Для представления математического знания в математической логике пользуются логическими формализмами - исчислением высказываний и исчислением предикатов. Эти формализмы имеют ясную формальную семантику и для них разработаны механизмы вывода. Поэтому исчисление предикатов было первым логическим языком, который применяли для формального описания предметных областей, связанных с решением прикладных задач.

Логические модели представления знаний реализуются средствами логики предикатов.

Предикатом называется функция, принимающая два значения (истина или ложь) и предназначенная для выражения свойств объектов или связей между ними. Выражение, в котором утверждается или отрицается наличие каких-либо свойств у объекта, называется высказыванием . Константы служат для именования объектов предметной области. Логические предложения или высказывания образуют атомарные формулы . Интерпретация предиката - это множество всех допустимых связываний переменных с константами. Связывание представляет собой под­становку констант вместо переменных. Предикат считается обще­зна­чи­мым, если он истинен во всех возможных интерпретациях. Говорят, что выска­зывание логически следует из заданных посылок, если оно истинно всег­да, когда истинны посылки.

Описания предметных областей, выполненные в логических языках, назы­ваются логическими моделями .

ДАТЬ (МИХАИЛ, ВЛАДИМИРУ, КНИГУ);

($x) (ЭЛЕМЕНТ (x, СОБЫТИЕ-ДАТЬ) ? ИСТОЧНИК (x, МИХАИЛ) ? АДРЕСАТ? (x, ВЛАДИМИР) ОБЪЕКТ(x, КНИГА).

Здесь описаны два способа записи одного факта: «Михаил дал книгу Владимиру».

Логический вывод осуществляется с помощью силлогизма (если из A следует B, а из B следует C, то из A следует C).

В общем случае в основе логических моделей лежит понятие формальной теории , задаваемой четверкой:

S = ,

где B - счетное множество базовых символов (алфавит) теории S;

F - подмножество выражений теории S, называемые формулами теории (под выражениями понимаются конечные последовательности базовых символов теории S);

A - выделенное множество формул, называемые аксиомами теории S, то есть множество априорных формул;

R - конечное множество отношений {r 1 , …, r n } между формулами, называемые правилами вывода .

Преимущество логических моделей представления знаний заклю­ча­ет­ся в возможности непосредственно запрограммировать механизм вывода синтаксически правильных высказываний. Примером такого механизма служит, в частности процедура вывода, построенная на основе метода резолюций.

Покажем метод резолюций.

В методе используется несколько понятий и теорем.

Понятие тавтологии , логической формулы, значением которой будет «истина» при любых значениях входящих в них атомов. Обозначается?, читается как «общезначимо» или «всегда истинно».

Теорема 1. А?В тогда и только тогда, когда?А В.

Теорема 2. А1, А2, ..., Аn ? В тогда и только тогда, когда? (A1?A2?A3?…?An) В.

Символ? читается как «верно, что» или «можно вывести».

В основе метода лежит доказательство тавтологии

? (X ? A) ?(Y ? ? A)?(X ? Y ) .

Теоремы 1 и 2 позволяют записать это правило в следующем виде:

(X ? A), (Y ? ? A) ? (X ? Y ),

что дает основания утверждать: из посылок и можно вывести .

В процессе логического вывода с применением правила резолюции выполняются следующие шаги.

1. Устраняются операции эквивалентности и импликации:

2. Операция отрицания продвигается внутрь формул с помощью законов де Моргана:

3. Логические формулы приводятся к дизъюнктивной форме: .

Правило резолюции содержит в левой части конъюнкцию дизъюнктов, поэтому приведение посылок, используемых для доказательства, к виду, представляющему собой конъюнкции дизъюнктов, является необходимым этапом практически любого алгоритма, реализующего логический вывод на базе метода резолюции. Метод резолюции легко программируется, это одно из важнейших его достоинств.

Предположим, нужно доказать, что если истинны соотношения и , то можно вывести формулу . Для этого нужно выполнить следующие шаги.

1.Приведение посылок к дизъюнктивной форме:
, , .

2.Построение отрицания выводимого заключения . Полученная конъюнкция справедлива, когда и одновременно истинны.

3.Применение правила резолюции:

(противоречие или «пустой дизъюнкт»).

Итак, предположив ложность выводимого заключения, получаем противоречие, следовательно, выводимое заключение является истинным, т.е. , выводимо из исходных посылок.

Именно правило резолюции послужило базой для создания языка логического программирования PROLOG. По сути дела, интерпретатор языка PROLOG самостоятельно реализует вывод, подобный вышеописанному, формируя ответ на вопрос пользователя, обращенный к базе знаний.

В логике предикатов для применения правила резолюции предстоит осуществить более сложную унификацию логических формул в целях их приведения к системе дизъюнктов. Это связано с наличием дополнительных элементов синтаксиса, в основном кванторов, переменных, предикатов и функций.

Алгоритм унификации предикатных логических формул включает следующие шаги.

После выполнения всех шагов описанного алгоритма унификации можно применять правило резолюции, Обычно при этом осуществляется отрицание выводимого заключения, и алгоритм вывода можно кратко описать следующим образом: Если задано несколько аксиом (теория Тh) и предстоит сделать заключение о том, выводима ли некоторая формула Р из аксиом теории Тh, строится отрицание Р и добавляется к Тh, при этом получают новую теорию Тh1. После приведения и аксиом теории к системе дизъюнктов можно построить конъюнкцию и аксиом теории Тh. При этом существует возможность выводить из исходных дизъюнктов дизъюнкты - следствия. Если Р выводимо из аксиом теории Тh, то в процессе вывода можно получить некоторый дизъюнкт Q, состоящий из одной литеры, и противоположный ему дизъюнкт . Это противоречие свидетельствует о том, что Р выводимо из аксиом Тh. Вообще говоря, существует множество стратегий доказательства, нами рассмотрена лишь одна из возможных - нисходящая.

Пример: представим средствами логики предикатов следующий текст:

«Если студент умеет хорошо программировать, то он может стать специалистом в области прикладной информатики».

«Если студент хорошо сдал экзамен по информационным системам, значит, он умеет хорошо программировать».

Представим этот текст средствами логики предикатов первого порядка. Введем обозначения: X - переменная для обозначения студента; хорошо - константа, соответствующая уровню квалификации; Р(Х) - предикат, выражающий возможность субъекта X стать специалистом по прикладной информатике; Q (Х, хорошо) - предикат, обозначающий умение субъекта X программировать с оценкой хорошо ; R (Х, хорошо) - предикат, задающий связь студента X с экзаменационной оценкой по информационным системам.

Теперь построим множество правильно построенных формул:

Q(Х, хорошо) .

R (Х, хорошо) Q (Х, хорошо).

Дополним полученную теорию конкретным фактом
R (иванов, хорошо) .

Выполним логический вывод с применением правила резолюции, чтобы установить, является ли формула Р(иванов ) следствием вышеприведенной теории. Другими словами, можно ли вывести из этой теории факт, что студент Иванов станет специалистом в прикладной информатике, если он хорошо сдал экзамен по информационным системам.

Доказательство

1. Выполним преобразование исходных формул теории в целях приведения к дизъюнктивной форме:

(Х, хорошо) Р(Х);

(Х,хорошо) (Х,хорошо);

R (иванов , хорошо).

2. Добавим к имеющимся аксиомам отрицание выводимого заключения

(иванов).

3. Построим конъюнкцию дизъюнктов

(Х, хорошо) Р(Х) ? ? P (иванов, хорошо) ? ? Q (иванов, хорошо), заменяя переменную X на константу иванов .

Результат применения правила резолюции называют резольвентой . В данном случае резольвентой является (иванов).

4. Построим конъюнкцию дизъюнктов с использованием резольвенты, полученной на шаге 3:

(Х, хорошо) (Х, хорошо) (иванов, хорошо) (иванов, хорошо).

5. Запишем конъюнкцию полученной резольвенты с последним дизъюнктом теории:

(иванов, хорошо) (иванов, хорошо) (противоречие).

Следовательно, факт Р(иванов ) выводим из аксиом данной теории.

Для определения порядка применения аксиом в процессе вывода существуют следующие эвристические правила:

1. На первом шаге вывода используется отрицание выводимого заключения.
2. В каждом последующем шаге вывода участвует резольвента, полученная на предыдущем шаге.

