Основы информационных систем и технологий

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ

1.1 История возникновения и развития информационных технологий

История возникновения информационных технологий уходит своими корнями в глубокую древность. Первым простейшим цифровым устройством считаются счеты, изобретенные почти одновременно и независимо друг от друга в Древней Греции, Древнем Риме, Китае, Японии и на Руси. Все, что поддавалось поштучному исчислению, вычислялось с помощью таких цифровых устройств.

В середине XX века появились теоретические предпосылки и техническая возможность для создания счетной машины на электронных лампах. Первая ламповая вычислительная машина ENIAC была создана сотрудниками Пенсильванского университета в 1946 году.

В 1949 году на основе разработок американского математика Джона Неймана английским исследователем Морисом Уилксом был построен первый ламповый компьютер — универсальная вычислительная машина нового поколения. Быстродействие компьютеров первого поколения не превышало 20 тыс. операций в секунду. В управленческой деятельности компьютеры первого поколения использовались для решения отдельных, наиболее трудоемких задач, например по начислению заработной платы и материальному учету, а также для решения отдельных оптимизационных задач.

С 1955 года компьютеры стали выпускаться на транзисторах, их габариты стали меньше, понизилось энергопотребление, повысилось быстродействие (до 500 тыс. операций в секунду). С 1960 года был налажен выпуск компьютеров на интегральных микросхемах (Chip). Компьютерные технологии, основанные на транзисторах и микросхемах, означали создание компьютеров второго поколения. В управленческой деятельности с их помощью обрабатывали плановую и текущую информацию, хранили нормативно-справочные данные, распечатывали машинограммы.

В 1964 года с применением электронных схем малой и средней степени интеграции (до 1000 компонентов на кристалл) были созданы компьютеры третьего поколения (IBM 360, ЕС 1030 и 1060). В конце 60-х годов появились первые мини-компьютеры, а в 1971 году — первый микропроцессор. С этого времени разрабатываются и проектируются не отдельные компьютеры, а многие составляющие компьютерных технологий на базе применения программного обеспечения. Программное обеспечение рассматривается как самостоятельная и в то же время неотъемлемая составляющая компьютерных технологий. Компьютеры третьего поколения использовались на всех этапах управленческой деятельности и централизованно решали комплекс управленческих задач.

В середине 70-х годов были разработаны компьютеры четвертого поколения, использующие большие и сверхбольшие интегральные схемы (до миллиона компонентов на кристалл) емкостью несколько мегабайт. При выключении таких компьютеров данные оперативной памяти переносятся на диск, при включении происходит самозагрузка. Производительность компьютеров этого поколения — сотни миллионов операций в секунду. В это же время появились первые персональные компьютеры. На этом этапе стали наблюдаться тенденции специализации технологических решений на базе мини-ЭВМ, децентрализации и универсализации способов обработки данных, появилась возможность удаленного доступа к массивам данных.

С 1982 года ведутся разработки компьютеров пятого поколения, ориентированные на обработку знаний. До этого считалось, что обработка знаний свойственна только человеку. В управленческой деятельности с помощью ЭВМ пятого поколения решаются комплексные экономические задачи, обеспечивается объектно-ориентированный подход к решению отдельных проблем. Для вычислительной техники этого поколения характерен широкий спектр приложений, интеллектуальный интерфейс, наличие информационно — советующих систем и систем поддержки принятия решений, интерактивный режим работы пользователя, а также сетевая организация информационных структур. С созданием компьютеров пятого поколения появился термин НИТ (новая информационная технология), означающий соединение средств вычислительной техники, средств связи и оргтехники.

На основе современных достижений в компьютерных и коммуникационных технологиях возникло новое явление — виртуализация хозяйственной деятельности, которая рассматривается в настоящее время как генеральное направление организационного развития. В теории и практике управления определение «виртуальный» становится ключевым. Все чаще говорят о виртуальных продажах, банковских операциях, фондах, офисах, предприятиях, экономиках и даже государствах.

Под виртуальной хозяйственной структурой понимается гибкое внутрии межорганизационное образование, создаваемое временно для эффективного использования ключевых материальных и нематериальных ресурсов. Динамичная сеть такого образования не имеет институциональных и структурных рамок. Она призвана создать наибольшие выгоды клиентам и добиться конкурентного преимущества на определенном рынке.

1.4 Программное обеспечение ЭВМ

Важнейшей функциональной характеристикой современных информационных технологий является состав программного обеспечения. Программное обеспечение — это совокупность программ регулярного применения, необходимых для решения задач пользователя, и программ, позволяющих наиболее эффективно использовать вычислительную технику, обеспечивая пользователю большие удобства в работе и минимум затрат времени на обработку информации.

Различают системное и прикладное программное обеспечение. Системное программное обеспечение способствует работе компьютера и выполнению общих задач. Прикладное программное обеспечение предназначено для решения определенной проблемной задачи пользователя.

К базовому программному обеспечению, в первую очередь, относятся операционные системы для локальных компьютеров, сетевые операционные системы, управляющие работой серверов и сетью. Тип операционной системы учитывает процессор компьютера, масштабы компьютерных сетей. К наиболее популярным операционным системам в мире относятся: операционная система Windows (95/98/NT/2002), Unix, Linux и др.

Другая часть базового программного обеспечения относится к сервисным средствам, используемым для расширения функций операционных систем, обеспечения надежной работы технических средств и выполнения процедур обслуживания информационной системы и ее компонентов:

· антивирусные программы;

· архиваторы файлов;

· утилиты для тестирования компьютеров, сетей, операционных систем, обслуживания файлов, дисков и т. п.

К числу наиболее популярных в настоящее время антивирусных программ относятся: DrWeb, AVP (антивирус Касперского), Norton Antivirus и другие.

