Водовозов В.М, Водовозов A.M. Введение в вычислительную технику и компьютерные технологии: Учебное пособие.-
Подождите немного. Документ загружается.
91
o средства придания завершенной программе вида готового коммерческого
продукта;
o программы-утилиты кодирования рутинных операций.
4.3.2. Математическая лингвистика
…Люблю твой строгий, стройный вид.
А. Пушкин
Языки управления задачами и процессами, связанными с обработкой
данных, описываются средствами
математической лингвистики
. Иску сственный
язык записи алгоритмов, описания поведения компьютеров и проведения
формального анализа данных, называется
алгоритмическим языком
. На
алгоритмических языках строятся
выражения
, описывающие информационные
множества, формирующие утверждения относительно элементов этих множеств,
задаются предикаты и последовательности действий, реализуемые средствами
вычислительной техники. К языкам применимы все рассмотренные ранее операции
на множествах и конкатенация (слияние, сцепление цепочек).
К основным разделам математической лингвистики относятся:
o семиотика, исследующая свойства символов и символьных систем;
o лексика, описывающая словарный состав языка, его лексемы;
o синтаксис, изучающий отношения между словами, типы и значения
выражений;
o грамматика, рассматривающая строй языка, т.е. систему языковых форм и
правил словообразования;
o семантика, раскрывающая связь знака и значения, т.е. конструкций,
имеющих смысл с точки зрения конкретной предметной области;
o прагматика, обрабатывающая сообщения в контексте отношений их
отправителя и получателя, своеобразная «семантика в действии».
Математическая лингвистика оценивает языки рядом качественных
показателей:
o универсальностью, т.е. единством применения в различных предметных
областях;
o сложностью синтаксических форм: стилем языковых конструкций,
расшифровываемостью, однородностью, диалоговыми возмож-ностями;
o семантической силой, выражаемой объемом данных, необходимым для
описания объектов: логичностью, мнемоничностью, минимальностью средств;
o полнотой, определяющей возможность всестороннего описания объекта;
o иерархичностью, т.е. способностью к последовательному описанию
процессов - алгоритмичностью;
o перспективностью применения и развития: распространенностью,
расширяемостью, т.е. возможностью распространения на новые языковые
конструкции, реализуемостью языка.
92
В соответствии с этими свойствами различают языки с регулярной
грамматикой, проблемно-ориентированные языки и языки программирования
высокого уровня.
Среди
языков с регулярной грамматикой
выделяется группа автоматных
языков: языков релейных и функциональных схем, логических формул,
символических кодов. Первые основаны на соответствии языковых конструкций
обозначениям схем цифровой автоматики и релейно-контакторной аппаратуры. Для
работы с такими языками используются специальные пульты, с которых оператор
последовательно заносит схему в память компьютера. Языки наглядны и удобны в
коммутации и настройке промышленного оборудования и бытовой
микропроцессорной техники. Более универсальны языки функциональных схем
вследствие их абстрагируемости от конкретной практической реализации.
Компактнее выглядят системы команд на языках логических формул, но далеко не
каждый объект может быть запрограммирован на базе одной только логики.
Поэтому чаще встречаются языки символических кодов, в основе которых лежат
мнемонические (основанные на значках) обозначения операций и заданий.
Описание задач на языках с регулярной грамматикой имеет ряд недостатков. Это
прежде всего громоздкость раскрытия сложных алгоритмов, длительность програм-
мирования и полная зависимость от особенностей объекта.
Специфика объекта хорошо учитывается
проблемно-ориентированными
языками
. В них меньше атрибутов, привязанных к аппаратуре, и они проще в
усвоении. Словарь их бывает богатым, цепочки насыщенными и удобными для
развития. К проблемно- ориентированным относятся языки графов и языки схем
алгоритмов, используемые в документации на лингвистические объекты, а также
входные языки интерфейсов пользователя.
В
языках
программирования
реализуются процедурный (step-by-step) и
непроцедурный (declarative) подходы к представлению информации. Особое место
занимают в этой иерархии генераторы кодов, преобразующие непроцедурную
последовательность операций в процедурный код.
При
процедурном подходе
программа описывается последовательностями
выражений, сгруппированных в процедуры (подпрограммы, функции). В такой
программе формат ввода данных, алгоритм обработки, средства формирования
диалога определяются программистом. Работая на процедурном языке,
программист должен мыслить терминами реальной аппаратуры компьютера.
Первым шагом на пути решения любой из процедурных задач и основным
условием такого решения является алгоритмизация.
Алгоритм
– это
информационная система с заданными правилами, определяющими
последовательность действий для достижения цели. В каждый момент времени,
зная текущее состояние системы, ее правила и доступную ей информацию,
алгоритм предсказыает множество ее возможных последующих изменений.
Алгоритм характеризуется рядом свойств.
Понятность
применительно к
конкретному исполнителю - вычислительной системе, пользователю - означает
93
доступность для него средств реализации алгоритма.
Массовость
проявляется в
независимости алгоритма от входных данных, позволяющей использовать один и
тот же алгоритм для решения различных однотипных задач. Например, выражение
"выделить ячейку, ввести данные, сохранить файл" представляют собой алгоритм,
реализуемый множеством пользователей. В то же время, для каждого алгоритма
определено конечное множество объектов, которые допустимы в качестве входных
данных. Эти объекты составляют область определения алгоритма, а получаемые
результаты характеризуют его область значений. Но и в заданной области
определения не всегда удается получить результат. Например, при делении 5 на 3
получается десятичная дробь 1 .6666... Эта операция потенциально осуществима, но
бесконечна. Алгоритм же должен обладать свойством
конечности
, т.е. приводить к
ответу после выполнения конечного числа шагов. Алгоритм всегда
однозначен
: при
многократном применении его к одному и тому же множеству входных данных он
приводит к одному и тому же результату. Наконец, алгоритм характеризуется
конечной
сложностью
, то есть некоторой функцией от числа элементарных шагов
и размера памяти для хранения промежуточных результатов.
Одно из важнейших понятий теории алгоритмов –
рекурсия
, под которой в
общем случае понимают такой способ организации системы, при котором она в
отдельные моменты своего развития, может создавать собственные измененные
копии, взаимодействовать с ними и включать их в свою структуру. Множество,
определяемое алгоритмом, называется
рекурсивным множеством
, а функция,
реализующая алгоритм –
рекурсивной функцией
.
Существуют функции, которые нельзя задать алгоритмом, поэтому и не все
задачи поддаются алгоритмизации. К старинным неалгоритмизуемым задачам
относится, например, задача о квадратуре круга (с помощью циркуля и линейки
построить квадрат, равновеликий кругу с заданным радиусом). Аналогичную
природу имеет задача о трисекции угла (с помощью циркуля и линейки разделить
угол на три равные части); задача об удвоении куба (с помощью циркуля и линейки
построить куб объемом, вдвое превышающим заданный); доказательство гипотезы
о том, что любое четное число равно сумме двух простых чисел. Не
алгоритмизируются многие многозадачные процессы, процессы, выполняемые по
прерываниям, задачи с бесконечным циклом.
Для описания таких задач используется
непроцедурный подход,
задающий
связи и отношения между объектами, часто без определения последовательности
действий во времени. Непроцедурный подход рассматривает данные не как предмет
программной обработки, а как среду, управляющую решением информационной
задачи. Данные управляют программой, определяя алгоритм решения - таково
кредо непроцедурного программирования. Непроцедурные программы часто
ассоциируют со словарями и таблицами. В основе программы на непроцедурном
языке лежит не алгоритм, а проект, в котором перечислены компоненты программы
и условия их взаимодействия.
94
Важной стороной непроцедурного подхода является технология управления
событиями. Модули управления событиями интерпретируют данные, вводимые с
помощью меню, диалога или пиктограмм, и, создавая соответствующий
программный код на одном из процедурных языков, освобождают разработчиков от
необходимости переписывать повторяющиеся фрагменты программ и позволяют
быстро создавать прототипы прикладных систем.
Первые непроцедурные языки, такие, как Лисп, были предложены еще на
рубеже 60-х годов, но получили свое развитие лишь в 80-х. Основные
преимущества непроцедурного стиля программирования, сформулированные Дж.
Маккарти, определяются компактностью и ясностью нотации, возможностью
управления многозадачными процессами. Непроцедурные подходы делятся на
функциональные и логические. Первый базируется на аппарате функционального
исчисления и реализован в языке Лисп, а второй опирается на алгебру логики,
нечеткую логику и логику предикатов и реализован в языке Пролог.
4.3.3. Языки управления данными
И сошел Бог, и разделил речь на 72
языка…
Писание
В большинстве современных языков программирования поддерживается как
непроцедурный
,
так и процедурный
подходы. Часто используется комбинация
процедурных и непроцедурных средств с генераторами кодов. Любой язык, будучи
инструментом пользователя и программиста, реализует следующие функции:
o работу с файлами базы данных (описание и создание структуры базы
данных, открытие и закрытие файлов, отображение структуры на экране и ее
модификация, копирование, удаление);
o заполнение базы данных (переход между записями, добавление и удаление
записей, правка, отображение на экране, ввод записей из других файлов, их
печать);
o манипу лирование записями (логическое удаление и восстановление,
физическое удаления, поиск и обновление записей, сортировка, индексация);
o использование переменных и массивов данных (объявление и сохранение,
добавление к записям, ввод в них данных, формирование с их помощью
сообщений, пауз);
o выполнение математических, статистических операций, преобразование
типов данных, проверка информации и реализация ряда системных операций;
o управление выводом на экран и в печ ать и параметрами экрана и принтера.
Различают персональные (“легкие”) и профессиональные (“тяжелые”)
СУБД.
Популярная персональная реляционная СУБД Access фирмы
Microsoft
характеризуется тесной интеграцией с другими приложениями этой фирмы.
Существенный элемент ее – комплекс специальных драйверов открытого
95
интерфейса ODBC(Open DataBase Connectivity) - обеспечивает связь с
реляционными СУБД других производителей. Через этот стандартный интерфейс
осуществляется взаимодействие между различными форматами баз данных. ODBC
позволяет выполнять запросы сразу к нескольким источникам, обеспечивая доступ
к данным во всех форматах, к которым установлены драйверы. Access располагает
своим процедурным языком, реализует запросы на примере (QBE) и запросы SQL в
сочетании со всеми преимуществами Windows в графике, эффективно работает в
сети, а при проектировании форм и отчетов способствует активному
использованию графических объектов. Система включает функции обмена
данными и обработки файлов, формирования интерфейса пользователя и
управления периферийными устройствами.
Персональная СУБД DBase фирмы
Borland
поддерживает языки запросов
QBE и SQL, а также включающие языки Си, Паскаль, ассемблеры. В состав языка
DBase входит более 300 функций и операторов. Запросы SQL автоматически
преобразуются в последовательность команд DBase. К дополнительным средствам
языка относятся шаблоны для связи с автоматическим генератором кода, утилиты
создания приложений, средства тестирования многопользовательских баз данных в
сети и модуль запуска приложений. Язык поддерживает автоматическое сохранение
информации, многоуровневую парольную защиту и кодирование данных .
Во многом подобен Access язык PAL (Paradox Application Language) фирмы
Borland
,
длительное время удерживавшей лидерство на рынке СУБД для
персональных компьютеров
В Access программа может существовать в двух формах – исходной и
откомпилированной, но распространяется только с интегрированной средой. В
отличие от нее, в FoxPro (
Microsoft
) и Clipper (
Computer
Associates
) готовые
программы распространяются в виде исполнительных модулей или динамически
загружаемых библиотек. FoxPro имеет быстродействие, на порядок превышающее
Paradox и в несколько десятков раз - DBase, а приложения, созданные на FoxPro
под MS-DOS, успешно функционируют под Windows. Набор команд и функций,
предлагаемых разработчикам программных продуктов в среде FoxPro, по мощи и
гибкости отвечает самым современным требованиям к представлению и обработке
данных. Он позволяет организовать максимально удобный пользовательский
интерфейс, поддерживающий многоуровневые меню, работу с мышью и окнами.
Система обеспечивает многоуровневый доступ к файлам, управление цветом,
настройку принтеров, генерацию экранных форм и отчетов, поддержку языка SQL и
функционирование в сети.
К наиболее распространенным профессиональным СУБД относятся Infomix,
Ingres, Sybase, Oracle.
Реляционная система Ingress для средних и крупных компаний включает
средства автоматизации разработки приложений, систему управления знаниями,
библиотеку приложений на национальных языках. В СУБД реализована прямая
адресация запросов конкретным клиентам с назначением приоритетов, работает
96
контекстное переключение между различными базами данных. Многотомные
таблицы позволяют распределять базы данных по различным дискам, хранить в
базах не только данные, но и коммутируемые процедуры в виде распределенных
объектов с доступом из разных приложений. Оптимизатор запросов Ingress
учитывает множество факторов, таких как размер таблиц, тип данных,
статистическое распределение данных в таблицах и индексах. При оптимизации все
запросы приводятся к нормализованной форме, не зависящей от исходной записи.
Специальный механизм правил позволяет программировать обработку ситуаций
при включении, обновлении, исключении строк и изменении записей.
Более 10 лет представлен на мировом рынке пакет Oracle. Долгое время
каждая третья продаваемая в мире СУБД работала под Oracle. Она наиболее часто
используется в операционной среде Unix, хотя может работать на множестве других
системных платформ. На Oracle разработано значительное число прикладных
систем для банков, промышленных предприятий, энергетических объектов,
учреждений здравоохранения. Она обеспечивает целостность баз данных при
выполнении распределенных запросов, автономию узлов базы и высокую
производительность. Система поддерживает открытую архитектуру: в едином
приложении ее могут согласованно работать компоненты СУБД различных фирм,
файлы операционной системы, аппаратура (промышленные контроллеры, кассовые
аппараты). Инструментарий Oracle позволяет создавать графический интерфейс
пользователя со сложной логикой обработки данных. Постепенно реляционная
СУБД Oracle преобразуется в объектно-ориентированную систему на основе языка
SQL++, хранящую данные в виде объектов вместо таблиц.
Под управлением СУБД Pick сотни пользователей могут совместно
использовать один компьютер. Приложения Pick совместимы с MS-DOS и Unix,
благодаря чему около полумиллиона предприятий в мире используют Pick в
качестве программного обеспечения административных и экономических систем.
Профессиональная СУБД SQL Server (
Microsoft
) – это еще одна развитая
реляционная система, решающая задачи как в режиме непосредственной обработки
сложных очередей, так и в качестве поддержки информационных систем принятия
решения. Она имеет надежную защиту от несанкционированного доступа и сбоев и
обладает широкими возможностями администрирования в режиме удаленного
доступа.
К числу непроцедурных многопользовательских СУБД относятся продукты
фирмы
Gupta
- одного из мировых лидеров в области профессиональных
распределенных СУБД. Эти программные средства установлены более чем в 500
компаниях. Одних только копий SQL Base насчитывается свыше 20 тысяч в разных
странах. Неограниченное число ее пользователей работает на платформах MS-DOS,
OS/2, NetWare, SUN, Unix. SQL. Gupta поддерживает многозадачность,
обеспечивает целостность данных, обрабатывает типы данных любого размера в
национальных алфавитах, обладает возможностями оперативной архивации и
автоматического восстановления данных после сбоя. Gupta предоставляет
97
разработчикам полностью объектно-ориентированную среду. Она поддерживает
DDE и OLE, MDI и множество библиотек. А сетевой набор программных продуктов
обеспечивает доступ к данным различных баз данных в сети.
Интегрированные системы программирования, включающие генераторы
кодов и процедурные языки, называют CASE-инструментами (Computer Aided
Software Engineering). В таких комплексах среда проектирования не отделена от
прикладной системы. Примером CASE-инструмента является система Oracle CASE.
Для создания конкретной прикладной системы, например банковской,
проектировщик представляет свои знания о работе конкретного банка в системный
словарь. Настройка проектируемой системы на технологию работы банка
закладывается уже на первоначальных стадиях проектирования средствами
конструктора. При любых изменениях технологии меняется лишь представление
знаний в системном словаре. Затем выполняется генерация сразу же готовой
системы. Для повышения производительности Oracle CASE оснащена моделью-
прототипом системы автоматизации деятельности коммерческого банка.
Проектирование по прототипу снижает трудоемкость реализации и модификации
системы, гарантирует целостность и непротиворечивость данных, полную
документируемость, переносимость, "прозрачность" работы в различных сетевых
средах.
5. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
5.1. Локальные и корпоративные вычислительные сети
5.1.1. Типы и топологии
Воистину всякий перед всеми за всех и
во всем виноват.
Ф. Достоевский
Сетью
называют информационную систему, обеспечивающую обмен
данными между компьютерами по линиям связи. Объединенные в сеть компьютеры
получают возможность использования ресурсов, предоставляемых другими
компьютерами (процессорами, памятью, накопителями, программами) или
устройствами (принтерами, факсами и пр.). Первые сети были созданы на базе
разработок Массачусетского технологического института. Становление в 80-х годах
сетей на базе устойчивых промышленных стандартов открыло возможность
интенсивного использования персональных компьютеров в интегрированных
системах связи и обработки информации. К началу 90-х годов в мире
насчитывалось около четверти миллионов персональных машин, объединенных в
сети. А сегодня в распоряжении одних только пользователей США находится более
3 млн. сетей.
В иерархию сетевых технологий входят локальные, корпоративные и
глобальные сети.
98
Локальная вычислительная сеть
- ЛВС (LAN – Local Area Network) – это
система компьютеров и других средств вычислительной техники, объединенных
кабелями и сетевой аппаратурой для совместного использования информационных
ресурсов в рамках одного или нескольких помещений предприятия или
организации. Она способствует
o повышению эффективности отдельных компьютеров, благодаря
совместному использованию внешних устройств;
o повышению надежности системы, так как при отказе одного устройства
его функции можно передать другому ;
o сокращению средств на приобретение и сопровождение новых
программных продуктов за счет применения сетевых версий программ;
o реализации новых форм взаимодействия пользователей в одном
коллективе, например, при работе над общим проектом.
Постепенно к локальным сетям добавились
корпоративные сети, п
од
которыми понимаются информационные системы, обеспечивающие обмен
данными между территориально удаленными подразделениями одной организации.
Как правило, это комплексы, построенные с учетом специфики конкретной
деятельности предприятия или города с замкнутыми информационными потоками.
Такие сети обеспечивают общий доступ к информационным ресурсам организации,
оптимальное распределение функций между ними, резервирование. Различают
корпоративные сети масштаба предприятия (campus) протяженностью порядка 10
км, а также масштаба города (MAN – Metropolitan Area Network) длиной до 100 км.
При большей протяженности говорят о глобальных сетях (WAN - Wide Area
Network), на базе которых выполняются телекоммуникации, охватывающие сотни и
тысячи километров.
Сеть состоит из
абонентов
и
каналов связи
. Абоненты могут выступать в
качестве передатчиков и приемников информации, клиентов, или рабочих станций,
и серверов. Управление сетью выполняют
администраторы
. В их распоряжении
находится информация об абонентах (модели компьютеров, типы процессоров и
сетевых адаптеров, объемы памяти, версии сетевых драйверов, емкости дисковых
накопителей, папки приложений, перечни программного обеспечения, карты
логических устройств и сетевой адресации, схемы физического расположения
абонентов, данные об операционной системе и перечень подключенной периферии,
сведения о драйверах устройств, список системных ресурсов и информация о сети с
планами разводки кабелей, распределительных и оконечных устройств).
Геометрическая схема, или
топология
, сети может быть звездной,
кольцевой, шинной. Наличие
концентратора
в центре первой из них и простота
реализации способствуют быстрой локализации неисправностей, легкости
расширения и отключения дефектных элементов, что делает звездную схему
наиболее привлекательной. Но при выходе концентратора из строя система теряет
работоспособность, а большие затраты на линии связи повышают ее стоимость.
Наименьшей длины кабеля требует шинная топология. В ней все компьютеры
99
связаны в цепочку с
терминаторами
, гасящими сигнал на концах. Максимальная
теоретически возможная пропускная способность такой схемы составляет 10
Мбит/с. Однако эта сеть выходит из строя при неисправности не только кабеля, но и
любого компьютера в сети. Наибольшей же надежностью характеризуется
кольцевая схема. Она не имеет концентраторов и терминаторов, но в случае выхода
из строя любой из станций сеть тоже может выйти из строя.
В сети любой топологии в каждый момент времени обмен данными
происходит только между двумя компьютерами одного сегмента. При этом сигналы
могут передаваться по многоканальной (broad band) или одноканальной (base band)
линиям. Первая передача именуется мультиплексной, вторая может быть
дуплексной или полудуплексной.
Вопросами разработки стандартов в области сетей занимается ITU
(International Telecommunication Union) - специальное агентство при ООН,
объединяющее 164 страны во главе с ITTCC (International Telegraph and Telephone
Consultative Committee). Для информационных технологий актуальны его
рекомендации серий:
o V, регламентирующие организацию передачи данных;
o X, содержащие спецификации на работу в сетях;
o T на передачу текстов (телетекст, факс, видеотекст);
o H на форматы оцифровывания звука и видео.
В соответствии с этими стандартами, большинство известных в настоящее
время сетей работают по принципу коммутируемых пакетов, аналогичному
обычной почте. Сообщения снабжаются соответствующими сетевыми адресами
приемника и передатчика. Международная организация по стандартизации ISO
разработала эталонную модель OSI (Open System Interconnection) взаимодействия
систем в сетях. Модель содержит семь уровней, каждый из которых
классифицируется своим протоколом, то есть набором спецификаций,
определяющих реализацию обмена информацией. Наиболее освоенными являются
первые три уровня OSI.
Физический уровень устанавливает битовые протоколы передачи данных.
Здесь определены электрические, механические, функциональные и процедурные
параметры для физической связи в системах - типы разъемов и их распайка, уровни
сигналов, скорости передачи. Стандарты этого уровня включают рекомендации
V.21, V.22, V.22bis, V.24, V.32, V.32bis, V.34, V.90 ITTCC, EIA RS232, RS449 и
X.21.
Канальный уровень регламентирует правила оформления передаваемой
информации и управления доступом к среде, синхронизации, обнаружения и
исправления ошибок. Здесь из сигналов физического уровня формируются
последовательности, содержащие заголовки с адресами приемника и источника, код
информации и концовки сообщения.
100
Сетевой уровень устанавливает маршруты и адреса связи абонентов. На
этом уровне сообщение разбивается на сегменты или пакеты. Информация о
маршрутах движения пакетов определяется узлами-маршрутизаторами по таблицам
или вычисляются в реальном времени. Протоколы этого уровня помогают также
выявлять "заблудившиеся" пакеты и возвращать их отправителю. Наиболее
распространенный стандарт этого уровня - рекомендации X.25 для сетей общего
пользования.
Транспортный уровень обеспечивает взаимодействие удаленных абонентов.
Он "отвечает" за доставку данных, компенсируя ошибки, которые могли возникнуть
при работе предыдущих уровней. Здесь устанавливаются и разрываются логические
соединения, подтверждается прохождение и контролируются потоки данных.
Сеансовый уровень поддерживает диалог удаленных процессов. Он
управляет паролями, по дсчетом платы за ресурсы, синхронизацией и
возобновлением связи после сбоев. Здесь запускаются программные процедуры с
одного компьютера на другом и возвращаются результаты их работы,
устанавливаются и завершаются сеансы связи.
Представительский уровень интерпретирует данные и готовит их для
следующего уровня. Здесь данные преобразуются в экранный формат или формат
печатающего устройства, упаковывается и распаковывается, шифруются и
дешифруются.
Прикладной уровень предоставляет в распоряжение пользователя
переработанную информацию. Он обеспечивает интерфейс с пользователем и
взаимодействие прикладных программ в ходе передачи и идентификации паролей.
Каждый уровень оперирует своими единицами информации: физический -
битами, канальный - фреймами или пакетами, сетевой - дейтаграммами,
транспортный - сегментами, прикладной - сообщениями.
5.1.2. Аппаратура локальных сетей
- До Вас дошло?
- До нас дошло , уважаемая Анюта!
Л. Успенский. «Чебурашка»
К сетям предъявляются различные требования по скорости передачи
информации:
o электронной почте достаточно скорости 9,6 Кбит/с;
o для программ дистанционного управления с помощью монитора и
клавиатуры требуется от 19,2 до 56 Кбит/с;
o передача файлов может осуществляться со скоростью от 56 Кбит/с до-10
Мбит/с, то есть больше, чем пропускает стандартный последовательный порт
компьютера (115 Кбит/с);
o обычная видеоинформация требует 5 Мбит/с;