Глава 6. Организация программного обеспечения

в Персональных компьютерах IBM-клона.................................... 224

6.1. Общая структура программного обеспечения..................................... 224

6.2. Краткая характеристика ОС, применяемых в ПК............................... 227

6.3. Инструментальное программное обеспечение ПК.............................. 234

6.4. Пакеты прикладных программ.............................................................. 237

Контрольные вопросы..................................................................................... 241

глава 7. ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ....................................... 243

7.1. Проблемы информационной безопасности.......................................... 243

7.2. Защита информации от непреднамеренных воздействий.................... 245

7.3. О некоторых понятиях компьютерной безопасности.......................... 248

7.4. Основные методы защиты от удаленных и локальных атак............... 255

7.5. Компьютерные вирусы.......................................................................... 266

7.6. Криптографические методы защиты информации............................... 271

7.7. Бизнес в Интернете................................................................................. 277

7.8. Правовое обеспечение информационной безопасности....................... 283

Контрольные вопросы..................................................................................... 288

Глава 8. БЕСПРОВОДНЫЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ ПЕРЕДАЧИ

ДАННЫХ..................................................................................................................... 289

8.1. Беспроводные среды.............................................................................. 289

8.2. Системы радиосвязи.............................................................................. 293

8.3. Спутниковая система связи................................................................... 299

8.4. Система подвижной радиосвязи............................................................ 304

8.5. Беспроводное подключение узлов в локальных сетях..............................

Контрольные вопросы.................................................................................... 316

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................ 317

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие современных средств телекоммуникации, значительное расширение их функциональных возможностей, немыслимых ранее, связано, прежде всего, с включением в их состав информационных компьютерных систем и развитием вычислительных сетей самого различного масштаба.

Разумное и эффективное использование этих средств предполагает ясное представление основ современной информатики, которые лежат в основе достижений в этой области. Этим вопросам и посвящена первая часть этого учебного пособия (учебника).

Информатика является чисто прикладной дисциплиной, имея всеобъемлющий характер, ее возможности используются в самых разнообразных разделах науки и техники и в различных областях человеческой деятельности. Она включает очень большое количество разделов и направлений своего развития, отражающих специфику ее приложений. Можно говорить об информатике для юристов, экономистов, инженеров различных специальностей и т.п. Необходимо отметить, что «Основы современной информатики» для специалистов компьютерным медицинским системам вовсе не означает, что это какие-то особые основы. Базовые понятия информатики едины и не зависят от конкретных областей использования ее возможностей, тем не менее, требования приложений информатики в различных областях деятельности человека существенно различаются. В связи с этим акценты при изложении основных разделов этой дисциплины (по степени их детализации) могут изменяться.

Следует отметить, что с самого своего зарождения (40 – 50-е годы прошлого столетия) современная информатика была довольно тесно связана с медициной. Даже терминология в информатике была частично заимствована из медицины (анатомия компьютера, вирусы, вирусология и далее применительно к компьютерным вирусам – латентный период, заболевание, вакцина, лечение, карантин и др.). При этом происходило взаимное проникновение как возможностей современной информатики (основанной на компьютерах архитектуры Фон-Неймана) в самые разнообразные области практической медицины значительно изменив ее облик, так и стремление использовать основные достижения медицинской науки в деле повышения эффективности современных компьютеров (разработка новой архитектуры).

В связи с этим полезно напомнить, что выдающийся математик, основатель кибернетики, разработчик (совместно с Шенноном) теории информатики Норберт Винер свой наиболее известный труд назвал «Кибернетика или управление, связь в животном и машине». Он проявлял большой интерес к работам в области электроэнцефалографии, исследованиям по распределению электрических потенциалов в человеческом черепе, происхождении электрохимической активности мозга при различных нервных и мозговых расстройствах. Им первым была предпринята попытка внедрения физико-математических методов моделирования физиологии мозга.