Однако с помощью правил, задающих синтаксис языка, нельзя установить истинность или ложность того или иного высказывания. Это рас­пространяется на все языки. Высказывание может быть построено син­такси­чески правильно, но оказаться совершенно бессмысленным. Высокая сте­пень единообразия также влечет за собой еще один недостаток ло­ги­ческих моделей - сложность использования при доказательстве эв­ристик, от­ражающих специфику конкретной предметной проблемы. К дру­гим недостаткам формальных систем следует отнести их монотонность, от­сут­ствие средств для структурирования используемых элементов и не­до­пус­тимость противоречий. Дальнейшее развитие баз знаний пошло пути ра­бот в области индуктивных логик, логик «здравого смысла», логик веры и других логических схем, мало что имеющих общего с классической ма­те­ма­тической логикой.

Логическими уровень – это абстрактный взгляд на данные, на нем данные представляются так, как выглядят в реальном мире, и могут называться так, как они называются в реальном мире.

Объекты модели, представляемые на логическом уровне, называются сущностями и атрибутами . Логическая модель данных может быть построена на основе другой логической модели, например на основе модели процессов. Логическая модель данных является универсальной и никак не связана с конкретной реализацией СУБД.

Различают три уровня логической модели, отличающихся по глубине представления информации о данных:

диаграмм сущность-связь (Entity Relationship Diagram, ERD);

модель данных, основанная на ключах (Key Based model, KB);

полная атрибутная модель (Fully Attributed model, FA).

Диаграмма сущность-связь представляет собой модель данных верхнего уровня. Она включает сущности и взаимосвязи, отражающие основные бизнес-правила предметной области. Такая диаграмма не слишком детализирована, в нее включаются основные сущности и связи между ними, которые удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к ИС.

Диаграмма сущность-связь может включать связи многие-ко-многим и не включать описание ключей. Как правило, ERD используется для презентаций и обсуждения структуры данных с экспертами предметной области.

Модель данных, основанная на ключах , - более подробное представление данных. Она включает описание всех сущностей и первичных ключей и предназначена для представления структуры данных и ключей, которые соответствуют предметной области.

Полная атрибутивная модель – наиболее детальное представление структуры данных: представляет данные в третьей нормальной форме ивключает все сущности, атрибуты и связи .

В данных методических указаниях будет рассмотрена модель данных, основанная на ключах.

Основные компоненты диаграммы ERwin – это сущности, атрибуты и связи.

Каждая сущность является множеством подобных индивидуальных объектов, называемых экземплярами. Каждый экземпляр индивидуален и должен отличаться от всех остальных экземпляров. Построение модели данных предполагает определение сущностей и атрибутов, т.е. необходимо определить, какая информация будет храниться в конкретной сущности или атрибуте.Сущность можно определить как объект, событие или концепцию, информация о которой должна сохраняться. Сущности должны иметь наименование с четким смысловым значением, именоваться существительным в единственном числе, не носить «технических» наименований и быть достаточно значимыми для того, чтобы их моделировать. Именование сущности в единственном числе облегчает в дальнейшем чтение модели. Фактически имя сущности дается по имени ее экземпляра.

Сущность на диаграмме изображается прямоугольником. В зависимости от режима представления диаграммы прямоугольник может содержать имя сущности, ее описание, список ее атрибутов и другие сведения (см. рис. 34).

Рис. 34. Сущность с заполненными атрибутами.

Экземпляры независимой сущности могут быть уникально идентифицированы без определения ее связей с другими сущностями;зависимая сущность, наоборот, не может быть уникально идентифицирована без определения ее связей с другими сущностями. Зависимая сущность отображается в ERwin прямоугольником с закругленными углами (см. рис. 35).

Рис. 35. Зависимая сущность с заполненными атрибутами.

Зависимая сущность может наследовать один и тот же внешний ключ от более чем одной родительской сущности, или от одной и той же родительской сущности через использование несколько связей. Если не введены различные роли для такого множественного наследования, ERwin считает, что в зависимой сущности атрибуты внешнего ключа появляются только один раз.

В зависимости от того, все ли возможные сущности-подтипы включены в модель, категорийная связь является полной или неполной. Например, если супертип может содержать данные об уволенных сотрудниках, то эта связь - неполной категоризации, так как для него не существует записи в сущностях - подтипах. В ERwin полная категория изображается окружностью с двумя подчеркиваниями, а неполная - окружностью с одним подчеркиванием.

Унификация - это объединение двух или более групп атрибутов внешних ключей в один внешний ключ (группу атрибутов), в предположении, что значения одноименных атрибутов в дочерней сущности всегда одинаковы. Рассмотрим пример: сущность "сотрудник" имеет первичный ключ "код сотрудника" и связан идентифицирующей связью с сущностями "супруга" и "дети". При этом происходит миграция первичного ключа в зависимые сущности. В свою очередь, сущность "супруга" связана не идентифицирующей связью с сущностью "дети". Имеются два пути миграции ключа, однако в сущности "дети" атрибут "код сотрудника" появляется один раз в качестве элемента первичного ключа. Существуют случаи, когда унификация атрибутов дает неверный с точки зрения предметной области результат. Для отмены унификации для атрибутов вводятся имена ролей.

Атрибут выражает свойство объекта, характеризующее его экземпляр (определенное свойство объекта. С точки зрения БД (физическая модель) сущности соответствует таблица, экземпляру сущности – строка в таблице, а атрибуту – колонка таблицы. Горизонтальная линия прямоугольника разделяет атрибуты сущности на два набора: атрибуты, составляющие первичный ключ (в верхней части) и прочие, не входящие в первичный ключ (в нижней части).

Первичный ключ - это атрибут или набор атрибутов, уникально идентифицирующий экземпляр сущности. Если несколько наборов атрибутов могут уникально идентифицировать сущность, то выбор одного из них осуществляется разработчиком на основании анализа предметной области. Для каждого первичного ключа ERwin создает при генерации структуры БД уникальный индекс.

Если между некоторыми сущностями существует связь, то факты из одной сущности ссылаются или некоторым образом связаны с фактами из другой сущности. Связь – это функциональная зависимость между сущностями. Поддержание непротиворечивости функциональных зависимостей между сущностями называется ссылочной целостностью. Поскольку связи содержатся "внутри" реляционной модели, реализация ссылочной целостности может выполняться как приложением, так и самой СУБД (с помощью механизмов декларативной ссылочной целостности, триггеров). Связь это понятие логического уровня, которому соответствует внешний ключ на физическом уровне. Связь называетсяидентифицирующей , если экземпляр дочерней сущности идентифицируется через ее связь с родительской сущностью. Атрибуты, составляющие первичный ключ родительской сущности, при этом входят в первичный ключ дочерней сущности. Дочерняя сущность при идентифицирующей связи всегда является зависимой. Связь называетсяне идентифицирующей , если экземпляр дочерней сущности идентифицируется иначе, чем через связь с родительской сущностью. Атрибуты, составляющие первичный ключ родительской сущности, при этом входят в состав не ключевых атрибутов дочерней сущности.

Для добавления сущности следует нажать кнопку , а затем – щелкнуть «мышью» по свободному месту диаграммы. После этого по созданному элементу

следует щелкнуть два раза левой кнопкой «мыши». В открывшемся диалоговом окне Attributes (см. рис. 36) следует:

Рис. 36. Окно для заполнения атрибутов сущности.

Таблица 5.

Расшифровка назначения типов атрибутов

Для каждого атрибута имеется возможность ввода дополнительных характеристик, расположенных на вкладках окна Attributes :

General (основные характеристики атрибута);

Datatype (выбранный формат атрибута);

Definition (пояснения);

Note (комментарий для данного атрибута);

UDP (свойства атрибутов сущности, добавляемых пользователем);

Key Group (отношение выбранного атрибута к ключевым признакам);

History (история возникновения атрибута).

Для связывания таблиц следует, нажав кнопку или(идентифицирующая связь) или(не идентифицирующая связь), щелкнуть левой кнопкой «мыши» на одной таблице, а затем щелкнуть «мышью» на другой таблице, с которой требуется выполнить связь.

