Материал: лекции
На уровне прикладных модулей при программировании используются три основные базовые (управляющие) конструкции, которые могут изменять ход вычислительного процесса:
Конструкция следования (например, оператор GOTO);
Конструкции ветвления:
конструкция условного ветвления (IF);
конструкция выбора (CASE).
Обе эти конструкции могут быть полные и неполные (без ELSE).
Конструкции повторения:
с известным числом повторений (FOR);
с неизвестным числом повторений:
с предусловие (WHILE);
с постусловие (REPEAT).
Существует два метода создания многомодульных пакетов программ:
Метод восходящего проектирования.
Суть его заключается в том, что каждая прикладная подзадача программируется в отдельном модуле, который отдельно компилируется, тестируется и отлаживается независимо от других модулей. После этого прикладные модули объединяются управляющими модулями, и затем происходит компиляция и отладка всей многомодульной системы. Недостаток этого метода заключается в сложности организации связей межу модулями и в проблемах с исправлением ошибок, допущенных на ранней стадии программирования. Однако, этот метод приемлем при разработке широкого круга относительно несложных задач.
2. Метод нисходящего проектирования.
Этот метод используется при разработке сложных многоуровневых программ. Суть его заключается в том, что программирование начинается с разработки основного управляющего модуля. Затем программируются и подключаются вспомогательные управляющие модули и отлаживаются связи между ними. В конце к разработанной программе подключаются прикладные модули-программы. На каждом из этих этапов происходит общая компиляция и отладка всего комплекса.
Вычислительная или компьютерная сеть (КС) – это совокупность ПО и компьютеров, соединенных с помощью каналов связи и специального сетевого оборудования (см. далее) в единую систему для распределённой обработки данных.
Компьютерные сети могут классифицироваться по разным критериям. Например, по территориальному признаку, т.е. по масштабу охвата территории, сети делят на локальные (LAN – Local Area NetWork), региональные (MAN – Metropolia Area NetWork) и глобальные (WAN – Wide Area NetWork):
- локальные сети, как правило, размещаются в одном здании или на территории одного предприятия (примером локальной сети является локальная сеть в учебном классе);
- региональные сети объединяют несколько предприятий или город (примером сетей такого типа является сеть кабельного телевидения);
- глобальные сети охватывают значительную территорию, часто целую страну или континент, и представляют собой объединение сетей меньшего размера (примером глобальной сети является сеть Интернет).
Информация в сети передаётся по каналам связи, которые могут быть:
кабельными каналами (телефонный кабель, витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель);
радиоканалами.
Для подключения к сети используется специальное оборудование - устройства сопряжения, предназначенные для согласования сигналов внутреннего интерфейса ЭВМ с сигналами сети:
модемы (при подключении через телефонную сеть);
сетевые адаптеры (при подключении к одному каналу);
мультиплексоры (при подключении к нескольким каналам),
Компьютерные сети используются в следующих целях:
совместного использования ресурсов (данных, оборудования, программ);
обеспечения надёжного хранения данных (в разных местах);
для передачи данных между удалёнными друг от друга пользователями.
Взаимодействие в КС происходит по определенным правилам – протоколам, которые обеспечивают подключение к сети разнотипных ЭВМ с различными ОС.
Основные характеристики компьютерных сетей:
скорость передачи (бит/с);
достоверность передачи информации (количество ошибок/знак);
надёжность (среднее время безотказной работы в сетях).
Компьютеры сети могут быть серверами и клиентами (рабочими станциями).
Сервер – компьютер, обеспечивающий пользователей сети ресурсами (оборудованием, данными и программами, выполняющими задания пользователей). Серверы могут быть файловыми (предназначены для хранения и обработки большого объема данных для всех пользователей), выделенными (на них устанавливается общая сетевая ОС и общие внешние устройства – принтеры, модемы, винчестеры т.п.), а также – одновременно файловыми и выделенными.
Клиент – компьютер, через который пользователь получает доступ к сети.
Компьютеры, объединенные в локальную сеть, физически могут располагаться различным образом. Однако порядок их подсоединения к сети определяется топологией – усредненной геометрической схемой соединений узлов сети.
Наиболее распространенными топологиями локальных сетей, в которых передающей средой является кабель, являются: кольцо, шина, звезда (рисунки 14, 15 и 16).
Топология кольцо предусматривает соединение узлов сети замкнутым контуром и используется для построения сетей, занимающих чаще всего сравнительно небольшое пространство. Выход одного узла сети соединяется с входом другого. Информация по кольцу передаются от узла к узлу в одном направлении. Каждый промежуточный узел ретранслирует посланное сообщение. Принимающий узел распознает и получает только адресованное ему послание.
Последовательная организация обслуживания узлов сети снижает ее быстродействие, а выход из строя одного из узлов может привести к нарушению функционирования кольца (при отсутствии дополнительного контура).
Рисунок 14 - Топология кольцо
При топологии шина узлы подключены к одной передающей линии - шине. Они передают свои сообщения по очереди в режиме распределенного по времени интерфейса. Сообщение от каждого узла распространяется по шине в обе стороны. Оно поступает на все узлы, но принимает его только тот узел, которому оно адресовано. Узлы не ретранслируют сообщение, поэтому выход из строя одного узла не приводит к нарушению функционирования сети. Производительность сети зависит от количества узлов в сети (при увеличении количества узлов она уменьшается), так как в каждый момент времени передачу может вести только один узел.
Рисунок 15 - Топология шина
При топологии звезда все устройства сети связаны с центральным узлом, который ретранслирует, коммутирует и маршрутизирует (находит путь от источника к приёмнику) все передаваемые данные. В качестве центрального узла может выступать либо концентратор (hub), который передаёт сообщение широковещательно (на все узлы), а воспринимает его только узел - приёмник, либо - коммутатор (switch), который передаёт сообщение только приёмнику (за счет чего повышается пропускная способность).
Данная топология значительно упрощает взаимодействие узлов сети друг с другом, но в то же время работоспособность локальной вычислительной сети зависит от надежности работы центрального узла.
Рисунок 16 - Топология звезда
При построении реальных вычислительных сетей используются эти топологии, а также их сочетания.
Сеть Интернет
Сеть Интернет – глобальная компьютерная сеть, точнее - сообщество сетей. В состав его на добровольной основе входят различные региональные и локальные сети. У этого сообщества нет единого центра управления.
Взаимодействие компьютеров в сети Интернет происходит по протоколам, которые можно разделить на два типа:
базовые (обеспечивают физическую передачу сообщений между узлами в сети – протоколы нижнего уровня):
протокол TCP - используется для управления передачей данных (регулировка, синхронизация, организация их в виде пакетов);
протокол IP - используется для определения адресов получателей сообщений;
прикладные (обеспечивают функционирование служб сети Интернет – протоколы высокого уровня):
протоколы HTTP и HTTPS – служат для передачи гипертекстовых документов;
протокол FTP – используется для передачи файлов;
протокол SMTP – используется для передачи электронной почты.
Каждому компьютеру, подключенному к сети Интернет (даже временно), присваивается числовой адрес, называемый IP-адресом. IP-адрес содержит информацию, необходимую для идентификации узла в сети. Он состоит из четырех чисел, разделенных точками.
IP-адрес трудно запоминаем пользователем, поэтому некоторые узлы в сети Интернет имеют символьные DNS-адреса (Domain Name System – система доменных имен), например, www.site.net. В сети Интернет существуют специальные DNS-серверы, которые по DNS-адресу выдают его IP-адрес. DNS-адрес может иметь произвольную длину, образуется как символьный адрес в локальной сети и включает в себя несколько уровней доменов. Уровни доменов разделяются точками (например DNS - адрес электронного университета МГТУ – eu.bmstu.ru). Самый правый домен – домен верхнего уровня. Чем левее домен, тем ниже его уровень.
Для доступа к ресурсам расположенных в сети компьютеров используется унифицированный указатель ресурса – URL (Uniform Resource Locator). Адрес URL является сетевым расширением понятия полного имени ресурса, например, файла и пути к нему в ОС. В адресе URL, кроме имени файла и пути к нему, указывается сетевое имя компьютера, на котором этот ресурс расположен, вид сервиса Интернет (см. далее) и протокол доступа к ресурсу, который можно использовать для обращения к нему (например URL устава МГТУ - https://www.bmstu.ru/content/documents/sveden/устав.pdf). Ресурсы предоставляются только для чтения и копирования.
Информация в сети передается небольшими порциями – пакетами (группами байт фиксированной длины). Любой Клиент и любой Сервер умеют преобразовывать поток передаваемой информации в набор отдельных пакетов и "склеивать" полученные пакеты обратно в поток информации. Обычно размер пакетов в сети небольшой - от нескольких байт до нескольких килобайт.
Каждый пакет состоит из заголовка и информационной части. Заголовок — это аналог почтового конверта. В заголовке указывается, кому и от кого этот пакет передан - адрес отправителя пакета и адрес получателя, а также иная служебная информация, необходимая для успешной "склейки" пакетов получателем. В информационной части - собственно сама передаваемая информация. Адреса отправителя/получателя в заголовке пакета используется сетевым оборудованием для определения - куда какой пакет отправлять.
Применение пакетной передачи данных позволяет повысить надежность передачи информации и строить сеть таким образом, что маршруты доставки от одной точки сети до другой пакетов информации могут проходить по разным физическим каналам связи и, меняться в зависимости от их работоспособности или загрузки. Это значительно увеличивает "живучесть" сети в целом - даже если часть каналов связи будут неработоспособными, информация все равно может быть доставлена по другим работающим каналам.
Основные популярные сервисы сети Интернет:
почтовая служба (e-mail);
информационный сервис (www);
служба передачи файлов (ftp).
E-mail предназначена для обмена электронными письмами между пользователями. Она построена по принципу клиент-серверной архитектуры (пользователь работает с клиентской программой, которая взаимодействует с сервером почтового сервиса – mail.ru, gmail.com, yandex.ru, rambler.ru и т.п.). Зарегистрировавшись на сервере, пользователь получает адрес, который имеет следующий формат - <логин пользователя> @ <имя почтового домена>. Используется в почтовой службе SMTP-протокол (Simple Mail Transfer Protocol – протокол пересылки почты).
WWW-сервис является основной информационной службой Интернета, которая охватывает всю глобальную сеть («world-wide-web» - «всемирная паутина»). Информация в сети представляется в виде гипертекстовых документов (созданных с помощью языка HTML) - web-страниц. Располагаются эти документы на специальных web-серверах.
Совокупность web-страниц, объединённых общей тематикой и связанных гиперссылками, - web-сайт.
Web-сайт широкой тематики, содержащий сотни тысяч страниц и различные дополнительные сервисы (новости, почта, обсуждение, голосование и др.) – портал.
Сайт, содержащий самостоятельно обновляемую пользователем информацию личного характера – блог.
Сайт, на котором можно общаться (и не только в реальном времени) по определённой тематике – форум.
Средство общения в реальном времени – чат.
Для работы в сети пользователю необходима специальная программа-обозреватель – браузер. Браузер (Internet Explorer, Mozilla, Firefox, Opera, Google Chrome и т.п.) по требованию пользователя обеспечивает запрос информационного ресурса по его URL у web-сервера, на котором он хранится и отображает его содержимое пользователю. При этом используется HTTP-протокол (Hyper Text Transfer Protocol – протокол передачи гипертекста) или НТТРS-протокол (Hyper Text Transfer Protocol Secure) - расширение протокола HTTP, поддерживающее шифрование.
FTP-сервис используется для удобной передачи файлов большого размера (программ, изображений, видеофайлов). Хранятся такие файлы на специальных ftp-серверах, для доступа к которым используются специальные программы, пересылающие файлы по ftp-протоколу (file transfer protocol – протокол передачи файлов).