Возникновение и этапы становления информационных технологий 6 страница

Концептуальный уровень связан с частным представлением данных группы пользователей в виде внешней схемы, объединяемыхобщностью используемой информации. Каждый конкретный пользователь работает с частью БД и представляет ее в виде внешнеймодели. Этот уровень характеризуется разнообразием используемых моделей (модель «сущность—связь», ERмодель, модель Чена),бинарные и инфологические модели, семантические сети). На рис.4.8 представлен фрагмент предметной базы данных «Сбыт» и одноиз возможных его концептуальных представлений, которое отражает не только объекты и их свойства, но и взаимосвязи между ними.

Логический уровень является обобщенным представлением данных всех пользователей в абстрактной форме. Используются тривида моделей: иерархические, сетевые и реляционные.

Сетевая модель является моделью объектовсвязей, допускающей только бинарные связи «многие к одному» и использует дляописания модель ориентированных графов.

Иерархическая модель является разновидностью сетевой, являющейся совокупностью деревьев (лесом).

Рис. 4.7. Описание предметной области76

Рис. 4.8. Фрагмент предметной базы данных «Сбыт» и одно из его возможныхконцептуальных представлений

Реляционная модель использует представление данных в видетаблиц (реляций), в ее основе лежит математическое понятие теоретикомножественного отношения, она базируется на реляционной алгебре и теории отношений.

Представление предметной базы данных «Сбыт» на логическомуровне для различных моделей показано на рис. 4.9.

Физический (внутренний) уровень связан со способом фактического хранения данных в физической памяти ЭВМ. Во многом определяется конкретным методом управления. Основными компонентами физического уровня являются хранимые записи, объединяемые в блоки; указатели, необходимые для поиска данных; данные переполнения; промежутки между блоками; служебная информация.

По наиболее характерным признакам БД можно классифицировать следующим образом:

по способу хранения информации:

• интегрированные;

• распределенные;по типу пользователя:

¶

Рис. 4.9. Представление предметной базы данных «Сбыт» на логическом уровне

для различных моделей

• монопользовательские;

• многопользовательские;

по характеру использования данных:

• прикладные;

• предметные.

В настоящее время при проектировании БД используют дваподхода. Первый из них основан на стабильности данных, чтообеспечивает наибольшую гибкость и адаптируемость к используемым приложениям. Применение такого подхода целесообразно втех случаях, когда не предъявляются жесткие требования к эффективности функционирования (объему памяти и продолжительностипоиска), существует большое число разнообразных задач с изменяемыми и непредсказуемыми запросами.

Второй подход базируется на стабильности процедур запросов кБД и является предпочтительным при жестких требованиях к эффективности функционирования, особенно это касается быстродействия.

Другим важным аспектом проектирования БД является проблемаинтеграции и распределения данных. Господствовавшая до недавнеговремени концепция интеграции данных при резком увеличении ихобъема, оказалась несостоятельной. Этот факт, а также увеличениеобъемов памяти внешних запоминающих устройств при их удешевле

нии, широкое внедрение сетей передачи данных способствовало внедрению распределенных БД. Распределение данных по месту их использования может осуществляться различными способами:

1. Копируемые данные. Одинаковые копии данных хранятся вразличных местах использования, так как это дешевле передачиданных. Модификация данных контролируется централизованно;

2. Подмножество данных. Группы данных, совместимые с исходной базой данных, хранятся отдельно для местной обработки;

3. Реорганизованные данные. Данные в системе интегрируютсяпри передаче на более высокий уровень;

4. Секционированные данные. На различных объектах используются одинаковые структуры, но хранятся разные данные;

5. Данные с отдельной подсхемой. На различных объектах используются различные структуры данных, объединяемые в интегрированную систему;

6. Несовместимые данные. Независимые базы данных, спроектированные без координации, требующие объединения.

Важное влияние на процесс создания БД оказывает внутреннеесодержание информации. Существует два направления:

• прикладные БД, ориентированные на конкретные приложения, например, может быть создана БД для учета и контроля поступления материалов;

• предметные БД, ориентированные на конкретный класс данных, например, предметная БД «Материалы», которая может бытьиспользована для различных приложений.

