Определение и задачи информационной технологии

Теоретической базой для информационных технологий является информатика.

Целью информатики является изучение структуры и общих свойств научной информации с выявлением закономерностей процессов коммуникации.

В современном понимании информатика — это область науки и техники, изучающая информационные процессы и методы их автоматизации. Пользователю она предоставляет методологические основы построения информационной модели объекта. Примером такой модели является концептуальная модель, которая отражает реальное содержание конкретной предметной области.

В информатике можно выделить три уровня. Физический (нижний) уровень представляет собой средства вычислительной техники и техники связи. Их развитие оказывает решающее влияние на возможности и направление использования информатики. Логический (средний) уровень составляют информационные технологии. Прикладной (верхний) уровень определяет идеологию применения информационных технологий для проектирования различных систем.

Информатика как научное направление имеет ряд определений. Это объясняется тем, что основным объектом изучения информатики является информация, точного определения которой нет до настоящего времени.

Теория информации, кибернетика и синергетика внесли значительный вклад в развитие информатики, однако не в состоянии описать и дать научное объяснение разнообразным информационным процессам, имеющим место в природе и обществе. Новое научное направление — инфодинамика — связывает воедино массу, энергию и негэнтропию.

Поскольку однозначного понимания научного направления «информатика» не существует, целесообразно говорить не об истории, а об ее задачах на современном этапе. Так как информация является отражением, то в информационном обществе мы имеем дело с приближенными моделями реального мира. В связи с этим главной задачей информатики должно быть методологическое обоснование построения информационной модели объекта, явления, процесса. Использование этой модели для целенаправленной деятельности в любых сферах человеческого общества осуществляется на основе реализации информационных процессов и соответствующих им технологий.

Таким образом, для современного состояния информационных технологий необходим переход от информационного описания предметной области к представлению на уровне данных, осуществляемый на основе декомпозиции, абстракции, агрегирования.

Декомпозиция — это разбиение системы (программы, задачи) на компоненты, объединение которых позволяет решить данную задачу.

Абстракция позволяет правильно выбрать нужные компоненты для декомпозиции и представляет собой эффективный способ декомпозиции, осуществляемый посредством изменения списка декомпозиции.

Процесс абстракции может быть рассмотрен как некоторое обобщение. Он позволяет забыть о различиях и рассматривать предметы и явления так, как если бы они были эквивалентны. Так как выделение общего у процессов и явлений есть основа классификации, то иерархия абстракций представляет собой фактически схему классификации.

Выделяют два основных способа абстрагирования:

• • абстракция через параметризацию — выделение формальных параметров с возможностью их замены на фактические в различных контекстах. Выделение формальных параметров позволяет абстрагироваться от конкретного приложения и базируется на общности определенных свойств конкретных приложений;
• • абстракция через спецификацию — позволяет абстрагироваться от внутренней структуры до уровня знания свойств внешних проявлений (результата). Внешние свойства компонента указываются путем описания внешних связей, требований и эффектов.

Внешние связи — это связи различной природы данного компонента с окружением.

Требования (requires) — это условия, которые должны быть выполнены для правильного использования компонента.

Эффекты (effects) — это условия, которым удовлетворяют внешние проявления (результаты) компонента.

С точки зрения конкретных приложений выделяют следующие виды абстракций:

• • процедурная абстракция {ПА) — позволяет расширить некоторую виртуальную машину новой операцией;
• • абстракция данных (АД) — состоит из набора объектов и набора операций, характеризующих поведение этих объектов;
• • абстракция через итерацию {АИ) — дает возможность не рассматривать информацию, не имеющую прямого отношения к управляющему потоку или циклу.

При построении модели данных предметной области наряду с естественным процессом декомпозиции используется и агрегирование. Это связано с необходимостью интеграции информационных ресурсов в силу их разнородности для ряда предметных областей.

Агрегирование — процесс объединения предметов в некоторую группу как в целях классификации, так и для обеспечения взаимодействия компонентов информационной системы.

В настоящее время при проектировании информационных систем используется два подхода: функционально-структурный и объектноориентированный.

• Функционально-структурный подход (структурный) использует принцип алгоритмической декомпозиции с выделением функциональных элементов предметной области и установлением строгого порядка выполняемых действий. Недостатком данного способа является неизбежность продвижения информации в одну сторону («вниз по течению»), что в случае ошибки при проектировании приводит к деформированию системы.

