость ЗУ, скорость записи и считывания данных, плотность
записи;
− гарантированное время сохранения данных, время их фиксации и снятия, вероятность безотказной работы;
− стоимость, габариты, тип разъема.
6. Зависимость компьютерной памяти от источников энергии
проявляется в способности памяти:
− сохранять или не сохранять данные после выключения электроэнергии;
− допускать или не допускать изменение сохраненных данных;
− сохранять данные только на время решения оперативных задач.
7. По виду допустимых операций с данными различают компьютерную память:
− изменяемую и постоянную;
− оперативную и долговременную;
− внутреннюю и внешнюю.
8. По способу поиска затребованных данных различают компьютерную память:
− адресную и ассоциативную;
− оперативную и долговременную;
212
− изменяемую и постоянную.
9. Система хранения данных – это:
− комплексное программно-аппаратное решение по организации надежного хранения информации;
− то же, что и сеть хранения данных;
− то же, что и компьютерная память.
10. Системы хранения данных не предназначены для решения
следующих проблем:
− изменения времени фиксации данных в памяти и снятия данных из памяти;
− наращивания объемов памяти для сохранения больших объемов данных;
− дистанционного взаимодействия с помощью сетей связи со
многими пользователями в реальном масштабе времени для сохранения данных.
11. К числу аппаратных компонентов компьютерной памяти относятся:
− запоминающие устройства, шины ввода/вывода, управляющие устройства (контроллеры);
− линии связи, терминалы, маршрутизаторы;
− АЛУ, регистры, управляющие устройства.
12. Принцип сохранения данных в компьютерной памяти заключается в том, что цифровым данным сопоставляются:
− состояния минимальных единиц хранения;
− параметры дискретных сигналов;
− запоминающие устройства.
13. При создании минимальных единиц хранения компьютерной памяти наиболее широко используются законы:
− магнетизма, электроники, фотоники;
− механики, акустики, кинематики;
− физики, биологии, химии.
14. Принцип работы магнитных ЗУ основан на:
− явлении остаточного намагничивания;
− способности сохранять электрический заряд;
− возможности создавать микрорельеф.
15. Домен магнитной памяти – это:
− область намагниченности для записи одного бита данных;
− группа магнитных дисков;
− два магнитных диска.
16. Считывающеими, записывающими и стирающими устройствами магнитного ЗУ называются:
213
− магнитные головки;
− магнитные коленки;
− лазерные головки.
17. Считывание данных с магнитного ЗУ:
− производится без разрушения хранящихся данных и может
выполняться многократно;
− производится с разрушением хранящихся данных и требует
перезаписи;
− возможно только в исключительных случаях.
18. В магнитных ЗУ:
− носитель данных перемещается относительно считывающего,
записывающего или стирающего устройства;
− считывающее, записывающее или стирающее устройства перемещаются относительно носителя данных;
− носитель данных и считывающее, записывающее или стирающее устройства неподвижны относительно друг друга.
19. Степень использования рабочей поверхности носителя определяется:
− плотностью записи данных;
− скоростью записи данных;
− плотностью и скоростью записи данных.
20. Конструктивно не существует таких магнитных ЗУ, как накопители на магнитных:
− матрицах;
− лентах;
− дисках.
21. Стример – это запоминающее устройство со следующим доступом к данным:
− последовательным;
− параллельным;
− произвольным.
22. Накопитель на магнитной ленте называют:
− стримером;
− HDD;
− полевым транзистором.
23. При записи на магнитную ленту не применяется способ:
− интегральный;
− линейный;
− наклонно-строчной.
24. Стимер обычно применяют для хранения:
− больших объемов редко используемых данных;
214
− больших объемов часто используемых данных;
− средних объемов любых данных.
25. Накопители на магнитных дисках обеспечивают доступ
к данным:
− произвольный;
− последовательный;
− параллельный.
26. Жестким диском называются несколько собранных воедино:
− магнитных дисков с устройством записи/чтения;
− накопителей SSD;
− компакт-дисков с устройством записи/чтения.
27. Магнитные диски вращаются:
− с постоянной скоростью;
− с переменной скоростью;
− только при записи или считывании данных.
28. Треки магнитного диска – это:
− концентрические кольца на магнитном диске для записи данных;
− минимальные единицы хранения данных с индивидуальным
адресом;
− части магнитного диска, поврежденные магнитной головкой.
29. Операция чтения данных с магнитного диска включает в себя этапы:
− подвод магнитной головки к выбранному треку, ожидание появления данных в зоне магнитной головки, обмен данными между
магнитным диском и компьютером;
− подвод магнитного диска к магнитной головке, выбор требуемого трека, ожидание данных в зоне магнитной головки;
− подвод магнитной головки к выбранному сектору, ожидание
данных в зоне магнитной головки, обмен данными между компьютером и магнитным диском.
30. Сектор магнитного диска – это:
− часть трека, представляющая собой минимальную единицу
хранения данных с индивидуальным адресом;
− несколько соседних треков, представляющих собой минимальную единицу хранения данных с индивидуальным адресом;
− два соседних трека, представляющих собой минимальную единицу хранения данных с индивидуальным адресом.
31. Структура треков и секторов записывается на магнитный
диск:
− производителем посредством операции форматирования;
215
− производителем посредством операции компиляции;
− пользователем посредством операции форматирования.
32. В секторе магнитного диска хранятся:
− пользовательские данные и метаданные;
− только пользовательские данные;
− только метаданные.
33. Большой объем данных можно записать на треках магнитного диска:
− внешних;
− внутренних;
− центральных.
34. Большее число секторов содержит треки магнитного диска:
− внешние;
− внутренние;
− центральные.
35. RAID-массив – это группа магнитных дисков, которые:
− имеют общее управление и воспринимаются пользователем
как единое целое;
− используются одним пользователем;
− сохраняют однотипные данные.
36. Для повышения надежности хранения данных RAIDмассивы не используют метод:
− фотоэффекта;
− зеркалирования;
− контроля четности.
37. Зеркалирование данных в RAID-массиве означает:
− дублирование данных на разных дисках;
− дублирование данных на одном диске;
− избыточное кодирование данных.
38. Контроль четности данных в RAID-массиве означает:
− избыточное кодирование данных;
− дублирование данных на разных дисках;
− использование для хранения данных только четных дисков.
39. Конструктивно полупроводниковые ЗУ представляют собой:
− чип;
− минимальную единицу хранения данных с индивидуальным
адресом;
− матрицу.
216
40. Минимальная единица хранения данных в полупроводниковом ЗУ – это:
− схема на транзисторах;
− микрорельеф;
− домен.
41. Электрическая схема полупроводникового ЗУ – это:
− матрица;
− сеть;
− иерархия.
42. Транзистор с плавающим затвором не содержит:
− катода, анода;
− управляющего затвора, плавающего затвора;
− стока, подложки, истока.
43. Если минимальная единица хранения имеет два состояния,
то она способна сохранить:
− 1 бит данных;
− 2 бита данных;
− 3 бита данных.
44. Если минимальная единица хранения имеет четыре состояния, то она способна сохранить:
− 2 бита данных;
− 1 бит данных;
− 3 бита данных.
45. Если минимальная единица хранения имеет восемь состояний, то она способна сохранить:
− 3 бита данных;
− 1 бит данных;
− 2 бита данных.
46. Относительно емкости наименьшую стоимость имеет память, построенная по технологии:
− TLC;
− SLC;
− MLC.
47. Твердотельный накопитель SSD – это:
− энергонезависимое перезаписываемое запоминающее устройство;
− энергозависимое перезаписываемое запоминающее устройство;
− энергонезависимое неперезаписываемое запоминающее устройство.
48. Наиболее высокую скорость записи/считывания данных
обеспечивают технологии:
− SSD;
217
− HDD;
− CD.
49. Ограниченное число циклов перезаписи данных является недостатком:
− SSD;
− HDD;
− CD.
50. Наиболее высокую стоимость по сравнению с другими видами ЗУ имеют:
− SSD;
− HDD;
− CD.
51. В оптических ЗУ используется следующий способ представления данных:
− микрорельефный;
− остаточное намагничивание;
− сохранение электрического заряда.
52. Считывание данных в оптических ЗУ происходит с помощью:
− светового (лазерного) луча;
− магнитной головки;
− электромагнитного поля.
53. На поверхности оптического носителя образуется дорожка,
состоящая из:
− миниатюрных углублений и гладких участков;
− миниатюрных выступов и гладких участков;
− миниатюрных выступов и углублений.
54. На поверхности компакт-диска имеются:
− одна физическая дорожка в форме непрерывной спирали;
− две физические дорожки в форме непрерывной спирали;
− несколько физических дорожек в форме концентрических
окружностей.
55. Чтение внутренней части дорожки компакт-диска осуществляется с:
− увеличенным числом оборотов;
− уменьшенным числом оборотов;
− тем же числом оборотов, что и наружной.
56. К числу форматов оптических дисков не относятся:
− SDD и HDD;
− CD и DVD;
− HD-DVD и BD.
218
57. На заводах методом штамповки изготовляются компакт-диски типа:
− CD-ROM;
− CD-R;
− CD-RW.
58. Не существует модификации оптических дисков:
− только для записи;
− только для чтения;
− для однократной и многократной записи.
59. Наименьшую длину пита имеет оптический диск, созданный
по технологии:
− CD;
− DVD;
− BD.
60. Длина волны лазера, который используется для чтения данных с компакт-диска, меньше при использовании технологии:
− BD;
− CD;
− DVD.
Тема «Информационные технологии распространения данных»
1. Телекоммуникационные технологии реализуют базовый информационный процесс:
− распространения данных;
− сохранения данных;
− обработки данных.
2. Основная процедура, обеспечивающая распространение данных, – это:
− перемещение данных в пространстве от передающей к приемной стороне;
− перемещение данных во времени от передающего к принимающему коммуниканту;
− доступ коммуникантов к каналу связи.
3. Главной задачей, которую необходимо решить при перемещении данных в пространстве, является:
− формирование сообщения, преобразование его в сигнал, создание физической среды для передачи сигналов;
− выбор языка взаимодействия, формирование сообщения, поиск адресата;
− шифрование, передача, дешифрование данных.
219
4. Процесс распространения данных характеризуется:
− временем, достоверностью и безопасностью доставки;
− только расстоянием между взаимодействующими системами;
− только надежностью доставки.
5. Решение всех задач, обеспечивающих перемещение данных
в пространстве от источника к получателю, возлагается на:
− сети связи;
− сети хранения;
− сети связи с подвижными объектами.
6. Аппаратная часть сетей связи состоит из элементов трех типов:
− линий связи, терминального оборудования, коммуникационных элементов;
− управляющих устройств, каналов связи, абонентов;
− контроллеров, шин связи, АЛУ.
7. Линия связи – это:
− совокупность технических устройств и физической среды, которые обеспечивают распространение сигналов;
− электрический кабель, соединяющий двух абонентов;
− то же, что и канал связи.
8. Линии связи бывают:
− проводные и беспроводные;
− проводные и полупроводниковые;
− только проводные.
9. Проводная линия – это:
− специально созданная физическая среда, предназначенная
для распространения сигналов с определенными характеристиками;
− естественная природная среда, используемая для проводки
сигналов с определенными характеристиками;
− то же самое, что и канал связи.
10. Проводные линии строятся на основе:
− электрических или волоконно-оптических кабелей;
− проводников электрического тока;
− полупроводников.
11. Электрические кабели подразделяются на:
− симметричные и коаксиальные;
− несимметричные и симметричные;
− коаксиальные и волоконно-оптические.
12. Свивание проводников симметричного кабеля по парам:
− улучшает условия передачи электрического сигнала;
220
− защищает электрический сигнал от несанкционированного
считывания;
− упрощает процесс изготовления кабеля.
13. Симметричный кабель называют:
− витая пара;
− свитая пара;
− святая пара.
14. Основные достоинства симметричного кабеля по сравнению
с другими заключаются в:
− низкой стоимости, простоте монтажа и ремонта повреждений;
− низком затухании сигнала и широкой полосе пропускания;
− хорошей защищенности сигнала от электромагнитных помех
и несанкционированного снятия сигнала.
15. Коаксиальный кабель представляет собой:
− два цилиндрических проводника с совмещенной осью;
− несколько витых пар;
− три цилиндрических проводника с совмещенной осью.
16. Коаксиальный кабель отличается от симметричного:
− высокой помехозащищенностью и широкой полосой пропускания;
− низкой стоимостью и простотой монтажа;
− плохой защищенностью от несанкционированного прослушивания.
17. Волоконно-оптический кабель может содержать:
− один или несколько световодов;
− один или несколько электрических проводников;
− один или несколько световодов и электрических проводников.
18. Световод – это:
− оптически прозрачная нить;
− луч лазера;
− то же, что и полупроводник.
19. Волоконно-оптический кабель от других отличает:
− высокая помехозащищенность и более широкая полоса пропускания;
− низкая стоимость;
− простота монтажа.
20. Связь по электрической проводке:
− пока не может рассматриваться как техническое решение для
массовой передачи данных;
− может рассматриваться как техническое решение для массовой передачи данных;
221
− уже является техническим решением для массовой передачи
данных.
21. Беспроводные линии связи:
− основаны на использовании естественных природных объектов;
− представляют собой кабели новейших типов;
− используют не электрические, а световые кабели.
22. К числу природных объектов, которые используются для
распространения данных, не относятся:
− поля и луга;
− атмосфера и земля;
− космос.
23. Радиоволна представляет собой колебание:
− электромагнитное;
− электрическое;
− гармоническое.
24. Радиоволна распространяется в пространстве со скоростью:
− света;
− звука;
− не более 340,29 м/с.
25. Если на пути радиоволны встречается электрический проводник, то благодаря своей энергии она наводит в этом проводнике:
− переменный электрический ток, повторяющий колебания, заложенные в волну;
− постоянный электрический ток;
− переменный электрический ток, не всегда повторяющий колебания, заложенные в волну.
26. Радиоволна характеризуется:
− частотой, длиной и мощностью переносимой энергии;
− длиной, шириной и высотой;
− только длиной.
27. Линия радиосвязи кроме среды распространения радиосигнала содержит:
− радиопередатчик и радиоприемник, передающую и приемную
антенны;
− симметричный и коаксиальный кабели, кодер и декодер;
− магнитное и оптическое ЗУ, записывающую и стирающую головки.
28. Достоинством линии радиосвязи не является:
− высокая помехозащищенность;
− возможность передачи данных между движущимися объектами;
222
− возможность одновременной передачи данных из одного источника любому числу получателей.
29. Мультиплексирование – это:
− телекоммуникационный процесс, нацеленный на увеличение
пропускной способности физических линий связи благодаря одновременной передаче по ним нескольких сигналов;
− состояние сети связи, возникающее при обмене информационными ресурсами между двумя или несколькими информационными системами;
− процесс воздействия на параметры сигнала в соответствии
с видом передаваемого сообщения.
30. При частотном мультиплексировании:
− каналы занимают определенные частотные полосы в отведенных для них частотных диапазонах;
− все время использования линии связи делится на временные
слоты, которые и образуют каналы;
− сигналы от каждого источника специальным способом кодируются при передаче.
31. При временном мультиплексировании:
− все время использования линии связи делится на временные
слоты, которые и образуют каналы;
− каналы занимают определенные частотные полосы в отведенных для них частотных диапазонах;
− сигналы от каждого источника специальным способом кодируются при передаче.
32. При кодовом разделении каналов:
− сигналы от каждого источника специальным способом кодируются при передаче;
− каналы занимают определенные частотные полосы в отведенных для них частотных диапазонах;
− все время использования линии связи делится на временные
слоты, которые и образуют каналы.
33. Чип-коды при кодовом разделении каналов выбираются так,
чтобы для разных источников они были:
− попарно ортогональны;
− попарно параллельны;
− попарно независимы.
34. Терминал – это:
− оконечный сетевой прибор;
− то, что принадлежит пользователю;
− окончание линии связи.
223
35. Терминал не предназначен для преобразования:
− световых сигналов в электрические;
− сообщений, подлежащих передаче, в сигналы;
− сигналов, поступивших по линиям связи, в сообщения.
36. Превращение сообщения в сигнал состоит из операций:
− преобразования, модуляции и кодирования;
− передачи, мультиплексирования и коммутации;
− сбора, распространения и хранения.
37. Операция преобразования сообщения в сигнал:
− изменяет вид физической величины, представляющей собой
сообщение;
− воздействует на параметры сигнала в соответствии с видом передаваемого сообщения;
− определяет математический алгоритм превращения сообщения в сигнал.
38. Операция модуляции сигнала:
− воздействует на параметры сигнала в соответствии с видом передаваемого сообщения;
− изменяет вид физической величины, представляющей собой
сообщение;
− определяет математический алгоритм превращения сообщения в сигнал.
39. При распространении данных под сигналом понимают:
− физическую величину, у которой один или несколько независимых параметров отображают данные таким образом, что они могут быть извлечены на приемной стороне;
− математическую функцию, у которой один или несколько независимых параметров отображают данные таким образом, что они
могут быть извлечены пользователем;
− закодированное сообщение.
40. В качестве сигнала при распространении данных способна
выступать любая физическая величина, которая:
− может распространяться от источника к получателям сообщения;
− не может распространяться от источника к получателям сообщения;
− может изменяться во времени.
41. Сигналы в каждом канале по отношению к линии связи
представляют собой:
− модулированные электромагнитные колебания, с помощью
которых переносятся данные;
− закодированные сообщения;
− немодулированные электромагнитные колебания.
224
42. Канал, который создается в линии связи, в зависимости от
способа модуляции сигналов может быть:
− аналоговым или цифровым;
− прямым или обратным;
− устойчивым или неустойчивым.
43. Аналоговые каналы настроены на модулирующие воздействия, которые:
− приводят к непрерывным изменениям информационных параметров сигнала;
− не приводят к изменениям информационных параметров сигнала;
− приводят к дискретным изменениям информационных параметров сигнала.
44. В дискретных каналах сигнал:
− принимает ограниченное число значений;
− принимает любые значения из допустимых диапазонов;
− не изменяется.
45. Допустимое состояние дискретного сигнала называется:
− символом;
− буквой;
− цифрой.
46. Аналоговый канал характеризуется:
− шириной полосы пропускания, измеряемой в герцах;
− символьной скоростью, измеряемой в бодах в секунду;
− пропускной способностью канала, измеряемой в битах в секунду.
47. Символьная скорость цифрового канала – это:
− число дискретных символов, которое можно передать по каналу в единицу времени;
− максимальная скорость битового потока, которую способен
поддержать канал;
− ширина полосы пропускания канала.
48. Пропускная способность цифрового канала – это:
− максимальная скорость битового потока, которую способен
поддержать канал;
− число дискретных символов, которое можно передать по каналу в единицу времени;
− ширина полосы пропускания канала.
49. Физическое кодирование цифрового сигнала – это:
− способ представления символов в виде электрических импульсов;
− изменение параметров сигнала в соответствии с видом передаваемого сообщения;
− то же, что и логическое кодирование.
225
50. Не существует такого способа физического кодирования:
− с переходом через нуль;
− без возврата к нулю;
− с возвратом к нулю.
51. Коммуникационные элементы, используемые при построении сетей, подразделяются на:
− сигнальные и коммутационные;
− сетевые и иерархические;
− коммутационные узлы и станции.
52. Сигнальные коммуникационные элементы отвечают за:
− перенос сигналов, выработанных терминалом;
− доставку сигналов к терминалам в соответствии с их сетевыми
адресами;
− скорость доставки сигналов.
53. К числу сигнальных коммуникационных элементов не относятся:
− коммутаторы и маршрутизаторы;
− разъемы и электрические фильтры;
− усилители и регенераторы.
54. Центры коммутации отвечают за:
− построение соединений между терминалами в соответствии
с их сетевыми адресами;
− перенос сигналов, выработанных терминалами;
− скорость доставки сигналов.
55. Коммутация – это процесс:
− занятия канальных ресурсов и построения сетевых соединений между адресованными терминалами;
− увеличения пропускной способности физических линий связи
в результате одновременной передачи по ним нескольких сигналов;
− обмена информационными ресурсами между двумя или несколькими информационными системами.
56. Центрами коммутации не являются:
− усилители и регенераторы;
− почтамты, телефонные станции,
− коммутаторы, маршрутизаторы.
57. Центр коммутации состоит из:
− исполнительной и управляющей систем;
− усилителей и регенераторов;
− разъемов и электрических фильтров.
58. Исполнительная система центра коммутации:
− обеспечивает передачу сигналов, несущих управляющую и
пользовательскую информацию;
226
− обрабатывает управляющую информацию;
− вырабатывает команды, в соответствии с которыми изменяется состояние сети.
59. Управляющая система центра коммутации:
− обрабатывает управляющую информацию и вырабатывает команды, в соответствии с которыми изменяется состояние исполнительной системы;
− обеспечивает передачу сигналов, несущих управляющую и
пользовательскую информацию;
− регулирует коллизии при занятости сетевых ресурсов.
60. Сеть связи без центров коммутации может быть построена при:
− маленькой емкости сети;
− средней емкости сети;
− большой емкости сети.
61. Сеть связи без центров коммутации должна иметь такую
структуру:
− каждый с каждым;
− один со всеми;
− один за всех и все за одного.
62. Следующее обстоятельство не является последствием использования центров коммутации при построении сети связи:
− увеличивается стоимость сети;
− по сети циркулирует адресная и другая служебная информация;
− существует вероятность отказа или задержки установления
соединения из-за перегрузки сети.
63. Состояние, при котором два или несколько пользователей
конкурируют за один и тот же канал связи, называется:
− коллизией;
− конфликтом;
− проблемой.
64. Коллизии при одновременном обращении нескольких пользователей к одним и тем же ресурсам сети могут быть урегулированы:
− с помощью дисциплин обслуживания с потерями или ожиданием;
− путем повышения надежности линий связи;
− в результате операции модуляции.
65. Если ресурсы сети заняты и используется дисциплина обслуживания с ожиданием, то поступившая заявка:
− сохраняется в буфере и удовлетворяется по мере освобождения
ресурсов;
227
− теряется (получает отказ в обслуживании) и не сохраняется
в буфере;
− теряется при превышении некоторого допустимого времени
пребывания в буфере или занятости в нем мест ожидания.
66. Если ресурсы сети заняты и используется дисциплина обслуживания с потерями, то поступившая заявка:
− теряется (получает отказ в обслуживании) и не сохраняется
в буфере;
− сохраняется в буфере и удовлетворяется по мере освобождения
ресурсов;
− теряется при превышении некоторого допустимого времени
пребывания в буфере или при занятости в нем мест ожидания.
67. Показателем процесса функционирования центров коммутации не является:
− стоимость передачи единицы информации;
− время задержки начала передачи данных;
− коэффициент загрузки (использования по назначению) общесетевых ресурсов и управляющих систем сетевых центров.
68. Время задержки начала передачи данных при коммутации
является:
− случайной величиной;
− детерминированной величиной;
− большой величиной.
69. Коэффициенты загрузки общесетевых ресурсов и управляющих систем – это время:
− использования оборудования по назначению;
− занятости пользователя;
− использования по назначению оборудования и программ.
70. Если увеличить число пользователей, имеющих доступ к общим ресурсам сети, то время простоя сетевых ресурсов:
− уменьшится;
− увеличится;
− не изменится.
71. Если увеличить число пользователей, имеющих доступ к общим ресурсам сети, то время задержки начала передачи сообщений:
− увеличится;
− уменьшится;
− не изменится.
72. Загрузка управляющих систем центров коммутации зависит
в основном от:
− интенсивности поступления заявок;
228
− времени занятия ресурсов исполнительной системы;
− времени простоя сетевых ресурсов.
73. Соединение – это:
− состояние сети связи, возникающее при обмене данными между двумя или несколькими пользователями;
− возможность передавать электрические сигналы от одного
пользователя к другому;
− электрический кабель, соединяющий двух абонентов.
74. Какое свойство соединения не характеризует его направленность:
− соединение точка-точка;
− симплексное соединение;
− дуплексное соединение.
75. Главной характеристикой соединения является:
− скорость;
− информационная безопасность;
− способ оплаты.
76. Для предоставления инфокоммуникационных услуг в первую очередь необходимо, чтобы центры коммутации:
− устанавливали соединения со скоростями передачи данных,
которые требуются пользователям;
− строили соединения из участков, различающихся по технологическим, энергетическим, логическим и другим характеристикам;
− сохраняли передаваемую информацию и параметры соединений.
77. Технологией коммутации не является коммутация:
− сигналов;
− каналов;
− пакетов.
78. Коммутация каналов:
− предполагает закрепление за информационными источниками всех общесетевых ресурсов сети, необходимых для информационного взаимодействия, на все время взаимодействия;
− не предполагает закрепления за пользователем сетевых и канальных ресурсов, а сообщение сохраняется в специальной памяти
и передается по мере освобождения общесетевых ресурсов;
− предполагает разделение сообщения на отдельные части, которые передаются по сети независимо друг от друга.
79. Коммутация сообщений:
− не предполагает закрепления за пользователем сетевых и канальных ресурсов, а сообщение сохраняется в специальной памяти
и передается по мере освобождения общесетевых ресурсов;
229
− предполагает закрепление за информационными источниками всех общесетевых ресурсов сети, необходимых для информационного взаимодействия, на все время взаимодействия;
− предполагает деление сообщения на отдельные части, которые
передаются по сети независимо друг от друга.
80. Коммутация пакетов:
− предполагает деление сообщения на отдельные части, которые
передаются по сети независимо друг от друга;
− предполагает закрепление за информационными источниками всех общесетевых ресурсов сети, необходимых для информационного взаимодействия, на все время взаимодействия;
− не предполагает закрепления за пользователем сетевых и канальных ресурсов, а сообщение сохраняется в специальной памяти
и передается по мере освобождения общесетевых ресурсов.
81. Коммутация пакетов может быть реализована в двух режимах:
− дейтаграммном или с установлением виртуального соединения;
− с модуляцией или без модуляции сигнала;
− с виртуальным или визуальным управлением.
Тема «Информационные технологии обработки данных»
1. Информационные технологии обработки данных реализуют
базовый информационный процесс:
− обработки;
− распространения;
− сохранения.
2. Результатом обработки данных является:
− информация, представленная в новой форме;
− новая информация, несущая новый смысл;
− та же информация, представленная теми же данными.
3. Смысл процесса обработки заключается в:
− новых возможностях, возникающих в связи с получением новой по форме информации;
− исполнении потребностей пользователей;
− получении новых данных.
4. Смысл процесса обработки, известный пользователю, выражается в виде:
− алгоритма;
− данных;
− структур данных.
230
5. Алгоритм, имеющий смысл, не обязательно должен обладать:
− понятностью, известностью;
− дискретностью, определенностью;
− результативностью, массовостью.
6. Принципиальный скачок эффективности обработки данных
удалось достигнуть после:
− перехода к цифровым технологиям;
− отказа от цифровых технологий;
− перехода к аналоговым технологиям.
7. Обработка данных в цифровой среде – это:
− получение новых числовых массивов данных из исходных;
− получение нового смысла путем вычислений;
− разработка нового алгоритма.
8. Обработка данных является функцией:
− процессора;
− памяти;
− центра коммутации.
9. Процессор как обработчик цифровых данных имеет дело
с тремя типами данных:
− исходными данными, алгоритмами обработки и результатами
обработки;
− данными пользователей, данными о компьютере, метаданными;
− зашифрованными, расшифрованными, открытыми данными.
10. Блоки цифровых данных, поступающих на обработку в процессор, называются:
− операндами;
− секторами;
− кластерами.
11. Описания элементарных операций, которые процессор должен выполнить для достижения результатов обработки, называются машинными:
− командами;
− операндами;
− алгоритмами.
12. Машинная команда не содержит:
− закодированного адреса пользователя;
− кода операции и адреса операндов;
− кода операции и адреса результата.
13. Код операции – это:
− то, что требуется сделать, указание на содержательную сторону обработки;
231
− указание на место расположения в памяти данных, к которым
необходимо применить заданные действия;
− указание на место в памяти, куда следует поместить результат.
14. Адрес операндов – это:
− указание на место расположения в памяти данных, к которым
необходимо применить заданные действия;
− то, что требуется сделать, указание на содержательную сторону обработки;
− указание на место в памяти, куда следует поместить результат.
15. Адрес результата – это:
− указание на место в памяти, куда следует поместить результат;
− указание на место расположения в памяти данных, к которым
необходимо применить заданные действия;
− то, что требуется сделать, указание на содержательную сторону обработки.
16. Современные реализации технологии обработки данных основаны на принципе, который предложил:
− фон Нейман;
− Шеннон;
− Винер.
17. В соответствии с принципом фон Неймана процессор и память:
− представляют собой отдельные устройства, связанные информационными шинами;
− представляют собой единое устройство;
− не связаны друг с другом.
18. В соответствии с принципом фон Неймана память используется для хранения:
− и исходных данных, и алгоритмов, и результатов обработки;
− только исходных данных и результатов;
− только исходных данных и алгоритмов.
19. Арифметико-логическое устройство:
− выполняет математические операции над операндами;
− используется для хранения алгоритмов;
− создает логику алгоритмов.
20. Для организации обмена данными между АЛУ и памятью
используются:
− операционные регистры;
− маршрутизаторы;
− магнитные диски.
232
21. Алгоритм, составленный из команд, которые способен выполнить компьютер, называется:
− компьютерной программой;
− компьютерной моделью;
− компилятором.
22. Чем большее число операций выполняет процессор, тем:
− сложнее его внутреннее устройство, но проще запись программы;
− проще его внутреннее устройство, но сложнее запись программы;
− сложнее разрабатывать программы.
23. Операторы языков программирования высокого уровня:
− обозначают более крупные действия, чем элементарные машинные операции;
− обозначают более мелкие действия, чем элементарные машинные операции;
− не связаны с элементарными машинными операциями.
233
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Адресация 150
Алгоритм задания 169, 176
Анализ системный 8
– структурный 8
– функциональный 8
Интероперабельность 74
Информатизация 9
Информация 25–30
Интерфейс 75, 84
– прикладного программирования 88
Базис информационный 33
Безопасность 179
Бит 35
Болванка 123
Кабель коаксиальный 135
– оптоволоконный 136
– связи 135
– симметричный 135
– электрический 135
Кадр 44
Канал виртуальный 158
– передачи данных 160
––– обратный 160
––– прямой 160
– связи 53
–– аналоговый 144
–– цифровой 144
Карта растровая 41
Квантование по уровню 39
Кибернетика 26
Код генетический 32
– текстовый 33
– числовой 33
Кодирование физическое 145
Количество данных 35, 60
Коллизия 151
Кольцо 173
Команда машинная 170
Коммуникант 53, 95
Коммутация данных 65
Компилятор 172
Конвергенция 172
Конвертор 46
Концепция информационная атрибутивная 26
–– функциональная 26
Контроль четности 113
Коэффициент загрузки 153
– готовности 179
Взаимодействие информационное 49, 85
Видео 44
– цифровое 44
Время доступа 73
– задержки 153
– изменения знаков 67
– ответа 179
– перемещения знака 67
– реакции 177
– сохранения гарантированное 67
Вход системы 6
Выход системы 6
Глубина цвета 42
Графика векторная 42
– растровая 42
Дальность перемещения сигнала 66
Данные 34, 36, 54
Датахранилище 61
Демультиплексор 139
Диск голографический многофункциональный 130
– жесткий 108
Дискретизация 36, 39
Домен 106
Единица хранения минимальная 38
Закон Г. Мура 18
Запись 65
Запрос 175
Затвор плавающий 115
Зеркалирование 112
Зона парковки 109
Изображение 41
– цифровое 41
234
Линия(и) связи 134
–– беспроводные 134
–– проводные 134
– цифровая абонентская 161
–– асинхронная 161
Лэнд 38
Манипуляция 144
Масштабирование 179
– вертикальное 180
– горизонтальное 179
Масштабируемость 74, 179
Метаданные 97
Метаметаданные 98
Матауровень информационного процесса 78
––– идеальный 79
––– материальный 78
Метод зонно-секторный 111
– серпантинный 107
– туннелирования 115
– функциональный 6
– «черного ящика» 6
Миля последняя 159
Моделирование кибернетическое 49
Модель(и) волн Кондратьева 21
– информационных процессов 49
––– метрические 49, 66
––– обобщенные 49
––– эталонные 49, 79
– физических ресурсов 65
– MIC 82
– MUSIC 85
– OSI/RM 82
– Шеннона 52
Модем 144
Модуляция 144
Мультиплексирование 139
Мультиплексор 139
Набор регистров 130
Накопитель твердотельный SSD 118
Носитель материальный 60, 89, 105
Обеспечение системное программное 87
Облако 172
Обработка данных 60, 100, 169
Обработчик данных 53, 61
Общество индустриальное 9, 11
– информационное 9
Объекты информационные 54
– материальные 54
Операнд 170
Отказоустойчивость 179
Оценка времени реакции 177
––– средневзвешеная 177
Палитра 42
Память 53
– буферная 131
– внешняя 131
– внутренняя 131
– оперативная 131
Пара витая 135
Параметры информационные 144
Пиксель 41
Пит 38, 123
Плотность записи 66, 69
Поведение системы 7
Подход системный 3
Поиск данных 65
Поле вещественное 56
– физическое 56
Пользователь 95
Правила хранения данных 89
Прекомпенсация 110
Преобразование 143
– аналого-цифровое 38
Примитивы геометрические 42
Программа компьютерная 172
– прикладная 88
Программирование 172
Процесс 49
– информационный 49, 59, 78, 85
–– базовый 59
––– синтетический 64
– прикладной 84
– технологический 67
Распространение данных 22, 59, 133
Расширяемость 179
Регистр 100
Режим дейтаграммный 157
– использования каналов доступа 160
–––– индивидуальный 160
–––– множественный 161
––– широковещательного доступа 161
– эксплуатации каналов 160
Ресурс(ы) 65
– временные 66
– главный 69
– интеллектуальные 65
– информационные 65
– пространственные 66
– физические 65
– энергетические 66
Решетка 173
Световод 136
Сектор 110
235
Семиотика 30
Сети связи 134
– смешанные 134
Сигнал 55
– аналоговый 56
– вещественный 56
– дискретный 56
– естественный 56
– искусственный 56
Символ 21, 99
Система(ы) 3
– биологические 5
– информационные 5, 105
– исполнительная 148
– открытая 73
– сложные 5
– социальные 5
– техническая 5
– управляющая 148
– хранения данных 104, 112
– человека 5
Слот 142
Смысл 30, 36
Соединение 84
Сообщение 54, 83, 84
Сортировка 65
Сохранение данных 22, 59, 103
Сплиттер 164
Способность пропускная 178
– максимальная 178
– мгновенная 178
– общая 179
– средняя 178
Среда взаимодействия физическая 53
Средства инструментальные 95
– механические 95
– ручные 95
– электронные 95
Сторона идеальная 36
– материальная 36
Страта 81
Стример 107
Структура 7
– древовидная 173
– каскадируемая 173
– памяти 173
Текст 45
Теорема В. А. Котельникова 39
Терминал 143, 146
Технология 91
– великая 10
236
– инфокоммуникационная 10
– информационная 9, 85, 91, 93
– материальная 93
Тип данных 88
Транслятор 172
Трек 109
Треугольник семантический 30
Удаленность точки доступа 73
Услуга 159, 166
Уплотнение линий связи 139
Уровень базовый 152
– доступа 152
– изучения информационных технологий 77
–––– логический 77
–––– методический 77
–––– прикладной 77
–––– физический 77
– развития цивилизации 17
––– компьютерный 17
––– печатный 17
––– письменный 17
––– предъязыковой 17
––– языковой 17
– распространения 151
Устройство арифметико-логическое 100,
171
– запоминающее 89
–– виртуальное 131
–– оптическое 121
–– полупроводниковое 114