Конкретная реализация системы баз данных с одной стороныопределяется спецификой данных предметной области, отраженной в концептуальной модели, а с другой стороны типом конкретной СУБД (МВД), устанавливающей логическую и физическую организацию.

Для работы с БД используется специальный обобщенный инструментарий в виде СУБД (МВД), предназначенный для управленияБД и обеспечения интерфейса пользователя.

Основные стандарты СУБД:

• независимость данных на концептуальном, логическом, физическом уровнях;

• универсальность (по отношению к концептуальному и логическому уровням, типу ЭВМ);

• совместимость, неизбыточность;

• безопасность и целостность данных;

• актуальность и управляемость.

¶Существуют два основных направления реализации СУБД: программное и аппаратное.

Программная реализация (в дальнейшем СУБД) представляетсобой набор программных модулей, работает под управлением конкретной ОС и выполняет следующие функции:

• описание данных на концептуальном и логическом уровнях;

• загрузку данных;

• хранение данных;

• поиск и ответ на запрос (транзакцию);

• внесение изменений;

• обеспечение безопасности и целостности.Обеспечивает пользователя следующими языковыми средствами:

• языком описания данных (ЯОД);

• языком манипулирования данными (ЯМД);

• прикладным (встроенным) языком данных (ПЯД, ВЯД).

Аппаратная реализация предусматривает использование так называемых машин баз данных (МБД). Их появление вызвано возросшими объемами информации и требованиями к скорости доступа. Слово «машина» в термине МБД означает вспомогательныйпериферийный процессор. Термин «компьютер БД» — автономныйпроцессор баз данных или процессор, поддерживающий СУБД.Основные направления МБД:

• параллельная обработка;

• распределенная логика;

• ассоциативные ЗУ;

• конвейерные ЗУ;

• фильтры данных и др.

На рис. 4.10 представлена совокупность процедур проектирования БД, которые можно объединить в четыре этапа. На этапе формулирования и анализа требований устанавливаются цели организации, определяются требования к БД. Эти требования документируются в форме, доступной конечному пользователю и проектировщику БД. Обычно при этом используется методика интервьюирования персонала различных уровней управления.

Этап концептуального проектирования заключается в описаниии синтезе информационных требований пользователей в первоначальный проект БД. Результатом этого этапа является высокоуровневое представление информационных требований пользователейна основе различных подходов.

Рис. 4.10. Совокупность процедур проектирования БД

В процессе логического проектирования высокоуровневое представление данных преобразуется в структуре используемой СУБД. Полученная логическая структура БД может быть оценена количественно спомощью различных характеристик (число обращений к логическимзаписям, объем данных в каждом приложении, общий объем данныхи т.д.). На основе этих оценок логическая структура может быть усовершенствована с целью достижения большей эффективности.

На этапе физического проектирования решаются вопросы, связанные с производительностью системы, определяются структурыхранения данных и методы доступа.

Весь процесс проектирования БД является итеративным, приэтом каждый этап рассматривается как совокупность итеративныхпроцедур, в результате выполнения которых получают соответствующую модель.

¶Взаимодействие между этапами проектирования и словарнойсистемой необходимо рассматривать отдельно. Процедуры проектирования могут использоваться независимо в случае отсутствиясловарной системы. Сама словарная система может рассматриваться как элемент автоматизации проектирования.

Этап расчленения БД связан с разбиением ее на разделы и синтезом различных приложений на основе модели. Основными факторами, определяющими методику расчленения, помимо указанных на рис. 4.10 являются: размер каждого раздела (допустимыеразмеры); модели и частоты использования приложений; структурная совместимость; факторы производительности БД. Связь междуразделом БД и приложениями характеризуется идентификаторомтипа приложения, идентификатором узла сети, частотой использования приложения и его моделью.

Модели приложений могут быть классифицированы следующим образом:

1. Приложения, использующие единственный файл;

2. Приложения, использующие несколько файлов, в том числе:

• допускающие независимую параллельную обработку;

• допускающие синхронизированную обработку.Сложность реализации этапа размещения БД определяется

многовариантностью. Поэтому на практике рекомендуется в первую очередь рассмотреть возможность использования определенных допущений, упрощающих функции СУБД, например, допустимость временного рассогласования БД, осуществление процедурыобновления БД из одного узла и др. Такие допущения оказываютбольшое влияние на выбор СУБД и рассматриваемую фазу проектирования.