В результате этих ранних работ Винера сформировалось научное направление под названием «нейрокибернетика» на стыке нейрофизиологии, кибернетики и искусственного интеллекта. Основным объектом исследования в этой науке является мозг и разработка искусственных мыслящих устройств, воссоздающих его структуру. Первые исследования в этой области основывались на нейронной концепции функционирования мозга – создание элементов аналогичных нервным клеткам – нейронам. Создание системы большого количества элементов, подобных нейронам были названы нейронными сетями. Хотя справедливости ради следует отметить, что этот (нейронный) подход имеет, в основном, теоретическое значение, его практическое внедрение весьма незначительно. Проблема изучения и моделирования мозга оказалась очень сложной. Как указывалось в прессе, в связи со смертью директора Института мозга Натальи Бехтеревой (в мае 2008 года) – она была единственным ученым, который был близок к разгадке тайны мозга.

В связи с этим в современной информатике основным практическим инструментом являются устройства, функционирующие на базе традиционной Фон-Неймановской архитектуры и технологии высокой степени интеграции.

Чтобы понять революционные изменения произошедшие за последние 40 – 50 лет и повсеместное внедрение их в самые разнообразные области человеческой деятельности, в том числе и в медицину (начиная от регистратуры до операционного стола, телекоммуникационных экспертных систем и систем диагностики) необходимо провести небольшой экскурс в эволюцию традиционных компьютерных систем за этот период.

Так в 60-х – 80-х годах прошлого века сами компьютеры (технические средства) были отделены от пользователя и обслуживались специалистами-профессионалами по различным компонентам машин (по процессору, различным периферийным устройствам и т.п.). То же самое имело место и в разделе программного обеспечения. Работа трансляторов языков программирования, операционных систем, различных библиотечных программ обеспечивалась специальными группами людей, которые (по недоразумению) назывались математиками, а отделы назывались математическими. У пользователя не было необходимости разбираться в этих средствах. Он должен был знать сами языки программирования и команды ОС и трансляторов. Основное направление использования компьютеров – научно-технические расчеты.

В связи с этим для рядового пользователя изучение информатики ограничивалось изучением курса программирования. Этот курс считался традиционным, как правило, включая изучение языков программирования, ориентированных на различные предметные области, а также особенности их реализации на различных типах больших компьютеров (в современной терминологии – мейнфреймы).

С середины 70-х годов в связи с появлением мини-компьютеров, а в дальнейшем и персональных компьютеров и вычислительных сетей, ситуация резко изменилась. Техника приблизилась к конечному пользователю (значительно расширилась сфера использования компьютеров) и потребовала от него определенных знаний, которые прежде были доступны только профессионалам, обслуживающим большие компьютеры. В большинстве случаев пользователь сам должен определять стратегию выбора и приобретения технических средств. К тому же значительно расширился спектр средств вычислительной техники. С появлением 16-разрядного микропроцессора, а затем 32- и 64-разрядных, кроме повсеместно распространенных персональных компьютеров, в рамках серьезных научно-технических и инженерных применений получили широкое распространение высокопроизводительные рабочие станции, а также серверы и так называемые суперсерверы – сетевые машины коллективного использования.

Появление новой элементной базы оказало значительное влияние на развитие мейнфреймов, которые успешно развиваются до последнего времени, несмотря на неоднократные предположения об их неминуемой гибели.

Высокую динамику демонстрирует рынок суперкомпьютеров. Это один из наиболее быстро развивающихся видов вычислительных систем. Новые архитектурные подходы при создании этих самых мощных компьютеров связаны с так называемыми кластерными системами и обязаны также интенсивному развитию твердотельной интегральной электронной техники. Широкое распространение этих машин связано не только с традиционными научно-техническими применениями, но также с использованием их в промышленности (автомобильная, авиационная, металлургическая и т.п.), для управления крупными базами данных, для принятия глобальных стратегических решений и т.п.

Производительность суперкомпьютеров постоянно растет, что связано, с одной стороны, постоянной возрастающими потребностями приложений, а с другой постоянный рост производительности компьютеров нижнего уровня, использующим основные новации разработчиков суперкомпьютеров. При оценке основных характеристик компьютеров сверхвысокой производительности (быстродействие, объем операционной памяти и т.п.) на смену Kilo – 10³ и Mega – 10⁶ вводятся следующие характеристики.

Наряду с традиционным использованием суперкомпьютеров в научных и инженерных расчетах они применяются при работе с базами данных, криптографии, биологии и медицине.

Исследование (расшифровка) генома живых организмов, моделирование человеческого мозга, медицинские экспертные системы и обработки изображений.

Безусловно, все эти сведения необходимо знать современному инженеру.

Вопросы языков программирования (лингвистического обеспечения) также имеют очень важное значение при освоении средств вычислительной техники рядовым пользователем. В этом разделе информатики также происходят значительные изменения в связи с расширением сферы использования компьютеров, разработкой современных программных интерфейсов, особенностями различных аспектов сетевого программирования и т.п.

Развитие языков программирования происходит по ряду направлений. С одной стороны, происходит значительное расширение возможностей традиционных (императивных) языков программирования таких как FORTRAN, Pascal, C, которые иногда называют языками высокого уровня, так как они не связаны с кодом конкретной машины, но, тем не менее, они ориентированы на так называемую «архитектуру фон Неймана» и связаны с кодированием предварительно разработанного математического алгоритма решаемой задачи. При реализации программы на компьютере требуются программные средства для перевода ее в код конкретного компьютера – трансляторы. Для пользователя также требуются определенные усилия по освоению таких языков, так как они далеки от языков человеческого общения.

С другой стороны, развитие языков связано с переходом на более высокий уровень, не зависимый от архитектуры компьютера, и с исключением средств традиционного программирования. К таким средствам можно отнести так называемые функциональные языки и языки логического программирования (LISP, Prolog). Эти языки имеют пока очень ограниченное применение, хотя в определенных случаях оказываются достаточно эффективными.

Гораздо большее (массовое) распространение получили непроцедурные (так называемые дескриптивные) языки, которые также можно отнести к языкам сверхвысокого уровня. Это языки управления заданиями, языки пакетов прикладных программ, ориентированные на наиболее распространенные области применений, – языки электронных таблиц, систем управления базами данных, математические пакеты, экспертные системы и т.п.

Однако как в первом, так и во втором случае полностью исключить традиционное, процедурно-ориентированное программирование не удается, и подобные языки включают в свой состав его элементы. Так известная фирма Microsoft, включает в свои основные приложения язык Visual Basic, что позволяет пользователю самостоятельно и неограниченно расширять функциональные возможности приложений. Различные средства традиционного программирования включают в свои пакеты и другие фирмы. В связи с этим, изучение средств программирования, развивающегося уже более 50-ти лет, по-прежнему актуально. В предлагаемом пособии описаны базовые элементы таких языков, их структура и направления развития, прошедшие за последние 50 лет (см. гл. 5).

Программное обеспечение современных вычислительных систем включает общесистемное, системное, инструментальное и прикладное обеспечение и по своему объему на несколько порядков превышает средства, устанавливаемые на первых персональных компьютерах. При этом программы приложения, которые непосредственно решают задачу пользователя, как правило, составляют незначительную долю программного обеспечения, установленного на компьютере. Однако пользователь должен иметь ясное представление о всех программах, которые имеются на его машине для эффективного ее использования.

Эта книга возникла в результате обработки конспекта лекций по вводным курсам «Информатика» и «Информатика и программирование», прочитанных авторами для студентов ряда групп факультета «А», а также вечернего факультета МИФИ; учебного пособия «Основы современной информатики», подготовленного для вышеперечисленных категорий студентов в 2007 году, которое было значительно переработано и дополнено.