GENB005 Основи на информатиката

Info

Записки от лекции по “GENB005 Основи на информатиката” в НБУ, водени от доц. д-р Петя Асенова.

Компютри с фон Нойманова архитектура §

Компютърна архитектура §

Под архитектура на компютърна система се разбира начина, по който са свързани и взаимодействат отделните части на компютъра. Обикновено архитектурата на компютърната система се представя чрез блокова схема. От системна гледна точка, компютърът е система, която получава входна информация (данни), обработва информацията и показва получените резултати. От функционална гледна точка, компютърът е изграден от следните функционални компоненти:

1. Данни: това, което се обработва
2. Хардуер: компоненти, които реализират технологиите използвани в компютъра
3. Софтуер: множество от компютърни програми, осъществяващи обработката на информацията
4. Периферия: обикновено външни устройства, подключени към основния компютърен компонент за въвеждане/извеждане на информацията
5. Потребителски интерфейс: хардуерни или софтуерни средства за връзка с потребителя
6. Комуникация: хардуерни или софтуерни средства за връзка с други компютри/устройства/системи

Компютри с фон Нойманова архитектура §

по избор: През 1945-1946г. Джон фон Нойман въз основа на натрупания опит е стигнал до извода за целесъобразността от двоичното представяне на числата и данните и за съхраняването им в една памет. Тези негови възгледи са заложени в първия действащ компютър UNIVAC, в който на практика е реализиран компютъра на Джон Атанасов.

• Използването на два знака (0 или 1) опростява електронните схеми в процеса, което ги прави по-надеждни и по-малко грешат
• За физическата реализация на 0 и 1 се използват различни състояния:
  • високо / ниско напрежение
  • включен / изключен светлинен поток
  • незареден / зареден кондензатор

Принципи на фон Нойман §

• Първи принцип:
  • компютърът е електронно устройство;
  • всичко в него се извършва от електронни схеми.
• Втори принцип:
  • информацията в компютъра се представя в двоична бройна система;
  • всички операции се изпълняват от електронни схеми над операнди, представени в двоичен код;
  • електронните схеми работят на основата на булевата алгебра.
• Трети принцип:
  • компютърът е програмно управляемо устройство;
  • програмите и данните се съхраняват в памет

Схема §

Основни компоненти §

Процесор §

Процесорът управлява цялостната работа на компютъра. Изпълнява набор от инструкции, изпълнявайки по този начин някакъв алгоритъм.

Електронните схеми се сглобяват от примитивни електронни елементи, реализиращи булевите функции конюнкция, дизюнкция и отрицание.

Компоненти на процесора:

• Аритметико-логическо устройство (АЛУ): изграден от логически схеми. Извършва аритметични и логически операции.
• Управляващо устройство (УУ): този блок управлява всички функции на CPU: какви операции трябва да бъдат извършени, кога трябва да бъдат извършени и кои компоненти на CPU участват в тези операции.
• Магистрали - проводници, по които се предават данни, адреси и управляващи и синхронизиращи сигнали от едно устройство към друго. Процесорът има вътрешни магистрали, които използва за предаване на данни, инстуркции, конфигурации и състояния между неговите компоненти. Съществуват и магистрали за обслужване на външни устройства, които представляват линии за прекъсване и взимане на състояние на устройствата.
• Регистри: малки и бързи памети. Променливите и указателите се “местят” от оперативната памет в регистрите, когато се използват от процесора. Това ускорява обработката. Типове регистри:
  • регистри за данни - помнят данните,
  • адресни регистри - помнят адреси (за чете или писане),
  • регистри за инструкции - помнят текущата инструкция,
  • брояч на инструкциите - помни адреса на следващата инструкция
  • регистри за флагове - групирани отделни битове, които представят състоянието на дадена операция или на процесора
  • конфигурационни регистри: някои от функциите на процесора могат да бъдат конфигурирани. Конфигурационните регистри съдържат текущата конфигурация на процесора. Те също могат да съдържат информация за адресирането, например, коя част от паметта е защитена и коя не.
• Флагове: индикатори, които показват състоянието на системата. Всеки флаг е представен с един бит.
• Буфери: тип памет, която съхранява резултата от работата на процесори различни от главния процесор (напр. видеопроцесори, процесори за входно-изходни устройства, т.н.). Когато някой процесор се нуждае от резултата на друг процесор, той го изтегля от буфера.
• Стек: временна памет. Процесорът извършва със стека две операции:
  • да запомни стойност на регистър на върха на стека;
  • да отстрани данните от върха на стека и да ги запомни в регистър.
• Входно-изходни портове: осъществяват връзки между процесора и външните устройства.
• Централен процесорен блок (CPU): извършва изпълнението на всички инструкции, както и необходимите изчисления за определяне на различните адреси
• Вътрешна памет: малка, много бърза памет, предназначена за вътрешни (бързи) изчисления, без обръщения към оперативната памет
• Буфер за данни: двупосочно устройство, което съхранява изходящите данни (докато магистралата на паметта стане готова да ги приеме) и входящите данни (докато CPU стане готов за тях)
• Адресни тригери: група от тригери, управляващи адресите от паметта, с които процесорът желае да обменя данни
• Декодер на инструкциите: всички инструкции се помнят в двоични стойности. Декодерът получава инструкцията от паметта, интерпретира стойността, за да определи какво да се извърши, и указва на АЛУ и регистрите кои електронни схеми да се активират, за да се изпълни инструкцията.

Как работи процесорът:

1. УУ извлича от ОП (оперативна памет) инструкциите, чийто адрес е в брояч на инструкциите.
2. След това инструкцията се анализира, като се определят какво да се изпълни и кои са адресите, в които се съхраняват данните, необходими за изпълнение на инструкцията
3. Данните се извличат от адресите.
4. За изпълнение на инструкцията се стартира съответната логическа схема.
5. След изпълнение на инструкцията се определя ново съдържание на брояч на инструкциите

Всеки процесор изпълнява набор от инструкции. Инструкциите се декодират в двоични числа, наречени машинен код. Процесорът може да изпълнява единствено машинен код на неговия машинен език. Това е езикът на най-ниско ниво, езикът на схемите.

За да се окажат два сигнала на входа на един елемент в едно и също време, е необходимо да се синхронизира тяхното движение. Това се постига, като процесите на изчисление се извършват на тактове.

Ритъмът / тактовете за работа на процесора се задават от устройство, наречено тактов генератор. Колкото по-висока е честотата на тактовия генератор, толкова по-бързо ще работи компютърът.

Памет §

Паметта е изградена от електронни компоненти, наречени тригери, организирани във вид на матрица.

Тригерът е проста електронна схема, която има на изхода си само две стабилни състояния, условно обозначени като 0 и 1.

Матрицата от клетки памет е организирана така, че всеки ред представлява множество битове, които се намират на един адрес и в които могат да се записват инструкциите или данни. Колоните представляват различните битове в това множество. Паметта изглежда като матрица, където броят на редовете определя броят различни адреси от паметта, а броят на колоните определя броят битове на всеки адрес.

За да запише или извлече данни от паметта, процесорът трябва да подаде двоичния код на адреса на специални шини, наречени адресни (address lines).

Клетките от сътоветния адрес се свързват с двупосочни шини за данни (data lines), които позволяват да се прочете информацията от тези клетки.

Обменът на данни между процесора и паметта се контролира чрез линии за три допълнителни сигнала:

• chip select (избор на схема)
• read enable (разрешено четене)
• write enable (разрешен запис).

Адресният декодер (address decoder) е електронна схема с входа и изхода, при която само един изход ще остане активен, ако се появи комбинация от нули и единици на неговите входове. Така адресният декодер избира точно един ред от матрицата, в който пишем или от който четем.

Пример, ако на адресните шини се появи числото , се избира третия ред от паметта и той се свързва с шината за данни.

Процесорът използва входовете read enable и write enable, за да определи дали ще четем или ще записваме в избраният ред от матрицата на паметта. Тези сигнали са ниско активни¹. read enable и write enable никога не могат да бъдат активни едновременно.

Входът chip select разрешава или забранява схемата на паметта. Причината е, че процесорът работи с много памети и в даден момент трябва да комуникира само с една. Ако chip select е 0 => паметта е активна и всички нейни входни и изходни сигнали се използват за предаване на данни.

За да няма колизия и при използване на шината за данни от различни устройства, се използва chip select. Всяко устройство памет има свой собствен вход chip select, и не е възможно по едно и също време два сигнала chip select, на две различни устройства, да са нули.

Типове памет §

Оперативна:

• RAM:
  • съхранява данните и програмите, които се използват в момента
  • контролира се от ОС
  • бърза при четене и запис
  • при изключване се губят записаните данни
  • има два вида:
    • SRAM (static RAM) - по-бърза, но скъпа
    • DRAM (dynamic RAM)
• ROM:
  • памет само за четене
  • фабрично записана
  • не се чисти при изключване
  • процесорът може да се записва в нея само със специални допълнителни механизми
• Cache:
  • междинна памет, в която процесора чете преди да се обърне към RAM
  • за кеш се използва SRAM
  • може да бъде разделена на две: кеш памет за инструкции и кеш памет за данни
• Регистър:
  • малка бърза памет за специфични функции: да запомни цяло число, адрес от паметта, да конфигурира входно/изходно устройство или да покаже състоянието на процеса.

Шини §

Адресните шини се контролират изцяло от процесора и се използват за да се определи с кой ред от матрицата на паметта процесорът желае да комуникира. Понеже този единствен ред може да се намира в различни схеми памет, адресните шини се използват и за определяне на коя схема памет е разрешена.

По управляващите шини текат сигнали, използвани за управление на процеса на предаване на данни - кога се предават данните, в коя посока и др. Процесорът контролира управляващите шини.

Периферни устройства §

Компонент от фон Нойманова архитектура. Може да бъдат принтери, скенери, клавиатура, мишка и др.

---

Компютърен софтуер §

Широкото разпространение на компютрите се дължи на богатството от програми, наречени софтуер.

Системен софтуер §

Управлява компютърните ресурси и посредничи между хардуера и приложения софтуер.

Драйвъри §

Драйвърите управляват работата на периферните устройства и достъпа до тях. За основни устройства и периферия драйвърите пристигат с ОС. При някои операционни системи (като Linux) драйвърите се включват и изключват в ядрото. Популярните операционни системи поддържат драйвъри за широк спектър периферни устройства и ги инсталира автоматично.

Компресия на файлове §

Компресия на файлове е процес на преобразуване при който файловете намаляват размера си и следователно заемат по-малко памет. При компресията се прилагат различни математически методи и алгоритми. За да се използва един компресиран файл, трябва да се декомпресира. Компресията бива със загуби и без загуби.

Програми за архивиране §

Архив — това е файл, съдържащ в себе си един или няколко файла/папки/метаданни/архиви. Архивът се използва за по-удобно съхранение, пренос или компресиране. За създаване на архиви и работа с тях се използват програми архиватори. Архивът се деазрхивира със същата програма, с която е архивиран.

Антивирусни програми §

Специализирани програми за откриване накомпютърни вируси и за възстановяване назаразени файлове. Има няколко основни вида АВ програми:

• детектори - търсещи вируси в паметта (ОП и външна) и при откриване сигнализират потребителя
• доктори откриват заразени файлове и ги “лекуват” чрез отстраняване от файла на програмата вирус и връщат файла в изходно състояние
• ревизори - запомнят изходнотосъстояние на програмите, каталозите исистемните области на диска предизаразяването, и после периодично или пожелание на потребителя сравняват текущото и изходното състояние.
• филтри - малки резидентнипрограми, търсещи действия, характерни завирусите.
• ваксини - резидентни програми,които предотвратяват заразяването нафайловете. Те работят само срещупредварително известни вируси. Програмата-ваксина модифицира програмата или диска така, че това да не се отрази на работата, но вирусът да ги възприема като заразени и да несе занимава с тях.

Операционни системи §

Работата на компютъра представлява сложно взаимодействие между различни компоненти – хардуер, софтуер, файлове с данни, мрежови ресурси, действия на потребителя. Това взаимодействие е успешно и ефективно благодарение на операционната система. Тя е съвкупност от програми, които управляват и координират цялостната работа на компютъра.

Основни функции на ОС §

• осигуряване на работна среда на приложните програми
• управление на всички софтуерни и хардуерни ресурси на компютъра:
  • процеси:
  • памет
  • външна памет
  • вход и изход
  • файлове система
  • мрежови ресурси и комуникации
  • защита и сигурност на процеси и данни
• взаимодействие компютър - човек

Управление на процесите §

Процес - единица дейност за изпълнение в компютърната система (пр. стартиране, изпълнени и спиране на програма). Системните процеси изпълняват код от системни модули на ОС, потребителските процеси са всички, които не са системни.

Основни състояния на процесите:

• new - процесът е създаден, но не се изпълнява още
• ready - процес, очакващ предоставянето на процесор за изпълнение
• running - процесът има достъп до процесора и неговия код се изпълнява в момента
• blocked/waiting - кодът не се изпълнява, а процесът изчаква за настъпването на някакво външно събитие (входно)
• terminated - процес, който е завършил изпълнението си и по-нататъшната му работа е невъзможна

Управление на паметта §

Тук се отнасят:

• разпределение на паметта между процесите
• защита на паметта (даден процес има достъп само до определената за него памет).

Основни принципи:

• прозрачност – в ОП могат да съществуват едновременно няколко процеса. Всеки процес може да бъде изпълняван независимо от броя и разположението в паметта на другите процеси
• безопасност (защита) – процесите не могат да повредят код или данни в адресното пространство на друг процес (или в това на ОС)
• ефективност – степента на използване на CPU следва да бъде запазена, а паметта да бъде разпределена „справедливо“
• преместваемост – способността на програмата да бъде изпълнявана при различно разположение в паметта

Управление на файловете §

Основната задача на файловата система е да скрие от потребителя техническите детайли на физическите носители и да му предостави удобен достъп за основните операции с файлове - създаване, четене и изтриване, копиране, преместване, преименуване.

Всеки файл съхранява своите атрибути - име, тип, дата на създаване, последен достъп, размер, права и режими на достъп, и др. При ползване на файла по време на изпълнение на даден процес, файловите атрибути се обобщават в т.наречения „блок за управление на файла“ (File Control Block – FCB). Файловата система позволява навигация по своята структура, модификация на съдържанието си, промени на атрибутите на файловете и т.н.

Свободното пространство, незаето от файловете, също подлежи на управление За това е необходимо да се знае кои от блоковете от дисковото пространство са свободни и достъпни. За целта наред с таблицата за разпределение на файловете (file allocation table - FAT) се добавя и контролна структура, наречена „таблица за разпределение на дисковото пространство“ (disk allocation table).

Управление на вход/изход и периферни устройства §

То се осъществява от система за управление на входа и изхода (супервайзoр). Тя осигурява следните основни функции:

• поддържа информация за състоянието на устройствата
• управлява достъпа до устройствата
• разпределя и освобождава устройствата
• управлява работата на устройствата

Преди завършването на В/И операция данните последователно се натрупват в буфер. След запълване на буфера цялото му съдържание се изпраща към изходното устройство (за изходните операции), или към съответната област в ОП (за входните операции). Буферирането опростява и ускорява взаимодействието с В/И устройства и е предпочитано поради по-рядкото обръщение към управляващите ги програми (драйвери).

Управление на сигурността и безопасността §

Съвременните ОС разполагат с ефективни средства за защита и осигуряване конфиденциалност на информацията.

Основни средства:

• контрол на достъпа – предпазва от несанкциониран външен достъп
• конфиденциалност – ограничаване на достъпа на потребителя до данни, непредназначени за него
• интегритет на данните – предпазване на данните от неоторизирана модификация
• автентикация на потребителя – проверка за идентичност на потребителя и за валидност на неговите съобщения и данни

Взаимодействие компютър-човек §

Това става с помощта на тъй наречения интерфейс. Чрез него потребителят задава команди за изпълнение, получава указания за действие и съобщения за реакция на компютъра. При операционните системи с графичен интерфейс диалогът компютър-потребител се осъществява чрез чрез менюта, икони, прозорци. При текстовия интерфейс командите се въвеждат от командния ред под формата на текст.

---

Структура на ОС §

BIOS (базова входно изходна система) §

Набор от програми, записани в ROM. Улесняват прехвърлянето на данни и управляващи сигнали между компютъра и периферните устройства. Може да се разглежда като пласт, покриващ хардуера, който го обслужва и осигурява комуникацията с другите програми.

• ядро (kernel): базовият модул, който работи в привилегирован режим. Зарежда се веднага след BIOS. Изпълнява най-съществените функции на ОС:
  • управление на зареждането и изпълнението на програмите (процесите),
  • управление на паметта,
  • достъп до файловата система,
  • обмен на файлове и данни с периферните устройства
  • осигурява на обвивката достъп до централния процесор
• обвивка: команден процесор, интерфейс и всички други средства за комуникация на ОС с потребителя.Представлява потребителски интерфейс на ОС и служи за връзка между потребителя и ядрото.

Видове ОС §

• еднопроцесни - тези операционни системи, при които може да стартира само, ако е завършил предишния
• многопроцесни - в даден момент могат да се изпълняват повече от един процес
• еднопотребителски
• многопотребителски
• сървърни ОС -предназначени за обслужване на мощни високопроизводителни сървърни компютърни системи. С развити средства за колективно ползване и достъп до общи ресурси, и с ограничен потребителски интерфейс
• Real Time Operating Systems – RTOS - ОС, които осигуряват работата на специализирани изчислителни устройства, следящи или управляващи динамично протичащи процеси. Осигуряват бърза реакция на системата. Използват се в автоматични навигационни системи, сложни и динамични технологични процеси, системи, управляващи транспортния трафик, специализирани военни, авиационни и космически приложения
• embedded operating systems - специализирани системи с ограничен или липсващ потребителски интерфейс, предназначени да работят напълно автоматично и независимо от другите компоненти на техническата система
• oперационни системи за smart-карти – малки ОС, предназначени за различни категории интелигентни бизнес карти, които имат малка памет и прост процесор.
• операционни системи за мобилни устройства - с
• ъчетават функциите на ОС с особеностите на мобилните устройства (сензорен екран, безжичен интернет, камера, микрофон и др.)

Инструментални средства §

Средствата за разработка на други програми (пр. езици за програмиране).

Езици за програмиране §

Изкуствени езици, чрез които се описват действията, които трябва да извърши компютърът. Тези описания се наричат програми. Строго определени и се тълкуват еднозначно. Освен действия, прграмите съдържат и описание на данните, с които работят. Всеки език има синтаксис (определя правилата, по които се пишат конструкциите) и семантика (смисълът и съдържанието, в които е допустимо да бъдат свързани елементите на езика).

Езици от ниско ниво §

• машинен език - специфичен за процесора, кодът е нули и единици
• асемблер - специфичен за фамилия процесори, посредник между програмите, писани на език от високо ниво и машинен код (той превежда инструкциите на машинен език).

Езици от високо ниво §

Освобождават програмистите от необходимостта да знаят по какъв начин се изпълнява всяка инструкция. Транслаторът превежда кода от виско ниво на изпълним машинен код. На един оператор на език от високо ниво съответстват по няколко инструкции машинен код. Може да се разделят на два вида:

• императивни
  • процедурни - описват се различни стъпки от процедурата, която компютърът трябва да следва, за да изпълни задачата (програма = алгоритъм + структури от данни)
  • обектноориентирани - програмните елементи са във вид на обекти, които могат да си предават съобщения един на друг. Всеки обект има свои собствени данни от програмен код и вътрешно разчита на себе си, а програмата прави обекта част от голямото цяло чрез обединяването му в йерархия от слоеве.
• декларативни
  • функционални - създават се програми единствено с обръщение към функция, под функция се разбира програмна часто, която само връща стойност
  • логически - логическа програма = база знания + целеви твърдения (lisp, prolog)
  • функционални и логически

Транслатори §

Транслаторите биват два вида:

• компилатори - преобразува цялата програма от един език на друг и преди нейното изпълнение. Компилира се веднъж и изходния файл може да се изпълнява ммногократно, без да има нужда повече от компилатора.
• интерпретатори - преобразува програма от един език на друг постъпково и непосредствено в хода на нейното изпълнение. Програмата се интерпретира при всяко изпълнение

Редакторите §

предоставят среда за писане на програми на даден език.

Дебъгерите §

са програми, които откриват грешките на други програми в хода на нейното изпълнение.

Приложни програми §

Програма, описваща процеса на изпълнение на дадена задача за нуждите на потребителя.

Компютърни мрежи §

Компютърната мрежа е система от два или повече свързани компютри и техните устройства, предназначена за съвместно (колективно) използване на ресурсите им: апаратни, програмни и информационни.

Локална/Глобална мрежа §

Локална мрежа - свързва компютри и други устройства на близки разстояния.

Глобална мрежа - свързва мрежи, компютри и други мрежови устройства без оглед на разстоянието

Пренасяне на данни §

Преносът на данни между устройствата в една мрежа може да се осъществи по:

• кабел:
  • коаксиален
  • усукана двойка - кабелите са допълнително защитени от външни смущения, за да се неутрализират електромагнитните излъчвания
  • оптичен кабел - информацията се пренася чрез светлина, което обуславя високи скорости за пренос на данни
• безжично
  • Wi-Fi
  • GPS
  • GSM

Мост (Bridge) §

Специализирано мрежово устройство за връзка между:

• две локални мрежи
• или два сегмента от една локална мрежа
• устройството няма собствен ip адрес и остава невидимо за потребителя
• минимизира трафика между отделните сегменти, като пропуска само необходимия
• поддържа таблица от всички работещи мрежови устройства

Маршрутизатор (Router/Gateway/шлюз) §

Мрежово устройство, което свързва два произволни компютъра в Интернет. Всеки маршрутизатор има поне два различни мрежови интерфейса, чрез които той се свързва към различни мрежи.

Когато получи информация за препредаване маршутиризаторът:

• или разпознава за кой компютър (устройство), от пряко свързаните към него, е предназначена и му я изпраща,
• или пък я препредава на друг маршрутизатор.

Маршрутизаторът е видим за потребителите с имената и адресите на всеки от своите мрежови интерфейси. При конфигурирането на компютър за работа в Интернет е задължително да му се укаже неговият маршрутизатор.

Концентратор (Hub) §

Устройство, което служи като свързваща точка в мрежата.

Мрежов комутатор (Switch) §

Устройство, което има същата роля като концентратора, но е по-ефективно, защото е комбинация от хардуерно устройство и софтуер.

IP пакет (IP packet) §

Eдиницата информация, пренасяна по мрежата, в съответствие с множеството протоколи TCP/IP.

Мрежов контролер (карта/адаптер) §

Електронно устройство и съответната му управляваща прогрaма (driver), свързващ физически компютъра и мрежата. Контролерът е съобразен с протоколите, използвани в мрежата, в която той работи. Мрежовия контролер се грижи за:

• трансформация на вътрешни електрически компютърни сигнали във физически такива, в съответствие с типа на комуникационната среда (оптически, електрически, др)
• трансформира приетите, от комуникационната среда физически сигнали в електрически сигнали за тяхната обработка от компютъра Всяка мрежова карта има уникален адрес (MAC адрес), който е записан от производителя в чипа на устройството. MAC адресът се използва при комуникация между компютри, така се разбира от кой компютър са данните и за кой компютър са предназначени.
• комуникационен интерфейс: осъществява механическа и електрическа връзка на контролера със комуникационна среда, разработва се подчинено на строги и подробни стандартизирани спецификации

Съвременните компютри притежават вградени мрежови карти (т.е. мрежовата карта се намира на дънната платка)

Протоколи §

В компютърните мрежи, протоколите се реализират с програмни средства.

Дефинират:

• действието, което трябва да се изпълни
• условията за това действие (параметрите)
• очаквания отговор (от страна на изпълнителя)

Други понятия §

• работна станция: всеки компютър свързан към мрежата, притежава мрежов контролер и програма за изпълнение на мрежови услуги
• сървър: компютър в мрежата, изпълняващ мрежови услуги (файл/принт/приложна програма/уеб/мейл/дб/прокси, др)

Класификация на компютърните мрежи §

Индустриални мрежи §

• крайният потребител е компания
• служат за обмен на различен тип информация - данни, програми
• високи изисквания към надеждността при предаване на информация
• бързо изпълнение на мрежовите услуги
• унифицирана комуникационна среда

Информационни мрежи §

• крайния потребител са хората
• служат за обмен на различен тип информация - данни, програми
• не много високи изисквания към надеждността при предаване на информация
• липса на точно дефинирано време за изпълнение на мрежовите услуги
• разнообразна комуникационна среда (кабели)
• според физическото разстояние може да са:
  • локални: свързващи компютри в една или няколко съседни сгради, бърз обмен на данни, лесно прехвърляне на информация и използване на програми от един компютър на друг компютър
  • градски: високопроизводителна обществена мрежа за нуждите на бизнеса и структурите в един град
  • глобални: без ограничение за разстояние между компютрите, използват се различни комуникационни среди, скоростта на обмен на данни не може да се дефинира с точност
  • частните глобални мрежи:
    • интранет мрежи използват за преносна среда собствени или наети кабелни/безжични трасета.
    • екстранет: по-евтино е при изграждането на частна мрежа да се използва Интернет като преносна среда. Прилагат се VPN технологии, гарантиращи висока сигурност. Те са изолирани от публичната мрежа чрез криптиране на обменяните данни.

Топологията на мрежите §

Топология “звезда” §

Предимства:

• лесно се откриват повреди в съобщителната среда;
• лесно се добавят нови компютри (възли);
• лесно се отстраняват съществуващи компютри;
• работоспособността на мрежата не зависи от отделните компютри (aко има проблем с компютър, останалите компютри продължават да работят, но нямат достъп до ресурсите на проблемния компютър).

Недостатъци:

• по-скъпа (всеки компютър се свързва с централната точка и това води до повече кабел; трябва да се купят допълнителни устройства – hub или swich)
• централният възел е слабо място по отношение на надеждността;
• пропускателната способност може да бъде ниска при върхови натоварвания на мрежата или при добавяне на нови компютри (възли);
• при увеличена дължина на съобщителната среда сигналът затихва.

Топология “кръг” §

Предимства:

• лесно се инсталира;
• всеки компютър усилва сигнала преди да го предаде към следващия;
• по-малко кабели от «звезда»;
• няма централна точка

Недостатъци:

• остарял тип топология;
• при повреда на някой от компютрите или на съобщителната среда се губи работоспособност (едно решение е двоен кръг);
• докато се добавя новия компютър мрежата не работи.

Топология “магистрала/шина” §

Предимства:

• лесна за инсталиране;
• използва се по-малко кабел;
• няма централна точка;
• подходяща за малки мрежи, които свързват само няколко компютъра;

Недостатъци:

• остаряла топология;
• един контур свързва всички компютри;
• при по-голяма дължина на шината има риск от затихване на сигнала;
• трябва да се прекъсне мрежовата връзка, за да се добави компютър;
• ако един компютър причинява проблеми, всички компютри в мрежата са засегнати

Топология “хиперкуб” §

Предимства:

• директен обмен на данни между компютрите (възлите);
• висока степен на надеждност;
• ако даден път отпадне, може да се намери обходен маршрут и мрежата няма да загуби работоспособност.

Недостатъци:

• увеличена дължина на съобщителната среда;
• голям излишък на връзки;
• прекалено скъпа и сложна изработка и поддръжка.

Смесени (хибридни) топологии §

• oбединяват 2 или повече основни топологии;
• комбинират предимствата на съставните топологии;
• връзката между различните топологии става чрез компютър, принадлежащ на минимум 2 други топологии или други специализирани устройства

Mрежови архитектури §

Без обособен сървър (peer to peer) §

• всеки компютър в мрежата изпълнява двойна роля, на работна станция и сървър и трябва да има софтуера, който може да работи едновременно, за двете роли
• заявка към сървърната част на компютъра може да възникне в произволен момент, определян от програмата, изпълнявана от някоя работна станция, трябва компютъра да е по-мощен, за да не се усеща забаяване в дейността като работна станция
• предмиства: по-прости, по-евтини за реализация и експлоатация
• недостатъци: реализацията е по-несигурна от гледна точка на експлоатацията; всеки потребител трябва да е обучен сам да администрира ресурсите и данните на своята машина

С обособен сървър §

• изпълнението на мрежовите услуги е поверено на един компютър
• Този компютър не се използува като работна станция и по принцип не е необходимо да притежава средства за диалог с потребителя (монотор, клавиатура, и т.н.)
• за конфигурирането на сървъра, обаче, такива средства за диалог се включват в неговата конфигурация
• сървърът изпълнява само програма за обслужване на мрежовите заявки
• ресурсите на сървъра трябва да отговарят на изискванията на работните станции към неговите устройства: обем на дисковата памет, брой на CD – устройствата и т.н.
• за обслужване на множество заявки от работните станции, бързодействието на сървъра трябва да е голямо, за да не се забави изпълнението на програмите на работните станции.

Сървърът трябва да е мощен компютър и съответно по-скъп от останалите

Архитектура “клиент – сървър” Работните станции подготвят заявки за мрежови операции и всички отделни операции по тяхното изпълнение се поемат от сървъра.

Footnotes §

1. ниско активни: активно е, когато стойността е 0 ↩