Средства проектирования и оценочные критерии используются на всех стадиях разработки. Любой метод проектирования(аналитический, эвристический, процедурный), реализованный ввиде программы, становится инструментальным средством проектирования, практически не подверженным влиянию стиля проектирования.

В настоящее время неопределенность при выборе критериев является наиболее слабым местом в проектировании БД. Это связанос трудностью описания и идентификации бесконечного числа альтернативных решений. При этом следует иметь в виду, что существует много признаков оптимальности, являющихся неизмеримыми,им трудно дать количественную оценку или представить их в видецелевой функции. Поэтому оценочные критерии принято делитьна количественные и качественные. Наиболее часто используемые

критерии оценки БД, сгруппированные в такие категории, представлены ниже.

Количественные критерии: время, необходимое для ответа назапрос, стоимость модификации, стоимость памяти, время на создание, стоимость на реорганизацию.

Качественные критерии: гибкость, адаптивность, доступностьдля новых пользователей, совместимость с другими системами,возможность конвертирования в другую вычислительную среду,возможность восстановления, возможность распределения и расширения.

Трудность в оценке проектных решений связана также с различной чувствительностью и временем действия критериев. Например, критерий эффективности обычно является краткосрочными чрезвычайно чувствительным к проводимым изменениям, а такие понятия, как адаптируемость и конвертируемость, проявляются на длительных временных интервалах и менее чувствительны квоздействию внешней среды.

Предназначение склада данных — информационная поддержкапринятия решений, а не оперативная обработка данных. Потомубаза данных и склад данных не являются одинаковыми понятиями.Архитектура ХД представлена на рис. 4.11.

Основные принципы организации хранилищ данных следующие [44,45].

Рис. 4.11. Архитектура ХД

¶1. Предметная ориентация. В оперативной базе данных обычноподдерживается несколько предметных областей, каждая из которых может послужить источником данных для ХД. Например, длямагазина, торгующего видео и музыкальной продукцией, интереспредставляют следующие предметные области: клиенты, видеокассеты, CDдиски и аудиокассеты, сотрудники, поставщики. Явнопрослеживается аналогия между предметными областями ХД иклассами объектов в объектноориентированных базах данных. Этоговорит о возможности применения методов проектирования, применяемых в объектноориентированных СУБД.

2. Средства интеграции. Приведение разных представлений одних и тех же сущностей к некоторому общему типу.

3. Постоянство данных. В ХД не поддерживаются операции модификации в смысле традиционных баз данных. В ХД поддерживается модель «массовых загрузок» данных, осуществляемых в заданные моменты времени по установленным правилам в отличие оттрадиционной модели индивидуальных модификаций.

4. Хронология данных. Благодаря средствам интеграции реализуется определенный хронологический временной аспект, присущий содержимому ХД.

Основные функции репозитариев:

• парадигма включения/выключения и некоторые формальныепроцедуры для объектов;

• поддержка множественных версий объектов и процедурыуправления конфигурациями для объектов;

• оповещение инструментальных и рабочих систем об интересующих их событиях;

• управление контекстом и разные способы обзора объектоврепозитария;

• определение потоков работ.

Рассмотрим кратко основные направления научных исследований в области баз данных:

• развитие теории реляционных баз данных;

• моделирование данных и разработка конкретных моделейразнообразного назначения;

• отображение моделей данных, направленных на создание методов их преобразования и конструирования коммутативных отображений, разработку архитектурных аспектов отображения моделей данных и спецификаций определения отображений для конкретных моделей данных;

• создание СУБД с мультимодельным внешним уровнем, обеспечивающих возможности отображения широко распространенныхмоделей;

• разработка, выбор и оценка методов доступа;

• создание самоописываемых баз данных, позволяющих применять единые методы доступа для данных и метаданных;

• управление конкурентным доступом;

• развитие системы программирования баз данных и знаний,которые обеспечивали бы единую эффективную среду как для разработки приложений, так и для управления данными;

• совершенствование машины баз данных;

• разработка дедуктивных баз данных, основанных на применении аппарата математической логики и средств логическогопрограммирования, а также пространственновременных баз данных;

• интеграция неоднородных информационных ресурсов.

