1.3. Базовые модели данных

Иерархическая модель. Среди реализуемых на практике СУБД этого типа преобладает система IMS (Information Management System компании IBM). На данный момент это самая распространенная СУБД из всех данного типа. Приме­няются и другие иерархические системы: TDMS (Time-Shared Date Management System) компании Development Corporation; Mark /У Multi - Access Retrieval System компании Control Data Corporation; System - 2000 разработки SAS-Institute.

Отношения в иерархической модели данных организова­ны в виде совокупностей деревьев, где дерево - структура дан­ных, в которой тип сегмента потомка связан только с одним типом сегмента предка. Графически: Предок - точка на конце

стрелки, а Потомок - точка на острие стрелки. В базах данных определено, что точки - это типы записей, а стрелки представ­ляют отношения один-к-одному или один-ко-многим.

К ограничениям иерархической модели данных можно от­нести следующие:

отсутствует явное разделение логических и физических характеристик модели;

для представления неиерархических отношений данных требуются дополнительные манипуляции;

непредвиденные запросы могут требовать реорганизации базы данных.

Сетевая модель. Сети - естественный способ представ­ления отношений между объектами. Они широко применяются в математике, исследованиях операций, химии, физике, социо­логии и других областях знаний. Сети обычно могут быть представлены математической структурой, которая называется направленным графом. Направленный граф имеет простую структуру. Он состоит из точек или узлов, соединенных стрел­ками или ребрами. В контексте моделей данных узлы можно представлять как типы записей данных, а ребра представляют отношения один-к-одному или один-ко-многим. Структура графа делает возможными простые представления иерархиче­ских отношений (таких, как генеалогические данные).

Сетевая модель данных - это представление данных сете­выми структурами типов записей и связанных отношениями мощности один-к-одному или один-ко-многим. В сетевой мо­дели существует две основные структуры данных: типы запи­сей и наборы.

• Тип записей. Совокупность логически связанных элементов данных.

• Набор. В модели DTBG отношение один-ко-многим между двумя типами записей.

• Простая сеть. Структура данных, в которой все би­нарные отношения имеют мощность один-ко-многим.

• Сложная сеть. Структура данных, в которой одно или несколько бинарных отношений имеют мощность многие-ко-многим.

• Тип записи связи. Формальная запись, созданная для того, чтобы преобразовать сложную сеть в эквивалентную ей простую сеть.

Реляционная модель. Реляционные языки обработки данных - реляционная алгебра и реляционное исчисление.

• Реляционная алгебра - процедурный язык обработки реляционных таблиц.

• Реляционное исчисление - непроцедурный язык созда­ния запросов.

Все существующие подходы к связыванию записей из разных файлов использовали физические указатели или адреса на диске. Когда в компьютерной системе устанавливался но­вый накопитель или изменялись адреса хранения данных, тре­бовалось дополнительное преобразование файлов. Если к формату записи в файле добавлялись новые поля, то физиче­ские адреса всех записей файла изменялись. Такие базы дан­ных не позволяли манипулировать данными так, как это по­зволяла бы логическая структура. Все эти проблемы преодоле­ла реляционная модель, основанная на логических отношениях данных.

2. Основы сетевых и коммуникационных технологий

2.1. Требования к организации сети

Основными требованиями, которым должна удовлетво­рять организация ИВС, являются следующие.

Открытость - возможность включения дополнительных абонентских, ассоциативных ЭВМ, а также линий (каналов) связи без изменения технических и программных средств су­ществующих компонентов сети. Кроме того, любые две ЭВМ должны взаимодействовать между собой, несмотря на разли­чие в конструкции, производительности, месте изготовления, функциональном назначении.

Гибкость - сохранение работоспособности при изменении структуры в результате выхода из строя ЭВМ или линии связи.

Эффективность - обеспечение требуемого качества об­служивания пользователей при минимальных затратах.

2.2. Структура информационно-вычислительной сети

Распределенные ИВС представляют собой совокупность взаимодействующих узлов хранения и переработки информа­ции, объединенных с помощью аппаратных средств (табл. 2).

Локальной вычислительной сетью называют открытую систему связанных между собой с помощью единой передаю­щей среды вычислительных машин, терминалов, периферий­ных устройств, расположенных друг от друга на небольших расстояниях (до нескольких десяткой километров), имеющих низкую стоимость, высокое быстродействие, небольшой про­цент ошибок и стандартную коммутацию данных в соответст-

вии с упрощенными протоколами. Кроме того, существуют следующие дополнительные условия:

• число ЭВМ должно быть не менее двух;

• сеть должна обрабатывать несколько потоков входных данных и не иметь общей операционной системы;

• каждая из ЭВМ сети должна иметь возможность само­стоятельно выполнять строго определенный набор функций при обслуживании системы производства и управления неза­висимо от других ЭВМ.

Таблица 2

Варианты организации взаимодействия

Создание ЛВС может происходить также и по террито­риальному принципу: отдельные, взаимодействующие или ав­тономные ЛВС могут располагаться на различных удаленных площадках предприятия (объединения).

2.3. Сетевая модель OSI

Международной организацией стандартов утверждены определённые требования к организации взаимодействия меж-

ду системами сети. Эти требования получили название OSI (Open System Interconnection) - "эталонная модель взаимодей­ствия открытых систем".

В соответствии с требованиями эталонной модели каждая система сети должна осуществлять взаимодействие посредством передачи кадра данных. Согласно OSI образование и пе­редача кадра осуществляется с помощью 7 последовательных действий, получивших название "уровень обработки".

Основная идея этой модели заключается в том, что каж­дому уровню отводится конкретная роль в том числе и в транс­портной среде. Благодаря этому общая задача передачи дан­ных расчленяется на отдельные легко обозримые задачи. Так как пользователи нуждаются в эффективном управлении, система вычислительной сети представляется как комплексное строение, которое координирует взаимодействие задач пользо­вателей.

Отдельные уровни базовой модели проходят в направле­нии вниз от источника данных (от уровня 7 к уровню 1) и в направлении вверх от приемника данных (от уровня 1 к уров­ню 7). Пользовательские данные передаются в нижерасполо­женный уровень вместе со специфическим для уровня заго­ловком до тех пор, пока не будет достигнут последний уро­вень.

На приемной стороне поступающие данные анализируют­ся и по мере надобности передаются далее в вышерасполо­женный уровень, пока информация не будет передана в поль­зовательский прикладной уровень.

Уровень 1. Физический. На физическом уровне опреде­ляются электрические, механические, функциональные и про­цедурные параметры для физической связи в системах. Физи­ческая связь и неразрывная с ней эксплуатационная готовность являются основной функцией 1-го уровня. Стандарты физиче­ского уровня включают рекомендации V.24 МККТТ (CCITT), EIA rS232 и Х.21. Стандарт ISDN ( Integrated Services Digital Network) в будущем сыграет определяющую роль для функций

передачи данных. В качестве среды передачи данных исполь-

зуют трехжильный медный провод (экранированная витая па­ра), коаксиальный кабель, оптоволоконный проводник и ра­диорелейную линию.

Уровень 2. Канальный. Канальный уровень формирует из данных, передаваемых 1-м уровнем, так называемые кадры и последовательности кадров. На этом уровне осуществляются управление доступом к передающей среде, используемой не­сколькими ЭВМ, синхронизация, обнаружение и исправление ошибок.

Уровень 3. Сетевой. Сетевой уровень устанавливает связь в вычислительной сети между двумя абонентами. Соединение происходит благодаря функциям маршрутизации, которые требуют наличия сетевого адреса в пакете. Сетевой уровень должен также обеспечивать обработку ошибок, мультиплексирование, управление потоками данных. Самый известный стандарт, относящийся к этому уровню, -рекомендация Х.25 МККТТ (для сетей общего пользования с коммутацией пакетов).

Уровень 4. Транспортный. Транспортный уровень под­держивает непрерывную передачу данных между двумя взаи­модействующими друг с другом пользовательскими процесса­ми. Качество транспортировки, безошибочность передачи, не­зависимость вычислительных сетей, сервис транспортировки из конца в конец, минимизация затрат и адресация связи га­рантируют непрерывную и безошибочную передачу данных.

Уровень 5. Сеансовый. Сеансовый уровень координирует прием, передачу и выдачу одного сеанса связи. Для координа­ции необходимы контроль рабочих параметров, управление потоками данных промежуточных накопителей и диалоговый контроль, гарантирующий передачу имеющихся в распоряже­нии данных. Кроме того, сеансовый уровень содержит допол­нительно функции управления паролями, подсчета платы за пользование ресурсами сети, управления диалогом, синхрони­зации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок в нижерасположенных уровнях.

Уровень 6. Представление данных. Уровень представле­ния данных предназначен для интерпретации данных, а также подготовки данных для пользовательского прикладного уров­ня. На этом уровне происходит преобразование данных из кадров, используемых для передачи данных, в экранный фор­мат или формат для печатающих устройств оконечной систе­мы.

Уровень 7. Прикладной. В прикладном уровне необходи­мо предоставить в распоряжение пользователей уже перерабо­танную информацию. С этим может справиться системное и пользовательское прикладное программное обеспечение.

2.4. Принципы межсетевого взаимодействия

Для организации компьютерной сети необходимо нали­чие:

• сетевого программного обеспечения;

• физической среды передачи данных;

• коммутирующих устройств.

Сетевое программное обеспечение состоит из двух важ­нейших компонентов:

1. сетевого программного обеспечения, устанавливаемого на компьютерах-клиентах;

2. сетевого программного обеспечения, устанавливаемого на компьютерах-серверах.

Сетевая операционная система связывает все компьютеры и периферийные устройства в сети, координирует функции всех компьютеров и периферийных устройств в сети, обеспе­чивает защищенный доступ к данным и периферийным уст­ройствам в сети.

Примеры сетевых ОС:

Netware 3.11, No well Inc.