Пример логической модели данных представлен на рис. 37.

Для компактного расположения модели на листе бумаги при печати следует вызвать в меню File режимPrint , а в открывшемся окнеPrint (см. рис. 38) нажать кнопкуFit model.

Рис. 37. Пример логической модели данных

Рис. 38. Окно для настройки параметров печати.

В процессе создания БД можно выделить несколько этапов, на каждом из которых конкретизируется и уточняется структура проектируемой БД.

1) Создание концептуальной модели бд.

Процесс создания концептуальной модели в большей степени относится к проектированию всей информационной системы, одной из частей которой является база данных. На данном этапе происходит анализ задач, решаемых в конкретной предметной области, описываются объекты предметной области и взаимосвязи этих объектов. Концептуальная модель также может содержать описание процессов, которые происходят с объектами предметной области, что позволяет наиболее полно учесть все нюансы функционирования разрабатываемой информационной системы. При проектировании концептуальной модели не учитываются особенности реализации определенных частей информационной системы и не рассматриваются вопросы повышения эффективности обработки информации.

2) Создание логической модели бд.

Логическая модель БД представляет собой результат преобразования концептуальной модели, в котором основными объектами становятся информационные объекты. В качестве последних выступают сущности – объекты или события, информацию о которых необходимо сохранять в базе данных. Сущности характеризуются набором некоторых свойств, называемых атрибутами. Логическая модель отражает логические связи между сущностями вне зависимости от того, каким образом будут храниться данные. Логическая модель БД является универсальной, поскольку никак не связана с конкретной реализацией СУБД. Названия сущностей и атрибутов в логической модели могут совпадать с названиями, используемыми в реальной жизни.

Для описания схемы базы данных на логическом уровне проектирования служит диаграмма “сущности-связи” (Entity-Relationship diagram или ER‑diagram). Существуют различные варианты диаграмм “сущности-связи”. Способы изображения элементов ER-диаграмм стали называть нотациями. На них одни и те же элементы графически изображаются по-разному. Известны нотация Мартина, нотация IDEF1X и др. Кроме того, различные программные средства, реализующие одну и ту же нотацию, могут отличаться своими возможностями. Все варианты диаграмм “сущность-связь” исходят из одной идеи – рисунок всегда нагляднее текстового описания. Все такие диаграммы используют графическое изображение сущностей предметной области, их свойств (атрибутов ), и взаимосвязей между сущностями .

3) Создание физической модели бд.

Физическая модель является отображением логической модели применительно к конкретной СУБД. Одной и той же логической модели базы данных может соответствовать несколько различных физических моделей, отражающих особенности реализации конкретных СУБД. В физической модели важно описать всю информацию о физических объектах базы данных – таблицах, колонках, индексах, процедурах и т.д.

Современные средства проектирования физической модели БД позволяют на основе созданной модели сформировать необходимые предписания (команды, запросы) для выбранной системы управления базой данных. СУБД на основании полученных предписаний формирует физическую структуру базы данных, предназначенную для хранения реальной информации.

Рассмотрим процесс проектирования БД информационной системы, предназначенной для хранения и сопровождения информации о помещениях университета: аудиториях, лабораториях, вспомогательных помещениях.

1) Создание концептуальной модели БД

Любое помещение характеризуется следующими параметрами: информация о корпусе, в котором расположено помещение; номер помещения; этаж, на котором оно расположено; краткое описание расположения помещения в корпусе; размеры помещения (ширина, длина и высота потолка в метрах).

Необходимо учитывать, что для аудиторий имеют значение такие параметры, как количество мест для слушателей и количество досок; лаборатории характеризуются количеством лабораторных стендов и максимальной потребляемой мощностью лабораторного электрооборудования; вспомогательные помещения должны содержать описание предназначения помещения.

Кроме того, все помещения могут характеризоваться дополнительными необязательными реквизитами, например, фамилия и инициалы ответственного за противопожарную безопасность; контактный телефон ответственного за противопожарную безопасность; периодичность планового осмотра и проверки технического состояния помещения; тип системы вентиляции и кондиционирования воздуха и т.д.

Количество необязательных реквизитов помещения не является конечным множеством и может увеличиваться в процессе эксплуатации информационной системы.

Допустимо использование каждого помещения несколькими подразделениями университета. При этом информационная система должна учитывать, что структура подразделений университета имеет иерархический вид, когда одни подразделения входят в состав других.

2) Создание логической модели БД

Выделим основные информационные объекты, информацию о которых будет храниться в базе данных, атрибуты этих объектов и связи между объектами. Логическую модель представим в виде диаграммы «сущности-связи» в нотации IDEF1X (рис.1).

Рис. 1. Логическая модель БД

3) Создание физической модели БД

Выбрав СУБД Oracle в качестве целевой, преобразуем логическую модель в физическую (рис. 2).

Рис. 2. Физическая модель БД

Логическая модель – графическое представление структуры базы данных с учетом принимаемой модели данных (иерархической, сетевой, реляционной и т.д.), независимое от конечной реализации базы данных и аппаратной платформы. Иными словами, онапоказывает, ЧТО хранится в базе данных (объекты предметной области, их атрибуты и связи между ними), но не отвечает на вопрос КАК (рис. 1).

Описание предметной области:

Оптовый заводск ой склад

На склад поставляются детали, выполненные из определенных материалов (литые), от заданного круга поставщиков (постоянных или случайных) из различных городов.

В качестве поставщиков могут выступать юридические лица и индивидуальные предприниматели, причем эти группы описываются своим набором характеризующих атрибутов; юридические лица – номер и дата гос. регистрации, наименование, юридический адрес, форма собственности; предприниматели – ИНН, ФИО, страховой полис, номер паспорта, дата рождения.

При оформлении поставки учитываются дата, количество и стоимость, вид упаковки и способ доставки (автотранспорт, ж/д транспорт, самовывоз), причем одна поставка может включать несколько видов деталей.

Поставщики переходят в разряд постоянных, если они совершили поставок на сумму свыше 1 000 000 рублей в год.

Осуществляется отпуск деталей в цеха завода с учетом даты, количества и номера цеха. Поддерживается актуальное количество товаров на складе.

Рис. 1. Логическая модель базы данных в нотации IDEF1X

Методология IDEF1 X – один из подходов к моделированию данных, основанный на концепции "сущность – связь" (Entity – Relationship ), предложенной Питером Ченом в 1976 г.

Таблица 2.1. Основные элементы нотации IDEF1X
Сущность (Entity)	Графическое изображение
Независимая сущность	Наименование Уникальный идентификатор Атрибуты
Зависимая сущность	Атрибуты
Связь (Relationship)	Графическое изображение
Неидентифицирующая связь
Идентифицирующая связь
Связь «Многие ко многим»
Наследование (обобщение) Неполное	Родительск.

Независимая сущность – это сущность, уникальный идентификатор которой не наследуется из других сущностей. Изображается в виде прямоугольника с прямыми краями.

Зависимая сущность – это сущность, уникальный идентификатор которой включает по меньшей мере одну связь с другой сущностью. Например, строка документа не может существовать без самого документа (зависит от него). Изображается в виде прямоугольника с закругленными краями.

Методология IDEF1X ориентирована на проектирование реляционных моделей баз данных. В основе реляционной модели лежит понятие нормализованного отношения (таблицы). При этом сущности предметной области отображаются в таблицы базы данных (рис. 2), обладающие следующими свойствами:

Рис.
2. Таблица реляционной базы данных

Ключ - столбец или группа столбцов, значения которых однозначно идентифицируют каждую строку.

В одной таблице может быть несколько ключей: один первичный , посредством которого осуществляется связывание отношений, а другие – альтернативные. Свойства ключа:

уникальность (не может быть строк с одинаковым ключом);

неизбыточность (удаление любого атрибута из ключа лишает его свойства уникальности).

Реляционная база данных − это множество связанных между собой отношений. Связи задаются с помощью вторичных ключей (Foreign key – FK), т.е. атрибутов, которые в других отношениях являются первичными ключами (Primary key – PK).