4.5. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕИНФОРМАЦИИ

В условиях использования информационных технологий функции распределены между человеком и техническими устройствами.При анализе деятельности человека наибольшее значение имеютэргономические (инженернопсихологические) и психологические(социальнопсихологические) факторы.

Эргономические факторы позволяют, вопервых, определитьрациональный набор функций человека, вовторых, обеспечить рациональное сопряжение человека с техническими средствами и информационной средой.

Психологические факторы имеют большое значение, так каквнедрение информационных технологий в корне изменяет деятельность человека. Наряду с положительными моментами, связанными с рационализацией деятельности, предоставлением новых возможностей, возникают и негативные явления. Это может быть вызвано различными факторами: психологическим барьером, усложнением функций, другими субъективными факторами (условиямии организацией труда, уровнем заработной платы, результативностью труда, изменением квалификации).

¶При работе в среде информационных технологий человек воспринимает не сам объект, а некоторую его обобщенную информационную модель, что накладывает особые требования на совместимость пользователя с различными компонентами информационныхтехнологий.

Важным признаком, который необходимо учитывать при разработке и внедрении информационных технологий является отношение человека к информации. Оно может быть пассивным, когда пользователю предоставляется информация по жесткому алгоритму, и активным, когда пользователь создает необходимые емуданные.

Основной задачей операции представления информации пользователю является создание эффективного интерфейса в системе«человек—компьютер». При этом осуществляется преобразованиеинформации в форму, удобную для восприятия пользователя.

Среди существующих вариантов интерфейса в системе «человек—компьютер» можно выделить два основных типа: на основеменю («смотри и выбирай») и на основе языка команд («вспоминай и набирай») [22].

Интерфейсы типа меню облегчают взаимодействие пользователя с компьютером, так как не требуют предварительного изученияязыка общения с системой. На каждом шаге диалога пользователюпредъявляются все возможные в данный момент команды в виденаборов пунктов меню, из которого пользователь должен выбратьнужный. Такой способ общения удобен для начинающих и непрофессиональных пользователей.

Интерфейс на основе языка команд требует знания пользователем синтаксиса языка общения с компьютером. Достоинством командного языка является его гибкость и мощность.

Указанные два способа реализации интерфейса представляютсобой крайние случаи, между которыми возможно существованиеразличных промежуточных вариантов. Составные части интерфейса представлены на рис. 4.12.

Технология представления информации должна давать дополнительные возможности для понимания данных пользователями,поэтому целесообразно использование графики, диаграмм, карт.

Пользовательский интерфейс целесообразно строить на основеконцептуальной модели предметной области, которая представляется совокупностью взаимосвязанных объектов со своей структурой. Однако доступ к объектам и их экземплярам возможен толькочерез систему окон различных типов. Ряд окон связан с конкретным объектом. В соответствии с этим предложением в сценарии

Рис. 4.12. Составные части интерфейса

работы пользователя при информационном наполнении понятийпредметной области выделяем две фазы:

• выбор окон;

• работа с окнами.

Для упрощения работы окна можно группировать в соответствии с функциональными потребностями. С этой целью вводится механизм разделов, который предоставляет возможность создания иерархии функционально ориентированных разделов, вкаждый из которых включается необходимый набор других разделов и окон. Посредством спецификации окон для каждого изобъектов возможно указать допустимые режимы работы с экземплярами и состав видимых атрибутов с режимами работы сними. Возможно отобрать несколько разделов и несколько оконв них одновременно.

Таким образом, фаза выбора объектов должна поддерживатьсяследующими функциями:

• работой с общим каталогом окон в главном разделе;

• созданием нового раздела;

• удалением раздела;

• редактированием описания раздела;

• передачей определений и окон между разделами;

• движением по иерархии разделов;

• отбором разделов для работы;

• отбором окон для работы.

Позиции окон могут быть связаны с другими окнами через соответствующие команды из типового набора. По существу спецификация окон задает сценарий работы с экземплярами.

¶Окно — средство взаимосвязи пользователя с системой. Окнопредставляется как специальный объект. Проектирование пользовательского интерфейса представляет собой процесс спецификации окон.

Примером оконного интерфейса является интерфейс MSWindows, использующий метафору рабочего стола и включающийряд понятий, близких к естественным (окна, кнопки, меню и т.д.).