По мере постепенного превращения компьютеров из счетных устройств в универсальные машины для обработки данных, примерно после 1970 г., стали появляться новые термины: данные как продукты (data product); инструменты для работы с данными (data tool); приложения, реализуемые посредством соответствующей организации (data application); наука о данных (data science); ученые, работающие с данными (data scientist), и даже журналисты, которые доносят сведения, содержащиеся в данных, до широкой публики {data journalist).

• Объектно-ориентированный подход основан на декомпозиции объектов предметной области, при этом статическая структура системы описывается в терминах объектов и связей между ними. В объектноориентированном подходе выделяют классы объектов. Каждый класс содержит однородные объекты. Иерархическая декомпозиция системы представляется в виде иерархии классов объектов, а функционирование системы — в виде взаимодействия объектов, обменивающихся сообщениями. Объектно-ориентированный подход позволяет осуществить параллельность и автономность разработки отдельных компонент ИС.

Технология (от др.-греч. Te^vri — искусство, мастерство, умение; ayoc, — мысль, причина; методика, способ производства) — в широком смысле — совокупность методов, процессов и материалов, используемых в какойлибо отрасли деятельности, а также научное описание способов технического производства; в узком — комплекс организационных мер, операций и приемов, направленных на изготовление, обслуживание, ремонт и (или) эксплуатацию изделия с номинальным качеством и оптимальными затратами и обусловленных текущим уровнем развития науки, техники и общества в целом.

При этом:

• • под термином «изделие» следует понимать любой конечный продукт труда (материальный, интеллектуальный, моральный, политический и т. п.);
• • под термином «номинальное качество» следует понимать качество, прогнозируемое или заранее заданное, например, оговоренное техническим заданием и согласованное техническим предложением.

Современные технологии основаны на достижениях научно-технического прогресса и ориентированы на производство продукта: материальная технология создает материальный продукт, информационная технология (далее — ИТ) — информационный продукт. Технология — это также научная дисциплина, разрабатывающая и совершенствующая способы и инструменты производства. Технологией, или технологическим процессом, часто называют также сами операции добычи, транспортировки и переработки, которые являются основой производственного процесса.

Таким образом, термин «технология» имеет множество толкований. В широком смысле под технологией понимают науку о законах производства материальных благ, вкладывая в нее три основные части: идеологию, т. е. принципы производства; орудия труда, т. е. станки, машины, агрегаты; кадры, владеющие профессиональными навыками. Эти составляющие называют соответственно: информационной, инструментальной и социальной. Для конкретного производства технологию понимают в узком смысле как совокупность приемов и методов, определяющих последовательность действий для реализации производственного процесса. Уровень технологий связан с научно-техническим прогрессом общества и влияет на его социальную структуру, культуру и идеологию.

Для любой технологии могут быть выделены цель, предмет и средства. Целью технологии в промышленном производстве является повышение качества продукции, сокращение сроков ее изготовления и снижение себестоимости.

Методология любой технологии включает в себя: декомпозицию производственного процесса на отдельные взаимосвязанные и подчиненные составляющие (стадии, этапы, фазы, операции); реализацию определенной последовательности выполнения операций, фаз, этапов и стадий производственного процесса в соответствии с целью технологии; технологическую документацию, формализующую выполнение всех составляющих.

Производство информации направлено на целесообразное использование информационных ресурсов и снабжение ими всех элементов организационной структуры и реализуется путем создания информационной системы. Информационные ресурсы являются исходным «сырьем» для системы управления любой организационной структуры, конечным продуктом является принятое решение. Принятие решения в большинстве случаев осуществляется в условиях недостатка информации, поэтому степень использования информационных ресурсов во многом определяет эффективность работы организации.

В своем становлении любая отрасль, в том числе и информационная, проходила стадии от кустарного ремесленного производства к производству, основанному на высоких технологиях.

Информационные технологии обеспечивают переход от рутинных к промышленным методам и средствам работы с информацией в различных сферах человеческой деятельности, обеспечивая рациональное и эффективное ее использование.

В развитии технологии выделяют два принципиально разных этапа: один этап характеризуется непрерывным совершенствованием установившейся базисной технологии и достижением верхнего предельного уровня, когда дальнейшее улучшение является неоправданным из-за больших экономических вложений; другой этап отличается отказом от существующей технологии и переходом к принципиально другой, развивающейся по законам первого этапа.

Информационная технология — совокупность методов и способов получения, обработки, представления информации, направленных на изменение ее состояния, свойств, формы, содержания и осуществляемых в интересах пользователей.

Можно выделить три уровня рассмотрения информационных технологий:

• 1- й уровень — теоретический. Основная задача — создание комплекса взаимосвязанных моделей информационных процессов, совместимых параметрически и критериально.
• 2- й уровень — исследовательский. Основная задача — разработка методов, позволяющих автоматизированно конструировать оптимальные конкретные информационные технологии.
• 3- й уровень — прикладной, который целесообразно разделить на две страты: инструментальную и предметную:
  • • инструментальная страта (аналог — оборудование, станки, инструмент) определяет пути и средства реализации информационных технологий, которые можно разделить на методические, информационные, математические, алгоритмические, технические и программные;
  • • предметная страта связана со спецификой конкретной предметной области и находит отражение в специализированных информационных технологиях, например, организационное управление, управление технологическими процессами, автоматизированное проектирование, обучение и др.

Основным критерием оценки информационных технологий является их эффективность, особенно экономическая эффективность. Традиционный расчет прибыли производится с учетом исчисляемых расходов и доходов.

Зачастую степень эффективности определяют исходя из того, насколько выгодны решения, принимаемые с точки зрения функционирования систем и устройств, государства, права и бизнеса, образования, культуры и т. д. При этом не самым главным критерием является расчет финансовых вложений. Так, например, если информационные службы высокоэффективны, то не только бизнес, но культура и образование выигрывают от их деятельности. В этом случае весьма затруднительно обосновать необходимые капиталовложения в информационные технологии. Здесь не работают расчеты, сделанные только с учетом экономической эффективности, а обычно учитывается, каких результатов можно достигнуть при создании новой системы или модернизации существующей. Успех применения информационной технологии может определяться эффективностью решения основных задач. Некоторые специалисты считают, что обоснование полезности — это искусство маркетинга. Для этого предлагается использовать разработанный Робертом Бенсоном метод «информационной экономики». Такой метод рассматривается как надежный способ анализа экономической эффективности, позволяющий учитывать качественные выгоды, величина которых определяется методом финансового прогноза с учетом возможных рисков.

Успешное внедрение информационных технологий связано с возможностью их типизации. Конкретная информационная технология обладает комплексным составом компонентов, поэтому целесообразно определить структуру и состав информационной технологии (рис. 1.6).

Технологический процесс — часть информационного процесса, содержащая действия (физические, механические и др.) по изменению состояния информации.

Рис. 1.6. Состав информационной технологии.

Информационные технологии базируются на информации о предметной области, информационных процессах и являются основой реализации процессов информатизации и построения информационных систем на основе инструментального обеспечения (hardware + software), математического обеспечения (braineware) и методического обеспечения (orgware).

Конкретная информационная технология определяется в результате компиляции и синтеза базовых технологических операций, специализированных технологий и средств реализации.

Информационная технология базируется на реализации информационных процессов, разнообразие которых требует выделения базовых, характерных для любой информационной технологии.

Базовый технологический процесс основан на использовании стандартных моделей и инструментальных средств и может быть использован в качестве составной части информационной технологии. К их числу можно отнести: операции извлечения, транспортировки, хранения, обработки и представления информации.

Среди базовых технологических процессов выделим:

• • извлечение информации;
• • транспортирование информации;
• • обработки информации;
• • хранение информации;
• • представление и использование информации.

Процесс извлечения информации связан с переходом от реального представления предметной области к его описанию в формальном виде и данных, которые отражают это представление.

Процесс транспортировки осуществляет передачу информации на расстояние для ускоренного обмена и организации быстрого доступа к ней, используя при этом различные способы преобразования.

Процесс обработки информации состоит в получении одних «информационных объектов» из других «информационных объектов» путем выполнения некоторых алгоритмов; является одной из основных операций, выполняемых над информацией и главным средством увеличения ее объема и разнообразия.

Процесс хранения связан с необходимостью накопления и долговременного хранения данных с обеспечением их актуальности, целостности, безопасности, доступности.

Процесс представления и использования информации направлен на решение задачи доступа к информации в удобной для пользователя форме.

Базовые технологические процессы строятся на основе базовых технологических операций, но кроме этого включают ряд специфических моделей и инструментальных средств. Этот вид технологий ориентирован на решение определенного класса задач и используется в конкретных технологиях в виде отдельной компоненты. Среди них можно выделить:

• • облачные технологии;
• • мультимедиатехнологии;
• • геоинформационные технологии;
• • технологии защиты информации;
• • CASE-технологии;
• • телекоммуникационные технологии;
• • технологии искусственного интеллекта.

Специфика конкретной предметной области находит отражение в специализированных прикладных информационных технологиях, например, организационном управлении, управлении технологическими процессами, автоматизированном проектировании, обучении и др. Среди них наиболее продвинутыми являются следующие информационные технологии:

• • организационного управления (корпоративные информационные технологии);
• • в промышленности и экономике;
• • образовании;
• • автоматизированного проектирования.

Аналогом инструментальной базы (оборудование, станки, инструмент) являются средства реализации информационных технологий, которые можно разделить на методические, информационные, математические, алгоритмические, технические и программные.

CASE-технология (Computer Aided Software Engineering — компьютерное автоматизированное проектирование программного обеспечения) является своеобразной «технологической оснасткой», позволяющей осуществить автоматизированное проектирование информационных технологий.

Методические средства определяют требования при разработке, внедрении и эксплуатации информационных технологий, обеспечивая информационную, программную и техническую совместимость. Наиболее важными из них являются требования по стандартизации.

Информационные средства обеспечивают эффективное представление предметной области, к их числу относятся информационные модели, системы классификации и кодирования информации (общероссийские, отраслевые) и др.

Математические средства включают в себя модели решения функциональных задач и модели организации информационных процессов, обеспечивающие эффективное принятие решения. Математические средства автоматически переходят в алгоритмические, обеспечивающие их реализацию.

Технические и программные средства задают уровень реализации информационных технологий, как при их создании, так и при их реализации.

Таким образом, конкретная информационная технология определяется в результате компиляции и синтеза базовых технологических операций, «отраслевых технологий» и средств реализации.

Эволюция информационных технологий наиболее ярко прослеживается на процессах хранения, транспортирования и обработки информации.

Отправной точкой для информационных технологий является 1900 г. До этого времени господствовала ручная обработка информации, для которой характерны:

• • последовательная смена носителей информации (глиняные таблички, берестяные грамоты, папирус, пергамент, бумага);
• • эволюция способов записи информации (рукопись, машинопись, печать), способов представления хранения (сочинения, книги, бумажные и печатные издания) и форм хранения (архивы, библиотеки).

Выделим шесть основных временных поколений [7] становления информационных технологий (рис 1.7), характеризуемых типом носителя, способами получения, передачи, хранения и обработки информации.

Рис. 1.7. Временные фазы развития управления данными.

Первое поколение (1900—1955) связано с двоичным представлением информации. Основной носитель информации — перфокарта. Для записи данных на карты, обработки (сортировки и составления таблиц) использовалось электромеханическое оборудование. Дальнейшему развитию препятствовали серьезные недостатки:

• • громоздкость оборудования;
• • проблемы хранения (1 гигабайт информации, представленной в виде перфокарт весит 22 т);
• • невозможность оперативной обработки.

Второе поколение (1955—1980) сопряжено со следующими факторами:

• • появлением в качестве носителя магнитных лент, позволяющих хранить большие объемы информации (одна магнитная лента заменяла более десяти тысяч перфокарт);
• • разработкой ЭВМ с программной поддержкой, обеспечивающей более высокое быстродействие (обработка сотни записей в секунду);

Основное внимание в этот период времени было уделено программному обеспечению, направленному на удобство и эффективность программирования. Наиболее характерным для программного обеспечения этого времени являлось следующее:

• • обработка записей на основе файловой организации данных;
• • разработка типовых программ для последовательного чтения нескольких входных файлов и производства на выходе новых файлов;
• • создание языков программирования (например, COBOL), ориентированных на записи последовательных задач;
• • в рамках операционных систем разработка языка управления заданиями и планировщика заданий для управления потоком работ;
• • внедрение пакетной обработки заданий.

Отметим недостатки, сдерживающие дальнейшее развитие информационных технологий:

• • отсутствие оперативного доступа к данным;
• • недостаточное быстродействие;
• • невозможность распознавания ошибки до обработки основного файла.

Третье поколение (1965—1980) базировалось на внедрении технологий оперативного доступа к данным в интерактивном режиме, основанном на использовании систем баз данных и систем передачи данных.

Определяющим на этом этапе явилось появление персональных компьютеров, что дало толчок реализации интерактивного обмена данными, обеспечивающего доступ к любому элементу данных за доли секунды.

Хотя оперативные базы данных хранились на магнитных дисках или барабанах, доступ к любому элементу данных обеспечивался за доли секунды. Внедрение технологий баз данных шло по пути от индекснопоследовательной организации записей к иерархическим и сетевым моделям, от простого поиска данных к прямому поиску по номеру записи или ассоциативному поиску по ключу.

Сетевые (и иерархические) модели данных получили широкое развитие, что выразилось в создании международной организации сопровождения сетевых баз данных CODASYL.

Однако ряд недостатков препятствовал дальнейшему развитию данного направления:

• • низкий уровень навигационного программного интерфейса;
• • сложность проектирования баз данных;
• • недостаточный уровень типизации и универсальности проектных решений.

Четвертое поколение (1980—1995) определяется бурным внедрением реляционных баз данных и архитектурой «клиент — сервер». Привлекательность реляционной модели заключается в использовании четкого математического аппарата реляционной алгебры, что позволило:

• • осуществить единообразное представление предметной области;
• • создать унифицированный язык описания данных и манипулирования данными.

Работы в области стандартизации и унификации породили язык, названный SQL (англ. Structured Query Language — язык структурированных запросов) и присутствующий во всех реляционных системах управления данными.

Реляционная модель обладает следующими преимуществами:

• • высокая степень продуктивности и простоты использования;
• • совместимость с архитектурой «клиент — сервер»;
• • возможность использования параллельной обработки;
• • применение графического пользовательского интерфейса.

Однако при значительных объемах данных начинают проявляться недостатки реляционных баз данных. К этим недостаткам относятся сложность структуры, вызванная необходимостью проведения нормализации; низкая производительность из-за поиска по ключу, что в три — пять раз увеличивает количество операций доступа; ограниченный набор типов данных; представление данных только в виде двумерных таблиц и невозможность реализации таблиц с нелинейной структурой; невозможность послойного рассмотрения данных (например, работающие — в одном слое, научные сотрудники и преподаватели — в другом, подчиненном слое); нестыковка с принципами все более широко применяемого объектно-ориентированного подхода; невозможность задать для определенного типа данных набор операторов-методов, которые приходится вводить в конкретном приложении; возникновение конфузии — утраты при многочисленных обновлениях третьей (а порой — и второй) нормальной формы; сложность совмещения с другой парадигмой хранилищ данных.

Одним из способов устранения указанных недостатков является построение объектно-реляционных (ОРБД) и объектно-ориентированных (ООБД) базы данных.

В качестве примера можно упомянуть два крупных проекта, характеризующие современные возможности технологий баз данных [7]. Первый из них — система Earth Observation System/Data Information System (EOS/DIS), разработанная агентством NASA для хранения всех спутниковых данных, которые начали поступать со спутников серии «Миссия к планете Земля» в 1977 г. Объем базы данных составляет несколько десятков петабайт. Другим примером базы данных является во многом стихийно развивающаяся всемирная библиотека. Реализация этих проектов стала возможной благодаря внедрению мультимедийных баз данных, что связано с переходом от традиционных баз данных, хранящих числа и символы к базам со сложными данными (звук, изображение, текст и др.).

Пятое поколение (1995—2000) связано с широким распространением Интернета (англ. Internet — всемирная система объединенных компьютерных сетей для хранения и передачи информации).

Основной причиной быстрого развития Интернета стал бесплатный и открытый доступ к основным документам, особенно к спецификациям протоколов.

В 1995 г. было сформулировано окончательное понятие термина «Интернет».

Под Интернетом понимается глобальная информационная система, обладающая следующими признаками:

• • логическая связанность с помощью глобального уникального адресного пространства на основе протокола Интернета (IP) или его последующих расширений/дополнений;
• • поддержка передачи данных на основе стандартных протоколов Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) или его последующих расширений/дополнений и/или других IP-совместимых протоколов;
• • общая доступность на любом уровне услуг верхнего уровня, строящихся на основе связи и связанной инфраструктуры.

Очень часто Интернет рассматривается как развитие традиционной телефонии, хотя на самом деле является ветвью развития информационных технологий. Интернет оказался очень жизнеспособной конструкцией, легко адаптируемой ко всем новшествам информационных технологий. От первоначального использования компьютера в режиме разделения времени Интернет органично впитал в себя локальные сети, архитектуру «клиент —сервер», одноранговые сети и сетевые компьютеры.

Иногда термин «Интернет» путают с «Интранет» (англ. Intranet — интрасеть), который в отличие от первого является внутренней частной ведомственной сетью, построенной на использовании IP.

Интернет широко внедрился во все сферы нашей жизни. Ярким примером служит цифровая экономика, которая базируется на достижениях Интернета. Сам Интернет достиг коммерческого успеха с многомиллиардным объемом.

Шестое поколение (2000 г. — по настоящее время) связано с возникновением двух проблем на рубеже двух веков:

• 1. Что делать с огромными объемами накопленных данных?
• 2. Где найти ресурсы для решения непрерывно возрастающего количества задач?

Решение этих проблем стало возможным благодаря двум новым направлениям информационных технологий: большие данные и облачные технологии.

Большие данные (англ, big data) — совокупность математических методов, инструментальных средств и методов обработки больших объемов разнообразных (структурированных и неструктурированных) данных для получения информации, необходимой для принятия эффективных решений в различных областях деятельности.

Это направление является альтернативой сформировавшимся в конце 2000;х гг. традиционным базам данных и решениям класса Business Intelligenc (В/). Назначение BI — обработка данных для принятия решений в области бизнеса, включая следующие этапы:

• 1) информационный поиск;
• 2) аналитическая обработка в реальном времени (OLAP);
• 3) инструменты предупреждения об отклонениях от ожидаемых показателей;
• 4) бизнес-аналитика;
• 5) бизнес-отчетность.

Облачные вычисления (англ, cloud, computing') — технология, обеспечивающая комфортный удаленный доступ по согласованному требованию с минимальными эксплуатационными затратами к общему фонду конфигурируемых инструментальных средств (сетям передачи данных, серверам, устройствам хранения данных, приложениям и сервисам).

Услуги, предоставляемые пользователям в cloud computing, принято называть словом aaS (as a Service — «как сервис» или «в виде сервиса»). Перечень услуг весьма разнообразен:

• • Storage-as-a-Service («хранение как сервис»);
• • Database-as-a-Service («база данных как сервис»);
• • Information-as-a-Service («информация как сервис»);
• • Process-as-a-Service («управление процессом как сервис»);
• • Platform-as-a-Service («платформа как сервис»);
• • Integration-as-a-Service («интеграция как сервис»);
• • Security-as-a-Service («безопасность как сервис»);
• • Management/Governace-as-a-Service («администрирование и управление как сервис»);
• • Infrastructure-as-a-Service («инфраструктура как сервис»);
• • Testing-as-a-Service («тестирование как сервис»).

Дальнейшее развитие информационных технологий должно привести к созданию некоторой информационной среды в киберпространстве. Программное обеспечение для определения, поиска и визуализации оперативно доступной информации — ключ к созданию и доступу к такой информации. Основные задачи, которые необходимо решить:

• • определение моделей данных для новых типов (например, пространственных, темпоральных, графических) и их интеграция с традиционными системами баз данных;
• • масштабирование баз данных по размеру (до петабайт), пространственному размещению (распределенные) и многообразию (неоднородные);
• • автоматическое обнаружение тенденций данных, структур и аномалий (добывание данных, анализ данных);
• • интеграция (комбинирование) данных из нескольких источников;
• • создание сценариев и управление потоком работ (процессом) и данными в организациях;
• • автоматизация проектирования и администрирования базами данных.