Современные проблемы информатики и вычислительной техники


Л.Г. Гагарина, А.А. Петров








                СОВРЕМЕ^ЫЕ ПРОБЛЕМЫ ^ФОРМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬДОЙ техмки






Рекомендовано Научно-методическим советом Московского государственного института электронной техники (Технического университета)
для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистров 09.05.01 «Информатика и вычислительная техника», 09.03.01 «Программное обеспечение вычислительной техники
и автоматизированных систем»












Москва
ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М
2019

УДК 004.2(075.8)
ББК 32.973-02я73
      Г12


   ФЗ    Издание не подлежит маркировке   
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Ре ц ензенты:
          доктор технических наук, профессор А. С. Бондаревский;
доктор технических наук, профессор кафедры «Прикладная информатика» Московского областного филиала Санкт-Петербургского Гуманитарного Университета профсоюзов
       «Институт искусств и информационных технологий» О.И Лисов

      Гагарина Л.Г.
Г12 Современные проблемы информатики и вычислительной техники : учеб. пособие / Л.Г. Гагарина, А. А. Петров. — М. : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2019. — 368 с. — (Высшее образование).

        ISBN 978-5-8199-0442-8 (ИД «ФОРУМ»)
        ISBN 978-5-16-004445-3 (ИНФРА-М)

        Приведен систематизированный курс одной из основной дисциплин специализированной подготовки магистров по направлению «Информатика и вычислительная техника».
        Рассмотрены первостепенные задачи в области разработки крупномасштабных сетей, специфика применения языков метаданных и онтологий, тенденции развития интегрированных автоматизированных систем с упором на новые парадигмы программирования. Особое внимание уделяется синергетике как методологии исследования сложных эволюционирующих систем, формирующей новое представление о мире.
        Строгий стиль изложения сопровождается доступными для понимания пояснениями и многочисленными примерами, а также контрольными вопросами к каждой главе, необходимыми для проверки усвоения материала.
        Книга адресована студентам старших курсов технических специальностей, соискателям степени магистра по направлению «Информатика и вычислительная техника», аспирантам, научным сотрудникам, преподавателям высших учебных заведений, слушателям институтов повышения квалификации; может быть использована для самообразования.

                                                    УДК 004.2(075.8)
                                                    ББК 32.973-02я73





ISBN 978-5-8199-0442-8 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-004445-3 (ИНФРА-М)


© Гагарина Л. Г., Петров А. А., 2011
© ИД «ФОРУМ», 2011

            Предисловие








   На данном историческом этапе модернизация высшей школы во многом определяется Болонским соглашением в области образования, в рамках которого переход к двухступенчатой системе образования (бакалавриат-магистратура) — задача уже решенная. Согласно Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования, регламентирующему квалификационные требования к магистерской подготовке, соискатель степени магистра должен быть «подготовлен к деятельности, требующей углубленной фундаментальной и профессиональной подготовки, в том числе к научно-исследовательской работе». Говоря о направлении подготовки магистра техники и технологии по направлению «Информатика и вычислительная техника», напомним, что «информатика и вычислительная техника — это область науки и техники, которая включает в себя совокупность средств, способов и методов человеческой деятельности, направленных на создание и применение ЭВМ, систем и сетей; автоматизированных систем обработки информации и управления; систем автоматизированного проектирования; программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем». Именно поэтому современные проблемы одноименной дисциплины рассматриваются в учебном плане второй ступени обучения студентов технических специальностей, именно поэтому основная цель дисциплины — изучение системных вопросов человеко-машинного взаимодействия, тенденций и перспектив развития крупномасштабных сетей, языков метаданных и онтологий, постороения интегрированных автоматизированных систем с упором на новые парадигмы программирования. Особое внимание уделяется синергетике как методологии исследования сложных эволюционирующих систем, формирующей новое представление о мире.
   Предлагаемое учебное пособие посвящено систематизации представлений современного человеческого общества по вышеуказанным темам. Основной текст пособия разбит на пять глав и снабжен богатым иллюстративным материалом; для закрепления

Предисловие

изложенного материала в конце каждой главы приведены контрольные вопросы.
   Глава 1 посвящена разработке технического обеспечения автоматизированных систем в области проектирования глобальных сетей, в частности стратегии развития Интернет2 (Internet?, I2) на основе протокола IPv6, а также обзору существующих в настоящее время проектов быстрых сетей. В главе 2 излагаются особенности существующих на сегодняшний день языков метаданных и онтологий: рассмотрено понятие «семантическая паутина» (Semantic Web); перечислены принципы построения и приведены примеры применения модели метаданных RDF; подробно специфицированы конструкции языка RDFS; выделены преимущества и недостатки дублинского ядра и прочих языков онтологий. Глава 3 знакомит с эволюцией систем управления предприятиями, отечественным рынком интегрированных корпоративных информационных систем, логикой архитектурного проектирования систем на основе трех парадигм программирования: объектно-ориентированной, компонентно-ориентированной и сервисно-ориентированной. Глава 4 посвящена синергетике: для получения целостного представления об этом научном направлении приводится систематизированное изложение его основных положений. Основной акцент делается на применении методов синергетики для получения практических результатов с целью привлечения интереса молодых специалистов к проблемам эволюции, управления и самоорганизации сложных систем, таких как человек, государство, цивилизация. Завершает книгу глава 5, основное содержание которой составляет описание эволюционных аналогий в системах искусственного интеллекта — эволюционное моделирование и генетические алгоритмы, методы генетического программирования, эволюционных стратегий и эволюционного программирования.
   Студентам, изучающим данный курс, требуются знания в области информатики, алгоритмов и структур данных, определенные стандартом направления магистерской подготовки, желательно также владение несколькими различными языками программирования.
   Учебное пособие предназначено в первую очередь для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки магистров 552800 «Информатика и вычислительная техника». Полезно будет студентам-выпускникам специальности 230105.65 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», а также аспирантам,

Предисловие                           5

преподавателям вузов, курсов повышения квалификации и центров сертификации.
   Учебное пособие подготовлено авторским коллективом под руководством и под редакцией проф. Л. Г. Гагариной в составе: предисловие, главы 1—3 — проф. Л. Г. Гагарина; главы 4—5 — доц. А. А. Петров. Авторский коллектив выражает глубокую признательность аспиранту кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Московского института электронной техники А. В. Солякову за конструктивную поддержку при написании пособия.

Глава 1


            РАЗВИТИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
            АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ







   Разработки в области крупномасштабных сетей в значительной степени мотивированы представлениями политиков и правительственных экспертов о механике глобального лидерства США. Стратегия этого лидерства опирается на высокопроизводительные коммуникации, лежащие в основе совершенной экономики и контроля над информационными потоками. Нынешняя администрация США (хотя и в меньшей степени, чем предыдущие хозяева Белого дома) уповает на информационные технологии как на один из наиболее действенных инструментов удержания своего неоспоримого превосходства. Акцент ставится на глобальных сверхбыстрых сетях, позволяющие усиливать государственное влияние в своей стране и за рубежом, ускорять и контролировать финансовые транзакции, решать проблемы фундаментальной науки, здравоохранения и образования. Развивая сети связи, американские специалисты размещают ключевые элементы инфраструктуры (например, суперкомпьютерные центры и банки данных) на территории США, оставляя за международным научным сообществом право пользоваться их услугами.
   Важна в этом деле и четкая координация всех работ по созданию быстрых крупномасштабных сетей, поэтому развитая организационная структура, обеспечивающая такую координацию, в большинстве случаев получает финансовую и административную поддержку на федеральном уровне.
   Технологии позволяют повысить методологический и инструментальный уровень построения сетей, необходимый для роста Интернета и внутренних сетей федеральных министерств и ведомств. Первоначальные инвестиции правительства США в исследования и разработки сетевых технологий помогли сформировать нынешний Интернет. Научно-исследовательские лаборатории, научное сообщество и промышленность создали прототипы сетей и популярных приложений (электронной почты, браузе

Глава 1. Развитие технического обеспечения АС

7

ров), которые изменили саму парадигму компьютеризации и проложили путь к лидерству США в информационной индустрии. Результаты проводимых университетами, промышленностью и правительством исследований в области быстрых глобальных сетей немедленно становятся достоянием частного сектора, где их использование меняет характер общественных связей.
    Последним амбициозным проектом в области вычислений было японское «пятое поколение». Это был форменный вызов, способствовавший пониманию того, что смена вычислительных поколений — рутинный процесс с циклом в полтора года. Вероятно, первым амбициозным проектом в области глобальных коммуникаций стал «Интернет2» (www.internet2.edu): он открыл эпоху сверхбыстрых глобальных сетей. Индустрия отреагировала на него ростом пропускной способности — более быстрым, чем рост вычислительной мощности.
    Интернет2 (Internet2,12) — это некоммерческий консорциум со штаб-квартирой в Соединенных Штатах, в который входят 208 американских университетов (членами консорциума Интернет2 стали университеты всех пятидесяти штатов страны) с обширной исследовательской базой, работающих в партнерстве с 70 корпорациями, почти 50 правительственных агентств, лабораторий и ассоциаций и 45 зарубежных партнеров. Целью консорциума является развитие, развертывание и использование передовых интер-нет-технологий для ускорения создания Интернета завтрашнего дня. Чтобы дать возможность исследователям, ученым и студентам участвовать в этом исследовании передовой технологии, Интернет2 развернул в Соединенных Штатах высокоэффективную сеть под названием Abilene. Вся сеть Интернет2 состоит из нескольких десятков узловых точек — GigaPoP (Gigabit-capacity Points of Presence — точки доступа гигабитной мощности). Они связаны общей магистралью, называемой Internet2 Backbone Networks. Непосредственно к узловым точкам по волоконно-оптическому кабелю подключаются университеты, исследовательские сети и Интернет. Магистраль держится на оптической сети Abilene стоимостью 500 млн долл. (рис. 1.1). Она была разработана для организации UCAID (University Corporation Advanced Internet Development) при участии Qwest Communications, Nortel Networks, Cisco Systems и университета штата Индиана. Например, Cisco Systems, которая интенсивно опирается на исследования в сети Интернет2 при разработке следующего поколения сетевых маршрутизаторов, весьма прагматично комментирует свое участие в проекте: «Мы здесь вовсе не из альтруизма. Естественно, это кое

Глава 1. Развитие технического обеспечения АС

Рис. 1.1. Высокоэффективная сеть Abilene

во что нам обходится, но мы надеемся вернуть затраченные деньги, причем с лихвой, поскольку переводим эту технологию в продукты, которые люди заведомо пожелают покупать».
   Сеть соединяет 240 организаций — участников проекта «Ин-тернет2», 34 государственные образовательные сети и аналогичные передовые исследовательские сети в других странах. Abilene проектируется с расчетом на современные возможности сети, чтобы предоставить пользователям скорости, в тысячи раз превышающие типичные домашние широкополосные соединения.
   В настоящее время научные исследования и образование все больше и больше становятся плодом коллективных усилий, зависят от синхронного доступа к аппаратуре и информации и требуют одновременной работы специалистов, разбросанных по всему миру. Американским исследователям уже недостаточно доступа к новейшей специализированной сетевой инфраструктуре США, такая же высокоэффективная специализированная сетевая инфраструктура необходима в международном масштабе. Для того чтобы поддерживать и продвигать это международное сотрудничество, консорциум Интернет2 создал программу международных связей, реализация которой будет способствовать внедрению технологических новинок во всех областях, начиная с науки и медицины и кончая искусством, и ускорит экономический рост в развивающихся странах.
   Сегодня почти во всех странах Западной, Центральной и Восточной Европы, в большинстве стран Азиатско-Тихоокеан

Глава 1. Развитие технического обеспечения АС

9

ского региона, во многих странах Юго-Восточной и Южной Азии, а также в нескольких странах Северной Африки и Латинской Америки существуют специализированные, высокоэффективные общенациональные научно-исследовательские и образовательные сети. Ценность каждой общенациональной сети будет возрастать по мере того, как отдельные сети станут объединяться в глобальную сетевую инфраструктуру для научных исследований и образования. В настоящий момент типичная общенациональная сеть должна быть соединена всего с одной или двумя подобными сетями в других странах, чтобы войти в международное исследовательское сообщество. Эта высокоэффективная сетевая инфраструктура используется тысячами исследователей в десятках стран, участвующих в экспериментах по созданию Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collaider), проводимых Европейским центром ядерных исследований в Женеве (Швейцария). Коммерческий Интернет просто не способен к передаче больших массивов информации, которыми должны обмениваться научно-исследовательские институты, участвующие в экспериментах подобного масштаба.
   Общенациональные сети также делают возможным сотрудничество в самих странах и на международном уровне в области искусства, гуманитарных наук и медицины. Например, проект Стэнфордского университета HAVNet предоставляет возможность экспертам, находящимся далеко от учебных лабораторий, вести у студентов-медиков практикумы по хирургии. Используя виртуальные руки при препарировании, выполняя хирургические операции на тренажерах или наблюдая за операциями на расстоянии, студенты, территориально находящиеся в разных местах, могут одновременно участвовать в работе класса. Более того, специалисты из разных стран могут виртуально объединяться, чтобы работать со студентами над уникальными заданиями. С помощью новейшей технологии они могут в буквальном смысле физически управлять руками студентов, когда те выполняют операции на хирургических тренажерах. Такой тип интенсивного обучения позволяет подготавливать более информированных и опытных студентов-медиков, которые овладеют многими практическими навыками еще до того, как войдут в настоящую операционную.
   Развивающиеся страны теперь рассматривают общенациональные сети как важный способ развития своих образовательных и научных институтов. Например, сканирование электронным микроскопом — инструментом, использующим элементар

Глава 1. Развитие технического обеспечения АС

ные частицы, называемые электронами, а не свет для получения изображения, — обычно слишком дорого для любого отдельно взятого университета, но при подключении этих микроскопов к высокоэффективной сети пользователи получают возможность управлять микроскопом на расстоянии и исследовать образцы с помощью высококачественного цифрового изображения.
   История развития. В 1968 г. организация ARPA (Advanced Research Projects Agency), являющаяся подразделением Министерства обороны США, построила первую компьютерную сеть из четырех компьютеров, в основу которой были положены принципы, до сих пор используемые в современном Интернете. В течение следующих десяти лет к сети ARPANET подключились многие организации и университеты.
   К 1978 г. были выработаны основной протокол IP¹ версии 4 и все базовые протоколы сети Интернет. В 1982 г. была основана европейская UNIX-сеть EUnet, ранее в Сеть входили только США, Канада и Великобритания.
   В 1984 г. появилась система доменных имен, в 1989 г. количество подключенных компьютеров достигло уже ста тысяч; к концу 80-х годов Сеть объединила более десяти стран.
   В 1991 г. была разработана технология WWW, к Сети подключилась Россия. К 1992 г. в Сети существовало более миллиона компьютеров; за 1993 г. их число выросло в три с половиной тысячи раз(!).
   В 1994 г. Интернету исполнилось 25 лет. С тех пор Сеть достигла глобального распространения, но принципиально не изменилась: появилось множество новых технологий, улучшились каналы связи, количество компьютеров увеличилось до десятков миллионов, а число пользователей — до сотен миллионов. В результате Интернет обрел общеизвестность, стал коммерчески выгодным не только для провайдеров — уже в 1994 г. на Западе с помощью Интернета можно было заказать пиццу на дом или такси.
   До 1995 г. Сеть, поддерживаемая правительством США, находилась в полном распоряжении ученых — физиков, медиков, биологов — и использовалась для исследовательских нужд. Все решал домен, а не пропускная способность, но со временем у Интернета появились весьма далекие от науки области приложения, и примерно с середины 90-х годов разработкой технологических и дизайнерских интернет-стандартов стали заниматься корпорации. В октябре 1996 г. в Чикаго встретились представи

    ¹ IP — Internet Protocol.