Пользователь информационной системы большей частью вынужден использовать данные из самых разных источников: файлов, базданных, электронных таблиц, электронной почты и т. д. При этомданные имеют самую различную форму: текст, таблицы, графика, аудио и видеоданные и др. В связи с этим возникает проблема интеграции источников информации, заключающаяся в том, что, вопервых, пользователю должны предоставляться не данные, а информация в форме максимально удобной для восприятия, вовторых, ондолжен использовать единственный универсальный интерфейс, позволяющий единообразно работать с подготовленной информацией.Пассивные пользователи, называемые иногда потребителями, обладают рядом специфических качеств, связанных с отсутствием времени,желания и квалификации для более глубокого изучения используемых инструментальных средств. В этом случае алгоритм общения ссистемой должен быть предельно простым. Другая часть пользователей требует предоставления достаточно широкого круга средств активного влияния на выполняемые информационные процессы.

Этим требованиям удовлетворяет Webтехнология. Развитиесредств вычислительной техники привело к ситуации, когда вместотрадиционных параметров — производительность, пропускная способность, объем памяти, узким местом стал интерфейс с пользователем. Первым шагом на пути преодоления кризисной ситуациистала концепция гипертекста, впервые предложенная ТеодоромХольмом Нельсоном. По своей сути гипертекст — это обычныйтекст, содержащий ссылки на собственные фрагменты и другиетексты (рис. 4.13).

Аналогом гипертекста можно считать книгу, оглавление которой по своей сути представляет ссылки на главы, разделы, страницы. Внутри книги содержатся ссылки на другие источники. Дальнейшее развитие гипертекст получил с появлением сети Интернет,позволившей размещать тексты на различных, территориально удаленных компьютерах. При этом требовалось дальнейшее совершенствование интерфейса, так как имеющийся не позволял представить разнообразную информацию разной природы, был ограничени затруднен для восприятия, отсутствовал доступ множества потре

Рис. 4.13. Гипертекст

бителей к единому массиву структурированной информации. Врезультате была предложена и реализована концепция навигатораWeb. Webсервер выступает в качестве информационного концентратора, получающего информацию из разных источников и в однородном виде представляющем ее пользователю. Средства Webобеспечивают также представление информации с нужной степенью детализации с помощью Webнавигатора. Таким образом,Web — это инфраструктурный интерфейс для пользователей различных уровней.

Несомненным преимуществом Webтехнологии является удобная форма предоставления информационных услуг потребителям,имеющая следующие особенности:

• информация предоставляется потребителю в виде публикаций;

• публикация может объединять информационные источникиразличной природы и географического расположения;

• изменения в информационных источниках мгновенно отражаются в публикациях;

• в публикациях могут содержаться ссылки на другие публикации без ограничения на местоположение и источники последних(гипертекстовые ссылки);

¶• потребительские качества публикаций соответствуют современным стандартам мультимедиа (доступны текст, графика, звук,видео, анимация);

• публикатор не заботится о процессе доставки информации кпотребителю;

• число потенциальных потребителей информации практически не ограничено;

• публикации отражают текущую информацию, время запаздывания определяется исключительно скоростью подготовки электронного документа;

• информация, предоставленная в публикации, легко доступнаблагодаря гипертекстовым ссылкам и средствам контекстного поиска;

• информация легко усваивается потребителем благодаря широкому спектру изобразительных возможностей, предоставляемыхWebтехнологией;

• технология не предъявляет особых требований к типам и источникам информации;

• технология допускает масштабируемые решения: увеличениечисла одновременно обслуживаемых потребителей не требует радикальной перестройки системы.

Контрольные вопросы

1. Какие информационные процессы являются базовыми?

2. В каких представлениях рассматривается предметная область?

3. Перечислите формы исследования данных.

4. Объясните суть декомпозиции на основе объектноориентированного подхода?

5. Что такое инкапсуляции, полиформизм и наследование?

6. Какие существуют методы обогащения информации?

7. Что собой представляет модель OSI?

8. Какие существуют протоколы сетевого взаимодействия?

9. Что такое драйвер?

10. Что такое дейтаграммный протокол?

11. Укажите функции, выполняемые протоколами канального уровня.

12. Какие функции выполняют протоколы среднего уровня?

13. Какие функции выполняют протоколы верхнего уровня?

14. Поясните содержание числовой и нечисловой обработки информации.

15. Охарактеризуйте виды обработки информации.

16. Какие существуют архитектуры ЭВМ с точки зрения обработки информации?

17. Определите содержание основных процедур обработки данных.

18. Поясните особенности принятия решений в различных условиях.

19. Укажите основные компоненты поддержки принятия решений.

20. Какие существуют системы поддержки принятия решений?

21. Дайте характеристику способов организации данных.

22. Укажите отличия базы данных, хранилища данных, витрины данных, репо

зитария.

23. Какие модели используются для описания предметной области/

24. Какие модели используются на концептуальном уровне?

25. Какие модели используются на логическом уровне?

26. Какие модели используются на физическом уровне?

27. Дайте краткую характеристику основных типов баз данных.

28. Сформулируйте подходы к проектированию баз данных?

29. Что такое СУБД и каковы ее стандарты?

30. Укажите способы реализации СУБД.

31. Опишите содержание процесса проектирования баз данных.

32. Какие существуют критерии оценки баз данных?

33. Что такое интерфейс и какова его роль в процессе представления и использования информации?

34. Какие существуют виды интерфейсов?

35. На чем основана концепция гипертекста?

36. В чем заключается концепция публикаций информации?

¶Глава 5Базовые информационные технологии

Для современного общества информационная индустрия становится важнейшим экономическим фактором. Основу этой индустрии составляют базовые информационные технологии, использующие достижения различных областей экономики. Сегодня базовыеинформационные технологии имеют самостоятельное научное иприкладное значение, предоставляющее широкие возможности дляизвлечения, формализации, моделирования, систематизации, интеграции, транспортирования, обработки и применения информациии знаний. Область информационных технологий, в том числе и базовых, стала важной сферой производственной деятельности, обладающей всеми чертами промышленного производства с устойчивойдинамикой роста.

Мультимедиатехнологии, геоинформационные технологии,технологии защиты информации, CASEтехнологии, телекоммуникационные технологии, технологии искусственного интеллекта рассматриваются в контексте основополагающих принципов и методових создания, иллюстрируемых обзорами существующих на рынкеобразцов.

5.1. МУЛЬТИМЕДИАТЕХНОЛОГИИ

В настоящее время мультимедиатехнологии являются бурноразвивающейся областью информационных технологий. В этом направлении активно работает значительное число крупных и мелкихфирм, технических университетов и студий (в частности IBM,Apple, Motorola, Philips, Sony, Intel и др.). Области использованиячрезвычайно многообразны: интерактивные обучающие и информационные системы, САПР, развлечения и др.

Основными характерными особенностями этих технологий являются:

• объединение многокомпонентной информационной среды(текста, звука, графики, фото, видео) в однородном цифровомпредставлении;

• обеспечение надежного (отсутствие искажений при копировании) и долговечного хранения (гарантийный срок хранения — десятки лет) больших объемов информации;

• простота переработки информации (от рутинных до творческих операций).

Достигнутый технологический базис основан на использованиинового стандарта оптического носителя DVD (DigitalVersalite/Video Disk), имеющего емкость порядка единиц и десятков гигабайт и заменяющего все предыдущие: CDROM,VideoCD, CDaudio. Использование DVD позволило реализоватьконцепцию однородности цифровой информации. Одно устройство заменяет аудиоплейер, видеомагнитофон, CDROM, дисковод,слайдер и др. В плане представления информации оптический носитель DVD приближает ее к уровню виртуальной реальности.

Многокомпонентную мультимедиасреду целесообразно разделить на три группы: аудиоряд, видеоряд, текстовая информация.

Аудиоряд может включать речь, музыку, эффекты (звуки типашума, грома, скрипа и т.д., объединяемые обозначением WAVE(волна) [42]. Главной проблемой при использовании этой группымультисреды является информационная емкость. Для записи однойминуты WAVEзвука высшего качества необходима память порядка10 Мбайт, поэтому стандартный объем CD (до 640 Мбайт) позволяет записать не более часа WAVE. Для решения этой проблемыиспользуются методы компрессии звуковой информации.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: