Многие организации испытывают постоянные трудности и находятся в постоянном поиске синхронизации целей и задач бизнеса и процессов развития своих информационных систем. Существует как бы "облако неопределенности" между определением организацией и обеспечивающей ее ИТ-инфраструктурой своих целей и задач.
Процесс транслирования этих целей в конкретные ИТ-системы часто носит очень неразвитый характер и ограничивается ежегодным бюджетным процессом, участие в котором представителей бизнеса и ИТ является основным способом общения и взаимодействия.
Рис. 3.1. "Облако неопределенности" между целями организации и информационными технологиями
Архитектура информационных технологий и архитектура предприятия в целом как раз и является основным механизмом интерпретации и реализации целей организации через адекватные ИТ-инфраструктуру и системы. Это достигается через создание определенного количества взаимосвязанных архитектурных представлений. Имеется множество методик описания архитектуры, и все они разбивают архитектуру предприятия на различное количество моделей и определений, которые относятся к таким областям, как бизнес, информация, прикладные системы, технологическая инфраструктура.
Бизнес-модели описывают стратегию организации, структуры управления, требования, ограничения и правила, а также основные бизнес-процессы, включая взаимосвязи и зависимости между ними. Т.е. бизнес-архитектура описывает на уровне предприятия в целом то, как реализуются основные функции организации, включая организационные и функциональные структуры, роли и ответственности.
Архитектура информации определяет ключевые активы, связанные со структурированной и неструктурированной информацией, требующейся для бизнеса, включая расположение, время, типы файлов и баз данных и других информационных хранилищ.
Описывает те системы, которые и обеспечивают необходимый функционал для реализации логики бизнес-процессов организации.
С точки зрения технологической архитектуры , важные модели включают описание ИТ-сервисов, которые требуются для реализации перечисленных выше трех других областей архитектуры. Причем логические модели ИТ-сервисов построены в абстрактной, технологически независимой форме и оставляют свободу для оптимального выбора конкретных технологий.
Но, в конце концов, архитектура предприятия завершается физическими моделями, которые определяются технологиями, аппаратными и программными платформами, выбранными для реализации ИТ-сервисов.
Термин "ИТ-архитектура" может означать множество близких по смыслу, но, тем не менее, различающихся понятий. Для различных людей смысл одного и того же термина может быть разным.
Одно из самых простых (словарь Уэбстера) заключается в том, что ИТ-архитектура – это "способ, который используется для организации и интеграции компонент компьютерной системы".
Еще одно определение заключается в том, что "Архитектура системы состоит из нескольких компонент, внешних свойств и интерфейсов, связей и накладываемых ограничений, а также архитектуры этих внутренних компонент". Итеративное, иерархическое построение архитектуры позволяет решить и еще одну важную задачу – облегчить ее восприятие человеком.
Рис. 3.2. Элементы архитектуры предприятия
"Архитектурный взгляд" на системы (как ИТ-системы, так и бизнес-системы) определен в стандарте ANSI/IEEE 1471-2000 как "фундаментальная организация системы, состоящая из совокупности компонент, их связей между собой и внешней средой, и принципы, которыми руководствуются при их создании и развитии".
В самом общем виде, в соответствии с определениями Gartner, архитектура – это:
1. общий план или концепция, используемая для создания системы, такой как здание или информационная система, или "абстрактное описание системы, ее структуры, компонентов и их взаимосвязей";
2. семейство руководящих принципов, концепций, правил, шаблонов, интерфейсов и стандартов, используемых при построении совокупности информационных технологий предприятия.
Обратите внимание, что первое определение сфокусировано на описании существующих и будущих систем, второе – на процессе их построения.
Еще несколько определений:
1. "Архитектура – это инвестиция в стандарты процессов, технологий и интерфейсов в целях улучшения возможностей организаций и уменьшения стоимости разработки и сопровождения информационных систем. Преимущества инвестиций в архитектуру распространяются на несколько проектов сразу, но не все эти проекты могут быть известны в момент разработки архитектуры";
2. "Корпоративная архитектура ИТ – это видение, принципы и стандарты, которыми организации руководствуются при разработке и внедрении технологий" (Giga Group);
Архитектура ИТ и принципы ее построения, с одной стороны, зависят от общих стратегических планов, бизнес-потребностей организации, общего видения роли ИТ в деятельности организации, а с другой стороны, определяют многие аспекты, такие как принятая практика по планированию капитальных затрат, обеспечение жизненного цикла систем и т.д..
Рассмотрим теперь более подробно, какие отдельные понятия в рамках представления об "архитектуре" существуют, и как они связаны между собой:
иерархия архитектур различных организационных систем;2. соотношения между объективной реальностью и субъективным восприятием;
3. соотношения между общесистемной архитектурой и частными архитектурами.
Точно так же, как и в строительстве, существуют различные уровни архитектуры (план города, план застройки района, планы отдельных зданий), требуется дальнейшая детализация высокоуровневых определений и классификация архитектуры бизнеса и информационных технологий на различных уровнях. Таким образом, мы можем говорить об архитектуре предприятия в целом, архитектуре уровня отдельных проектов или семейства продуктов, можем говорить об архитектуре отдельной прикладной системы. И в первом, и во втором, и в третьем случае – это все архитектуры. Вопрос заключается в декомпозиции сложных систем и в том, на каком уровне принимаются те или иные архитектурные решения.
Архитектура предприятия определяет общую структуру и функции систем (бизнес и ИТ) в рамках всей организации в целом (включая партнеров и другие организации, формирующие так называемое "расширенное предприятие") и обеспечивает общую рамочную модель (framework), стандарты и руководства для архитектуры уровня отдельных проектов. Общее видение, обеспечиваемое архитектурой предприятия, создает возможность единого проектирования систем, адекватных, с точки зрения обеспечения потребностей организации, и способных к взаимодействию и интеграции там, где это необходимо. Чуть позже мы вернемся к определению понятия архитектура предприятия.
Архитектура уровня отдельных проектов определяет структуру и функции систем (бизнес и ИТ) на уровне проектов и программ (совокупностей проектов), но в контексте всей организации в целом, т.е. не в изолированном рассмотрении индивидуальных систем. Архитектура уровня отдельных проектов детализирует, соответствует и существует в рамках архитектуры предприятия.
Архитектура прикладных систем определяет структуру и функции приложений, которые разрабатываются с целью обеспечения требуемой функциональности. Некоторые элементы этой архитектуры могут быть определены на уровне архитектуры предприятия или архитектуры отдельных проектов (в форме стандартов и руководств) в целях использования лучшей практики и соответствия принципам всей архитектуры в целом.
Рис. 3.3. Уровни принятия архитектурных решений
Отличительной характеристикой решений, принимаемых в отношении архитектуры, является то, что эти решения должны приниматься с учетом широкой, или системной, перспективы. Любое решение, которое может быть принято локально (например, в рамках подсистемы), не является архитектурным для системы в целом. Это позволяет делать различие между детальным проектированием и принятием решений по поводу практической реализации системы, с одной стороны, и архитектурными решениями – с другой. Первые решения имеют локальное влияние, а вторые – систематическое. Поэтому для проектных решений нужна соответствующая более широкая перспектива, позволяющая учесть системное влияние решений более высокого уровня, что дает возможность достичь желаемого уровня компромиссов и соглашений между составными частями для обеспечения должного уровня качества системы в целом.
Например, если система, которую мы рассматриваем, является прикладной программной системой, то свобода принятия решений, которые могут приниматься на уровне отдельных ее компонент или модулей, должна быть предоставлена соответствующим разработчикам этих подсистем.
Архитектор прикладной системы должен рассматривать вопросы, которые важны для системы в целом.Если предметом рассмотрения является архитектура проекта или некоторого решения (например, проект создания портала организации, который интегрирует информацию из некоторого количества информационных систем), то решения по поводу архитектуры отдельных прикладных систем должны приниматься, соответственно, разработчиками этих систем. На уровне архитектуры проекта должны рассматриваться только те вопросы, которые имеют систематическое значение или важны для проекта в целом. Например, в нашем примере с порталом это могут быть решения о структуре метаданных, которыми должны руководствоваться все прикладные системы для того, чтобы информация из этих систем могла бы быть опубликована на едином портале.
В этом смысле, чтобы еще раз уточнить предмет содержания данного курса, можно сказать, что мы обсуждаем вопросы и подходы, которые относятся, в основном, к уровню предприятия в целом. При этом под предприятием понимается организация (или государственное ведомство) со всей совокупностью ее информационных систем, либо государство (регион, город) с соответствующей совокупностью информационных систем ведомств.
Определяющей характеристикой, которая отличает архитектуру предприятия (или Корпоративную архитектуру) от других типов архитектур является соответствующий корпоративный масштаб и охват. Она пересекает и пронизывает все внутренние организационные границы: границы различных бизнес-подразделений и границы отдельных функций.
Каждая информационная система представляет собой сложный, комплексный объект, который к тому же динамически изменяется во времени. Таким образом, архитектура будет представлять собой некоторую модель реальной системы, которая динамически изменяется, сохраняя соответствие оригиналу, как показано на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Архитектура как модель реальной информационной системы
Второй постулат заключается в том, что выделяются два понятия:
1. собственно архитектура информационной системы – как объективная реальность, включающая существующие компоненты и их связи;
2. описание архитектуры (architecture description) – отражение объективной или планируемой реальности в какой-либо документированной форме.
Взаимосвязь этих понятий иллюстрируется на рис. 3.5
Рис. 3.5. Описание архитектуры как проекции реальности
Разделение этих понятий приводит к интересным следствиям. Архитектура системы (внешняя область – Рис. 3.5) по определению является бесконечно сложным, глубоким и неявным понятием. Только часть этого общего понятия, которая в принципе доступна для восприятия архитекторами, может быть переведена в явную документируемую форму – модель или набор моделей с неизбежными упрощениями, ограничениями и субъективными искажениями.
Таким образом, ИТ-архитектура существует независимо от предпринимаемых в организации проектов по ее описанию, упорядочиванию и развитию. Обратимся еще раз к аналогии со строительством: отсутствие решений в области ИТ или бессистемное их принятие на практике приводят к появлению "зоопарка" аппаратных средств и приложений, напоминающих спонтанную застройку в условиях отсутствия градостроительных планов, появление вагончиков и "шанхаев" со всеми вытекающими последствиями.
В дальнейшем мы будем использовать термин "архитектура", который, в зависимости от контекста, может означать как существующую реальность, так и соответствующее описание.
Еще одно формальное определение приведено в стандарте IEEE 1471 Института инженеров-электриков и электронщиков, который предоставляет метамодель для определения архитектуры.
Этот стандарт определяет такие абстрактные элементы архитектуры, как представления, системы, среды, обоснования, заинтересованные стороны и т.д. в соответствии со схемой, показанной на рис. 3.6.
Рис. 3.6. Рамочная модель разработки архитектуры по IEEE 1471
В соответствии с этим представлением система обладает некоторой архитектурой, которая может быть определенным образом описана с различных точек зрения в зависимости от интереса тех людей (участников), которые рассматривают архитектуру системы. Каждой точке зрения на архитектуру системы соответствует определенное представление, основу которого составляет некоторый набор моделей.
Разработки системной архитектуры близко по смыслу понятию Системное проектирование. Вообще говоря, Системное проектирование (Systems Engineering – это междисциплинарный подход и средства, предназначенные для создания успешных систем. Он фокусируется на определении нужд потребителя и требуемой функциональности в начале цикла разработки, на документации требований, с переходом к конструкторскому синтезу и комплексной аттестации системы при полном учете таких проблем, как функционирование, производительность, испытания, изготовление, затраты и планирование, обучение и сопровождение, вплоть до вывода из эксплуатации. Системное проектирование интегрирует все нужные дисциплины и группы специалистов в командные усилия, формируя структурированный процесс разработки, который выполняется от создания концепции до осуществления продуктивной работы системы. В системном проектировании учитываются как нужды бизнеса, так и технические потребности всех клиентов для получения качественного продукта, который отвечает потребностям пользователей.
Под "программной архитектурой" , опять же в зависимости от контекста, может пониматься как архитектура взаимодействия приложений в рамках информационной системы предприятия (т.е. архитектура приложений), так и архитектура программных модулей или архитектура взаимодействия различных классов в рамках одного приложения. Каждая из отмеченных архитектур, в свою очередь, может рассматриваться с тем или иным уровнем детализации и под определенным углом зрения. Так, для программной архитектуры традиционными являются следующие перспективы или уровни описания архитектуры:
1. концептуальная архитектура определяет компоненты системы и их назначения, обычно в неформальном виде. Это представление часто используется для обсуждения с нетехническими специалистами, такими как руководство, бизнес-менеджеры и конечные пользователи функциональных характеристик системы (что система должна уметь делать, в основном, с точки зрения конечного пользователя);
2. логическая архитектура выделяет, прежде всего, вопросы взаимодействия компонент системы, интерфейсы и используемые протоколы. Это представление позволяет эффективно организовать параллельную разработку;
3. физическая реализация , которая описывает привязку к конкретным узлам размещения, типам оборудования, характеристикам окружения, таким как, например, используемые операционные системы и т.п.
Все эти "частные" архитектуры – системная архитектура, программная архитектура – представляют, тем не менее, существенный интерес для нашего внимания, так как опираются на одни и те же подходы и методы, а также используют сходные средства описания и представления результатов.
Архитектура предприятия (Корпоративная архитектура)
Термин "архитектура системы" часто употребляется как в узком, так и в широком смысле этого слова. В узком смысле под архитектурой понимается архитектура набора команд. Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов. Следует отметить, что это наиболее частое употребление этого термина. В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода и т.п.
Применительно к вычислительным системам термин "архитектура" может быть определен как распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями, точнее как определение границ между этими уровнями. Таким образом, архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую организацию. Архитектура первого уровня определяет, какие функции по обработке данных выполняются системой в целом, а какие возлагаются на внешний мир (пользователей, операторов, администраторов баз данных и т.д.). Система взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов: языки (язык оператора, языки программирования, языки описания и манипулирования базой данных, язык управления заданиями) и системные программы (программы-утилиты, программы редактирования, сортировки, сохранения и восстановления информации).
Интерфейсы следующих уровней могут разграничивать определенные уровни внутри программного обеспечения. Например, уровень управления логическими ресурсами может включать реализацию таких функций, как управление базой данных, файлами, виртуальной памятью, сетевой телеобработкой. К уровню управления физическими ресурсами относятся функции управления внешней и оперативной памятью, управления процессами, выполняющимися в системе.
Следующий уровень отражает основную линию разграничения системы, а именно границу между системным программным обеспечением и аппаратурой. Эту идею можно развить и дальше и говорить о распределении функций между отдельными частями физической системы. Например, некоторый интерфейс определяет, какие функции реализуют центральные процессоры, а какие - процессоры ввода/вывода. Архитектура следующего уровня определяет разграничение функций между процессорами ввода/вывода и контроллерами внешних устройств. В свою очередь можно разграничить функции, реализуемые контроллерами и самими устройствами ввода/вывода (терминалами, модемами, накопителями на магнитных дисках и лентах). Архитектура таких уровней часто называется архитектурой физического ввода/вывода.
Архитектура системы команд. Классификация процессоров (CISC и RISC)
Как уже было отмечено, архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов.
Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000.
Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.
Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer). Зачатки этой архитектуры уходят своими корнями к компьютерам CDC6600, разработчики которых (Торнтон, Крэй и др.) осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Эту традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research. Однако окончательно понятие RISC в современном его понимании сформировалось на базе трех исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.
Разработка экспериментального проекта компании IBM началась еще в конце 70-х годов, но его результаты никогда не публиковались и компьютер на его основе в промышленных масштабах не изготавливался. В 1980 году Д.Паттерсон со своими коллегами из Беркли начали свой проект и изготовили две машины, которые получили названия RISC-I и RISC-II. Главными идеями этих машин было отделение медленной памяти от высокоскоростных регистров и использование регистровых окон. В 1981году Дж.Хеннесси со своими коллегами опубликовал описание стенфордской машины MIPS, основным аспектом разработки которой была эффективная реализация конвейерной обработки посредством тщательного планирования компилятором его загрузки.
Эти три машины имели много общего. Все они придерживались архитектуры, отделяющей команды обработки от команд работы с памятью, и делали упор на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата.
Среди других особенностей RISC-архитектур следует отметить наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 - 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.
Ко времени завершения университетских проектов (1983-1984 гг.) обозначился также прорыв в технологии изготовления сверхбольших интегральных схем. Простота архитектуры и ее эффективность, подтвержденная этими проектами, вызвали большой интерес в компьютерной индустрии и с 1986 года началась активная промышленная реализация архитектуры RISC. К настоящему времени эта архитектура прочно занимает лидирующие позиции на мировом компьютерном рынке рабочих станций и серверов.
Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд. Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники для повышения производительности, обычно применяемой в процессорах RISC: реализацию задержанных переходов и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.
Следует отметить, что в последних разработках компании Intel (имеется в виду Pentium P54C и процессор следующего поколения P6), а также ее последователей-конкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются. Однако сложность архитектуры и системы команд x86 остается и является главным фактором, ограничивающим производительность процессоров на ее основе.
Методы адресации и типы данных
Методы адресации
В машинах к регистрами общего назначения метод (или режим) адресации объектов, с которыми манипулирует команда, может задавать константу, регистр или ячейку памяти. Для обращения к ячейке памяти процессор прежде всего должен вычислить действительный или эффективный адрес памяти, который определяется заданным в команде методом адресации.
На рис. 4.1 представлены все основные методы адресации операндов, которые реализованы в компьютерах, рассмотренных в настоящем обзоре. Адресация непосредственных данных и литеральных констант обычно рассматривается как один из методов адресации памяти (хотя значения данных, к которым в этом случае производятся обращения, являются частью самой команды и обрабатываются в общем потоке команд). Адресация регистров, как правило, рассматривается отдельно. В данном разделе методы адресации, связанные со счетчиком команд (адресация относительно счетчика команд) рассматриваются отдельно. Этот вид адресации используется главным образом для определения программных адресов в командах передачи управления.
На рисунке на примере команды сложения (Add) приведены наиболее употребительные названия методов адресации, хотя при описании архитектуры в документации разные производители используют разные названия для этих методов. На этом рисунке знак "(" используется для обозначения оператора присваивания, а буква М обозначает память (Memory). Таким образом, M обозначает содержимое ячейки памяти, адрес которой определяется содержимым регистра R1.
Использование сложных методов адресации позволяет существенно сократить количество команд в программе, но при этом значительно увеличивается сложность аппаратуры. Возникает вопрос, а как часто эти методы адресации используются в реальных программах? На рис. 4.2 представлены результаты измерений частоты использования различных методов адресации на примере трех популярных программ (компилятора с языка Си GCC, текстового редактора TeX и САПР Spice), выполненных на компьютере VAX.
| Метод адресации | Пример команды |
Смысл
команды метода |
Использование | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Регистровая | Add R4,R3 | R4(R4+R5 | Требуемое значение в регистре | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Непосредственная или литеральная | Add R4,#3 | R4(R4+3 | Для задания констант | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Базовая со смещением | Add R4,100(R1) | R4(R4+M | Для обращения к локальным переменным |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Косвенная регистровая | Add R4,(R1) | R4(R4+M | Для обращения по указателю или вычисленному адресу | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Индексная | Add R3,(R1+R2) | R3(R3+M | Иногда полезна при работе с массивами: R1 - база, R3 - индекс | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Прямая или абсолютная |
Add R1,(1000) | R1(R1+M | Иногда полезна для обращения к статическим данным | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Косвенная | Add R1,@(R3) | R1(R1+M] | Если R3-адрес указателя p, то выбирается значение по этому указателю | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Автоинкрементная | Add R1,(R2)+ | R1(R1+M R2(R2+d |
Полезна для прохода в
цикле по массиву с шагом: R2 -
начало массива В каждом цикле R2 получает приращение d |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Автодекрементная | Add R1,(R2)- | R2(R2-d R1(R1+M |
Аналогична
предыдущей Обе могут использоваться для реализации стека |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Базовая индексная со смещением и масштабированием | Add R1,100(R2) | R1( R1+M+R2+R3*d |
Для индексации массивов | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис. 4.1. Методы адресации
Рис. 4.2. Частота использования различных методов адресации на программах TeX, Spice, GCC
Из этого рисунка видно, что непосредственная адресация и базовая со смещением доминируют.
При этом основной вопрос, который возникает для метода базовой адресации со смещением, связан с длиной (разрядностью) смещения. Выбор длины смещения в конечном счете определяет длину команды. Результаты измерений показали, что в подавляющем большинстве случаев длина смещения не превышает16 разрядов.
Этот же вопрос важен и для непосредственной адресации. Непосредственная адресация используется при выполнении арифметических операций, операций сравнения, а также для загрузки констант в регистры. Результаты анализа статистики показывают, что в подавляющем числе случаев 16 разрядов оказывается вполне достаточно (хотя для вычисления адресов намного реже используются и более длинные константы).
Важным вопросом построения любой системы команд является оптимальное кодирование команд. Оно определяется количеством регистров и применяемых методов адресации, а также сложностью аппаратуры, необходимой для декодирования. Именно поэтому в современных RISC-архитектурах используются достаточно простые методы адресации, позволяющие резко упростить декодирование команд. Более сложные и редко встречающиеся в реальных программах методы адресации реализуются с помощью дополнительных команд, что вообще говоря приводит к увеличению размера программного кода. Однако такое увеличение длины программы с лихвой окупается возможностью простого увеличения тактовой частоты RISC-процессоров. Этот процесс мы можем наблюдать сегодня, когда максимальные тактовые частоты практически всех RISC-процессоров (Alpha, R4400, Hyper SPARC и Power2) превышают тактовую частоту, достигнутую процессором Pentium.
Типы команд
Команды традиционного машинного уровня можно разделить на несколько типов, которые показаны на рис. 4.3.
| Тип операции | Примеры | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Арифметические и логические | Целочисленные арифметические и логические операции: сложение, вычитание, логическое сложение, логическое умножение и т.д. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Пересылки данных | Операции загрузки/записи | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Управление потоком команд | Безусловные и условные переходы, вызовы процедур и возвраты | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Системные операции | Системные вызовы, команды управления виртуальной памятью и т.д. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Операции с плавающей точкой | Операции сложения, вычитания, умножения и деления над вещественными числами | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Десятичные операции | Десятичное сложение, умножение, преобразование форматов и т.д. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Операции над строками | Пересылки, сравнения и поиск строк | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис. 4.3. Основные типы команд
Команды управления потоком команд
В английском языке для указания команд безусловного перехода, как правило, используется термин jump , а для команд условного перехода - термин branch , хотя разные поставщики необязательно придерживаются этой терминологии. Например компания Intel использует термин jump и для условных, и для безусловных переходов. Можно выделить четыре основных типа команд для управления потоком команд: условные переходы, безусловные переходы, вызовы процедур и возвраты из процедур.
Частота использования этих команд по статистике примерно следующая. В программах доминируют команды условного перехода. Среди указанных команд управления на разных программах частота их использования колеблется от 66 до 78%. Следующие по частоте использования - команды безусловного перехода (от 12 до 18%). Частота переходов на выполнение процедур и возврата из них составляет от 10 до 16%.
При этом примерно 90% команд безусловного перехода выполняются относительно счетчика команд. Для команд перехода адрес перехода должен быть всегда заранее известным. Это не относится к адресам возврата, которые не известны во время компиляции программы и должны определяться во время ее работы. Наиболее простой способ определения адреса перехода заключается в указании его положения относительно текущего значения счетчика команд (с помощью смещения в команде), и такие переходы называются переходами относительно счетчика команд. Преимуществом такого метода адресации является то, что адреса переходов, как правило, расположены недалеко от текущего адреса выполняемой команды и указание относительно текущего значения счетчика команд требует небольшого количества бит в смещении. Кроме того, использование адресации относительно счетчика команд позволяет программе выполняться в любом месте памяти, независимо от того, куда она была загружена. То есть этот метод адресации позволяет автоматически создавать перемещаемые программы.
Реализация возвратов и переходов по косвенному адресу, в которых адрес не известен во время компиляции программы, требует методов адресации, отличных от адресации относительно счетчика команд. В этом случае адрес перехода должен определяться динамически во время работы программы. Наиболее простой способ заключается в указании регистра для хранения адреса возврата, либо для перехода может разрешаться любой метод адресации для вычисления адреса перехода.
Одним из ключевых вопросов реализации команд перехода состоит в том, насколько далеко целевой адрес перехода находится от самой команды перехода? И на этот вопрос статистика использования команд дает ответ: в подавляющем большинстве случаев переход идет в пределах 3 - 7 команд относительно команды перехода, причем в 75% случаев выполняются переходы в направлении увеличения адреса, т.е. вперед по программе.
Поскольку большинство команд управления потоком команд составляют команды условного перехода, важным вопросом реализации архитектуры является определение условий перехода. Для этого используются три различных подхода. При первом из них в архитектуре процессора предусматривается специальный регистр, разряды которого соответствуют определенным кодам условий. Команды условного перехода проверяют эти условия в процессе своего выполнения. Преимуществом такого подхода является то, что иногда установка кода условия и переход по нему могут быть выполнены без дополнительных потерь времени, что, впрочем, бывает достаточно редко. А недостатками такого подхода является то, что, во-первых, появляются новые состояния машины, за которыми необходимо следить (упрятывать при прерывании и восстанавливать при возврате из него). Во-вторых, и что очень важно для современных высокоскоростных конвейерных архитектур, коды условий ограничивают порядок выполнения команд в потоке, поскольку их основное назначение заключается в передаче кода условия команде условного перехода.
Второй метод заключается в простом использовании произвольного регистра (возможно одного выделенного) общего назначения. В этом случае выполняется проверка состояния этого регистра, в который предварительно помещается результат операции сравнения. Недостатком этого подхода является необходимость выделения в программе для анализа кодов условий специального регистра.
Третий метод предполагает объединение команды сравнения и перехода в одной команде. Недостатком такого подхода является то, что эта объединенная команда довольно сложна для реализации (в одной команде надо указать и тип условия, и константу для сравнения и адрес перехода). Поэтому в таких машинах часто используется компромиссный вариант, когда для некоторых кодов условий используются такие команды, например, для сравнения с нулем, а для более сложных условий используется регистр условий. Часто для анализа результатов команд сравнения для целочисленных операций и для операций с плавающей точкой используется разная техника, хотя это можно объяснить и тем, что в программах количество переходов по условиям выполнения операций с плавающей точкой значительно меньше общего количества переходов, определяемых результатами работы целочисленной арифметики.
Одним из наиболее заметных свойств большинства программ является преобладание в них сравнений на условие равно/неравно и сравнений с нулем. Поэтому в ряде архитектур такие команды выделяются в отдельный поднабор, особенно при использовании команд типа "сравнить и перейти".
Говорят, что переход выполняется, если истинным является условие, которое проверяет команда условного перехода. В этом случае выполняется переход на адрес, заданный командой перехода. Поэтому все команды безусловного перехода всегда выполняемые. По статистике оказывается, что переходы назад по программе в большинстве случаев используются для организации циклов, причем примерно 60% из них составляют выполняемые переходы. В общем случае поведение команд условного перехода зависит от конкретной прикладной программы, однако иногда сказывается и зависимость от компилятора. Такие зависимости от компилятора возникают вследствие изменений потока управления, выполняемого оптимизирующими компиляторами для ускорения выполнения циклов.
Вызовы процедур и возвраты предполагают передачу управления и возможно сохранение некоторого состояния. Как минимум, необходимо уметь где-то сохранять адрес возврата. Некоторые архитектуры предлагают аппаратные механизмы для сохранения состояния регистров, в других случаях предполагается вставка в программу команд самим компилятором. Имеются два основных вида соглашений относительно сохранения состояния регистров. Сохранение вызывающей (caller saving) программой означает, что вызывающая процедура должна сохранять свои регистры, которые она хочет использовать после возврата в нее. Сохранение вызванной процедурой предполагает, что вызванная процедура должна сохранить регистры, которые она собирается использовать. Имеются случаи, когда должно использоваться сохранение вызывающей процедурой для обеспечения доступа к глобальным переменным, которые должны быть доступны для обеих процедур.
Типы и размеры операндов
Имеется два альтернативных метода определения типа операнда. В первом из них тип операнда может задаваться кодом операции в команде. Это наиболее употребительный способ задания типа операнда. Второй метод предполагает указание типа операнда с помощью тега, который хранится вместе с данными и интерпретируется аппаратурой во время выполнения операций над данными. Этот метод использовался, например, в машинах фирмы Burroughs, но в настоящее время он практически не применяется и все современные процессоры пользуются первым методом.
Обычно тип операнда (например, целый, вещественный с одинарной точностью или символ) определяет и его размер. Однако часто процессоры работают с целыми числами длиною 8, 16, 32 или 64 бит. Как правило целые числа представляются в дополнительном коде. Для задания символов (1 байт = 8 бит) в машинах компании IBM используется код EBCDIC, но в машинах других производителей почти повсеместно применяется кодировка ASCII. Еще до сравнительно недавнего времени каждый производитель процессоров пользовался своим собственным представлением вещественных чисел (чисел с плавающей точкой). Однако за последние несколько лет ситуация изменилась. Большинство поставщиков процессоров в настоящее время для представления вещественных чисел с одинарной и двойной точностью придерживаются стандарта IEEE 754.
В некоторых процессорах используются двоично кодированные десятичные числа, которые представляются в в упакованном и неупакованном форматах. Упакованный формат предполагает, что для кодирования цифр 0-9 используются 4 разряда и что две десятичные цифры упаковываются в каждый байт. В неупакованном формате байт содержит одну десятичную цифру, которая обычно изображается в символьном коде ASCII.
В большинстве процессоров, кроме того, реализуются операции над цепочками (строками) бит, байт, слов и двойных слов.
2. Эпохи и стили архитектуры
3. Архитектура как памятник культуры и истории
Заключение
Список литературы
Введение
Как известно, сформулированный в свое время Г. Гегелем закон неравномерности развития, видов искусства проявляется в том, что иерархия видов искусства весьма подвижна и часто слабо связана с изменениями в социально-политических и экономических аспектах общественной жизни. В результате в культурном поле появляется доминирующий вид искусства, который в той или иной мере «настраивает» художественную деятельность в целом, накладывая на нее отпечаток своей специфики.
Выдвижение определенного вида искусства на вершину иерархии, видимо, связано с его способностью наиболее полно и адекватно представить господствующую в обществе картину мира. Так, например, средневековой картине мира с ослабленной временной координатой полнее всего отвечают пространственные виды искусства - храмы, украшенные скульптурой. Доминирующее положение в картине мира современного человека фактора времени приводит к выдвижению на первый план временных и пространственно-временных видов искусства.
Но в каждый момент времени художественная культура представляет собой динамичную и самосогласованную систему с взаимодействующими между собой элементами. В результате появления новых элементов - например, видов искусства, основанных на достижениях научно технического прогресса - меняется структура системы культуры и функции отдельных ее элементов, но в том или ином виде все элементы культуры, включая и самые архаичные, все же сохраняются, хотя, может быть, и в измененном виде.
Цель данной работы – рассмотреть один из пространственных видов искусства – архитектуру.
Выявить понятие и сущность архитектуры;
Рассмотреть развитие архитектуры в различные исторические периоды;
Изучить вопросы архитектуры как культурного памятника.
1. Понятие и сущность архитектуры
Архитектура - художественно-образная организация пространства на основе строительных конструкций. Следует отличать утилитарное строительство и соответствующее этой технической деятельности понятие конструкции от архитектуры как художественного творчества в камне, дереве и глине. Архитектор оперирует понятием композиция и использует выразительные (композиционные) средства: метр и ритм, симметрию и асимметрию, отношения величин и пропорции. Этим средствам соответствуют приемы акцентирования, уравновешивания, пропорционирования.
Архитектуру относят к бифункциональным (двойственным) искусствам, в композиции которых соединяются утилитарная и художественная функции. Их сочетание и взаимодействие определяются жанром архитектурного творчества (сакральная, или храмовая, архитектура, дворцовые, жилые здания, технические сооружения).
Архитектуру также относят к пространственным видам искусства, точнее было бы сказать - к пространственно-временным, поскольку архитектор организует массы, объемы, линии, силуэты не только в трехмерном пространстве, но и во времени восприятия композиции зрителем. Только в движении, то есть во времени и направленности разворачивания композиции в пространстве, при меняющихся в определенной последовательности точках зрения, прохождении зрителем вдоль, вокруг и внутрь здания, раскрывается замысел, идея и художественный образ архитектурной композиции. В этом смысле, как отмечал теоретик архитектуры А. И. Некрасов, не камень или дерево, а пространство и время являются композиционным материалом, главным же художественным средством - организация движения .
Соответственно этому все архитектурные композиции можно разделить на два типа: «пребывания в пространстве» и «продвижения в пространстве». К первому типу относят центрические и зальные композиции, ко второму - аллеи, галереи, анфилады, аркады. Отнесение архитектуры к «неизобразительным искусствам» весьма спорно. В сравнении с живописью, скульптурой, графикой архитектор действительно (за исключением декоративных деталей) не изображает конкретные предметы. Зато архитектура способна не только выражать, но и изображать абстрактные, возвышенные идеи и образы: вознесения, возвышения духа, полета души, силы, мощи, спокойствия, уверенности. Такие образы передать непосредственно, минуя эзопов язык аллегорий, не может ни живописец, ни скульптор. Поэтому Б. Р. Виппер называл архитектуру «в высшей степени изобразительным искусством» . Художественный смысл искусства архитектуры заключается, таким образом, в преображении утилитарной строительной конструкции в композицию. К примеру, опорный столб, выдерживающий тяжесть перекрытия, представляет собой оптимальную, прочную и надежную строительную конструкцию, а колонна, выражающая идею духовного сопротивления тяжести и вознесения к небу, есть архитектурный образ, композиция.
Внешне эти формы выглядят почти одинаково, но содержание их различно. Это различие определяется в теории архитектуры понятием ордера. Здесь и проходят границы архитектуры как художественного творчества. Отсюда также традиционные сравнения архитектуры с космосом, возникающим из хаоса, «очеловеченной материей», каменной книгой человечества, застывшей музыкой.
2. Эпохи и стили архитектуры
Итальянское Возрождение – переломная эпоха в развитии искусства конца XV - начала XVI в. В архитектуре ознаменовалась обращением к античному наследию и переосмыслением архитектурных композиций Древнего Рима, в первую очередь ордерной системы. Архитектура Итальянского Возрождения включает два основных периода: флорентийский (вторая половина XV в., или кватроченто, - «четырехсотые годы») и римский (начало XVI в., или чинквеченто, - «пятисотые годы»). Французское название эпохи - Ренессанс. Флорентийский период, или тосканское Возрождение, отмечен влияниями средневековых традиций и новаторской деятельностью Ф.Брунеллески, впервые в итальянской архитектуре соединившего римскую арку с арабским приемом опоры арок непосредственно на капители колонн. Крупнейшим теоретиком архитектуры был Л. Б. Альберти. Римский период начался с деятельности Д. Браманте - автора первого проекта храма Св. Петра в Риме.
В архитектуре Итальянского Возрождения разработаны новые типы зданий: палаццо (городской дворец), центрический храм, загородная вилла, а также композиционные приемы. По-особенному складывалось развитие архитектуры в других городах Италии, например в Венеции. Благодаря творчеству Д. Браманте, Рафаэля, А. Палладио в XVI в. в Италии были созданы основы архитектуры Классицизма, но уже с середины XVI в., прежде всего в творчестве Микеланджело, формируется стиль Барокко, другие зодчие склоняются к Маньеризму . Итальянское Возрождение включает в себя различные традиции, тенденции развития, художественные направления и стили. Следовательно, словосочетание «Итальянское Возрождение» не является названием стиля, а только обозначает определенную историческую эпоху.
Классицизм – художественное направление, ориентированное на рациональное композиционное мышление, нормы ясности, целостности, простоты, уравновешенности, тектоничности, статичности и замкнутости формы. В большинстве случаев в качестве образца выбирается искусство античной классики. В истории архитектуры нормы Классицизма сложились в эпоху Высокого Возрождения в Италии (начало XVI в.), программно в качестве художественного направления были оформлены в искусстве Франции второй половины XVII в. Поэтому западноевропейская архитектура классицизма второй половины XVIII в. («вторая волна» Классицизма) называется Неоклассицизмом. В Италии, Франции, Германии, России художественное направление Классицизма порождало в различные исторические периоды разные историко-региональные художественные стили классицистической архитектуры .
Неоклассицизм – историко-региональный стиль классицизма, получивший распространение в Италии и Франции во второй половине XVIII в. (в этих странах классицистический стиль возникал не впервые, отсюда название). В русской архитектуре этот же период принято именовать Классицизмом (неоклассическое течение в России сформировалось в начале XX в).
Готика - художественный стиль западноевропейской архитектуры XIII-XV вв. Связан в первую очередь с изменениями композиции средневековых кафедральных соборов. Название возникло позднее, в эпоху Итальянского Возрождения (готами древние римляне называли германские племена «к северу от Альп»). Новшества готического стиля связаны с деятельностью аббата Сюжера в церкви Сен-Дени к северу от Парижа (1136-1140), строительством собора в Дареме, Англия (ок. 1133), собора Нотр-Дам (Парижской Богоматери). Стремительный рост населения европейских городов в XII- XIII вв. требовал возведения больших кафедральных соборов (чтобы под их сводами смогло собраться на воскресную мессу все население города). Однако простое увеличение размеров приводило к обрушению тяжелых каменных сводов из-за усиления бокового распора, действующего на стены. Требовалась новая конструкция.
Постепенно, опытным путем, облегчая своды введением каркаса из нервюр (франц. - ребро), системы наружных опор из контрфорсов (франц. – «противосила») и аркбутанов (франц. - арка + связка, крайняя опора), удалось значительно ослабить боковой распор. Тяжесть сводов передавалась с помощью аркбутанов (в форме полуарки) на контрфорсы - ряды опорных столбов, вынесенных за пределы объема здания. Это позволило значительно увеличить пространство храма, а внутренние опоры превратить в тонкие пучки колонн. Стены освобождались от нагрузки, появилась возможность прорезать их большими окнами - так возникли готические витражи. Пространство стало легким и светлым. 150-метровая длина собора, высота сводов 40-50 м, высота башен 80 м становились нормой. Каменные своды неимоверной тяжестью давили вниз, но человек, находящийся внутри, видел только уносящиеся вверх тонкие пучки колонн, теряющиеся в вышине нервюры, яркие потоки света, льющиеся сквозь цветные стекла витражей. Так возникал художественный образ вознесения души к небу - образ, противоположный прозаическому действию строительной конструкции, уравновешивающей силы, направленной сверху вниз. Поэтому готический стиль - яркий пример метафизики искусства архитектуры, художественного преображения строительной конструкции.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
Среднего профессионального образования
«Орский индустриальный колледж»
ОБЗОРНЫЕ ЛЕКЦИИ
И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ И СЕТЕВОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
(наименование дисциплины)
Для специальности 080802 Прикладная информатика (по отраслям)
базовый
(уровень СПО)
Заместитель директора по учебной работе
В области информационных технологий обучения
ГОУ СПО «Орский индустриальный колледж» Черников Е.В.
Преподаватель ГОУ СПО «Орский индустриальный колледж» Катугин А.П.
Введение
Курс представляет собой введение в сетевую тематику и дает базовые знания по организации и функционированию сетей. В лекциях даны общие понятия компьютерных сетей, их структуры, сетевых компонентов в простой и доступной форме. Здесь приведены виды топологии, используемые для физического соединения компьютеров в сети, методы доступа к каналу связи, физические среды передачи данных. Передача данных в сети рассматривается на базе эталонной базовой модели, разработанной Международной организацией по стандартам взаимодействия открытых сетей. Описываются правила и процедуры передачи данных между информационными системами. Приводятся типы сетевого оборудования, их назначение и принципы работы. Описывается сетевое программное обеспечение, используемое для организации сетей. Изучаются наиболее популярные сетевые операционные системы, их достоинства и недостатки. Рассматриваются принципы межсетевого взаимодействия. Приводятся основные понятия из области сетевой безопасности.
Для подготовки курса проработан большой объем информации, расположенной на информационно-поисковых серверах Internet, и использовалась литература, приведенная в списке.
Правила выполнения лабораторных работ
Лабораторные работы выполняются каждым студентом самостоятельно в полном объеме и согласно содержанию методических указаний.
Перед выполнением работы студент должен отчитаться перед преподавателем за выполнение предыдущей работы (сдать отчет).
Студент должен на уровне понимания и воспроизведения предварительно усвоить необходимую для выполнения лабораторных работ теоретическую и практическую информацию.
Студент, получивший положительную оценку и сдавший отчет по предыдущей лабораторной работе, допускается к выполнению следующей работы.
Студент, пропустивший лабораторную работу по уважительной либо неуважительной причине, закрывает задолженность в процессе выполнения последующих практических работ.
ОБЗОРНАЯ ЛЕКЦИЯ №1
Основные определения и термины. Архитектура сетей.
Сеть – это совокупность объектов, образуемых устройствами передачи и обработки данных. Международная организация по стандартизации определила вычислительную сеть как последовательную бит-ориентированную передачу информации между связанными друг с другом независимыми устройствами.
Сети обычно находится в частном ведении пользователя и занимают некоторую территорию и по территориальному признаку разделяются на:
Локальные вычислительные сети (ЛВС) или Local Area Network (LAN), расположенные в одном или нескольких близко расположенных зданиях. ЛВС обычно размещаются в рамках какой-либо организации (корпорации, учреждения), поэтому их называют корпоративными.
Распределенные компьютерные сети, глобальные или Wide Area Network (WAN), расположенные в разных зданиях, городах и странах, которые бывают территориальными, смешанными и глобальными. В зависимости от этого глобальные сети бывают четырех основных видов: городские, региональные, национальные и транснациональные. В качестве примеров распределенных сетей очень большого масштаба можно назвать: Internet, EUNET, Relcom, FIDO.
В состав сети в общем случае включается следующие элементы:
Сетевые компьютеры (оснащенные сетевым адаптером);
Каналы связи (кабельные, спутниковые, телефонные, цифровые, волоконно-оптические, радиоканалы и др.);
Различного рода преобразователи сигналов;
Сетевое оборудование.
Различают два понятия сети: коммуникационная сеть и информационная сеть (рис. 1.1).
Коммуникационная сеть предназначена для передачи данных, также она выполняет задачи, связанные с преобразованием данных. Коммуникационные сети различаются по типу используемых физических средств соединения.
Информационная сеть предназначена для хранения информации и состоит из информационных систем . На базе коммуникационной сети может быть построена группа информационных сетей:
Под информационной системой следует понимать систему, которая является поставщиком или потребителем информации.
Компьютерная сеть состоит из информационных систем и каналов связи .
Под информационной системой следует понимать объект, способный осуществлять хранение, обработку или передачу информация. В состав информационной системы входят: компьютеры, программы, пользователи и другие составляющие, предназначенные для процесса обработки и передачи данных. В дальнейшем информационная система, предназначенная для решения задач пользователя, будет называться – рабочая станция (client) . Рабочая станция в сети отличается от обычного персонального компьютера (ПК) наличием сетевой карты (сетевого адаптера ), канала для передачи данных и сетевого программного обеспечения.
Рис. 0.1 Информационные и коммуникационные сети
Под каналом связи следует понимать путь или средство, по которому передаются сигналы. Средство передачи сигналов называют абонентским, или физическим, каналом .
Каналы связи (data link) создаются по линиям связи при помощи сетевого оборудования и физических средств связи. Физические средства связи построены на основе витых пар, коаксиальных кабелей, оптических каналов или эфира. Между взаимодействующими информационными системами через физические каналы коммуникационной сети и узлы коммутации устанавливаются логические каналы.
Логический канал – это путь для передачи данных от одной системы к другой. Логический канал прокладывается по маршруту в одном или нескольких физических каналах. Логический канал можно охарактеризовать, как маршрут, проложенный через физические каналы и узлы коммутации.
Информация в сети передается блоками данных по процедурам обмена между объектами. Эти процедуры называют протоколами передачи данных.
Протокол – это совокупность правил, устанавливающих формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими устройствами.
Загрузка сети характеризуется параметром, называемым трафиком . Трафик (traffic) – это поток сообщений в сети передачи данных. Под ним понимают количественное измерение в выбранных точках сети числа проходящих блоков данных и их длины, выраженное в битах в секунду.
Существенное влияние на характеристику сети оказывает метод доступа . Метод доступа – это способ определения того, какая из рабочих станций сможет следующей использовать канал связи и как управлять доступом к каналу связи (кабелю).
В сети все рабочие станции физически соединены между собою каналами связи по определенной структуре, называемой топологией . Топология – это описание физических соединений в сети, указывающее какие рабочие станции могут связываться между собой. Тип топологии определяет производительность, работоспособность и надежность эксплуатации рабочих станций, а также время обращения к файловому серверу. В зависимости от топологии сети используется тот или иной метод доступа.
Состав основных элементов в сети зависит от ее архитектуры. Архитектура – это концепция, определяющая взаимосвязь, структуру и функции взаимодействия рабочих станций в сети. Она предусматривает логическую, функциональную и физическую организацию технических и программных средств сети. Архитектура определяет принципы построения и функционирования аппаратного и программного обеспечения элементов сети.
В основном выделяют три вида архитектур: архитектура терминал – главный компьютер , архитектура клиент – сервер и одноранговая архитектура.
Современные сети можно классифицировать по различным признакам: по удаленности компьютеров, топологии, назначению, перечню предоставляемых услуг, принципам управления (централизованные и децентрализованные), методам коммутации, методам доступа, видам среды передачи, скоростям передачи данных и т. д. Все эти понятия будут рассмотрены более подробно при дальнейшем изучении курса.
Архитектура сети определяет основные элементы сети, характеризует ее общую логическую организацию, техническое обеспечение, программное обеспечение, описывает методы кодирования. Архитектура также определяет принципы функционирования и интерфейс пользователя.
В данном курсе будет рассмотрено три вида архитектур:
Архитектура терминал – главный компьютер;
Одноранговая архитектура;
Архитектура клиент – сервер.
Архитектура терминал – главный компьютер
Архитектура терминал – главный компьютер (terminal – host computer architecture) – это концепция информационной сети, в которой вся обработка данных осуществляется одним или группой главных компьютеров.
Рис. 0.2 Архитектура терминал – главный компьютер
Рассматриваемая архитектура предполагает два типа оборудования:
Главный компьютер, где осуществляется управление сетью, хранение и обработка данных.
Терминалы, предназначенные для передачи главному компьютеру команд на организацию сеансов и выполнения заданий, ввода данных для выполнения заданий и получения результатов.
Классический пример архитектуры сети с главными компьютерами – системная сетевая архитектура (System Network Architecture – SNA).
Одноранговая архитектура
Одноранговая архитектура (peer-to-peer architecture) – это концепция информационной сети, в которой ее ресурсы рассредоточены по всем системам. Данная архитектура характеризуется тем, что в ней все системы равноправны.
К одноранговым сетям относятся малые сети, где любая рабочая станция может выполнять одновременно функции файлового сервера и рабочей станции. В одноранговых ЛВС дисковое пространство и файлы на любом компьютере могут быть общими. Чтобы ресурс стал общим, его необходимо отдать в общее пользование, используя службы удаленного доступа сетевых одноранговых операционных систем. В зависимости от того, как будет установлена защита данных, другие пользователи смогут пользоваться файлами сразу же после их создания. Одноранговые ЛВС достаточно хороши только для небольших рабочих групп.
Рис. 0.3 Одноранговая архитектура
Одноранговые ЛВС являются наиболее легким и дешевым типом сетей для установки. Они на компьютере требуют, кроме сетевой карты и сетевого носителя, только операционной системы Windows 95 или Windows for Workgroups. При соединении компьютеров, пользователи могут предоставлять ресурсы и информацию в совместное пользование.
Одноранговые сети имеют следующие преимущества:
Они легки в установке и настройке;
Отдельные ПК не зависят от выделенного сервера;
Пользователи в состоянии контролировать свои ресурсы;
Малая стоимость и легкая эксплуатация;
Минимум оборудования и программного обеспечения;
Нет необходимости в администраторе;
Хорошо подходят для сетей с количеством пользователей, не превышающим десяти.
Проблемой одноранговой архитектуры является ситуация, когда компьютеры отключаются от сети. В этих случаях из сети исчезают виды сервиса , которые они предоставляли. Сетевую безопасность одновременно можно применить только к одному ресурсу, и пользователь должен помнить столько паролей, сколько сетевых ресурсов. При получении доступа к разделяемому ресурсу ощущается падение производительности компьютера. Существенным недостатком одноранговых сетей является отсутствие централизованного администрирования.
Использование одноранговой архитектуры не исключает применения в той же сети также архитектуры «терминал – главный компьютер» или архитектуры «клиент – сервер».
Архитектура клиент – сервер
Архитектура клиент – сервер (client-server architecture) – это концепция информационной сети, в которой основная часть ее ресурсов сосредоточена в серверах, обслуживающих своих клиентов (рис. 1.4). Рассматриваемая архитектура определяет два типа компонентов: серверы и клиенты .
Сервер - это объект, предоставляющий сервис другим объектам сети по их запросам. Сервис – это процесс обслуживания клиентов.
Рис. 0.4 Архитектура клиент – сервер
Сервер работает по заданиям клиентов и управляет выполнением их заданий. После выполнения каждого задания сервер посылает полученные результаты клиенту, пославшему это задание.
Сервисная функция в архитектуре клиент – сервер описывается комплексом прикладных программ, в соответствии с которым выполняются разнообразные прикладные процессы.
Процесс, который вызывает сервисную функцию с помощью определенных операций, называется клиентом . Им может быть программа или пользователь. На рис. 1.5 приведен перечень сервисов в архитектуре клиент – сервер.
Клиенты – это рабочие станции, которые используют ресурсы сервера и предоставляют удобные интерфейсы пользователя . Интерфейсы пользователя это процедуры взаимодействия пользователя с системой или сетью.
Клиент является инициатором и использует электронную почту или другие сервисы сервера. В этом процессе клиент запрашивает вид обслуживания, устанавливает сеанс, получает нужные ему результаты и сообщает об окончании работы.
Рис. 0.5 Модель клиент-сервер
В сетях с выделенным файловым сервером на выделенном автономном ПК устанавливается серверная сетевая операционная система. Этот ПК становится сервером. Программное обеспечение (ПО ), установленное на рабочей станции, позволяет ей обмениваться данными с сервером. Наиболее распространенные сетевые операционная системы:
NetWare фирмы Novel;
Windows NT фирмы Microsoft;
UNIX фирмы AT&T;
Помимо сетевой операционной системы необходимы сетевые прикладные программы, реализующие преимущества, предоставляемые сетью.
Сети на базе серверовимеют лучшие характеристики и повышенную надежность. Сервервладеет главными ресурсами сети,к которым обращаются остальные рабочие станции.
В современной клиент – серверной архитектуре выделяется четыре группы объектов: клиенты, серверы, данные и сетевые службы. Клиенты располагаются в системах на рабочих местах пользователей. Данные в основном хранятся в серверах. Сетевые службы являются совместно используемыми серверами и данными. Кроме того службы управляют процедурами обработки данных.
Сети клиент – серверной архитектуры имеют следующие преимущества:
Позволяют организовывать сети с большим количеством рабочих станций;
Обеспечивают централизованное управление учетными записями пользователей, безопасностью и доступом, что упрощает сетевое администрирование;
Эффективный доступ к сетевым ресурсам;
Пользователю нужен один пароль для входа в сеть и для получения доступа ко всем ресурсам, на которые распространяются права пользователя.
Наряду с преимуществами сети клиент – серверной архитектуры имеют и ряд недостатков:
Неисправность сервера может сделать сеть неработоспособной, как минимум потерю сетевых ресурсов;
Требуют квалифицированного персонала для администрирования;
Имеют более высокую стоимость сетей и сетевого оборудования.
Выбор архитектуры сети
Выбор архитектуры сети зависит от назначения сети, количества рабочих станций и от выполняемых на ней действий.
Следует выбрать одноранговую сеть, если:
Количество пользователей не превышает десяти;
Все машины находятся близко друг от друга;
Имеют место небольшие финансовые возможности;
Нет необходимости в специализированном сервере, таком как сервер БД, факс-сервер или какой-либо другой;
Нет возможности или необходимости в централизованном администрировании.
Следует выбрать клиент серверную сеть, если:
Количество пользователей превышает десяти;
Требуется централизованное управление, безопасность, управление ресурсами или резервное копирование;
Необходим специализированный сервер;
Нужен доступ к глобальной сети;
Требуется разделять ресурсы на уровне пользователей.
ОБЗОРНАЯ ЛЕКЦИЯ №2
Семиуровневая модель OSI.
Для единого представления данных в сетях с неоднородными устройствами и программным обеспечением международная организация по стандартам ISO (International Standardization Organization) разработала базовую модель связи открытых систем OSI (Open System Interconnection). Эта модель описывает правила и процедуры передачи данных в различных сетевых средах при организации сеанса связи. Основными элементами модели являются уровни, прикладные процессы и физические средства соединения. На рис. 2.1 представлена структура базовой модели. Каждый уровень моделиOSI выполняет определенную задачу в процессе передачи данных по сети. Базовая модель является основой для разработки сетевых протоколов. OSI разделяет коммуникационные функции в сети на семь уровней, каждый из которых обслуживает различные части процесса области взаимодействия открытых систем.
Рис. 0.2 Модель OSI
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, не касаясь приложений конечных пользователей. Приложения реализуют свои собственные протоколы взаимодействия, обращаясь к системным средствам. Если приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI, то для обмена данными оно обращается напрямую к системным средствам, выполняющим функции оставшихся нижних уровней модели OSI.
Модель OSI можно разделить на две различных модели, как показано на рис.2.2:
Горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах;
Вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине.
Рис. 0.2 Схема взаимодействия компьютеров в базовой эталонной модели OSI
Каждый уровень компьютера–отправителя взаимодействует с таким же уровнем компьютера-получателя, как будто он связан напрямую. Такая связь называется логической или виртуальной связью. В действительности взаимодействие осуществляется между смежными уровнями одного компьютера.
Итак, информация на компьютере-отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по физической среде до компьютера–получателя и опять проходит сквозь все слои, пока не доходит до того же уровня, с которого она была послана на компьютере-отправителе.
В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной модели соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов прикладных программ API (Application Programming Interface).
Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет (packet) – это единица информации, передаваемая между станциями сети. При отправке данных пакет проходит последовательно через все уровни программного обеспечения. На каждом уровне к пакету добавляется управляющая информация данного уровня (заголовок), которая необходима для успешной передачи данных по сети, как это показано на рис. 2.3, где Заг – заголовок пакета, Кон – конец пакета.
На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. На каждом уровне протокол этого уровня читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до Прикладного уровня, вся управляющая информация будет удалена из пакета, и данные примут свой первоначальный вид.
Рис. 0.3 Формирование пакета каждого уровня семиуровневой модели
Каждый уровень модели выполняет свою функцию. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает.
Отдельные уровни модели OSI удобно рассматривать как группы программ , предназначенных для выполнения конкретных функций . Один уровень, к примеру, отвечает за обеспечение преобразования данных из ASCII в EBCDIC и содержит программы необходимые для выполнения этой задачи.
Каждый уровень обеспечивает сервис для вышестоящего уровня, запрашивая в свою очередь, сервис у нижестоящего уровня. Верхние уровни запрашивают сервис почти одинаково: как правило, это требование маршрутизации каких-то данных из одной сети в другую. Практическая реализация принципов адресации данных возложена на нижние уровни.
Рассматриваемая модель определяет взаимодействие открытых систем разных производителей в одной сети. Поэтому она выполняет для них координирующие действия по:
Взаимодействию прикладных процессов;
Формам представления данных;
Единообразному хранению данных;
Управлению сетевыми ресурсами;
Безопасности данных и защите информации;
Диагностике программ и технических средств.
На рис. 2.4 приведено краткое описание функций всех уровней.
Рис. 0.4 Функции уровней
ОБЗОРНАЯ ЛЕКЦИЯ №3