Порядок разработки и утверждения Рабочей программы учебной дисциплины

14.Информационные системы

Информационная система — это своего рода интерфейс, позволяющий оператору управлять тем или иным процессом; его основные части изображены на рис. 1.1. Задачей устройств ввода и сбора первичной информации является преобразование разных по своей физической природе сигналов, поступающих от процесса, в электрические сигналы и составление на их основе сообщения.

Далее это сообщение должно быть передано с заданной скоростью и качеством в устройства накопления и хранения информации, которые, в свою очередь, обработают поступившее сообщение и представят содержащуюся в нем информацию в виде, позволяющем оператору управлять процессом.

Во всех устройствах информационной системы информация содержится в электрических сигналах, представляющих из себя либо «плавное», непрерывное изменение напряжения или тока — аналоговые сигналы, либо «быстрый» переход от одного четко различимого значения напряжения или тока к другому — дискретные сигналы (рис. 1.2).

Причем информация в первом случае содержится во всех, как бы близко они не находились друг к другу, значениях напряжения или тока, а во втором случае информацию несут лишь переходы от одного четко различимого значения (состояния) к другому. Незначительные (по отношению к рассматриваемому уровню) изменения напряжения или тока в том или ином состоянии нас не интересуют, считается, что информации они не несут.

Таким образом, аналоговый сигнал является самодостаточным, он сам является сообщением, несущим информацию о процессе; в случае дискретного сигнала сообщение составляется из множества специальных сигналов (образующих логически завершенную совокупность), отображающих моменты перехода дискретного сигнала от одного значения к другому (логические «ноль» и «единица»).

Отметим, что априори аналоговые сигналы при прочих равных условиях несут гораздо больше информации, чем дискретные.

Чисто аналоговые электрические сигналы существуют лишь теоретически, когда они рассматриваются безотносительно среды и средств передачи (физической линии связи, аппаратуры связи), поскольку при распространении в направляющей системе они неизбежно будут смешиваться с шумами и помехами, имеющими тоже электрическую природу и постоянно присутствующими в канале связи (так называемый системный шум). Поэтому любой аналоговый сигнал, распространяющийся в канале связи, легко привести к дискретному виду, используя процедуру квантования.

В компьютерных и телекоммуникационных устройствах дискретные сигналы структурируются в логически завершенные композиции (кодовые комбинации), содержащие по восемь логических единиц или нулей каждая. Такие дискретные сигналы называются цифровыми.

Соответственно цифровыми будут называться и устройства передачи информации, и устройства накопления и хранения ее.

Пусть устройство ввода и сбора первичной информации контролирует изменение какого-либо параметра процесса, которое представляет из себя аналоговый сигнал S_A{t) (рис. 1.3).

Здесь t₁ и t₂ — это моменты времени, в которые контролируются значения параметра процесса, a S_a(t{) и S^t^) — значения параметра соответственно в моменты времени fj и tj- . Эти конкретные значения переводятся устройством в двоичные семизначные цифры, соответствующие этим значениям в двоичной системе счисления, причем точность представления значения будет равна А/128, т.к. 2⁷ = 128 и шаг квантования (∆S) будет равен одной сто двадцать восьмой от амплитудного значения сигнала S_A(t). К семизначной кодовой комбинации принято добавлять еще один символ: символ проверки на четность, или бит паритета. Бит паритета может принимать либо значение «0», либо значение «1», так чтобы общее число единиц в восьмизначной кодовой комбинации (байте или октете) было четным. Появление байта с нечетным числом единиц говорит об ошибке. В аппаратуре ввода и сбора первичной информации логические «нули» и «единицы» реализуются в виде уровней напряжения, характерных для используемых в этой аппаратуре микросхем. В частности для транзистор-транзисторной логики (ТТЛ) характерные уровни показаны на рис. 1.3, б.

Для дальнейшей передачи этого байта информации на физическом уровне телекоммуникационных систем, используются другие уровни напряжения (рис. 1.3, в). Отметим, что время, отводимое на передачу одного бита (логического «нуля» или «единицы»), строго регламентировано, так же как и начальные отсчеты времени для каждой структуирован-ной порции информации.

Основу информационных систем составляет вычислительная техника со всеми присущими ей атрибутами, поскольку преобразование информации в устройствах ввода и сбора, устройствах накопления и хранения, устройствах представления информации и управление устройствами передачи сигналов осуществляется исключительно средствами вычислительной техники.

Как уже отмечалось, информационная система — это сложная система, в которой функционируют разнородные устройства, имеющие разную логику и алгоритмы работы, имеющие разное техническое решение и оперирующие различными по своим параметрам сигналами. Для выполнения каждой отдельной операции, выполняемой отдельным устройством информационной системы, необходимо свое правило поведения или протокол. Набор или стек таких стандартных протоколов позволяет программному и аппаратному обеспечению различных устройств нормально взаимодействовать между собой.

Согласно рекомендациям ISO (International Standards Organization — Международная организация по стандартам) эталонная модель Взаимодействия Открытых Систем (ВОС или Open System Interconnection Reference Model—OSI) имеет семь отдельных уровней, на которых выполняются определенные функции (рис. 1.4).

Процедуры обработки информации, выполняемые на конкретном уровне, «понятны» всем устройствам (функциональным частям этих устройств), отвечающим за этот уровень, где бы они территориально не находились. Это горизонтальные связи или соб­ственно протоколы (рис. 1.5).

Каждый уровень предоставляет несколько услуг (сервис) для выше - и нижестоящих уровней. Это вертикальные связи. Правила и аппаратная реализация междууровневого взаимодействия (вертикальные связи) называются интерфейсами (или служебными протоколами).

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для взаимодействия всех устройств информационной системы

через устройства передачи информации, называется стеком или профилем протоколов. Наиболее популярны стеки TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SUB, DECnet, SNA,MAP/TOP, GOSIP и OSI. Для работы в локальных сетях используются протоколы Ethernet, Token Ring, для работы в глобальных сетях — ATM, PPP, X.25 и другие. Протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней — как правило, исключительно программными средствами.

Наиболее близким к оператору (или пользователю) является прикладной уровень, который обеспечивает выполнение всех пользовательских программ и взаимодействие ЭВМ и пользователя. В том случае, если пользователю (оператору) нужно обратиться к удаленным базам данных или передать имеющуюся у него информацию другим устройствам информационной системы, то в работу вступает терминальная программа, обеспечивающая доступ к телекоммуникационным приложениям, позволяющим орга­низовать передачу файлов, доступ к удаленным базам данных, электронную почту и т.д.

Прикладной уровень управляет общим доступом к сети передачи информации, потоками данных, а также следит за тем, чтобы информация не попала к нежелательному пользователю (функция «пароль»). , прикладные программы взаимодействующих пользователей должны работать с одинаковыми кодовыми таблицами, т.е. уметь «переводить» с одного кода в другой. Наибольшее распространение нашли коды, приведенные в табл. 1.1 [2].

Задача согласования форматов данных, поступающих к пользователю, возлагается на представительский уровень (шестой уровень) модели OSI. Представительский уровень, кроме того, управляет сжатием данных (архивированием

Сеансовый уровень (Session) позволяет двум приложениям, работающим на разных устройствах информационной системы, устанавливать, использовать и завершать соединение (для передачи информации), называемое сеансом. Сеанс продолжается до тех пор, пока не будет передано все сообщение. На нем выполняются также такие функции, как распознавание имен и защита от неправильных соединений (функция «Login»)

. На транспортном (четвертом) уровне сообщение (message) структурируется в блоки данных определенной длины — пакеты, которые нумеруются и помечаются на принадлежность к этому сообщению. Аппаратное и программное обеспечение транспорт­ного уровня гарантирует доставку пакетов в нужной последовательности без потерь и дублирования.

Три высших уровня {Application, Presentation, Session) называются пользовательски-ми (users) и оперируют сообщениями (сост. из отдельн. октетов), которые могут быть произвольной длины, начинаться и заканчиваться в случайные моменты времени.

На трех нижних, транспортных, уровнях (Network, Link, Physical) информация передается и обрабатывается порциями определенной длины (как в смысле числа бит информации, так и продолжительности во времени), имеющими в своем составе сведения, позволяющие им попакетно (независимо друг от друга) перемещаться в транспортной среде (устройствах передачи сигналов).

Следовательно, четвертый (Transport) уровень является своеобразным стыком (шлюзом) между вычислительными и телекоммуникационными процессами.

Если четвертый уровень не инициализирован, то вычислительное устройство работает только с непосредственным пользователем, выполняя какие-либо прикладные програЕсли инициализируется четвертый уровень, то пользователь получает доступ ко всем ресурсам, входящим в информационную систему.

На третьем, сетевом (Network), уровне происходит передача пакетов по маршрутам (маршрутизация) и реализуется коммутация пакетов путем создания постоянных (PVC) и временных (TVC) виртуальных соединений и их мультиплексирование в одном канале передачи информации. Также на этом уровне происходит регулирование потоков информации путем создания так называемых окон (windows) и контроль за достоверностью передачи данныхммы.

Канальный уровень (Link) отвечает за безошибочную передачу информации (но не от точки входа в сеть до точки выхода из нее, что делается на третьем уровне) на отдельном участке сети — секции (Link), путем применения процедуры HDLC (High Level Data Link Control), либо ее упрощенных вариантов: FR (Frame Relay), LAPB (Link Access Procedure Balanced), LAPD (Link Access Procedure Data) и тому подобных.

Второй уровень отвечает также за синхронизацию передачи на секции и управления потоком данных, тоже путем создания окон. Пакет информации на втором уровне имеет стандартную длину и структуру (для всей сети) и называется кадром (frame).

Таким образом, кадр, или фрейм, — логически организованная структура, в которую можно помещать информацию (данные). Канальный уровень — получатель упаковывает «сырой» (неструктурированный) поток битов, поступающий из физического уровня, в кадр, обрабатывает его и в виде пакета передает на третий (сетевФизический (Physical) уровень получает со стороны второго уровня кадр, который на этом уровне рассматривается просто как последовательность отдельных бит, никак между собой не связанных. Содержание самих битов на данном уровне значения не име­ет. Физический уровень отвечает за кодирование логических нулей или единиц определенными электрическими сигналами и синхронизацию, гарантируя, что переданная единица будет воспринята на приемном конце именно как единица, а не ноль. Наконец, физический уровень устанавливает длительность каждого бита и способ его перевода в электрические или оптические импульсы, передаваемые по сетевому кабелю.