Основные ограничения целостности реляционной модели:

атрибуты из первичного ключа не могут принимать неопределенное значение (целостность объектов);

вторичные ключи не могут принимать значения, которых нет среди значений первичных ключей связанной таблицы: если отношение R2 имеет среди своих атрибутов какой-то внешний ключ (FK), который соответствует первичному ключу (PK) отношения R1, то каждое значение FK должно быть равно одному из значений PK.

Создание Логической модели БД в Visio

Чтобы создать Логическую модель базы данных в Visio2013, выберите Категорию шаблонов «Программы и базы данных», а в ней шаблон «Схема модели базы данных» (рис. 2.3)	Рис. 2.3. Шаблон «Схема модели базы данных»
Прежде, чем приступить к созданию Логической модели, зайдите на вкладку «База данных» и в «Показать параметры» выставьте следующие настройки (рис. 2.4-2.6).	Рис. 2.4.Параметры документа (вкладка «Общие»)
Рис. 2.6.Параметры документа (вкладка «Отношение»)	Рис. 2.5.Параметры документа (вкладка «Таблица»)
Чтобы создать Сущность «Деталь», перетащите стереотип Сущность с панели инструментов на экран (рис. 2.7).	Рис. 2.7.Создание Сущности
Задайтеимяновой Сущности в свойствах в нижней части экрана (рис. 2.8).	Рис. 2.8.Свойства Сущности («Определение»)
Затем на вкладке Столбцы создайте атрибуты Сущности, отметьте уникальный идентификатор (первичный ключ) галочкой в столбце PK и нажмите кнопку «ОК» (рис. 2.9).	Рис. 2.9.Свойства Сущности («Столбцы»)
Аналогично создайте вторую сущность, например «Материал». Чтобы создать связь между ними, перетащите стереотип «Отношение» точкой на изображение класса «Деталь», т.к. из каждого материала изготавливается ноль, одна или несколько деталей. Затем второй конец связи перетащите на изображение класса «Материал» (рис. 2.10). Внешний ключ «Код материала (FK)» автоматически появится в составе атрибутов сущности «Деталь». Незакрашенный ромб со стороны Материала означает, что материал может быть не указан. Чтобы убрать ромб, откройте свойства сущности «Деталь» и поставьте этому атрибуту галочку в столбце «Обязательное».	Рис. 2.10.Свойства отношения («Определение»)

Задание : постройтелогическую модель базы данных в соответствии с описанием предметной области из вашего варианта задания.

Логические модели

Логические модели используют язык исчисления предикатов. Первому предикату соответствует имя отношения , а термину аргументы - объекты . Все логические выражения, используемые в логике предикатов, имеют значения истина или ложно .

Пример : рассмотрим выражение Джон является специалистом по информационным технологиям . Это выражение может быть представлено следующим образом: является (Джон, специалистом по информационным технологиям) . Пусть Х - объект (Джон ), который является специалистом по информационным технологиям. Тогда используется следующая форма записи: является (Х , специалистом по информационным технологиям) .

Выражение : Смит работает на фирме IBM в качестве специалиста может быть представлено в виде предиката с тремя аргументами: работает (Смит, фирма IBM, специалист) .

При работе с логическими моделями необходимо соблюдать следующие правила:

1. Порядок аргументов должен всегда задаваться в соответствии с интерпретацией предикатов принятой в данной предметной области. Программист принимает решение о фиксированном порядке аргументов и соблюдает его от начала до конца.

2. Предикат может иметь произвольное число аргументов.

3. Отдельные высказывания, состоящие из предиката и связанных с ним аргументов, могут объединяться в сложные высказывания с помощью логических связок: И(END, ), ИЛИ (or, ), НЕ (not, ~), → - импликация используемые для формулирования правил по форме: ЕСЛИ… , ТО …

Рассмотрим несколько примеров:

1 ) Название предиката – является .

Является (Смит, специалист по ИТ) ∩ читает (Смит, литература).

Смит является специалистом по ИТ и читает литературу .

2 ) Название предиката – отчитывается .

Отчитывается (Смит, Джон)→руководит (Джон, Смит).

Если Смит отчитывается перед Джоном, то Джон руководит Смитом .

3 ) Название предиката – написал .

Написал (Смит, программа) ∩ NOT работает (программа)→отладить (Смит, программа, вечер) OR передать (программа, программист, следующий день).

ЕСЛИ Смит написал программу И она не работает , ТО Смиту следует отладить программу вечером ИЛИ передать программисту на следующий день .

В высказываниях в качестве аргументов могут быть использованы и переменные. В этом случае для работы с переменными вводится понятие квантор .

Кванторы бывают двух типов:

1 . Квантор всеобщности .

2. Квантор существования .

(x ) означает, что все значения переменной в скобках, относящиеся к некоторой области должны быть истинными.

(x ) означает, что только некоторые из значений x истины.

И могут входить в состав друг друга.

Примеры :

1 . (x ) (специалист по ИТ (X )→программист (X )).

Все специалисты по ИТ являются программистами .

2 . (x ) (специалист по ИТ (X )→хорошие программисты (X )).

Некоторые специалисты по ИТ – хорошие программисты .

3 . (x ) (y ) (служащий (X )→руководитель (Y , X )).

У каждого служащего есть руководитель .

4 . (Y ) (X ) (служащий (X )→руководитель (Y , X )).

Существует некоторое лицо, которое руководит всеми.

Вопросы :

1 . Что такое искусственный интеллект?

2 . Что такое экспертная система?

3 . Этапы развития систем искусственного интеллекта.

4 . Компетентность ЭС, в сравнении системы человеческого интеллекта и системы ИИ;

5 . Отличие логических моделей от эвристических?

Лекция 11.

Представление знаний .

Сетевые семантические модели . В основе этих моделей лежит понятия сети , вершины , дуги . Сети бывают: простые и иерархические, где вершины – это некоторые понятия, сущности, объекты, события, процессы или явления. Отношения между этими сущностями выражаются дугами. Понятиями обычно выступают абстрактные или конкретные объекты, а отношения – это связи типа это , имеет частью , принадлежит , любит . Простые сети не имеют внутренней структуры, а в иерархических сетях некоторые вершины обладают внутренней структурой.

Характерной особенностью семантических сетей является обязательное наличие трех типов отношений:

1 . класс-элемент класса;

2 . свойство-значение;

3 . пример элемента класса.

В иерархических семантических сетях предусматривается разделение сетей на подсети (пространство) и отношения устанавливаются не только между вершинами, но и между пространствами.

Дерево пространств.

Для пространства P 6 видимы все вершины пространства, лежащие в пространстве предков P 4 , P 2 , P 0 , а остальные невидимы. Отношения «видимости» дает возможность сгруппировать пространство в упорядочении множества «перспективы».

Рассмотрим правила или соглашения графического изображения иерархических сетей:

1. вершины и дуги, лежащие в одном пространстве ограничиваются прямо или многоугольником;

2. дуга принадлежит тому пространству, в котором находится ее имя;

3. пространство P i , изображаемое внутри пространства P j , считается потомком (внутренним уровнем), т.е. из P i «видимо» P j . P i может быть рассмотрено как «супервершина», которая лежит в P j .

Проблема поиска решения в БЗ типа семантической сети сводится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего некоторой подсети, отвечающей поставленной сети.

Основное преимущество сетевых семантических моделей – в соответствии с современными представлениями об организации долговременной памяти человека.

Недостаток моделей – сложность поиска вывода в семантической сети.

Фреймовые модели .

Стремлением разработать представления, соединяющие в себе достоинства различных моделей, привело к возникновению фреймовых представлений.

Фрейм (англ . Frame – каркас или рамка ) – это структура знаний, предназначенная для представления некоторой стандартной ситуации или абстрактного образа.

С каждым фреймом связана следующая информация:

1 . о том как пользоваться фреймом;

2 . каковы ожидаемые результаты выполнения фрейма;

3 . что делать, если ожидания не оправдались.

Верхние уровни фрейма фиксированы и представляют собой сущности или истинные ситуации, которые описываются данным фреймом. Нижние уровни представлены слотами , которые заполняются информацией при вызове фрейма. Слоты – это незаполненные значения некоторых атрибутов.

Фреймом называется также формализованная модель для отображения образа или ситуации.

Структуру фрейма можно представить так:

ИМЯ ФРЕЙМА:

(имя 1-го слота: значение 1-го слота) ,

(имя 2-го слота: значение 2-го слота) ,

…………………………………………

(имя N-го слота: значение N-го слота) ,

Системы фреймов обычно представляют в виде информационной поисковой сети, которая используется, когда предложенный фрейм не удается привести в соответствие с определенной ситуацией, т.е. когда слотам не могут быть присвоены значения, удовлетворяющие условиям, связанным с этими слотами.

В подобных ситуациях сеть используется для поиска и предложения другого фрейма.

Важнейшим свойством теории фреймов является заимствованное из теории семантических сетей. И во фреймах и в семантических сетях наследование происходит по АКО-связям (A-Kind-of = это). Слот АКО указывает на фрейм более высокого уровня иерархии, откуда не явно наследуются, т.е. переносятся значения аналогичных слотов.

Сеть фреймов.

Здесь понятие «ученик» наследует свойство фреймов «ребенок» и «человек», которые находятся на более высоком уровне. Тогда на вопрос: «Любят ли ученики сладкое?» следует ответить «Да» (т.к. этим свойством обладают дети). Наследование свойств может быть частичным, так возраст для учеников не наследуется из фрейма «ребенок» поскольку указан явно в своем собственном фрейме.

Основным преимуществом фреймов является способность отражать концептуальную основу организации памяти человека, а также ее гибкость и наглядность.

Продукционные модели .

В традиционном программировании, если i - ая команда не является командой ветвления, то за ней следует i + 1- ая команда. Подобный способ программирования удобен в тех случаях, когда последовательность обработки мало зависит от обрабатываемых знаний.

В противном случае программу лучше рассматривать как совокупность независимых модулей, управляемых образцами . Такая программа на каждом шаге при анализе образцов определяет, какой модуль подходит для обработки данной ситуации. Управляемый образцами модуль подходит для обработки данной ситуации. Управляемый образцами модуль состоит из механизма исследования и модификации одной или нескольких структур. Каждый такой модуль реализует определенное продукционное правило . Функции управления при этом осуществляет интерпретатор. С точки зрения представления знаний подход, при котором, используются управляемые образцами модули характеризуется, следующими особенностями:

1. разделение постоянных знаний, хранимых в БЗ, и временных знаний из рабочей памяти;

2. структурная независимость модулей;

3. отделение схемы управления от модулей, несущих знания о проблемной области.

Это позволяет рассматривать и реализовывать различные схемы управления, облегчает модификацию системы и знаний.

Основные компоненты ЭС .

Основными компонентами информационной технологии, используемой в экспертной системе, являются (рис. 1): интерфейс пользователя, база знаний, интерпретатор, модуль создания системы.

Рис. 1 . Основные компоненты информационной технологии экспертных систем.

Интерфейс пользователя .

Менеджер (специалист) использует интерфейс для ввода информации и команд в экспертную систему и получения выходной информации из нее. Команды включают в себя параметры, направляющие процесс обработки знаний. Информация обычно выдается в форме значений, присваиваемых определенным переменным. Менеджер может использовать четыре метода ввода информации: меню, команды, естественный язык и собственный интерфейс. Технология экспертных систем предусматривает возможность получать в качестве выходной информации не только решение, но и необходимые объяснения. Различают два вида объяснений:

Ø объяснения, выдаваемые по запросам. Пользователь в любой момент может потребовать от экспертной системы объяснения своих действий;

Ø объяснения полученного решения проблемы. После получения решения пользователь может потребовать объяснений того, как оно было получено. Система должна пояснить каждый шаг своих рассуждении, ведущих к решению задачи.

Хотя технология работы с экспертной системой не является простой, пользовательский интерфейс этих систем является дружественным и обычно не вызывает трудностей при ведении диалога.

База знаний .

Она содержит факты, описывающие проблемную область, а также логическую взаимосвязь этих фактов. Центральное место в базе знаний принадлежит правилам. Правило определяет, что следует делать в данной конкретной ситуации, и состоит из двух частей: условия, которое может выполняться или нет, и действия, которое следует произвести, если условие выполняется. Все используемые в экспертной системе правила образуют систему правил , которая даже для сравнительно простой системы может содержать несколько тысяч правил. Все виды знаний в зависимости от специфики предметной области и квалификации проектировщика (инженера по знаниям) с той или иной степенью адекватности могут быть представлены с помощью одной либо нескольких семантических моделей. К наиболее распространенным моделям относятся логические, продукционные, фреймовые и семантические сети.

Интерпретатор .

Это часть экспертной системы, производящая в определенном порядке обработку знаний (мышление), находящихся в базе знаний. Технология работы интерпретатора сводится к последовательному рассмотрению совокупности правил (правило за правилом). Если условие, содержащееся в правиле, соблюдается, выполняется определенное действие, и пользователю предоставляется вариант решения его проблемы.

Кроме того, во многих экспертных системах вводятся дополнительные блоки: база данных, блок расчета, блок ввода и корректировки данных. Блок расчета необходим в ситуациях, связанных с принятием управленческих решений. При этом важную роль играет база данных, где содержатся плановые, физические, расчетные, отчетные и другие постоянные или оперативные показатели. Блок ввода и корректировки данных используется для оперативного и своевременного отражения текущих изменений в базе данных.

Модуль создания системы .

Он служит для создания набора (иерархии) правил. Существуют два подхода, которые могут быть положены в основу модуля создания системы: использование алгоритмических языков программирования и использование оболочек экспертных систем. Для представления базы знаний специально разработаны языки Лисп и Пролог , хотя можно использовать и любой известный алгоритмический язык.

Оболочка экспертных систем представляет собой готовую программную среду, которая может быть приспособлена к решению определенной проблемы путем создания соответствующей базы знаний. В большинстве случаев использование оболочек позволяет создавать экспертные системы быстрее и легче в сравнении с программированием.

Вопросы :

1 . Характерная особенность семантических сетей?

2 . Характерная особенность фреймовых моделей?

3 . Характерная особенность продукционных моделей?

4 . Перечислите основные компоненты ЭС?

5 . Отличие базы знаний от базы данных?

Лекция 12.

Локальные и глобальные компьютерные сети, телекоммуникации .

Компьютерные сети . При физическом соединении двух или более компьютеров образуется компьютерная сеть . В общем случае, для создания компьютерных сетей необходимо специальное аппаратное обеспечение – сетевое оборудование и специальное программное обеспечение – сетевые программные средства.

Назначение всех видов компьютерных сетей определяется двумя функциями:

Ø обеспечение совместного использования аппаратных и программных ресурсов сети;

Ø обеспечение совместного доступа к ресурсам данных.

Для передачи данных компьютеры используют самые разнообразные физические каналы, которые обычно называются средой передачи .

Если в сети имеется специальный компьютер, выделенный для совместного использования участниками сети, он называется файловым сервером .

Группы сотрудников, работающих над одним проектом в рамках локальной сети, называются рабочими группами . В рамках одной локальной сети могут работать несколько рабочих групп. У участников рабочих групп могут быть разные права для доступа к общим ресурсам сети. Совокупность приемов разделения и ограничения прав участников компьютерной сети называется политикой сети . Управление сетевыми политиками называется администрированием сети . Лицо, управляющее организацией работы участников локальной компьютерной сети, называется системным администратором .

Основные характеристики и классификация компьютерных сетей .

По территориальной распространенности сети могут быть локальными, глобальными, и региональными.

Ø Локальная сеть (LAN – Local Area Network) – сеть в пределах предприятия, учреждения, одной организации.

Ø Региональная сеть (MAN – Metropolitan Area Network) – сеть в пределах города или области.

Ø Глобальная сеть (WAN – Wide Area Network) – сеть на территории государства или группы государств.

По скорости передачи информации компьютерные сети делятся на:

Ø низкоскоростные сети – до 10Мбит/с ;

Ø среднескоростные сети – до 100Мбит/с ;

Ø высокоскоростные сети – свыше 100Мбит/с .

По типу среды передачи сети разделяются на:

Ø проводные (на коаксиальном кабеле, на витой паре, оптоволоконные);

Ø беспроводные с передачей информации по радиоканалам или в инфракрасном диапазоне.

По способу организации взаимодействия компьютеров сети делят на одноранговые и с выделенным сервером (иерархические сети).

Одноранговая сеть. Все компьютеры равноправны. Любой пользователь сети может получить доступ к данным, хранящимся на любом компьютере.

Достоинство – простота установки и эксплуатации.

Недостаток – затруднено решение вопросов защиты информации.

Такой способ организации используется для сетей с небольшим количеством компьютеров и там, где вопрос защиты данных не является принципиальным.

Иерархическая сеть . При установке заранее выделяются один или несколько серверов – компьютеров, управляющих обменом данных и распределением ресурсов сети. Сервер – это постоянное хранилище разделяемых ресурсов. Любой компьютер, имеющий доступ к услугам сервера называют клиентом сети или рабочей станцией . Сам сервер также может быть клиентом сервера более высокого уровня иерархии. Серверы обычно представляют собой высокопроизводительные компьютеры, возможно, с несколькими параллельно работающими процессорами, винчестерами большой емкости и высокоскоростной сетевой картой.

Достоинство – позволяет создать наиболее устойчивую структуру сети и более рационально распределить ресурсы и обеспечить более высокий уровень защиты данных.

Недостатки :

Ø Необходимость дополнительной ОС для сервера.

Ø Более высокая сложность установки и модернизации сети.

Ø Необходимость выделения отдельного компьютера в качестве сервера.

По технологии использования сервера различают сети с архитектурой файл-сервер и архитектурой клиент-сервер .

Файл-сервер . На сервере хранится большинство программ и данных. По требованию пользователя ему пересылаются необходимая программа и данные. Обработка информации выполняется на рабочей станции.

Клиент-сервер . Хранение данных и их обработка производится на сервере, который выполняет также контроль за доступом к ресурсам и данным. Рабочая станция получает только результаты запроса.

Основные характеристики сетей .

Скорость передачи данных по каналу связи измеряется количеством битов информации, передаваемых за единицу времени – секунду. Единица измерения – бит в секунду.

Часто используется единица измерения скорости - бод . Бод - число изменений состояния среды передачи в секунду. Так как каждое изменение состояния может соответствовать нескольким битам данных, то реальная скорость в битах в секунду может превышать скорость в бодах.

Пропускная способность канала связи . Единица измерения пропускной способности канала связи – знак в секунду.

Достоверность передачи информации оценивают как отношение количества ошибочно переданных знаков к общему числу переданных знаков. Единица измерения достоверности: количество ошибок на знак – ошибок/знак . Этот показатель должен лежать в пределах 10 -6 -10 -7 ошибок/знак , т.е. допускается одна ошибка на миллион переданных знаков или на десять миллионов переданных знаков.

Надежность каналов связи коммуникационной системы определяется либо долей времени исправного состояния в общем времени работы, либо средним временем безотказной работы. Единица измерения надежности – час. Как минимум, несколько тысяч часов.

Время реакции сети – время, затрачиваемое программным обеспечением и устройствами сети на подготовку к передаче информации по данному каналу. Время реакции сети измеряется миллисекундах.

Объем информации, передаваемой по сети, называется трафиком .

Топология сетей .

Физическая передающая среда ЛВС . Физическая среда обеспечивает перенос информации между абонентами вычислительной сети.

Физическая передающая среда ЛВС представлена тремя типами кабелей: витая пара проводов, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель.

Витая пара состоит из двух изолированных проводов, свитых между собой. Скручивание проводов уменьшает влияние внешних электромагнитных полей на передаваемые сигналы. Самый простой вариант витой пары - телефонный кабель.

Достоинство витой пары – дешевизна. Недостаток витой пары – плохая помехозащищенность и низкая скорость передачи информации – 0,25-1Мбит/с .

Коаксиальный кабель обладает более высокой механической прочностью, помехозащищённостью и обеспечивает скорость передачи информации до 10-50Мбит/с . Для промышленного использования выпускаются два вида коаксиальных кабелей: толстый (»10мм ) и тонкий (»4мм ). Толстый кабель более прочен и передает сигналы нужной амплитуды на большее расстояние, чем тонкий. В то же время тонкий кабель значительно дешевле.

Оптоволоконный кабель – идеальная передающая среда. Он не подвержен действию электромагнитных полей и сам практически не имеет излучения. Последнее свойство позволяет использовать его в сетях, требующих повышенной секретности информации.

Скорость передачи информации по оптоволоконному кабелю более 50Мбит/с . По сравнению с предыдущими типами передающей среды он более дорог, менее технологичен в эксплуатации.

Основные топологии ЛВС .

Вычислительные машины, входящие в состав ЛВС, могут быть расположены самым случайным образом на территории, где создается вычислительная сеть.

Топология ЛВС – это усредненная геометрическая схема соединений узлов сети. В топологии сетей применяют несколько специализированных терминов:

Ø Узел – любое устройство, непосредственно подключенное к передающей среде сети;

Ø Ветвь сети – путь, соединяющий два смежных узла;

Ø Оконечный узел – узел, расположенный в конце только одной ветви;

Ø Промежуточный узел – узел, расположенный на концах более чем одной ветви;

Ø Смежные узлы – узлы, соединенные, по крайней мере, одним путём, не содержащим никаких других узлов.

Топологии вычислительных сетей могут быть самыми различными, но для ЛВС сетей типичными являются всего три: кольцевая, шинная, звездообразная.

Кольцевая топология предусматривает соединение узлов сети замкнутой кривой – кабелем передающей среды. Выход одного узла сети соединяется со входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу. Каждый промежуточный узел между передатчиком и приемником ретранслирует посланное сообщение. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения.

Кольцевая топология является идеальной для сетей, занимающих сравнительно небольшое пространство. В ней отсутствует центральный узел, что повышает надежность сети. В качестве передающей среды используются любые типы кабелей . Но последовательная дисциплина обслуживания узлов такой сети снижает ее быстродействие, а выход из строя одного из узлов нарушает целостность.

Шинная топология – одна из наиболее простых. Она связана с использованием в качестве передающей среды коаксиального кабеля . Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не транслируют поступающих сообщений. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано. Дисциплина обслуживания параллельная.

Высокое быстродействие ЛВС. Сеть легко наращивать, и конфигурировать, а также адаптировать к различным системам. Сеть устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов, но имеет малую протяженность и не позволяет использовать различные типы кабеля в пределах одной сети. На концах сети устанавливают специальные устройства – терминаторы .

Звездообразная топология базируется на концепции центрального узла, называемого концентратором , к которому подключаются периферийные узлы. Каждый периферийный узел имеет свою отдельную линию связи с центральным узлом. Вся информация передается через центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети.

Звездообразная топология значительно упрощает взаимодействие узлов ЛВС друг с другом, позволяет использовать более простые сетевые адаптеры. В то же время работоспособность ЛВС со звездообразной топологией целиком зависит от центрального узла.

В реальных вычислительных сетях могут использоваться более сложные топологии, представляющие в некоторых случаях сочетания рассмотренных. Выбор той или иной топологии определяется областью применения сети, географическим расположением ее узлов и размерностью сети в целом. Например:

Ячеистая топология . Для нее характерна схема соединения узлов, при которой физические линии связи установлены со всеми рядом стоящими компьютерами:

В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей. Достоинства данной топологии в ее устойчивости к отказам и перегрузкам, т.к. имеется несколько способов обойти отдельные узлы.

Смешанная топология . В таких сетях можно выделить отдельные подсети, имеющие типовую топологию – звезду, кольцо или общую шину, которые для крупных сетей связываются произвольно.

Архитектуры сетей .

Передающая среда является общим ресурсом для всех узлов сети. Чтобы получить возможность доступа к этому ресурсу из узла сети, необходимы специальные механизмы – методы доступа. Метод доступа к передающей среде – метод, обеспечивающий выполнение совокупности правил, по которым узлы сети получают доступ к ресурсу.

Маркерный доступ . Компьютер-абонент получает от центрального компьютера сети маркер-сигнал на право ведения передачи в течение определенного времени, после чего маркер передается другому абоненту.

При конкурентном методе доступа абонент начинает передачу данных, если обнаруживает свободную линию.

Сеть Ethernet . Схема передачи данных конкурентная, элементы сети могут быть соединены по шинной или звездной топологии с использованием витых пар, коаксиальных и волоконно-оптических кабелей. Основное преимущество – быстродействие от 10 до 100Мб/сек .

Сеть Token Ring . Схема с маркерным доступом. Физически выполнена как звезда, но ведет себя как кольцевая. Данные передаются последовательно от станции к станции, но постоянно проходят через центральный узел. Используются витые пары и волоконно-оптические кабели. Скорость передачи 4 или 16Мб/сек .

Сеть ARCnet . Схема с маркерным доступом, может работать как с шинной, так и звездной топологией. Совместима с витой парой, коаксиальным и волоконно-оптическим кабелем. Скорость передачи 2.5Мб/сек .

Модель взаимосвязи открытых систем .

Основной задачей, решаемой при создании компьютерных сетей, является обеспечение совместимости оборудования по электрическим и механическим характеристикам и обеспечение совместимости информационного обеспечения (программ и данных) по системе кодирования и формату данных. Решение этой задачи относится к области стандартизации и основано на так называемой модели OSI (модель взаимодействия открытых систем – Model of Open System Interconnections). Модель OSI была создана на основе технических предложений Международного института стандартов ISO (International Standards Organization).

Согласно модели OSI архитектуру компьютерных сетей следует рассматривать на разных уровнях (общее число уровней – до семи). Самый верхний уровень – прикладной , на этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний уровень – физический , он обеспечивает обмен сигналами между устройствами. Обмен данными в системах связи происходит путем их перемещения с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки и, наконец, обратным воспроизведением на компьютере клиента в результате перемещения с нижнего уровня на верхний.

Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных уровней архитектуры компьютерной сети действуют специальные стандарты (правила), называемые протоколами . Они определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети (аппаратные протоколы ) и характер взаимодействия программ и данных (программные протоколы ). Физически функции поддержки протоколов исполняют аппаратные устройства (интерфейсы ) и программные средства (программы поддержки протоколов ). Программы, выполняющие поддержку протоколов, также называют протоколами.

Уровни модели OSI

№	Уровень	Функции, выполняемые уровнем
	Прикладной	С помощью специальных приложений пользователь создает документ (сообщение, рисунок и т. п.).
	Представительский	ОС компьютера фиксирует, где находятся созданные данные (в оперативной памяти, в файле на жестком диске и т. п.) и преобразует их из внутреннего формата компьютера в формат передачи
	Сеансовый	Взаимодействует с локальной или глобальной сетью. Протоколы этого уровня проверяют права пользователя.
	Транспортный	Документ преобразуется в ту форму, в которой положено передавать данные в используемой сети. Например, он может нарезаться на небольшие пакеты стандартного размера.
	Сетевой	Определяет маршрут движения данных в сети. Так, например, если на транспортном уровне данные были «нарезаны» на пакеты, то на сетевом уровне каждый пакет должен получить адрес, по которому он должен быть доставлен независимо от прочих пакетов.
	Канальный (соединения)	Модулирует сигналы, циркулирующие на физическом уровне, в соответствии с данными, полученными с сетевого уровня, обеспечивает управление потоком данных в виде кадров, обнаруживает ошибки передачи и реализует алгоритм восстановления информации.
	Физический	Реальная передача данных. Здесь нет ни документов, ни пакетов, ни даже байтов - только биты, то есть, элементарные единицы представления данных. Средства физического уровня лежат за пределами компьютера. В локальных сетях это оборудование самой сети. При удаленной связи с использованием телефонных модемов – это линии телефонной связи, коммутационное оборудование телефонных станций и т. п.

Сетевое оборудование .

1 . Сетевые карты (адаптеры ) – это контроллеры, подключаемые в слоты расширения материнской платы компьютера, предназначенные для передачи сигналов в сеть и приема сигналов из сети.

2 . Терминаторы – это резисторы номиналом 50Ом , которые производят затухание сигнала на концах сегмента сети.

3 . Концентраторы (Hub ) – это центральные устройства кабельной системы или сети физической топологии «звезда», которые при получении пакета на один из своих портов пересылает его на все остальные. Различают концентраторы активные и пассивные. Активные концентраторы усиливают полученные сигналы и передают их. Пассивные концентраторы пропускают через себя сигнал, не усиливая и не восстанавливая его.

4 . Повторители (Repeater ) – устройство сети, усиливает и заново формирует форму входящего аналогового сигнала сети на расстояние другого сегмента. Повторитель действует на электрическом уровне для соединения двух сегментов. Повторители не распознают сетевые адреса и поэтому не могут использоваться для уменьшения трафика.

5 . Коммутаторы (Switch ) – управляемые программным обеспечением центральные устройства кабельной системы, сокращающие сетевой трафик за счет того, что пришедший пакет анализируется для выяснения адреса его получателя и соответственно передается только ему.

6 . Маршрутизаторы (Router ) – стандартные устройства сети, работающие на сетевом уровне, и позволяющее переадресовывать и маршрутизировать пакеты из одной сети в другую, а также фильтровать широковещательные сообщения.

7 . Мосты (Bridge ) – устройства сети, которое соединяют два отдельных сегмента сети, ограниченных своей физической длиной, и передают трафик между ними. Мосты также усиливают и конвертируют сигналы для кабеля другого типа. Это позволяет расширить максимальный размер сети, одновременно не нарушая ограничений на максимальную длину кабеля, количество подключенных устройств или количество повторителей на сетевой сегмент. Мост может соединять сети разных топологий, но работающие под управлением однотипных сетевых операционных систем.

8 . Шлюзы (Gateway ) – программно-аппаратные комплексы, соединяющие разнородные сети или сетевые устройства. Шлюзы позволяет решать проблемы различия протоколов или систем адресации. Они действует на сеансовом, представительском и прикладном уровнях модели OSI.

9 . Мультиплексоры – это устройства центрального офиса, которое поддерживают несколько сотен цифровых абонентских линий. Мультиплексоры посылают и получают абонентские данные по телефонным линиям, концентрируя весь трафик в одном высокоскоростном канале для передачи в Internet или в сеть компании.

10 . Межсетевые экраны (firewall , брандмауэры) – – это программный и/ или аппаратный барьер между двумя сетями, позволяющий устанавливать только авторизованные межсетевые соединения. Большинство из них построено на разграничении доступов, согласно которым субъекту (пользователю, программе, процессу или сетевому пакету) разрешается доступ к какому-либо объекту (файлу или узлу сети) при предъявлении некоторого уникального, присущего только этому субъекту, элемента. В большинстве случаев этим элементом является пароль. В других случаях таким уникальным элементом является микропроцессорные карточки, биометрические характеристики пользователя и т.п. Для сетевого пакета таким элементом являются адреса или флаги, находящиеся в заголовке пакета, а также некоторые другие параметры.

Телекоммуникационные технологии .

По мере эволюции вычислительных систем сформировались следующие разновидности архитектуры компьютерных сетей:

Ø одноранговая архитектура;

Ø классическая архитектура «клиент-сервер»;

Ø архитектура «клиент-сервер» на основе Web-технологии.

При одноранговой архитектуре рис. 1 все ресурсы вычислительной системы, включая информацию, сконцентрированы в центральной ЭВМ, называемой еще мэйнфреймом (main frame - центральный блок ЭВМ). В качестве основных средств доступа к информационным ресурсам использовались однотипные алфавитно-цифровые терминалы, соединяемые с центральной ЭВМ кабелем. При этом не требовалось никаких специальных действий со стороны пользователя по настройке и конфигурированию программного обеспечения.

Рис. 1 . Одноранговая архитектура компьютерных сетей.

Явные недостатки, свойственные одноранговой архитектуре и развитие инструментальных средств привели к появлению вычислительных систем с архитектурой «клиент-сервер». Особенность данного класса систем состоит в децентрализации архитектуры автономных вычислительных систем и их объединении в глобальные компьютерные сети. Создание данного класса систем связано с появлением персональных компьютеров, взявших на себя часть функций центральных ЭВМ. В результате появилась возможность создания глобальных и локальных вычислительных сетей, объединяющих персональные компьютеры (клиенты или рабочие станции), использующие ресурсы, и компьютеры (серверы), предоставляющие те или иные ресурсы для общего использования. На рис. 2 представлена типовая архитектура «клиент-сервер», однако различают несколько моделей, отличающихся распределением компонентов программного обеспечения между компьютерами сети.

Рис. 2 . Типовая архитектура «клиент-сервер».

Любое программное приложение можно представить в виде структуры из трех компонентов:

Ø компонент представления, реализующий интерфейс с пользователем;

Ø прикладной компонент, обеспечивающий выполнение прикладных функций;

Ø компонент доступа к информационным ресурсам, или менеджер ресурсов, выполняющий накопление информации и управление данными.

На основе распределения перечисленных компонентов между рабочей станцией и сервером сети выделяют следующие модели архитектуры «клиент-сервер»:

Ø модель доступа к удаленным данным;

Ø модель сервера управления данными;

Ø модель комплексного сервера;

Ø трехзвенная архитектура «клиент-сервер».

Модель доступа к удаленным данным рис. 3, при которой на сервере расположены только данные, имеет следующие особенности:

Рис. 3 . Модель доступа к удаленным данным.

Ø невысокая производительность, так как вся информация обрабатывается на рабочих станциях;

Ø снижение общей скорости обмена при передаче больших объемов информации для обработки с сервера на рабочие станции.

При использовании модели сервера управления данными рис. 4 кроме самой информации на сервере располагается менеджер информационных ресурсов (например, система управления базами данных). Компонент представления и прикладной компонент совмещены и выполняются на компьютере-клиенте, который поддерживает как функции ввода и отображения данных, так и чисто прикладные функции. Доступ к информационным ресурсам обеспечивается либо операторами специального языка (например, SQL в случае использования базы данных), либо вызовами функций специализированных программных библиотек. Запросы к информационным ресурсам направляются по сети менеджеру ресурсов (например, серверу базы данных), который обрабатывает запросы и возвращает клиенту блоки данных. Наиболее существенные особенности данной модели:

Рис. 4 . Модель сервера управления данными.

Ø уменьшение объемов информации, передаваемых по сети, так как выборка необходимых информационных элементов осуществляется на сервере, а не на рабочих станциях;

Ø унификация и широкий выбор средств создания приложений;

Ø отсутствие четкого разграничения между компонентом представления и прикладным компонентом, что затрудняет совершенствование вычислительной системы.

Модель сервера управления данными целесообразно использовать в случае обработки умеренных, не увеличивающихся со временем объемов информации. При этом сложность прикладного компонента должна быть невысокой.

Рис. 5 . Модель комплексного сервера.

Модель комплексного сервера рис. 5 строится в предположении, что процесс, выполняемый на компьютере-клиенте, ограничивается функциями представления, а собственно прикладные функции и функции доступа к данным выполняются сервером.

Преимущества модели комплексного сервера:

Ø высокая производительность;

Ø централизованное администрирование;

Ø экономия ресурсов сети.

Модель комплексного сервера является оптимальной для крупных сетей, ориентированных на обработку больших и увеличивающихся со временем объемов информации.

Архитектура «клиент-сервер», при которой прикладной компонент расположен на рабочей станции вместе с компонентом представления (модели доступа к удаленным данным и сервера управления данными) или на сервере вместе с менеджером ресурсов и данными (модель комплексного сервера), называют двухзвенной архитектурой.

При существенном усложнении и увеличении ресурсоемкости прикладного компонента для него может быть выделен отдельный сервер, называемый сервером приложений. В этом случае говорят о трехзвенной архитектуре «клиент-сервер» рис. 6. Первое звено - компьютер-клиент, второе - сервер приложений, третье - сервер управления данными. В рамках сервера приложений могут быть реализованы несколько прикладных функций, каждая из которых оформляется как отдельная служба, предоставляющая некоторые услуги всем программам. Серверов приложения может быть несколько, каждый из них ориентирован на предоставление некоторого набора услуг.

Рис. 6 . Трехзвенная архитектура «клиент-сервер».

Наиболее ярко современные тенденции телекоммуникационных технологий проявились в Интернете. Архитектура «клиент-сервер», основанная на Web-технологии представлена на рис. 7.

Рис. 7 . Архитектура «клиент-сервер», основанная на Web-технологии.

В соответствии с Web-технологией на сервере размещаются так называемые Web-документы, которые визуализируются и интерпретируются программой навигации (Web-навигатор, Web-браузер), функционирующей на рабочей станции. Логически Web-документ представляет собой гипермедийный документ, объединяющий ссылками различные Web-страницы. В отличие от бумажной Web-страница может быть связана с компьютерными программами и содержать ссылки на другие объекты. В Web-технологии существует система гиперссылок, включающая ссылки на следующие объекты.

Передачу с сервера на рабочую станцию документов и других объектов по запросам, поступающим от навигатора, обеспечивает функционирующая на сервере программа, называемая Web-сервером. Когда Web-навигатору необходимо получить документы или другие объекты от Web-сервера, он отправляет серверу соответствующий запрос. При достаточных правах доступа между сервером и навигатором устанавливается логическое соединение. Далее сервер обрабатывает запрос, передает Web-навигатору результаты обработки и разрывает установленное соединение. Таким образом, Web-сервер выступает в качестве информационного концентратора, который доставляет информацию из разных источников, а потом в однородном виде предоставляет ее пользователю.

Интернет - бурно разросшаяся совокупность компьютерных сетей, опутывающих земной шар, связывающих правительственные, военные, образовательные и коммерческие институты, а также отдельных граждан.

Как и многие другие великие идеи, «сеть сетей» возникла из проекта, который предназначался совершенно для других целей: из сети ARPAnet, разработанной и созданной в 1969г по заказу Агентства передовых исследовательских проектов (ARPA - Advanced Research Project Agency) Министерства обороны США. ARPAnet была сетью, объединяющей учебные заведения, военных и военных подрядчиков; она была создана для помощи исследователям в обмене информацией, а также (что было одной из главных целей) для изучения проблемы поддерживания связи в случае ядерного нападения.

В модели ARPAnet между компьютером-источником и компьютером-адресатом всегда существует связь. Сама сеть считается ненадежной; любой ее отрезок может в любой момент исчезнуть (после бомбежки или в результате неисправности кабеля). Сеть была построена так, чтобы потребность в информации от компьютеров-клиентов была минимальной. Для пересылки сообщения по сети компьютер должен был просто помещать данные в конверт, называемый «пакетом межсетевого протокола» (IP, Internet Protocol), правильно «адресовать» такие пакеты. Взаимодействующие между собой компьютеры (а не только сама сеть) также несли ответственность за обеспечение передачи данных. Основополагающий принцип заключался в том, что каждый компьютер в сети мог общаться в качестве узла с любым другим компьютером с широким выбором компьютерных услуг, ресурсов, информации. Комплекс сетевых соглашений и общедоступных инструментов «сети сетей» разработан с целью создания одной большой сети, в которой компьютеры, соединенные воедино, взаимодействуют, имея множество различных программных и аппаратных платформ.

В настоящее время направление развития Интернета в основном определяет «Общество Internet», или ISOC (Internet Society). ISOC - это организация на общественных началах, целью которой является содействие глобальному информационному обмену через Интернет. Она назначает совет старейшин IAB (Internet Architecture Board), который отвечает за техническое руководство и ориентацию Интернета (в основном это стандартизация и адресация в Интернете). Пользователи Интернета выражают свои мнения на заседаниях инженерной комиссии IETF (Internet Engineering Task Force). IETF - еще один общественный орган, он собирается регулярно для обсуждения текущих технических и организационных проблем Интернета.

Финансовая основа Интернета заключается в том, что каждый платит за свою часть. Представители отдельных сетей собираются и решают, как соединяться и как финансировать эти взаимные соединения. Учебное заведение или коммерческое объединение платит за подключение к региональной сети, которая, в свою очередь, платит за доступ к Интернету поставщику на уровне государства. Таким образом, каждое подключение к Интернету кем-то оплачивается.

Вопросы :

1. Назвать функции всех видов компьютерных сетей.

2. Перечислить характеристики и классификацию компьютерных сетей.

3. Типы физической передающей среды.

4. Перечислить топологии ЛВС.

5. Перечислить типы сетевого оборудования.

6. Перечислить архитектуру и модели телекоммуникационных технологий.