Архиваторы обеспечивают компактное представление файлов и дисков для целей передачи данных на другие компьютеры, создания страховых копий. Наиболее популярны архиваторы: WinZip, WinRar, WinArj.

Утилиты делятся по объектам: тестирование функциональных блоков компьютера, обслуживание машинных носителей, обслуживание файловой системы, администрирование компьютерных сетей. К числу наиболее популярных утилит относятся: Norton Utilities, SiSoft Sandra for Windows и другие.

Среди множества прикладных программных продуктов следует назвать:

· текстовые редакторы, текстовые процессоры и издательские системы;

· графические редакторы и средства деловой графики;

· крупноформатные электронные таблицы (табличные процессоры);

· системы управления базами данных;

· информационно-поисковые системы;

· пакеты статистической обработки информации;

· пакеты математического программирования и т. д.

В небольших офисах современные информационные технологии чаще всего используются для выполнения следующих видов работ:

· обработки входящей и исходящей информации с помощью текстовых редакторов и средств презентационной графики (электронная почта и факсы, письма и запросы, реклама и прочая документация);

· сбора и анализа данных, расчетов, выполняемых обычно с использованием электронных таблиц (расчеты и обработка прайс-листов), формирования отчетов по разным направлениям и критериям, анализа и статистической обработки информации;

· накопления и хранения поступившей информации, обеспечивающих быстрый ее поиск (по различным критериям и признакам) и доступ к ней с применением систем управления базами данных;

· экономических и бухгалтерских расчетов с помощью учетных программных средств;

· анализа финансового состояния и прочих финансовых расчетов с помощью финансовых прикладных программ.

1.5 Технические средства ИС

Технические средства для информационных технологий ИС делятся на классы:

1. Средства сбора и регистрации информации:

· персональные компьютеры для ввода информации документов и запись на машинный носитель. При вводе информации применяются аппаратные и программные методы контроля достоверности, в том числе контроль на диапазон значений, контроль формата значений и другие;

· сканеры для автоматического считывания информации документов в виде графических символов, распознавания графических образов и преобразования в текст.

2. Комплекс средств передачи информации (технические и программные средства компьютерных сетей):

· локальные вычислительные сети (ЛВС) ограниченного масштаба, с большими скоростями передачи данных, ограничением количества и местоположения пользователей;

· региональные вычислительные сети (РВС) расширенного масштаба, специализированного назначения, с относительно высокими скоростями передачи данных, расширением количества пользователей сети;

· глобальные вычислительные сети (ГВС), в том числе сеть Интернет, для всемирных коммуникаций и создания информационных сообществ (например, пользователей информационных ресурсов Web, участников электронной коммерции, пользователей электронной почты, IР-телефонии и др.), с неограниченным кругом пользователей;

· intranet (интранет) сети корпораций, предназначенные для использования в масштабе предприятий эффективных информационных технологий Интернета.

Средства хранения данных. Базы данных ИС хранятся на серверах БД, файловых серверах, локальных компьютерах. В качестве носителей информации используются: магнитные диски (съемные, стационарные, переносные диски большой емкости), оптические диски (лазерные диски), магнитооптические диски, диски DVD (цифровые видеодиски).

Средства обработки данных. Обработка информации в ИС выполняется с помощью компьютеров.

Средства вывода информации. Для отображения и вывода информации используются видеомониторы, принтеры, графопостроители.

1.6 Базовая конфигурация ПК

Персональный компьютер имеет базовую конфигурацию, которая состоит из следующих устройств:

· системный блок;

· дисплей;

· клавиатура;

· манипулятор-мышь.

К базовой конфигурации добавляются разнообразные периферийные устройства по выбору пользователя: принтер, сканер, модем и т. д. По международной классификации персональные компьютеры бывают следующих категорий:

· массовый ПК;

· офисный ПК;

· портативный ПК;

· рабочая станция;

· игровой ПК.

Большинство имеющихся в настоящее время персональных компьютеров попадают в категорию массовых. Для офисных ПК установлены минимальные требования к средствам воспроизведения графики. Для портативных ПК обязательным является наличие модемов для организации компьютерной связи. Для рабочих станций повышены требования к накопителям данных, в категории игровых — к средствам воспроизведения графики и звука.

1.7 Функциональные компоненты ИС

Функциональная структура ИС — совокупность функциональных подсистем, комплексов задач и процедур обработки информации, реализующих функции системы управления. В системе управления крупных предприятий — корпораций выделяются самостоятельные подсистемы (контуры) функционального и организационного уровня управления (рис. 1.2).

1. Стратегический анализ и управление. Это высший уровень управления, обеспечивает централизацию управления всего предприятия, ориентирован на высшее звено управления. Основные комплексы задач:

· финансовый менеджмент, в том числе финансовое планирование и бюджетирование, составление финансового плана, определение статей затрат и поступлений денежных средств; анализ финансового плана и другие;

· анализ финансовой и хозяйственной деятельности, создание аналитической информации для принятия стратегических и тактических решений, анализ динамики и структуры технико-экономических показателей, подготовка внешней финансовой отчетности и другие;

· маркетинг — анализ рынка товаров, информация о конкурентах, клиентах; моделирование ценовой политики фирмы, организация рекламы, анализ эффективности каналов товародвижения и форм реализации товаров и услуг и другие;

· управление проектами — календарные планы-графики работ, оценка потребности в ресурсах для выполнения плана; учет и анализ хода выполнения планов по исполнителям и структурным подразделениям; контроль сроков выполнения планов и другие;

· управление документооборотом — система управления документами и организации документооборота ИС, контроль исполнительской дисциплины, управление деловыми процессами, групповая работа с электронными документами и другие.

2. Управление персоналом включает комплексы задач:

· организационный менеджмент в части моделирования организационной структуры управления и штатного расписания, определение функциональных (должностных) обязанностей подразделений и отдельных исполнителей;

· создание нормативно-справочной информации для управления предприятием, персоналом (классификаторы и справочная информация по кадрам, графики работ).

· планирование затрат по персоналу, расчет потребности в трудовых ресурсах, расчет фонда оплаты труда, схемы тарифов и должностных окладов, премий, льгот, штрафных санкций;

· набор персонала, в том числе ведение вакансий, профессиональное тестирование, рекрутинг и отбор кандидатов;

· ведение базы данных кадрового состава, формирование приказов, статистический анализ и учет движения кадров и другие;

· табельный учет рабочего времени, учет основной и дополнительной заработной платы, расчет налогов по заработной плате, формирование выходных расчетно-платежных документов и форм статистической отчетности, формирование бухгалтерских проводок для учета зарплаты.

3.Логистика — управление материальными потоками (заготовка материалов и комплектующих изделий), управление производством, управление сбытом готовой продукции. Все компоненты логистики тесно интегрированы с финансовой бухгалтерией и функционируют на единой информационной базе. Основные комплексы задач логистики:

· управление продажами (сбыт) готовой продукции через оптовую, мелкооптовую и розничную торговлю;

· управление материальными потоками, включая материально-техническое обеспечение производственной деятельности предприятия и управление запасами.

4. Управление производством включает комплексы задач:

· техническая подготовка производства (ТПП), в том числе конструкторская и технологическая подготовка производства, создание нормативно-справочной базы (номенклатура ДСЕ, конструкторский состав изделий, справочники технологического оборудования и оснастки, пооперационно-трудовые нормативы);

· технико-экономическое планирование (ТЭП), обеспечивает ведение нормативно-справочной базы для формирования портфеля заказов, номенклатурного плана производства, сбалансированного по ресурсам; производственной программы структурных подразделений, расчет плановой себестоимости продукции и нормативных затрат;

· учет затрат на производство (контроллинг), обеспечивает управление прямыми и косвенными затратами в производстве, учет выпуска готовой продукции, учет незавершенного производства, расчет фактических затрат на выпуск готовой продукции, формирование сметы сводных затрат на производство по видам продукции, местам возникновения затрат, по периодам учета и т. п.

· оперативное управление производством. Комплекс заданий обеспечивает планирование и учет запуска-выпуска продукции в соответствии с производственной программой, диспетчеризацию материальных потоков для производственного процесса, оперативный учет выпуска готовой продукции и незавершенного производства.

5.Бухгалтерский учет информационно связан с управленческим учетом затрат в производстве, финансовым менеджментом, складским учетом. Бухгалтерский учет хозяйственных операций в финансовой бухгалтерии осуществляется на основе бухгалтерских проводок, формируемых на основании первичных учетных документов. Создание документов и их отражения в бухгалтерском учете разделены во времени и пространстве. Основные участки бухгалтерского учета:

· ведение главной книги (интегрированного учетного регистра бухгалтерских проводок), вспомогательных учетных регистров;

· учет денежных средств (касса, расчетный, валютный счета, расчеты с подотчетными лицами);

· бухгалтерский учет основных средств;

· бухгалтерский учет товарно-материальных ценностей (материалы, товары, готовая продукция);

· бухгалтерский учет зарплаты;

· бухгалтерский учет расчетов с поставщиками и получателями;

консолидация финансовой бухгалтерии на уровне бизнес-единиц предприятия.

1.8 Классификация и виды ИС

Классификация ИС способствует выявлению наиболее характерных черт, присущих ИС, обеспечивает лучшее понимание предмета изучения. Существуют различные классификации, преследующие определенные цели.

ИС могут быть разделены на четыре группы:

· локальные;

· малые интегрированные;

· средние интегрированные;

· крупные интегрированные.

Важнейшим классификационным признаком ИС является ее масштаб и интеграция компонентов. Различают ИС следующих видов:

· локальный АРМ (автоматизированное рабочее место) — программно-технический комплекс, предназначен для реализации управленческих функций на отдельном рабочем месте, информационно и функционально не связан с другими ИС (АРМ);

· комплекс информационно и функционально связанных АРМ, реализующих в полном объеме функции управления;

· компьютерная сеть АРМ на единой информационной базе, обеспечивающая интеграцию функций управления в масштабе предприятия или группы бизнес-единиц;

· корпоративная ИС (КИС), обеспечивающая полнофункциональное распределенное управление крупномасштабным предприятием.

Другой классификационный признак для ИС — степень формализации (структурированности) и сложности алгоритмов обработки информации функциональных компонентов и соответствующих информационных технологий:

· системы оперативной обработки данных — OLTP (On-Line Transaction Processing) системы;

· системы поддержки и принятия решений — DSS (Decision Support Systems).

К системам оперативной обработки данных относятся традиционные ИС учета и регистрации первичной информации (бухгалтерские, складские системы, системы учета выпуска готовой продукции и т. п.). В этих ИС выполняется сбор и регистрация больших объемов первичной информации, используются достаточно простые алгоритмы расчетов и запросов к БД, структура которой стабильна в течение длительного времени. В OLTP-системах большое значение имеет защита БД от несанкционированного доступа, аппаратных и программных сбоев в работе ИС. Формы входных и выходных документов, схемы документооборота жестко регламентированы. Для повышения эффективности функционирования ИС используются компьютерные сети с архитектурой «клиент-сервер».

Системы поддержки и принятия решений ориентированы на реализацию сложных бизнес процессов, требующих аналитической обработки информации, формирование новых знаний. Анализ информации имеет определенную целевую ориентацию, например финансовый анализ предприятия, аудит бухгалтерского учета.

1.9 Информационно-технологическая архитектура ИС

ИС имеет различную информационно-технологическую архитектуру, зависящую от используемых программных и технических средств, типа сетей и организации БД. Архитектура ИС, в свою очередь, влияет на параметры ИС:

· время выполнения одиночного запроса;

· производительность ИС (количество транзакций в единицу времени);

· стоимость создания, эксплуатации и развития ИС.

Виды архитектур ИС:

· централизованная обработка данных;

· архитектура «файл-сервер»;

· двухуровневый «клиент-сервер»;

· многоуровневый «клиент-сервер».

Централизованная обработка данных.

Централизованная обработка данных на локальном компьютере (рис. 1.3) имеет следующие особенности:

1. на одном компьютере функционируют:

· программные средства пользовательского интерфейса, обеспечивающие интерактивный режим работы пользователя;

· программные средства приложений, выполняющие содержательную обработку данных;

· БД.

2. развитие ИС ограничено:

· техническими параметрами центрального компьютера: объем оперативной памяти, объем дисковой памяти для БД, надежность работы компьютера и программного обеспечения;

· производительностью центрального компьютера, влияющей на своевременность обработки всех приложений.

Рис. 1.3. ИС с архитектурой централизованной обработки данных

Архитектура «файл-сервер».

ИС с распределенной обработкой данных типа «файл-сервер» (рис. 1.4) использует компьютерные сети, как правило, локального типа. Компьютеры в сети делятся на рабочие станции и серверы. На рабочей станции установлены программные средства пользовательского интерфейса, программные средства приложений, выполняющие содержательную обработку данных. На файловом сервере находится БД.

Достоинство архитектуры «файл-сервер» — обеспечение высокого уровня защиты данных от несанкционированного доступа. Недостатки архитектуры «файл-сервер»:

· обмен на уровне файлов, доступ к которым в режиме корректировки блокируется для других пользователей;

· перегрузка трафика сети;

· высокие требования к техническому оснащению рабочих станций, на которых выполняется содержательная обработка данных.

Рис. 1.4. ИС с архитектурой «файл-сервер»

Двухуровневый «клиент-сервер».

В отличие от ранее рассмотренной архитектуры, распределенная обработка данных типа «двухуровневый клиент-сервер» (рис. 1.5) предполагает, что на сервере находится БД под управлением СУБД в архитектуре «клиент-сервер».

Рис. 1.5. ИС с архитектурой «двухуровневый клиент-сервер»

Все рабочие станции (клиенты) посылают запросы на данные к серверу, который осуществляет извлечение и предварительную обработку данных. Единицей обмена по сети является запрос и релевантная запросу выборка данных из БД. Существенно уменьшается трафик сети, снимаются ограничения на доступность данных БД различным приложениям.

«Клиентская» часть приложений становится несколько облегченной, но в больших ИС со сложной логикой обработки данных возникает проблема «толстого» клиента. Рабочая станция должна иметь достаточно высокие технические параметры для выполнения сложных приложений. Недостатком архитектуры является наличие очень высоких требований к техническому комплексу сервера БД, который становится центральным звеном всей ИС и определяет ее надежность.

Многоуровневый «клиент-сервер».

На рабочей станции установлены только программные средства, поддерживающие интерфейс с БД. На сервере БД находятся БД под управлением СУБД, архитектура сети — «клиент-сервер». В архитектуре ИС выделен сервер приложений, на котором находятся программные средства общего пользования. Эти серверы выполняют всю содержательную обработку данных.

В отличие от двухуровневой архитектуры, данная архитектура (рис. 1.6) обеспечивает эффективное использование приложений общего пользования многими клиентами. Клиенты преобразуются в «тонких» клиентов, при этом снижаются требования к оборудованию рабочих станций. Если серверов приложений и БД в сети несколько, архитектура ИС становится многоуровневой клиент серверной архитектурой. Наличие самостоятельных уровней в информационно-технологической архитектуре ИС дает возможность варьировать аппаратными и программными средствами: выбирать операционные системы, СУБД, интерфейсы конечных пользователей, типы серверов и рабочих станций.

Рис. 1.6. ИС с архитектурой «трехуровневый клиент-сервер»

При построении больших ИС актуальна проблема создания распределенных систем обработки данных на основе интеграции неоднородных аппаратно-программных платформ. Многоуровневая архитектура ИС обеспечивает изоляцию параллельно работающих процессов, в результате ошибки в работе одной программы не влияют на работу других программ либо операционной системы. Компьютерные сети могут включать отдельные сегменты, для связи которых используются стандартные протоколы. Для БД осуществляется администрирование, регистрация каждого имевшего место доступа к базе данных (пользователь — пароль) и выполненных изменений в специальном журнале БД. Как правило, для больших БД создаются страховые копии, осуществляется «зеркализация» дисков.

2. БАЗЫ ДАННЫХ

2.1 Основные понятия и определения

Банк данных (БнД) — информационная система, включающая в свой состав комплекс специальных методов и средств, для поддержания динамической информационной модели с целью обеспечения информационных потребностей пользователей.

Поддержание динамической модели предусматривает не только хранение информации о ней и своевременное внесение изменений в соответствии с реальным состоянием объектов, но и обеспечение возможности учета изменений состава этих объектов (в том числе появление новых) и связей между ними (т. е. изменений самой структуры хранимой информации).

Уровень сложности и важности задач информационного обеспечения АИС в рамках рассматриваемой технологии определяет ряд основных требований к БнД:

· адекватность информации состоянию предметной области;

· быстродействие и производительность;

· простота и удобство использования;

· возможность расширения круга решаемых задач.

Все названные преимущества по существу связаны с такими основополагающими принципами концепции БнД, как интеграция данных, централизация управления ими и обеспечение независимости прикладных программ обработки данных и самих данных.

Структура типового БнД, удовлетворяющего предъявляемым требованиям, состоит из:

· ВС — вычислительная система, включающая технические средства (ТС) и общее программное обеспечение (ОПО);

· БД — базы данных;

· СУБД — система управления БД;

· АБД — администратор баз данных, а также обслуживающий персонал и словарь данных.

Подробнее остановимся на составляющих БнД, представляющих наибольший интерес. БД — совокупность специальным образом организованных (структурированных) данных и связей между ними. Если в состав БнД входит одна БД, банк принято называть локальным; если БД несколько — интегрированным.

СУБД — специальный комплекс программ и языков, посредством которого организуется централизованное управление базами данных и обеспечивается доступ к ним.

В состав любой СУБД входят языки двух типов:

· язык описания данных (с его помощью описывают типы данных, их структура и связи);

· язык манипулирования данными (его часто называют язык запросов к БД), предназначенный для организации работы с данными в интересах всех типов пользователей.

АБД — это лицо (группа лиц), реализующее управление БД. Функции АБД являются долгосрочными; он координирует все виды работ на этапах создания и применения БнД. На стадии проектирования АБД выступает как идеолог и главный конструктор системы; на стадии эксплуатации он отвечает за нормальное функционирование БнД, управляет режимом его работы и обеспечивает безопасность данных.

2.2 Описательная модель предметной области

Процесс проектирования БД является весьма сложным. По сути, он заключается в определении перечня данных, хранимых на физических носителях (магнитных дисках и лентах), которые достаточно полно отражают информационные потребности потенциальных пользователей в конкретной ПО.

Проектирование БД начинается с анализа предметной области и возможных запросов пользователей. В результате этого анализа определяется перечень данных и связей между ними, которые адекватно — с точки зрения будущих потребителей — отражают ПО. Завершается проектирование БД определением форм и способов хранения необходимых данных на физическом уровне.

Однако при любом подходе к построению модели используют три основных конструктивных элемента:

· сущность;

· атрибут;

· связь.

Сущность — это собирательное понятие некоторого повторяющегося объекта, процесса или явления окружающего мира, о котором необходимо хранить информацию в системе. Сущность может определять как материальные (например, «студент», «грузовой автомобиль» и т. п.), так и нематериальные объекты (например, «экзамен», «проверка» и т. п.). Главной особенностью сущности является то, что вокруг нее сосредоточен сбор информации в конкретной ПО. Тип сущности определяет набор однородных объектов, а экземпляр сущности — конкретный объект в наборе. Каждая сущность в модели Чена именуется. Для идентификации конкретного экземпляра сущности и его описания используется один или несколько атрибутов.

Атрибут — это поименованная характеристика сущности, которая принимает значения из некоторого множества значений. Например, у сущности «студент» могут быть атрибуты «фамилия», «имя», «отчество», «дата рождения», «средний балл за время обучения» и т. п.

Связи в инфологической модели выступают в качестве средства, с помощью которого представляются отношения между сущностями, имеющими место в ПО.

Различают четыре типа связей:

· связь один к одному (1:1);

· связь один ко многим (1:М);

· связь многие к одному (М:1);

· связь многие ко многим (M:N).

Связь один к одному определяет такой тип связи между типами сущностей, А и В, при которой каждому экземпляру сущности, А соответствует один и только один экземпляр сущности В, и наоборот. Таким образом, имея некоторый экземпляр сущности А, можно однозначно идентифицировать соответствующий ему экземпляр сущности В, а по экземпляру сущности В — экземпляр сущности А. Например, связь типа 1:1 «имеет» может быть определена между сущностями «автомобиль» и «двигатель», так как на конкретном автомобиле может быть установлен только один двигатель, и этот двигатель, естественно, нельзя установить сразу на несколько автомобилей.

Связь один ко многим определяет такой тип связи между типами сущностей, А и В, для которой одному экземпляру сущности, А может соответствовать 0, 1 или несколько экземпляров сущности В, но каждому экземпляру сущности В соответствует один экземпляр сущности А. При этом однозначно идентифицировать можно только экземпляр сущности, А по экземпляру сущности В. Примером связи типа 1: М является связь «учится» между сущностями «учебная группа» и «студент». Для такой связи, зная конкретного студента, можно однозначно идентифицировать учебную группу, в которой он учится, или, зная учебную группу, можно определить всех обучающихся в ней студентов.

Связь многие к одному по сути эквивалентна связи один ко многим. Различие заключается лишь в том, с точки зрения какой сущности (А или В) данная связь рассматривается.

Связь многие ко многим определяет такой тип связи между типами сущностей, А и В, при котором каждому экземпляру сущности, А может соответствовать 0, 1 или несколько экземпляров сущности В, и наоборот. При такой связи, зная экземпляр одной сущности, можно указать все экземпляры другой сущности, относящиеся к исходному, т. е. идентификация сущностей не уникальна в обоих направлениях. В качестве примера такой связи можно рассмотреть связь «изучает» между сущностями «учебная дисциплина» и «учебная группа» .

Реально все связи являются двунаправленными, т. е., зная экземпляр одной из сущностей, можно идентифицировать (однозначно или многозначно) экземпляр (экземпляры) другой сущности.

Графически типы сущностей, атрибуты и связи принято изображать прямоугольниками, овалами и ромбами соответственно. На рис. 2.2 представлены примеры связей различных типов; на рис. 2.3 фрагмент инфологических моделей «учебный процесс факультета» .

Несмотря на то, что построение модели есть процесс творческий, можно указать два основополагающих правила, которыми следует пользоваться всем проектировщикам БД:

· при построении модели должны использоваться только три типа конструктивных элементов: сущность, атрибут, связь;

· каждый компонент информации должен моделироваться только одним из приведенных выше конструктивных элементов для исключения избыточности и противоречивости описания.

При моделировании ПО следует обращать внимание на существующий в ней документооборот. Именно документы, циркулирующие в ПО, должны являться основой для формулирования сущностей. Это связано с двумя обстоятельствами:

· эти документы, как правило, достаточно полно отражают информацию, которую необходимо хранить в БД, причем в виде конкретных данных;

· создаваемая информационная система должна предоставлять пользователям привычную для них информацию в привычном виде, что в последующем существенно облегчит ввод БД в эксплуатацию.

При описании атрибутов сущности необходимо выбрать ряд атрибутов, позволяющих однозначно идентифицировать экземпляр сущности. Совокупность идентифицирующих атрибутов называют ключом.

Помимо идентифицирующих используются и описательные атрибуты, предназначенные для более полного определения сущностей.

2.3 Концептуальные модели данных

В отличие от инфологической модели ПО, описывающей по некоторым правилам сведения об объектах материального мира и связи между ними, которые следует иметь в БД, концептуальная модель описывает хранимые в ЭВМ данные и связи. В силу этого каждая модель данных неразрывно связана с языком описания данных конкретной СУБД (см. рис. 2.1).

По существу модель данных — это совокупность трех составляющих:

· типов (структур) данных;

· операций над данными;

· ограничений целостности.

Типы структур данных. Среди широкого множества определений, обозначающих типы структур данных, наиболее распространена терминология КОДАСИЛ (Conference of DAta SYstems Language) — международной ассоциации по языкам систем обработки данных, созданной в 1959 г.

В соответствии с этой терминологией используют пять типовых структур (в порядке усложнения):

· элемент данных;

· агрегат данных;

· запись;

· набор;

· база данных.

Дадим краткие определения этих структур.

Элемент данных — наименьшая поименованная единица данных, к которой СУБД может адресоваться непосредственно и с помощью которой выполняется построение всех остальных структур данных.

Агрегат данных — поименованная совокупность элементов данных, которую можно рассматривать как единое целое. Агрегат может быть простым или составным (если он включает в себя другие агрегаты).

Запись — поименованная совокупность элементов данных и (или) агрегатов. Таким образом, запись — это агрегат, не входящий в другие агрегаты. Запись может иметь сложную иерархическую структуру, поскольку допускает многократное применение агрегации.

Набор — поименованная совокупность записей, образующих двухуровневую иерархическую структуру. Каждый тип набора представляет собой связь между двумя типами записей. Набор определяется путем объявления одного типа записи «записью-владельцем», а других типов записей — «записями-членами». Например, если рассматривать связь «учится» между сущностями «учебная группа» и «студент», то первая из сущностей объявляется «записью-владельцем» (она в экземпляре набора одна), а вторая — «записью-членом» (их в экземпляре набора может быть несколько).

База данных — поименованная совокупность экземпляров записей различного типа, содержащая ссылки между записями, представленные экземплярами наборов.

Рассмотренные типы структур данных могут быть представлены в различной форме — графовой; табличной; в виде исходного текста языка описания данных конкретной СУБД.

Операции над данными. Операции, реализуемые СУБД, включают селекцию (поиск) данных; действия над данными.

Селекция данных выполняется с помощью критерия, основанного на использовании либо логической позиции данного (элемента; агрегата; записи), либо значения данного, либо связей между данными.

Селекция на основе логической позиции данного базируется на упорядоченности данных в памяти системы. При этом критерии поиска могут формулироваться следующим образом:

· найти следующее данное (запись);

· найти предыдущее данное;

· найти n-ое данное;

· найти первое (последнее) данное. Этот тип селекции называют селекцией посредством текущей, в качестве которой используется индикатор текущего состояния, автоматически поддерживаемый СУБД и, как правило, указывающий на некоторый экземпляр записи БД.

Критерий селекции по значениям данных формируется из простых или булевых условий отбора. Примерами простых условий поиска являются:

· ВУС = 200 100;

· ВОЗРАСТ > 20;

· ДАТА < 19.04.2002 и т. п.

Булево условие отбора формируется путем объединения простых условий с применением логических операций, например:

· (ДАТА_РОЖДЕНИЯ < 28.12.1963) И (СТАЖ> 10);

· (УЧЕНОЕ_ЗВАНИЕ=ДОЦЕНТ) ИЛИ (УЧЕНОЕ ЗВАНИЕ=ПРОФЕССОР) и т. п.

Ограничения целостности. Ограничения целостности — логические ограничения на данные — используются для обеспечения непротиворечивости данных некоторым заранее заданным условиям при выполнении операций над ними. По сути ограничения целостности — это набор правил, используемых при создании конкретной модели данных на базе выбранной СУБД.

Различают внутренние и явные ограничения.

Ограничения, обусловленные возможностями конкретной СУБД, называют внутренними ограничениями целостности. Эти ограничения касаются типов хранимых данных (например, «текстовый элемент данных может состоять не более чем из 256 символов» или «запись может содержать не более 100 полей») и допустимых типов связей (например, СУБД может поддерживать только так называемые функциональные связи, т. е. связи типа 1:1, 1: М или М:1). Большинство существующих СУБД поддерживают прежде всего именно внутренние ограничения целостности, нарушения которых приводят к некорректности данных и достаточно легко контролируются.

Ограничения, обусловленные особенностями хранимых данных о конкретной ПО, называют явными ограничениями целостности. Например, если элемент данных «зачетная книжка» в записи «студент» определен как ключ, он должен быть уникальным, т. е. в БД не должно быть двух записей с одинаковыми значениями ключа.

Операции реляционной алгебры

Операции реляционной алгебры лежат в основе языка манипулирования данными СУБД, основанных на РБД. Эти операции выполняются над файлами, и результатом их выполнения также является файл, который в общем случае может оказаться и пустым.

При описании операций реляционной алгебры будем использовать обозначения:

· ИФ (ИФ₁; ИФ₂) — имя исходного (первого исходного; второго исходного) файла;

· ФР — имя файла результата.

Некоторые операции накладывают на исходные файлы ограничения, которые в определенном смысле можно рассматривать как внутренние ограничения целостности.

Проектирование. Формальная запись: ФР = proj[список имен полей] (ИФ). Операция не накладывает ограничений на исходный файл. Операция предусматривает следующие действия:

· из ИФ исключаются все поля, имена которых отсутствуют в списке имен полей;

· из полученного файла удаляются повторяющиеся записи.

Пример. Пусть ИФ (КАДРЫ) содержит 4 поля:

КАДРЫ

и требуется выполнить операцию

ФР = proj [П/Я] (КАДРЫ).

Тогда после выполнения операции получим результат

Заметим, что с помощью приведенной операции можно выявить, в каких почтовых ящиках работают сотрудники, информация о которых содержится в данном файле.

Селекция (выбор). Формальная запись:

ФР = sel [условие] (ИФ).

Эта операция также не накладывает ограничений на ИФ. В файл результата заносятся те записи из ИФ, которые удовлетворяют условию поиска. Условие представляет собой логическое выражение, связывающее значения полей ИФ.

Пример. Пусть для приведенного выше ИФ КАДРЫ требуется выявить сотрудников П/Я 34 170, имеющих должность «ст. инженер». Для отработки такого запроса достаточно выполнить операцию:

ФР = sel [ДОЛЖНОСТЬ = «ст. инженер» И П/Я = «34 170» ] (КАДРЫ).

ФР

Соединение. Формальная запись:

ФР = ИФ1 >< ИФ2.

(список полей)

В реляционной алгебре определено несколько операций соединения. Мы рассмотрим так называемое естественное соединение.

Условием выполнения данной операции является наличие в соединяемых файлах одного или нескольких однотипных полей, по которым и осуществляется соединение (эти поля указываются в списке; если список пуст, соединение осуществляется по всем однотипным полям).

В файл результата заносятся записи, являющиеся так называемыми конкатенациями (англ, concatenate — сцеплять, связывать) записей исходных файлов. Иными словами, в ФР попадают записи ИФ1 и ИФ2 с совпадающими значениями полей, по которым осуществляется соединение («сцепка»).

Пример 1. Пусть помимо файла КАДРЫ имеется файл ЦЕХ, в котором указаны порядковый НОМЕР сотрудника (как и в первом файле) и НОМЕР_ЦЕХА — номер цеха, в котором данный сотрудник работает.

ЦЕХ

Тогда после выполнения операции

ФР = КАДРЫ><�ЦЕХ

получим

ФР

Следует обратить внимание, что в формате команды не указаны поля соединения. Следовательно, оно осуществляется по единственному однотипному полю (НОМЕР).

Объединение

Формальная запись:

ФР = ИФ1Y ИФ2.

Условием выполнения операции является однотипность (одинаковая структура) исходных файлов.

В файл результата заносятся неповторяющиеся записи исходных файлов.

Пример. Пусть в БД имеются два файла: УЧ_Д_КАФЕДРЫ₁ и УЧ_Д_КАФЕДРЫ₂, в которых содержатся данные о читаемых кафедрами № 1 и № 2 учебных дисциплинах

УЧ_Д_КАФЕДРЫ1

УЧ_Д_КАФЕДРЫ2

Тогда после выполнения операции объединения

ФР = УЧ_А_КАФЕДРЫ1 Y УЧ_Д_КАФЕДРЫ2

получим данные об учебных дисциплинах, читаемых обеими кафедрами:

ФР

Напомним, что последовательность записей в файлах БД роли не играет.

Разность (вычитание)

Формальная запись:

ФР = ИФ1—ИФ2.

Условием выполнения операции является однотипность (одинаковая структура) исходных файлов.

В файл результата заносятся записи первого исходного файла, которых нет во втором.

Пример. В условиях предыдущего примера выполним операцию

ФР = УЧ_Д_КАФЕДРЫ1 — УЧ_Д_КАФЕДРЫ2.

Получим данные об учебных дисциплинах, читаемых кафедрой № 1 без участия кафедры № 2.

ФР

Пересечение

Формальная запись:

ФР = ИФ1- ИФ2.

Условием выполнения операции является однотипность (одинаковая структура) исходных файлов.

В результирующий файл заносятся записи, присутствующие в обоих исходных файлах.

Пример. Для уже известных файлов УЧ_Д_КАФЕДРЫ1 и УЧ_Д_КАФЕДРЫ2 выполним операцию пересечения

ФР = УЧ_Д_КАФЕДРЫ1 — УЧ_Д_КАФЕДРЫ2.

Получим данные о совместно читаемых обеими кафедрами дисциплинах:

ФР

3. СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

3.1 Компьютерные сети и технологии

Практически любая ИС масштаба офиса, а тем более предприятия использует компьютерные сети. Компьютерная сеть — вычислительная система, объединяющая с помощью каналов передач данных несколько компьютеров. Сети предназначены для изменения технологической среды ИС, с помощью которых обеспечивается:

· интеграция распределенных вычислительных ресурсов сети (оборудования, данных, программ общего пользования);

· специализация оборудования сети для повышения эффективности его эксплуатации;

· повышение качества управляющей информацией за счет оперативности, актуальности, точности, достоверности, полноты;

· создание единого информационного пространства ИС.

Оборудование компьютерных сетей включает компьютеры, аппаратуру и каналы передачи данных (АПД), устройства сопряжения компьютеров с АПД, маршрутизаторы и коммуникационные устройства. В качестве среды передачи используются кабели, витые пары, оптоволоконные линии связи, телефонные линии, системы спутниковой и радиосвязи. Компьютерные сети имеют различные классификационные признаки, важнейшими из которых являются:

· масштаб протяженности компьютерной сети;

· топология взаимосвязи абонентов сети;

· назначение компьютерной сети.

По протяженности компьютерные сети делятся на:

· локальные сети (охват абонентов сети, находящихся на расстоянии десятков километров), ограниченный круг пользователей;

· региональные сети (охват территории порядка нескольких сот километров), расширенный круг пользователей;

· глобальные сети (нет ограничений на местоположение абонентов).

Работа компьютерных сетей основана на системе правил взаимодействия между собой различных технических и программных компонентов сети. Эта система правил носит название сетевых протоколов определенных уровней взаимодействия. В качестве устройств межсетевого интерфейса используются:

· повторители — усилители сигналов, обеспечивают увеличение протяженности сети, объединение нескольких сегментов однородной сети;

· мосты — объединение сетей различных топологий, но использующих однотипные протоколы и сетевую операционную систему, обеспечивают передачу информации между сетями;

· маршрутизаторы — соединение несвязанных сетей, создание логических каналов для передачи сообщений, выравнивание трафиков сетей;

· шлюзы — самое сложное объединение неоднородных сетей.

3.2 Аппаратное обеспечение связи

Как правило, установленный дома компьютер подключается к сетевому кабелю с помощью модема, который выполняет аппаратные функции приема и передачи пакетов данных в сети.

Название модем получено слиянием сокращений двух слов — «модуляция» и «демодуляция». Модем служит для осуществления двух процессов: модуляции — преобразования цифровой информации на выходе из компьютера в модулированный сигнал, и демодуляции — преобразования сигнала, принятого из телефонной линии, в цифровую информацию.

Собственно модем — это электронная схема, обнаруживающая, кодирующая и декодирующая сигнал телефонной линии. Установка модема состоит в его подключении к компьютеру и подсоединении к гнездам на карте модема проводов телефонной линии и телефонного аппарата.

После загрузки коммуникационной программы модем готов к работе.

Для IBM PC-совместимых компьютеров модемы выпускаются двух типов: внешний модем, располагающийся вне компьютера и подключаемый к последовательному порту компьютера с помощью кабеля, и внутренний модем, представляющий собой дополнительную плату и встраиваемый непосредственно в компьютер. На задней панели модемов (как внешних, так и внутренних) обычно расположены два унифицированных телефонных гнезда, через одно из которых модем соединяют с телефонной розеткой. К другому гнезду можно подсоединить свой телефон и передавать по одной телефонной линии в режиме диалога и речевые сообщения, и данные.

3.3 Программное обеспечение и протоколы связи

Программное обеспечение связи играет ключевую роль в процессе обмена информацией между компьютерами. Если вы находитесь на приемном конце линии, программа связи позволяет записать полученные данные на диск, вывести их на принтер либо просто просмотреть на экране. Коммуникационное программное обеспечение позволяет хранить телефонные номера, команды управления модемом и другие необходимые параметры. Многие программы связи сами дают модемам команды набора номера, автоответа на поступающие вызовы и т. п.

При соединении с абонентом обычно надо осуществить процедуру аутентификации (проверки подлинности), которая заключается во вводе своего имени пользователя и пароля. Этот короткий диалог называется процедурой входа в систему. Проверка подлинности предназначена для защиты информации от несанкционированного доступа, при этом удаленная система сохраняет запись, или справку, о каждом обращении к ней. Многие программы связи обеспечивают режим автоматического входа в систему.

Одним из самых распространенных применений коммуникации является пересылка файлов между компьютерами Hyper Terminal. В этих файлах может быть самая различная информация: текстовая, табличная и т. п. Прежде чем установить связь, необходимо задать параметры связи, или коммуникационные параметры, которые меняются в зависимости от типов компьютеров и программы связи.

Помимо совпадения параметров связи, для передачи файлов требуется, чтобы оба компьютера, связывающиеся друг с другом, договорились об общем протоколе. Протоколом называется набор правил и описаний, которые регулируют передачу информации. Для борьбы с ошибками, возникающими при передаче файлов, в большинстве современных протоколов имеются средства исправления ошибок. Схема исправления ошибок одна и та же. Передаваемый файл разбивается на небольшие блоки — пакеты, а затем каждый принятый пакет проверяется на адекватность посланному. Каждый пакет содержит дополнительный контрольный байт. Если значения контрольного байта посланного и принятого пакета не совпадают, компьютер сделает вывод, что при пересылке пакета произошла ошибка, и запросит повторение передачи этого пакета. Несмотря на то, что такая процедура уменьшает объем полезной информации, передаваемой в единицу времени, проверка на наличие ошибок и их исправление обеспечивают надежность передачи файла.

Модемы классифицируются по своей функциональной скорости. Скорость их работы измеряется в бодах. 1 бод — это скорость передачи данных, при которой за 1 секунду по каналу связи передается 1 бит. Для передачи одного символа используется 10 битов. Это означает, что при скорости передачи данных, составляющей 300 бит/с (наименьшая скорость работы современного модема), информация передается со скоростью 30 символов в секунду.

3.4 Глобальная сеть Интернет

Сеть Интернет — наиболее популярная глобальная сеть, объединяющая в себе многие глобальные, региональные и локальные сети. Название сети так буквально и переводится — «межсетевая». Основой работы Интернета являются протоколы: