Лекции по "Информатике"

Проектирование. Проектирование программного средства в реальности многошаговый процесс, который сосредотачивается на четырёх различных свойствах программы: структуре данных, архитектуре программы, представлениях интерфейсов и процедурных (алгоритмических) деталях. Процесс проектирования переводит требования в такое представление программного средства, которое может быть оценено на качество до того, как начнётся генерация кода. Подобно требованиям, проект документируется и становится частью конфигурации программного средства.

Генерация кода. Проект должен быть преобразован в интерпретируемую ЭВМ форму. Эту задачу решает шаг генерации кода. Если проект реализован детально, генерация кода может осуществляться чисто механически.

Испытания. После того как код сгенерирован, начинаются испытания программы. Процесс испытаний сосредотачивается на логических внутренностях программного средства, гарантируя, что все операторы были проверены, и на функциональных «внешностях», - т.е. проведении испытаний для выявления ошибок и обеспечения гарантии того, что определённые входные данные будут давать результаты, которые соответствуют ожидаемым.

Сопровождение. Программное обеспечение несомненно будет изменяться после того, как оно поставлено заказчику (возможным исключением является встроенное программное обеспечение). Изменения будут происходить ввиду обнаруженных ошибок, ввиду того, что конкретное программное средство должно быть адаптировано к изменениям в его окружении (например, некоторое изменение необходимо ввиду новой операционной системы или периферийного устройства) или ввиду того, что заказчик требует развития функций или улучшения характеристик. Сопровождение программного средства заново применяет каждую из предшествующих фаз к существующей программе, а не к новой.

Линейная последовательная модель является самой старой и наиболее широко используемой парадигмой технологии программирования. Среди проблем, которые  указываются при применении линейной последовательной модели, выделяются следующие:

• реальные проекты редко следуют последовательному потоку, который предлагает эта модель; хотя линейная модель может приспосабливаться для итераций, она делает это непрямым образом; в результате, изменения могут вызвать путаницу, когда к ней приступит команда разработчиков;
• часто заказчику трудно установить точно все требования до начала разработки; линейная последовательная модель требует этого и трудно приспосабливается к «неточной реальности», которая существует в начале каждого проекта;
• заказчик обязан иметь терпение; рабочая версия программы появится достаточно поздно; большинство грубых ошибок, которые не могут быть обнаружены до тех пор, пока программа не пройдет экспертизу, могут быть катастрофическими;
• разработчики часто излишне задерживаются; линейная природа классического жизненного цикла ведёт к так называемым «блокирующим состояниям», в которых некоторые члены команды проекта обязаны ждать других членов для завершения зависимых от них задач; фактически, время ожидания может превысить время продуктивной работы; блокирующие состояния обычно возникают в начале и конце линейных последовательных процессов.

Каждая из этих проблем является реальной. Однако, парадигма классического  жизненного цикла имеет определённое и важное место в работе технологии программирования. Она обеспечивает шаблон, в который могут быть помещены методы анализа, проектирования, кодирования, испытаний и сопровождения. Классический жизненный цикл остаётся наиболее широко используемой моделью процессов в технологии программирования. Хотя он имеет слабые стороны, это существенно лучше, чем случайный подход к разработке программного обеспечения.

Лекция 15: Место и роль локальных  сетей

Немного истории компьютерной связи

Связь на небольшие расстояния в компьютерной технике существовала ещё задолго до появления первых персональных компьютеров.

К большим компьютерам присоединялись многочисленные терминалы (или  «интеллектуальные дисплеи»). Правда, интеллекта в этих терминалах было очень мало, практически никакой обработки информации они не делали, и основная цель организации связи состояла в том, чтобы разделить интеллект («машинное время») большого мощного и дорогого компьютера между пользователями, работающими за этими терминалами. Это называлось режимом разделения времени, так как большой компьютер последовательно во времени решал задачи множества пользователей. В данном случае достигалось совместное использование самых дорогих в то время ресурсов - вычислительных (рис. 15.1).

Рис. 15.1.  Подключение терминалов к центральному компьютеру

Затем были созданы микропроцессоры  и первые микрокомпьютеры. Появилась  возможность разместить компьютер  на столе у каждого пользователя, так как вычислительные, интеллектуальные ресурсы подешевели. Но зато все остальные ресурсы оставались ещё довольно дорогими. А что значит голый интеллект без средств хранения информации и её документирования? Не будешь же каждый раз после включения питания заново набирать выполняемую программу или хранить её в маловместительной постоянной памяти. На помощь снова пришли средства связи. Объединив несколько микрокомпьютеров, можно было организовать совместное использование ими компьютерной периферии (магнитных дисков, магнитной ленты, принтеров). При этом вся обработка информации проводилась на месте, но её результаты передавались на централизованные ресурсы. Здесь опять же совместно использовалось самое дорогое, что есть в системе, но уже совершенно по-новому. Такой режим получил название режима обратного разделения времени (рис. 15.2). Как и в первом случае, средства связи снижали стоимость компьютерной системы в целом.

Рис. 15.2.  Объединение в сеть первых микрокомпьютеров

Затем появились персональные компьютеры, которые отличались от первых микрокомпьютеров тем, что имели полный комплект достаточно развитой для полностью автономной работы периферии: магнитные диски, принтеры, не говоря уже о более совершенных средствах интерфейса пользователя (мониторы, клавиатуры, мыши и т.д.). Периферия подешевела и стала по цене вполне сравнимой с компьютером. Казалось бы, зачем теперь соединять персональные компьютеры (рис. 15.3)? Что им разделять, когда и так уже все разделено и находится на столе у каждого пользователя? Интеллекта на месте хватает, периферии тоже. Что же может дать сеть в этом случае?

Рис. 15.3.  Объединение в сеть персональных компьютеров

Самое главное - это опять же совместное использование ресурса. То самое обратное разделение времени, но уже на принципиально другом уровне. Здесь уже оно применяется не для снижения стоимости системы, а с целью более эффективного использования ресурсов, имеющихся в распоряжении компьютеров. Например, сеть позволяет объединить объём дисков всех компьютеров, обеспечив доступ каждого из них к дискам всех остальных как к собственным.

Но нагляднее всего преимущества сети проявляются в том случае, когда все пользователи активно работают с единой базой данных, запрашивая информацию из неё и занося в неё новую (например, в банке, в магазине, на складе). Никакими дискетами тут уже не обойдешься: пришлось бы целыми днями переносить данные с каждого компьютера на все остальные, содержать целый штат курьеров. А с сетью все очень просто: любые изменения данных, произведённые с любого компьютера, тут же становятся видными и доступными всем. В этом случае особой обработки на месте обычно не требуется, и в принципе можно было бы обойтись более дешевыми терминалами (вернуться к первой рассмотренной ситуации), но персональные компьютеры имеют несравнимо более удобный интерфейс пользователя, облегчающий работу персонала. К тому же возможность сложной обработки информации на месте часто может заметно уменьшить объём передаваемых данных.

Рис. 15.4.  Использование локальной сети для организации совместной работы компьютеров

Без сети также невозможно обойтись в том случае, когда необходимо обеспечить согласованную работу нескольких компьютеров. Эта ситуация чаще всего встречается, когда эти компьютеры используются не для вычислений и работы с базами данных, а в задачах управления, измерения, контроля, там, где компьютер сопрягается с теми или иными внешними устройствами (рис. 15.4). Примерами могут служить различные производственные технологические системы, а также системы управления научными установками и комплексами. Здесь сеть позволяет синхронизировать действия компьютеров, распараллелить и соответственно ускорить процесс обработки данных, то есть сложить уже не только периферийные ресурсы, но и интеллектуальную мощь.

Именно указанные преимущества локальных сетей и обеспечивают их популярность и все более широкое  применение, несмотря на все неудобства, связанные с их установкой и эксплуатацией.

Определение локальной сети

Способов и средств обмена информацией  за последнее время предложено множество: от простейшего переноса файлов с  помощью дискеты до всемирной  компьютерной сети Internet, способной объединить все компьютеры мира. Какое же место в этой иерархии отводится локальным сетям?

Чаще всего термин «локальные сети» или «локальные вычислительные сети» (LAN, Local Area Network) понимают буквально, то есть это такие сети, которые имеют небольшие, локальные размеры, соединяют близко расположенные компьютеры. Однако достаточно посмотреть на характеристики некоторых современных локальных сетей, чтобы понять, что такое определение не точно. Например, некоторые локальные сети легко обеспечивают связь на расстоянии нескольких десятков километров. Это уже размеры не комнаты, не здания, не близко расположенных зданий, а, может быть, даже целого города. С другой стороны, по глобальной сети (WAN, Wide Area Network или GAN, Global Area Network) вполне могут связываться компьютеры, находящиеся на соседних столах в одной комнате, но её почему-то никто не называет локальной сетью. Близко расположенные компьютеры могут также связываться с помощью кабеля, соединяющего разъёмы внешних интерфейсов (RS232-C, Centronics) или даже без кабеля по инфракрасному каналу (IrDA). Но такая связь тоже почему-то не называется локальной.

Неверно и довольно часто встречающееся  определение локальной сети как  малой сети, которая объединяет небольшое  количество компьютеров. Действительно, как правило, локальная сеть связывает от двух до нескольких десятков компьютеров. Но предельные возможности современных локальных сетей гораздо выше: максимальное число абонентов может достигать тысячи. Называть такую сеть малой неправильно.

Некоторые авторы определяют локальную  сеть как «систему для непосредственного соединения многих компьютеров». При этом подразумевается, что информация передаётся от компьютера к компьютеру без каких-либо посредников и по единой среде передачи. Однако говорить о единой среде передачи в современной локальной сети не приходится. Например, в пределах одной сети могут использоваться как электрические кабели различных типов (витая пара, коаксиальный кабель), так и оптоволоконные кабели. Определение передачи «без посредников» также не корректно, ведь в современных локальных сетях используются репитеры, трансиверы, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, мосты, которые порой производят довольно сложную обработку передаваемой информации. Не совсем понятно, можно ли считать их посредниками или нет, можно ли считать подобную сеть локальной.

Витая пара - вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой. Свивание проводников производится с целью повышения связи проводников одной пары (электромагнитная помеха одинаково влияет на оба провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов. В настоящее время, благодаря своей дешевизне и лёгкости в монтаже, является самым распространённым решением для построения локальных сетей.

В отличии от неё коаксильный  кабель (коаксиальная пара) - пара, проводники которой расположены соосно и разделены изоляцией.

Маршрутизатор или роутер, рутер - сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня между различными сегментами сети.

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

Мост, сетевой мост, бридж - сетевое оборудование для объединения сегментов локальной сети. Сетевой мост работает на канальном уровне. Мосты направляют фреймы данных в соответствии с MAC-адресами фреймов.

В общем случае коммутатор и мост аналогичны по функциональности; разница заключается во внутреннем устройстве: мосты обрабатывают трафик, используя центральный процессор, коммутатор же использует коммутационную матрицу (аппаратную схему для коммутации пакетов). В настоящее время мосты практически не используются (так как для работы требуют производительный процессор), за исключением ситуаций, когда связываются сегменты сети с разной организацией первого уровня.

Сетевой шлюз - аппаратный маршрутизатор или программное обеспечение для сопряжения компьютерных сетей, использующих разные протоколы (например, локальной и глобальной).

Наверное, наиболее точно было бы определить как локальную такую сеть, которая позволяет пользователям не замечать связи. Ещё можно сказать, что локальная сеть должна обеспечивать прозрачную связь. По сути, компьютеры, связанные локальной сетью, объединяются в один виртуальный компьютер, ресурсы которого могут быть доступны всем пользователям, причём этот доступ не менее удобен, чем к ресурсам, входящим непосредственно в каждый отдельный компьютер. Под удобством в данном случае понимается высокая реальная скорость доступа, скорость обмена информацией между приложениями, практически незаметная для пользователя. При таком определении становится понятно, что ни медленные глобальные сети, ни медленная связь через последовательный или параллельный порты не попадают под понятие локальной сети.

Из данного определения следует, что скорость передачи по локальной  сети обязательно должна расти по мере роста быстродействия наиболее распространённых компьютеров. Именно это и наблюдается: если ещё десять лет назад вполне приемлемой считалась скорость обмена в 10 Мбит/с, то сейчас уже среднескоростной считается сеть, имеющая пропускную способность 100 Мбит/с, активно разрабатываются, а кое-где используются средства для скорости 1000 Мбит/с и даже больше. Без этого уже нельзя, иначе связь станет слишком узким местом, будет чрезмерно замедлять работу объединённого сетью виртуального компьютера, снижать удобство доступа к сетевым ресурсам.