LAN Server, IBM Corp.

VINES 5.52, Banyan System Inc.

Windows NT Advanced Server 5.0, windows 2k. Unix, Linux, FreeBSD.

2.5. Среда передачи данных

Характеристика передающих сред приведена в табл. 3. Физическая среда передачи данных определяет:

1. скорость передачи данных в сети;

2. размер сети;

3. требуемый набор служб (передача данных, речи, муль­тимедиа и т.д.), который необходимо организовать;

4. требования к уровню шумов и помехозащищенности;

5. общую стоимость проекта, включающую покупку обо­рудования, монтаж и последующую эксплуатацию.

Кабельный сегмент сети - цепочка отрезков кабелей, электрически соединенных друг с другом.

Логический сегмент сети, или просто сегмент, - группа узлов сети, имеющих непосредственный доступ друг к другу на уровне пакетов канального уровня. В интеллектуальных ха-бах Ethernet группы портов могут объединяться в логические сегменты для изоляции их трафика от других сегментов в це­лях повышения производительности и защиты.

Коммутирующие устройства предназначены для связи сегментов сети.

Концентратор - хаб (Hub) - устройство физического подключения нескольких сегментов или лучей, обычно с воз­можностью соединения сетей различных архитектур.

Интеллектуальный хаб (Intelligent Hub) имеет специаль­ные средства для диагностики и управления, что позволяет оперативно получать сведения об активности и исправности узлов, отключать неисправные узлы и т. д. Стоимость сущест­венно выше, чем у обычных.

Таблица 3

Сравнительная характеристика различных передающих сред в локальных сетях

Активный хаб (Active Hub) усиливает сигналы, требует источника питания.

Peer Hub - хаб, исполненный в виде платы расширения PC, использующей только источник питания PC,

Пассивный хаб (Passive Hub) только согласует импедан-сы линий (в сетях ArCnet).

Standalone Hub - самостоятельное устройство с собствен­ным источником питания (обычный вариант).

Повторитель (repeater) - устройство для соединения сег­ментов одной сети, обеспечивающее промежуточное усиление и формирование сигналов. Позволяет расширять сеть по рас­стоянию и количеству подключенных узлов.

Мост (Bridge) - средство передачи пакетов между сетями (локальными) - для протоколов сетевого уровня прозрачен. Осуществляет фильтрацию пакетов, не выпуская из сети паке­ты для адресатов, находящихся внутри сети, а также переадре­сацию - передачу пакетов в другую сеть в соответствии с таб­лицей маршрутизации или во все другие сети при отсутствии адресата в таблице. Таблица маршрутизации обычно составля­ется в процессе самообучения по адресу источника приходя­щего пакета.

Маршрутизатор (router) - средство обеспечения связи между узлами различных сетей - использует сетевые (логиче­ские) адреса. Сети могут находиться на значительном расстоя­нии, и путь, по которому передается пакет, может проходить через несколько маршрутизаторов. Сетевой адрес интерпрети­руется как иерархическое описание местоположения узла. Маршрутизаторы поддерживают протоколы сетевого уровня: IP, IPX, X.25, IDP. Мультипротокольные маршрутизаторы (бо­лее сложные и дорогие) поддерживают несколько протоколов одновременно для гетерогенных сетей. Brouter (Bridging router) - комбинация моста и маршрутизатора - оперирует как на сете­вом, так и на канальном уровнях.

Основные характеристики маршрутизатора:

• тип: одно- или многопротокольный, LAN или wAN,

Brouter;

• поддерживаемые протоколы;

• пропускная способность;

• типы подключаемых сетей;

• поддерживаемые интерфейсы (LAN и wAN);

• количество портов;

• возможность управления и мониторинга сети.

Шлюз (Gateway) - средство соединения существенно раз­нородных сетей. В отличие от повторителей, мостов и мар­шрутизаторов, прозрачных для пользователя, присутствие шлюза заметно. Шлюз выполняет преобразование форматов и размеров пакетов, преобразование протоколов, преобразование данных, мультиплексирование. Обычно реализуется на основе компьютера с большим объемом памяти.

Примеры шлюзов:

Fax (обеспечивает доступ к удаленному факсу, преобразуя данные в факс-формат);

E-mail (обеспечивает почтовую связь между локальными сетями). Шлюз обычно связывает MHS, специфичный для се­тевой операционной системы с почтовым сервисом по Х.400;

Internet (обеспечивает доступ к глобальной сети Internet).

Для передачи информации по коммуникационным линиям данные преобразуются в цепочку следующих друг за другом битов (двоичное кодирование с помощью двух состояний: О и 1 ).

При передаче данных их разделяют на отдельные пакеты, передающиеся последовательно друг за другом.

Пакет включает в себя: адрес отправителя, адрес получа­теля, данные, контрольный бит.

Для правильной и, следовательно, полной и безошибочной передачи данных необходимо придерживаться согласованных и установленных правил. Все они оговорены в протоколе пе­редачи данных.

Протокол передачи данных требует следующей информа­ции.