5.4. Модели знаний

Знания – это выявленные закономерности предметной области (принципы, связи, законы), позволяющие решать задачи в этой области. Для хранения знаний используются базы знаний.

Знания могут быть классифицированы по следующим категориям:

- поверхностные – знания о видимых взаимосвязях между отдельными событиями и фактами в предметной области;

- глубинные – абстракции, аналогии, схемы, отражающие структуру и процессы в предметной области.

Существуют десятки моделей представления знаний для различных предметных областей. Большинство из них может быть сведено к следующим классам:

- продукционные;

- семантические сети;

- фреймы;

- формальные логические модели.

Продукционная модель, или модель, основанная на правилах, позволяет представить знания в виде предложений типа: Если (условие), то (действие).

Под условием понимается некоторое предложение-образец, по которому осуществля­ется поиск в базе знаний, а под действием — действия, выполняемые при успешном исходе поиска (они могут быть промежуточными, выступающими далее как условия, и терминаль­ными или целевыми, завершающими работу системы).

При использовании продукционной модели база знаний состоит из набора правил. Программа, управляющая перебором правил, называется машиной вывода. Чаще всего вывод бывает прямой (от данных к поиску цели) или обратный (от цели для ее подтвержде­ния — к данным). Данные — это исходные факты, на основании которых запускается ма­шина вывода — программа, перебирающая правила из базы.

Продукционная модель чаще всего применяется в промышленных экспертных систе­мах. Она привлекает разработчиков своей наглядностью, высокой модульностью, легкостью внесения дополнений и изменений и простотой механизма логического вывода.

Семантическая сеть — это ориентированный граф, вершины которого — понятия, а дуги — отношения между ними.

Понятиями обычно выступают абстрактные или конкретные объекты, а отношения — это связи типа: "это" ("is"), "имеет частью" ("has part"), "принадлежит", "любит". Харак­терной особенностью семантических сетей является обязательное наличие трех типов отно­шений:

- класс — элемент класса;

- свойство — значение;

- пример элемента класса.

Выделяют несколько классификаций семантических сетей:

- по количеству типов отношений (однородные – с единственным типом отношений; неоднородные – с различными типами отношений);

- по типам отношений (бинарные – в которых отношения связывают два объекта; n-арные – отношения, связывающие более двух понятий).

Наиболее часто в семантических сетях используются следующие отношения:

- связи типа “часть-целое”;

- функциональные связи;

- количественные;

- пространственные;

- временные;

- атрибутные связи;

- логические связи.

Проблема поиска решения в базе знаний типа семантической сети сводится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего некоторой подсети, соответствующей поставленному вопросу.

Основное преимущество этой модели – в соответствии современным представлениям об организации долговременной памяти человека. Недостаток модели – сложность поиска вывода на семантической сети.

Под фреймом понимается абстрактный образ или ситуация. В психологии и филосо­фии известно понятие абстрактного образа. Например, слово "комната" вызывает у слушаю­щих образ комнаты: "жилое помещение с четырьмя стенами, полом, потолком, окнами и дверью, площадью 6-20 м² ". Из этого описания ничего нельзя убрать (например, убрав окна, мы получим уже чулан, а не комнату), но в нем есть "дырки", или "слоты", — это незаполненные значения некоторых атрибутов — количество окон, цвет стен, высота потолка, покрытие пола и др.

В теории фреймов такой образ называется фреймом. Фреймом называется также и формализованная модель для отображения образа.

Структуру фрейма можно представить так:

ИМЯ ФРЕЙМА:

(имя 1-го слота: значение 1-го слота),

(имя 2-го слота: значение 2-го слота),

(имя N-ro слота: значение N-ro слота).

Различают фреймы-образцы, или прототипы, хранящиеся в базе знаний, и фреймы - экземпляры, которые создаются для отображения реальных ситуаций на ос­нове поступающих данных.

Модель фрейма является достаточно универсальной, поскольку позволяет отобразить все многообразие знаний о мире через:

- фреймы-структуры, для обозначения объектов и понятий (заем, залог, вексель);

- фреймы-роли (менеджер, кассир, клиент);

- фреймы-сценарии (банкротство, собрание акционеров, празднование именин);

- фреймы-ситуации (тревога, авария, рабочий режим устройства) и др.

Важнейшим свойством теории фреймов является заимствованное из теории семантических сетей наследование свойств.

Основным преимуществом фреймов как модели представления знаний является спо­собность отражать концептуальную основу организации памяти человека, а также ее гибкость и наглядность.

В представлении знаний выделяют формальные логические модели, основан­ные на классическом исчислении предикатов I порядка, когда предметная область или задача описывается в виде набора аксиом. Эта логическая модель применима в основном в иссле­довательских "игрушечных" системах, так как предъявляет очень высокие требования и ограничения к предметной области. В промышленных же экспертных системах используются различные ее модификации и расширения.

Модели знаний – продукционная, фреймовая, семантических сетей – обладают практически равными возможностями представления знаний. Дополнительно каждая модель знаний обладает следующими свойствами:

- продукционная модель позволяет легко расширять и усложнять множество правил вывода;

- фреймовая модель позволяет усилить вычислительные аспекты обработки знаний за счет расширения множества присоединенных процедур;

- модель семантических сетей позволяет расширять список отношений между вершинами и дугами сети, приближая выразительные возможности сети к уровню естественного языка.

РАЗДЕЛ 6. Сетевые технологии в управлении. Распределенная обработка информации

Информационное пространство любого органа власти, государственного учреждения, любой фирмы в современных условиях не может замыкаться на локальных БД, работающих на от­дельных компьютерах. Необходимо обеспечивать взаимосвязи между БД и решаемыми на их основе задачами, а также между другими цир­кулирующими информационными объектами — текстовыми докумен­тами, таблицами, графиками, видеоизображениями и др. Перечисленные проблемы разрешимы в вычислительных сетях. Основная цель создания сети – обеспечить пользователям сети потенциальную возможность совместного использования ресурсов всех компьютеров. Использование вычислительных сетей дает предприятию следующие возможности [13, 14]:

• разделение дорогостоящих ресурсов;

• совершенствование коммуникаций;

• улучшение доступа к информации;

• быстрое и качественное принятие решений;

• свободу в территориальном размещении компьютеров.

Организация вычислительной сети в органах власти и госучреждениях позволяет:

• объединить автономно распределенные процессы обработки данных;

• сформировать информационные ресурсы в единую структуру;

• объединить территориально разобщенных специалистов финансовой системы;

• наращивать мощности ЛВС по мере увеличения на нее нагрузки и т.д.

• минимизировать финансовые затраты на обработку информации при организации работы налоговых органов.

6.1. Понятие вычислительной сети

Сеть - взаимодействующая совокупность объектов, образуемых устройствами передачи и обработки данных. Вычислительная сеть – совокупность компьютеров, соединенных каналами связи. Информационная сеть - сеть для обработки, хранения и передачи данных.

Для классификации компьютерных сетей используются различные признаки, но чаще всего сети делят на типы по территориальному признаку, то есть по величине территории, которую покрывает сеть. В зависимости от территориального расположения абонентских систем вычислительные сети можно разделить на три основных класса: локальные, региональные, глобальные [13]. Четкой градации между этими категориями не существует. И для этого есть веские причины, так как отличия технологий локальных и глобальных сетей очень значительны, несмотря на их постоянное сближение.

Корпоративная вычислительная сеть объединяет между собой локальные и региональные вычислительные сети отдельных учреждений финансовой сферы и других учреждений, участвующих в информационном обмене с налоговыми органами.

Корпоративные вычислительные сети являются транспортной основой, на которой строится общее информационное пространство.

Можно сказать, что автоматизированная информационная технология состоит из совокупности локальных вычислительных сетей различных уровней, объединяемых в единый комплекс с помощью региональной телекоммуникационной системы, на базе которого строится корпоративная вычислительная сеть налоговой системы.

Глобальная вычислительная сеть объединяет компьютеры, рассредоточенные на расстоянии сотен и ты­сяч километров, и объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на различных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе существующих телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Глобальные вычислительные сети позволяют решить проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к этим ресурсам.

Наиболее популярной глобальной сетью является компьютерная сеть Internet, представляющая из себя международную ассоциацию информационных сетей.

Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Обычно расстояние абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки – сотни километров.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) объединяет абонентов, расположенных в пределах ограниченной территории. Протяженность такой сети ограничивают пределами 2 - 2,5 км. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной ычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному месту. К классу локальных вычислительных сетей относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов и т.д. ЛВС обычно строятся с использова­нием дорогих высоко-качественных линий связи, которые позволяют, применяя простые методы передачи данных, достигать высоких скоростей обмена данны­ми порядка 100 Мбит/с. Услуги, предоставляемые ЛВС, отличаются широким разно­образием и обычно предусматривают реализацию в режиме on-line.

Основными структурообразующими элементами ЛВС являются серверы. Они располагаются в отдельном помещении – информационном центре с ограниченным допуском. В качестве активных средств используется сетевое оборудование, которое позволяет строить высокопроизводительные локальные вычислительные сети с высокой степенью надежности. Доступ к локальной вычислительной сети происходит только после идентификации пользователя по его имени и паролю. Пользователи разделены на группы в соответствии со структурными подразделениями учреждения. Администрирование доступа каждой группы к информационным ресурсам ЛВС осуществляет ответственный администратор.

Дальнейшим этапом в развитии сетей явилось появление корпоративных вычислительных сетей. Кор­поративная вычислительная сеть представляет собой совокуп­ность сетевой, телекоммуникационной, программной, информационной и орга­низационной инфраструктур организации. Корпоративные сети называют также сетями масштаба предприятия. Сети масштаба пред­приятия (корпоративные сети) объединяют большое количество компьютеров на всех территориях отдельного предприятия. Они могут быть сложно связаны и по­крывать город, регион или даже континент. Число пользователей и компьютеров может измеряться тысячами, а число серверов — сотнями, расстояния между сетя­ми отдельных территорий могут оказаться такими, что становится необходимым использование глобальных связей. Для соединения удаленных локальных сетей и отдельных компьютеров в корпоративной сети применяются разнообраз­ные телекоммуникационные средства, в том числе телефонные каналы, радиокана­лы, спутниковая связь. Корпоративную сеть можно представить в виде «островков локальных сетей», плавающих в телекоммуникационной среде. Для корпоративной сети характерны:

• масштабность – тысячи пользовательских компьютеров, сотни серверов, ог­ромные объемы хранимых и передаваемых по линиям связи данных, множе­ство разнообразных приложений;

• высокая степень гетерогенности – типы компьютеров, коммуникационного оборудования, операционных систем и приложений различны. Неоднородные части корпоративной сети должны рабо­тать как единое целое, предоставляя пользователям, по возможности, прозрачный доступ ко всем необходимым ресурсам;

• использование глобальных связей – сети филиалов соединяются с помощью телекоммуникационных средств, в том числе телефонных каналов, радиока­налов, спутниковой связи.

Появление корпоративных сетей – это хорошая иллюстрация известного фило­софского постулата о переходе количества в качество. При объединении отдельных сетей крупного предприятия, имеющего филиалы в разных городах и даже стра­нах, в единую сеть многие количественные характеристики объединенной сети превосходят некоторый критический порог, за которым начинается новое каче­ство. В этих условиях существующие методы и подходы к решению традиционных задач сетей меньших масштабов для корпоративных сетей оказались непригодны­ми. Корпоративная сеть создается на многие годы вперед, капитальные затраты на ее разработку и внедрение настолько велики, что практически исключают возмож­ность полной или частичной переделки существующей сети.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии (рис. 6.1). Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам. На рис. 3.1 приведена одна из возможных иерархий вычислительных сетей. Локальные вычислительные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональные сети - объединяться в составе глобальной сети и, наконец, глобальные сети могут также образовывать сложные структуры.

Основное назначение любой компьютерной сети – предоставление информационных и вычислительных ресурсов подключенным к ней пользователям. С этой точки зрения вычислительную сеть можно рассматривать как совокупность серверов и рабочих станций.

Сервер – компьютер, подключенный к сети и обеспечивающий ее пользователей определенными услугами. Серверы могут осуществлять хранение данных, управление базами данных, удаленную обработку заданий, печать заданий и ряд других функций, потребность в которых может возникнуть у пользователей сети. Сервер – источник ресурсов сети.

Региональная сеть 2

ЛВС

ЛВС

ЛВС

Глобальная сеть

Региональная сеть 1

ЛВС

ЛВС

Рис. 6.1. Иерархия компьютерных сетей

Рабочая станция – персональный компьютер, подключенный к сети, через который пользователь получает доступ к ее ресурсам. Рабочая станция сети функционирует как в сетевом, так и в локальном режиме. Она оснащена собственной операционной системой (MS DOS, Windows и т.д.), обеспечивает пользователя всеми необходимыми инструментами для решения прикладных задач.

Особое внимание следует уделить одному из типов серверов – файловому серверу (File Server). В распространенной терминологии для него принято сокращенное название – файл-сервер.

Файл-сервер хранит данные пользователей сети и обеспечивает им доступ к этим данным. Это компьютер с большой емкостью оперативной памяти, жесткими дисками большой емкости и дополнительными накопителями на магнитной ленте (стриммерами). Он работает под управлением специальной операционной системы, которая обеспечивает одновременный доступ пользователей сети к расположенным на нем данным. Файл-сервер выполняет следующие функции: хранение данных, архивирование данных, синхронизацию изменений данных различными пользователями, передачу данных.

Для многих задач использование одного файл-сервера оказывается недостаточным. Тогда в сеть могут включаться несколько серверов. Возможно также применение в качестве файл-серверов мини-ЭВМ.

Компьютерные сети реализуют распределенную обработку данных. Обработка данных в этом случае распределена между двумя объектами: клиентом и сервером.

Клиент – задача, рабочая станция или пользователь компьютерной сети.

В процессе обработки данных клиент может сформировать запрос на сервер для выполнения сложных процедур, чтение файла, поиск информации в базе данных и т. д. Сервер, определенный ранее, выполняет запрос, поступивший от клиента. Результаты выполнения запроса передаются клиенту. Сервер обеспечивает хранение данных общего пользования, организует доступ к этим данным и передает данные клиенту. Клиент обрабатывает полученные данные и представляет результаты обработки в виде, удобном для пользователя. В принципе, обработка данных может быть выполнена и на сервере. Для подобных систем приняты термины – системы клиент-сервер или архитектура клиент-сервер.

Архитектура клиент-сервер может использоваться как в одноранговых локальных вычислительных сетях, так и в сети с выделенным сервером.

Одноранговая сеть. В такой сети нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций и нет единого устройства для хранения данных. Сетевая операционная система распределена по всем рабочим станциям. Каждая станция сети может выполнять функции, как клиента, так и сервера. Она может обслуживать запросы от других рабочих станций и направлять свои запросы на обслуживание в сеть. Пользователю сети доступны все устройства, подключенные к другим станциям (диски, принтеры).

Достоинства одноранговых сетей: низкая стоимость и высокая надежность.

Недостатки одноранговых сетей:

• зависимость эффективности работы сети от количества станций;

• сложность управления сетью;

• сложность обеспечения защиты информации;

• трудности обновления и изменения программного обеспечения станций.

Наибольшей популярностью пользуются одноранговые сети на базе сетевых операционных систем LANtastic, NetWare Lite.

Сеть с выделенным сервером. В сети с выделенным сервером один из компьютеров выполняет функции хранения данных, предназначенных для использования всеми рабочими станциями, управления взаимодействием между рабочими станциями и ряд сервисных функций. Такой компьютер обычно называют сервером сети. На нем устанавливается сетевая операционная система, к нему подключаются все разделяемые внешние устройства – жесткие диски, принтеры и модемы. Взаимодействие между рабочими станциями в сети, как правило, осуществляется через сервер. Логическая организация такой сети может быть представлена топологией звезда (см. раздел 3.2). Роль центрального устройства выполняет сервер.

Достоинства сети с выделенным сервером:

• надежная система защиты информации;

• высокое быстродействие;

• отсутствие ограничений на число рабочих станций;

• простота управления по сравнению с одноранговыми сетями.

Недостатки сети:

• высокая стоимость из-за выделения одного компьютера под сервер;

• зависимость быстродействия и надежности сети от сервера;

• меньшая гибкость по сравнению с одноранговой сетью.

Сети с выделенным сервером являются наиболее распространенными у пользователей компьютерных сетей. Сетевые операционные системы для таких сетей - LANServer (IBM), Windows NT Server версий 4.0 (Microsoft) и NetWare 5 (Novell).

Рассмотрим основные отличия локальных сетей от глобальных:

• Протяженность, качество и способ прокладки линий связи. Класс локальных вычислительных сетей по определению отличается от класса глобальных сетей небольшим расстоянием между узлами сети. Это, в принципе, делает возмож­ным использование в локальных сетях качественных линий связи: коаксиаль­ного кабеля, витой пары, оптоволоконного кабеля, которые не всегда доступны (из-за экономических ограничений) на больших расстояниях, свойственных глобальным сетям. В глобальных сетях часто применяются уже существующие линии связи (телеграфные или телефонные), а в локальных сетях они прокла­дываются заново.

• Сложность методов передачи и оборудования. В условиях низкой надежности физических каналов в глобальных сетях требуются более сложные, чем в ло­кальных сетях, методы передачи данных и соответствующее оборудование. Так, в глобальных сетях широко применяются модуляция, асинхронные методы, сложные методы контрольного суммирования, квитирование и повторные пе­редачи искаженных кадров. С другой стороны, качественные линии связи в локальных сетях позволили упростить процедуры передачи данных за счет при­менения немодулированных сигналов и отказа от обязательного подтвержде­ния получения пакета.

• Скорость обмена данными. Одним из главных отличий локальных сетей от гло­бальных является наличие высокоскоростных каналов обмена данными между компьютерами, скорость которых 100 Мбит/с сравнима со скоростями работы устройств и узлов компьютера – дисков, внутренних шин обмена данны­ми и т. п. За счет этого у пользователя локальной сети, подключенного к удален­ному разделяемому ресурсу (например, диску сервера), складывается впечатление, что он пользуется этим диском, как "своим". Для глобальных сетей типичны гораздо более низкие скорости передачи данных – 2400, 9600, 28800, 33600 бит/с, 56 и 64 Кбит/с и только на магистральных каналах – до 2 Мбит/с.

• Разнообразие услуг. Локальные сети предоставляют, как правило, широкий на­бор услуг – это различные виды услуг файловой службы, услуги печати, услуги службы передачи факсимильных сообщений, услуги баз данных, электронная почта и другие, в то время как глобальные сети в основном предоставляют по­чтовые услуги и иногда файловые услуги с ограниченными возможностями – передачу файлов из публичных архивов удаленных серверов без предваритель­ного просмотра их содержания.

• Оперативность выполнения запросов. Время прохождения пакета через локаль­ную сеть обычно составляет несколько миллисекунд, время же его передачи через глобальную сеть может достигать нескольких секунд. Низкая скорость передачи данных в глобальных сетях затрудняет реализацию служб для режима on-line, который является обычным для локальных сетей.

• Разделение каналов. В локальных сетях каналы связи используются, как прави­ло, совместно сразу несколькими узлами сети, а в глобальных сетях – индиви­дуально.

• Использование метода коммутации пакетов. Важной особенностью локальных сетей является неравномерное распределение нагрузки. Отношение пиковой нагрузки к средней может составлять 100:1 и даже выше. Такой график обычно называют пульсирующим. Из-за, этой особенности графика в локальных сетях для связи узлов применяется метод коммутации пакетов, который для пульси­рующего графика оказывается гораздо более эффективным, чем традиционный для глобальных сетей метод коммутации каналов. Эффективность метода ком­мутации пакетов состоит в том, что сеть в целом передает в единицу времени больше данных своих абонентов. В глобальных сетях метод коммутации паке­тов также используется, но наряду с ним часто применяется и метод коммута­ции каналов, а также некоммутируемые каналы – как унаследованные технологии некомпьютерных сетей.

• Масштабируемость. "Классические" локальные сети обладают плохой масшта­бируемостью из-за жесткости базовых топологий, определяющих способ под­ключения станций и длину линии. При использовании многих базовых топологий характеристики сети резко ухудшаются при достижении определенного преде­ла по количеству узлов или протяженности линий связи. Глобальным же сетям присуща хорошая масштабируемость, так как они изначально разрабатывались в расчете на работу с произвольными топологиями.

Заметим, что в силу развития технической базы сетей приведенные отличия между локальными и глобальными сетями становятся все менее заметными. Рассмотрим современные тенденции сближения тех­нологий локальных и глобальных сетей.

Если принять во внимание все перечисленные выше различия локальных и гло­бальных сетей, то становится понятным, почему так долго могли существовать раздельно два сообщества специалистов, занимающиеся этими двумя видами се­тей. Но за последние годы ситуация резко изменилась.

Специалисты по локальным сетям, перед которыми встали задачи объединения нескольких локальных сетей, расположенных в разных, географически удаленных друг от друга пунктах, были вынуждены начать освоение чуждого для них мира глобальных сетей и телекоммуникаций. Тесная интеграция удаленных локальных сетей не позволяет рассматривать глобальные сети в виде "черного ящика", пред­ставляющего собой только инструмент транспортировки сообщений на большие расстояния. Поэтому все, что связано с глобальными связями и удаленным досту­пом, стало предметом повседневного интереса многих специалистов по локальным сетям.

С другой стороны, стремление повысить пропускную способность, скорость передачи данных, расширить набор и оперативность служб, другими словами, стрем­ление улучшить качество предоставляемых услуг – все это заставило специалистов по глобальным сетям обратить пристальное внимание на технологии, используе­мые в локальных сетях.

Таким образом, в мире локальных и глобальных сетей явно наметилось движе­ние навстречу друг другу, которое уже сегодня привело к значительному взаимо­проникновению технологий локальных и глобальных сетей.

Одним из проявлений этого сближения является появление корпоративных сетей, занимающих промежуточное положение между локальными и глобальными сетями. При достаточно больших расстояниях между узлами они об­ладают качественными линиями связи и высокими скоростями обмена, даже более высокими, чем в классических локальных сетях. Как и в случае локальных сетей, при построении глобальных сетей уже существующие линии связи не используются, а прокладыва­ются заново.

Сближение в методах передачи данных происходит на платформе оптической цифровой (немодулированной) передачи данных по оптоволоконным линиям свя­зи. Из-за резкого улучшения качества каналов связи в глобальных сетях начали отказываться от сложных и избыточных процедур обеспечения корректности пере­дачи данных. Примером могут служить сети frame relay. В этих сетях предполага­ется, что искажение бит происходит настолько редко, что ошибочный пакет просто уничтожается, а все проблемы, связанные с его потерей, решаются программами прикладного уровня, которые непосредственно не входят в состав сети frame relay.

За счет новых сетевых технологий и, соответственно, нового оборудования, рас­считанного на более качественные линии связи, скорости передачи данных в уже существующих коммерческих глобальных сетях нового поколения приближаются к традиционным скоростям локальных сетей (в сетях frame relay сейчас доступны скоро­сти 2 Мбит/с), а в глобальных сетях ATM и превосходят их, достигая 622 Мбит/с.

В результате службы для режима on-line становятся обычными и в глобальных сетях. Наиболее яркий пример – гипертекстовая информационная служба World Wide Web, ставшая основным поставщиком информации в сети Internet. Ее ин­терактивные возможности превзошли возможности многих аналогичных служб локальных сетей, так что разработчикам локальных сетей пришлось просто поза­имствовать эту службу у глобальных сетей. Процесс переноса служб и технологий из глобальных сетей в локальные приобрел такой массовый характер, что появился даже специальный термин – intranet-технологии (intra – внутренний), обозначаю­щий применение служб внешних (глобальных) сетей во внутренних – локальных.

Локальные сети перенимают у глобальных сетей и транспортные технологии. Все новые скоростные технологии (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, lOOVG-AnyLAN) поддерживают работу по индивидуальным линиям связи наряду с традиционными для локальных сетей разделяемыми линиями. Для организации индивидуальных линий связи используется специальный тип коммуникационного оборудования – коммутаторы. Коммутаторы локальных сетей соединяются между собой по иерар­хической схеме, подобно тому, как это делается в телефонных сетях: имеются ком­мутаторы нижнего уровня, к которым непосредственно подключаются компьютеры сети, коммутаторы следующего уровня соединяют между собой коммутаторы ниж­него уровня и т. д. Коммутаторы более высоких уровней обладают, как правило, большей производительностью и работают с более скоростными каналами, уплот­няя данные нижних уровней. Коммутаторы поддерживают не только новые прото­колы локальных сетей, но и традиционные – Ethernet и Token Ring.

В локальных сетях в последнее время уделяется такое же большое внимание методам обеспечения защиты информации от несанкционированного доступа, как и в глобальных сетях. Такое внимание обусловлено тем, что локальные сети пере­стали быть изолированными, чаще всего они имеют выход в "большой мир" через глобальные связи. При этом часто используются те же методы – шифрование дан­ных, аутентификация пользователей, возведение защитных барьеров, предохраня­ющих от проникновения в сеть извне.

И, наконец, появляются новые технологии, изначально предназначенные для обоих видов сетей. Наиболее ярким представителем нового поколения технологий является технология АТМ (асинхронного режима передачи), которая может служить основой не только локальных и глобальных компьютерных сетей, но и телефонных сетей, а также широковеща­тельных видеосетей, объединяя все существующие типы графика в одной транс­портной сети.

6.2. Топология вычислительных сетей

Компьютеры, входящие в состав ЛВС, могут быть расположены самым случайным образом на территории, где создается вычислительная сеть. Следует заметить, что для способа обращения к передающей среде и методов управления сетью небезразлично, как расположены абонентские ЭВМ. Поэтому имеет смысл говорить о топологии ЛВС [12, 13, 14].

Топология ЛВС – это усредненная геометрическая схема соединений узлов сети.

Топологии вычислительных сетей могут быть самыми различными, но для локальных вычислительных сетей типичными являются всего три: кольцевая, шинная, звездообразная. Иногда для упрощения используют термины – кольцо, шина и звезда. Не следует думать, что рассматриваемые типы топологий представляют собой идеальное кольцо, идеальную прямую или звезду.

Любую компьютерную сеть можно рассматривать как совокупность узлов. Узел – любое устройство, непосредственно подключенное к передающей среде сети. Топология усредняет схему соединений узлов сети. Так, и эллипс, и замкнутая кривая, и замкнутая ломаная линия относятся к кольцевой топологии, а незамкнутая ломаная линия – к шинной.

Кольцевая топология предусматривает соединение узлов сети замкнутой кривой – кабелем передающей среды (рис. 3.2). Выход одного узла сети соединяется со входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу. Каждый промежуточный узел между передатчиком и приемником ретранслирует посланное сообщение. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения.

Кольцевая топология является идеальной для сетей, занимающих сравнительно небольшое пространство. В ней отсутствует центральный узел, что повышает надежность сети. Ретрансляция информации позволяет использовать в качестве передающей среды любые типы кабелей.

		Узел 1		Узел 2		Узел 3
		Узел 6		Узел 5		Узел 4
Рис. 6.2. Сеть кольцевой топологии

Последовательная дисциплина обслуживания узлов такой сети снижает ее быстродействие, а выход из строя одного из узлов нарушает целостность кольца и требует принятия специальных мер для сохранения тракта передачи информации.

Шинная топология – одна из наиболее простых (рис. 6.3). Она связана с использованием в качестве передающей среды коаксиального кабеля. Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не транслируют поступающих сообщений. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано. Дисциплина обслуживания параллельная. Это обеспечивает высокое быстродействие ЛВС с шинной топологией.

Узел 1

Узел 2

Узел 3

Узел 4

Узел 5

Узел 6

Узел 7

Рис. 6.3. Сеть шинной топологии

Сеть легко наращивать и конфигурировать, а также адаптировать к различным системам. Сеть шинной топологии устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов.

Сети шинной топологии наиболее распространены в настоящее время. Следует отметить, что они имеют малую протяженность и не позволяют использовать различные типы кабеля в пределах одной сети.

Звездообразная топология (рис. 6.4) базируется на концепции центрального узла, к которому подключаются периферийные узлы. Каждый периферийный узел имеет свою отдельную линию связи с центральным узлом. Вся информация передается через центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети.

Звездообразная топология значительно упрощает взаимодействие узлов ЛВС друг с другом, позволяет использовать более простые сетевые адаптеры. В то же время работоспособность ЛВС со звездообразной топологией целиком зависит от центрального узла.

		Узел 1				Узел 2
				Централизованный узел
		Узел 3				Узел 4
Рис. 6.4. Сеть звездообразной топологии

В реальных вычислительных сетях могут использоваться более сложные топологии, представляющие в некоторых случаях сочетания рассмотренных. Выбор той или иной топологии определяется областью применения ЛВС, географическим расположением ее узлов и размерностью сети в целом.

Практика применения персональных компьютеров в различных отраслях науки, техники и производства показала, что наибольшую эффективность от внедрения вычислительной техники обеспечивают не отдельные автономные ПК, а локальные вычислительные сети.

6.3. Средства передачи данных и связи

Для оперативной передачи информации в ЭИС используют системы автоматизированной передачи информации. Совокупность всех средств, служащих для передачи информации называют системой передачи информации (СПИ). На рис. 6.3.1. представлена обобщенная схема автоматизированной системы передачи информации.

Помехи

Сообщение

Сигнал+помеха

Сигнал+помеха

Сообщение

ИИ

М

П

КС

ПР

ДМ

ПИ

НКС

ДКС

Рис. 6.3.1. Структурная схема СПИ

Источник (ИИ) и потребитель (ПИ) информации являются абонентами системы передачи. Лицентами могут быть ЭВМ, системы хранения информации, различного рода датчики и исполнительные устройства, а также люди. В составе структуры СПИ можно выделить: канал передачи (канал связи), передатчик информации, приемник информации.

Передатчик (П) служит для преобразования поступающего от абонента сообщения в сигнал, передаваемый по каналу связи (КС); приемник (ПР) – для обратного преобразования сигнала в сообщение, поступающее абоненту. Модулятор (М) служит для преобразования дискретного сигнала в непрерывный, а демодулятор (ДМ) – для преобразования непрерывного сигнала в дискретный. НКС – непрерывный канал связи, ДКС – дискретный канал связи.

В идеальном случае при передаче должно быть однозначное соответствие между передаваемым и получаемым сообщениями. Однако, под действием помех, возникающих в канале связи, в приемнике и передатчике, это соответствие может быть нарушено, и тогда говорят о недостоверной передаче информации.

Основными качественными показателями СПИ являются:

• пропускная способность,

• достоверность,

• надежность работы.

Пропускная способность системы передачи информации – наибольшее теоретически достижимое количество информации, которое может быть передано по системе за единицу времени. Пропускная способность системы обусловливается скоростью преобразования информации в передатчике и приемнике и допустимой скоростью передачи информации по каналу связи, определяемой физическими свойствами канала связи и сигнала.

Достоверность передачи информации – передача информации без ее искажения.

Надежность канала связи – полное и правильное выполнение системой всех своих функций.

Скорость передачи дискретной информации по каналу связи измеряется в бодах. Один бод – это такая скорость, когда передается один бит в секунду (1 бод = 1 бит/с; 1 Кбод = 10³ бет/с; 1Мбод=10⁶ бит/с).

Каналы связи (КС) являются общим звеном любой системы передачи информации. По физической природе каналы связи делятся следующим образом:

• акустические – передают звуковой сигнал;

• оптические – передают световой сигнал;

• электрические – передают электрический сигнал.

Электрические каналы связи могут быть проводные и беспроводные (или радиоканалы).

По форме представления передаваемой информации каналы связи делятся на аналоговые и дискретные. По аналоговым каналам передается информация, представленная в непрерывной форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины. По дискретным каналам передается информация, представленная в виде дискретных (цифровых, импульсных) сигналов той или иной физической природы.

В системах административно-управленческой связи чаще всего используются электрические проводные каналы связи. По пропускной способности их можно классифицировать на виды:

• низкоскоростные, скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бод; это дискретные (телеграфные) каналы связи, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;

• среднескоростные, использующие аналоговые (телефонные) линии связи; скорость передачи в них от 300 до 9600 бод, а в новых стандартах до 33600 бод;

• высокоскоростные (широкополосные), обеспечивающие скорость передачи информации выше 36000 бод; по этим каналам связи можно передавать и дискретную, и аналоговую информацию.

Физической средой передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных каналах обычно являются группы либо параллельных проводов, либо скрученных проводов, называемых витая пара (скручивание проводов уменьшает влияние внешних помех).

В широкополосных КС используются коаксиальные кабели, оптоволоконные кабели, радиоволноводы. К широкополосным относятся и беспроводные радиоканалы связи. Возможности широкополосных каналов связи огромны. Например, по одному каналу-радиволноводу для миллиметровых волн можно одновременно организовать несколько тысяч телефонных каналов, несколько тысяч видеотелефонных и около тысячи телевизионных, при этом скорость передачи может составлять несколько миллионов бод. Не меньше возможности и у волоконно-оптических каналов.

Модем объединяет в себе два устройства модулятор и демодулятор и выполняет следующие функции:

• при передаче – преобразование (модуляцию) широкополосных импульсов (цифрового кода) в полосные аналоговые сигналы (амплитудно-, частотно- или фазомодулированные);

• при приеме – фильтрацию принятого сигнала от помех и детектирование, т.е. обратное преобразование (демодуляцию) узкополосного аналогового сигнала в цифровой код.

Следует особо отметить, что телефонный канал связи является более узкополосным, нежели телеграфный, но скорость передачи данных по нему выше ввиду обязательного наличия специального устройства согласования – модема.

Благодаря фильтрации сигнала повышается помехоустойчивость, что, в свою очередь, позволяет увеличивать пропускную способность системы. Модемы, выпускаемые промышленностью, различаются:

• конструкцией – автономные и встраиваемые в аппаратуру;

• интерфейсом с КС – контактные и бесконтактные (аудио);

• назначением – для разных каналов связи и систем (например, для систем передачи данных – модемы, для систем передачи факсов – факс-модемы);

• скоростью передачи – существует стандарт скоростей (шкала) передачи данных, соответствующий стандарту протоколов (алгоритмов управления) для телефонных КС; он включает следующие скорости (в бодах): 300, 600, 1200, 2400, 4800, 12000, 14400, 16800, 19200, 28800, 33600.

Ранее модемы выпускались каждый на определенную скорость работы; современные модемы более универсальны: некоторые из них могут работать как с коммутируемыми, так и с некоммутируемыми КС; поддерживают почти всю шкалу названных скоростей; имеют режимы модема и факс-модема.

Системы передачи информации весьма разнообразны; их можно классифицировать по целому ряду признаков, таких, как назначение, способ соединения, способ передачи, вид канала связи и т.д. (рис. 6.3.2).

В СПИ документированной информации передача ведется с "документа на документ". У передающего абонента информация может либо автоматически считываться с заранее сформированного документа, либо (при ручном вводе) параллельно регистрироваться на первичный документ, у принимающего абонента предусмотрена обязательная регистрация поступающей информации, исключая случаи непосредственного ее ввода в вычислительную систему, где она и запоминается (создается электронный документ).

Системы административно-управленческой связи

СПИ недокументированной информации

СПИ с документированием информации при приеме

СПИ документированной информации

Телефонная связь

Телеграфная связь

Радиотелефонная связь

Дейтефонная связь

Видеотелефонная связь

Факсимильную связь

Радиопоисковая связь

Рис. 6.3.2. Классификация систем административно-управленческой связи

В СПИ недокументированной информации не предусматривается обязательная регистрация информации на документ ни у передающего, ни у принимающего абонента, хотя при желании такая регистрация может быть выполнена с привлечением дополнительных технических средств.

В СПИ с документированием информации при приеме обязательное документирование информации на передающем конце не предусматривается. Информация передается непосредственно от автоматических датчиков, счетчиков, установленных на алогических агрегатах и другом производственном оборудовании, полуавтоматических устройств ввода информации, пультов ввода и т.п. Регистрация сообщения на документ обязательна лишь у принимающего абонента.

Телефонная связь – самый распространенный вид оперативной административно-управленческой связи. Абонентами сети телефонной связи являются как физические лица, так и предприятия. Телефонная связь играет важную роль в фирмах, офисах и т. п. Так, для большинства фирм телефон является своеобразной визитной карточкой, поскольку первые контакты со смежниками и заказчиками чаще всего осуществляются по телефону. Удобство соединения и сервисные возможности телефона, а они во многом определяются офисной АТС, формируют первое впечатление о солидности фирмы, а это немаловажно. Сервисные услуги, которые предоставляет или может предоставлять своим абонентам система телефонной связи в настоящее время составляют более 600 наименований.

В последние годы получила широкое применение радиотелефонная связь, которая позволяет деловому человеку свободно передвигаться и в то же время быть уверенным, что в любое время в любом месте ему обеспечена связь. Радиотелефонные системы могут быть региональными и местными (офисными).

Все большее применение находит видеотелефонная связь, позволяющие не только слышать, но и видеть собеседника.

Радиопоисковая связь предназначена для оперативного поиска и передачи информации сотрудникам – абонентам этой связи. Системы радиопоисковой связи бывают региональными и локальными. Локальные системы применяются на территории одного предприятия или организации и используют, как правило, низкочастотные радиоканалы, не создающие радиопомех вне этой территории. У низкочастотных радиопоисковых систем передача информации только односторонняя: от центрального пульта к абонентам. Региональные системы используют высокочастотные каналы, работающие в диапазоне нескольких десятков мегагерц, и охватывают значительно большие территории. Высокочастотные системы бывают двухсторонними (аналог радиотелефонной связи), но чаще всего односторонними, известными как пейджинговые системы.

Пейджинговая связь получила наибольшее распространение. Для передачи информации используется обычный телефон, а для приема – миниатюрный УКВ-приемник "пейджер". Каждому пейджеру соответствует отдельный телефонный номер, и для связи с ним нужно просто набрать этот номер и передать сообщение.

Пейджеры бывают тоновые, цифровые и текстовые.

Тоновый пейджер самый простой и дешевый, он только извещает абонента о вызове вибрационным, звуковым или световым сигналом. При этом тип оповещательного сигнала может условно кодировать одно из четырех заранее выбранных абонентом сообщений: позвонить в голосовой почтовый ящик, позвонить в офис, позвонить домой и т.п.

Цифровой пейджер более совершенный; он имеет дисплей (на 10-20 символов) и оперативную память (на 80 - 200 символов или 8-20 сообщений); на дисплей может быть передано цифровое сообщение (номер телефона, по которому нужно позвонить; время некоторого заранее обусловленного события; курс акций и т. п.).

Текстовый пейджер – самый совершенный. Модели текстовых пейджеров весьма разнообразны: многие из них выводят сообщение на дисплей на русском языке, некоторые – только на английском; они имеют часы, будильник, систему регистрации даты и времени поступления сообщения.

Телеграфная связь предназначена для передачи на расстояние по электрическим проводным каналам связи алфавитно-цифровой информации, как правило, для автоматизированного приема-передачи коротких текстовых документированных сообщений. Телеграф – один из старейших видов связи. Телеграфная связь имеет несколько разновидностей: собственно телеграфную связь, использующую для кодирования информации коды, предложенные Морзе ("азбуку Морзе"); телетайпную и дейтефонную связь. Следует заметить, что все виды телеграфной связи неуклонно вытесняются факсимильной связью.

В настоящее время в фирмах и на предприятиях применяют телетайпную связь, которая использует буквопечатающие телеграфные аппараты – телетайпы. Ввод информации в телетайп может осуществляться вручную с клавиатуры и автоматизированно с перфоленты. В принимающем аппарате информация также может регистрироваться на печатный документ и на перфоленту. Информация непосредственно по каналу связи может вводиться и в ПК. Все телетайпные аппараты являются обратимыми, т.е. могут работать и как передатчики, и как приемники информации. Скорость передачи информации у большинства телетайпов 50, 75 или 100 бод (400 – 800 знаков в мин). В качестве канала связи для телетайпной приемопередающей аппаратуры может служить как телеграфный, так и телефонный канал.

Передачу документированной текстовой информации по телефонным каналам часто называют дейтефонной связью.

Факсимильную связь раньше называли фототелеграфной связью. Назначение факсимильной связи – передача на расстояние информации в виде текстов, чертежей, рисунков, схем, фотоснимков и т.п. По существу, факсимильный способ передачи информации заключается в дистанционном копировании документов. В основу факсимильной связи положен метод передачи временной последовательности электрических сигналов, характеризующих яркость отдельных элементов передаваемого документа. Разложение передаваемого изображения на элементы называется разверткой, а просмотр и считывание этих элементов – сканированием. Для организации факсимильной связи используют чаще всего телефонные каналы, реже – телеграфные каналы и радиоканалы связи. Важное достоинство факсимильной связи – полная автоматизация передачи, включая считывание информации с документов. Скорость передачи информации довольно высокая: время передачи документа формата А4 в зависимости от типа аппарата составляет от 5 до 400 с, достоверность передачи, благодаря большой избыточности передаваемой информации, хорошая. Факсимильная связь может использоваться для автоматического ввода передаваемой информации в ЭВМ, если последняя оборудована факс-модемом. Выпускаемые в настоящее время факсимильные аппараты отличаются способом воспроизведения изображения, видом развертки и разрешающей способностью.