– сверхоперативное 130
Флеш-память 119
Формат данных 89
Фрагменты базовых процессов 65
Фрейм 44
Функционирование системы 7
Функция плотности вероятностей 179
– распределения 179
Хаос 3
Центр коммутации 147
– сетевой оконечный 159
Цилиндр 111
Частота несущая 141
«Черный ящик» 6
Чип 114, 142
Чип-код 142
Шаблоны 65
Шина разрядов 118
– слов 118
Элемент(ы) системы 4–8
– коммуникационные 146
–– коммутационные 146
–– сигнальные 146
––– активные 146
––– пассивные 146
Энергия 60
Энергозатраты 73
– на изменение знака 67
– на перемещение 67
– на сохранение 67
Язык 30
– жесткий 30
– мягкий 31
TriplePlay 159
RAID-массив 112
237
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение...................................................................................
3
1. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЩЕСТВО:
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ,
ТЕХНОЛОГИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ..............................................
9
2. ИНФОРМАЦИЯ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ......................
25
2.1. Сущность информации.....................................................
25
2.2. Смысловое содержание информации..................................
30
2.3. Физическое представление информации.............................
34
2.4. Данные в цифровой форме................................................
36
3. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ.........................................
49
3.1. Обобщенная модель информационного процесса..................
49
3.2. Базовые информационные процессы..................................
59
3.3. Метрические модели информационных процессов................
65
3.4. Эталонные модели информационных процессов
в цифровой среде...................................................................
73
4. ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ......................................
91
4.1. Сущность информационной технологии..............................
91
4.2. Базовые информационные технологии...............................
95
5. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
СОХРАНЕНИЯ ДАННЫХ........................................................... 103
5.1. Общие сведения.............................................................. 103
5.2. Магнитные запоминающие устройства............................... 106
5.3. Полупроводниковые запоминающие устройства.................. 114
5.4. Оптические запоминающие устройства............................... 121
5.5. Иерархия запоминающих устройств.................................. 130
6. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
РАСПРОСТРАНЕНИЯ ДАННЫХ................................................ 133
6.1. Общие сведения.............................................................. 133
6.2. Линии связи................................................................... 134
6.3. Терминальное оборудование............................................. 143
6.4. Коммуникационные элементы сетей связи.......................... 146
6.5. Последняя миля сетей связи............................................. 159
6.6. Цифровые абонентские линии........................................... 161
6.7. Кабельное телевидение..................................................... 162
6.8. Пассивные оптические сети.............................................. 164
7. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ОБРАБОТКИ ДАННЫХ.............................................................. 169
238
7.1. Общие сведения.............................................................. 169
7.2. Системы обработки данных............................................... 172
7.3. Общие аспекты реализации
базовых информационных технологий в цифровой среде............. 180
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................... 183
ЛИТЕРАТУРА.......................................................................... 184
ПРИЛОЖЕНИЕ. ТЕСТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ................................. 186
Тема «Введение»................................................................... 186
Тема «Информационное общество:
современное состояние, проблемы, технологии
и перспективы»..................................................................... 189
Тема «Информация как объект исследования».......................... 194
Тема «Информационные процессы»......................................... 199
Тема «Информационная технология»....................................... 208
Тема «Информационные технологии сохранения данных».......... 211
Тема «Информационные технологии
распространения данных»...................................................... 219
Тема «Информационные технологии обработки данных»............ 230
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ..................................................... 234
239
Учебное издание
Советов Борис Яковлевич,
Колбанёв Михаил Олегович,
Татарникова Татьяна Михайловна
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ
Учебное пособие
Редактор А. А. Гранаткина
Компьютерная верстка В. Н. Костиной
Сдано в набор 04.07.2014. Подписано к печати 29.12.14. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 14. Уч.-изд. л. 14,4.
Тираж 100 экз. Заказ № 567.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
15 455 Кб
Теги
sovetov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа