8 Вычислительная техника и программирование
8.1 Эволюция вычислительной техники и системы будущего
Эволюция:
1623 – механический калькулятор, W.Schickard
1801 – перфокарты для ткацких станков (воспроизводимая структура ткани), J.-M. Jackard
1833 – проект аналитического мотора с памятью, перфокартами и программируемой частью (A. Lovelace), C. Babbage, UK
1890 – табулирующие машины с перфокартами, H. Hollerith (future IBM), US
1927 – аналоговая машина, дифференцирующий анализатор, H. Nieman and V. Bush, US
1937 – вычислительная реле схема G. Stibitz US (используя магистерский диплом C. Shannon)
1939 – решатель линейных уравнений, использующий продвинутую архитектуру диодов и емкостей, J. Atanasoff and C. Berry, US
1941 – первый в мире компютер на бинарных элементах с числами с плавающей запятой и программой запоминаемой в памяти (так называемая архитектура Фон-Неймана), K. Zuse, Germany
1943 – первый электронный компютер, хотя и не унивесальный, Колосс, M. Newman and T. Flowers, UK
1944 – Марк 1, основанный на идеях Баббаджа, но не вполне универсальный, H. Aiken, USA
1945 – ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), первый настоящий компютер, но без перфокарт – программу надо было сформировать руками в памяти, J. Mauchly, J. Eckert, USA
1950 – первая советская машина МЭСМ, С.А. Лебедев, Киев, Украина, СССР
1953 – БЭСМ, продвинутая и конкурентоспособная машина, С.А. Лебедев, Москва, СССР
1954 – УРАЛ, одноадресная малая машина, Б.И. Рамеев (без высшего образования как сын врага народа), Пенза, СССР
1964 – Наири, малая машина с параллельным считыванием разрядов и троичной системой счисления, Г. Овсепян, Армения, СССР
1974 – начало эксплуатации машин Единой Серии, копий серийных машин IBM на отечественной базе (переход объясняется необходимостью серийного производства компютеров)
Поколения
1 поколение – ламповые (диод, триод, пентод) машины
II поколение – транзисторы (вместо ламп)
III поколение – микрочипы (логические функции вместо операций)
И так далее – каждый месяц какая-нибудь новинка
Цель международного сообщества - создать вычислительную среду по типу водопровода – уже довольно близка! Более того, получается не просто вычислительная, а информационная среда.
Современные типы компютеров:
Мэйнфрэйм – огромные компютеры с высокой скоростью, надежностью, безопасностью, интеграцией с устарелыми программными системами, типично поставляемые фирмой ИБМ (основные пользователи языка COBOL, давно устаревшего)
Суперкомпютер – отличается требованиями к внутренним вычислениям, уступая мэйнфрэйму в обработке внешних данных (по входу и по выходу)
Кластер – система компютеров, которые могут использоваться совместно в зависимости от архитектуры кластера (Беовульф, Грид и пр.), либо для обеспечения дополнительных мощностей, либо для параллелизации вычислений (ставит новые задачи перед вычислительной математикой такие, как параллелизация обращения матриц)
Сервер – компютер, ориентированный на серверные применения – помощь другим программам.
Server-oriented operating systems tend to have certain features in common that make them more suitable for the server environment, such as
Персональный компютер
Уорк- станция – персональный компютер, специализированный для какого-либо типа применений, например, качественной графики
Ноутбук
Планшет (?)
8.2. Информационные протоколы и безопасность.
Создание интернета не только преобразует нашу цивилизацию как глобальное теперь в подлинном смысле этого слова – сообщество. Сложные многоуровневые пакеты, посылаемые по различным протоколам, преобразовали науку о компютерах опять в инженерию. (IP (Internet Protocol) – Протокол Интернета и TCP (Transmission Control Protocol) – Протокол передачи пакета).
С веб-сайта http://lemoi-www.dvgu.ru/lect/protoc/tcpip/indextcp/indextcp.htm:
«Причина, по которой TCP/IP столь важен сегодня, заключается в том, что он позволяет самостоятельным сетям подключаться к Internet или объединяться для создания частных интрасетей. Вычислительные сети, составляющие интрасеть, физически подключаются через устройства, называемые маршрутизаторами или IP-маршрутизаторами. Маршрутизатор - это компьютер, который передает пакеты данных из одной сети в другую. В интрасети, работающей на основе TCP/IP, информация передается в виде дискретных блоков, называемых IP-пакетами (IP packets) или IP-дейтаграммами (IP datagrams). Благодаря программному обеспечению TCP/IP все компьютеры, подключенные к вычислительной сети, становятся "близкими родственниками". По существу оно скрывает маршрутизаторы и базовую архитектуру сетей и делает так, что все это выглядит как одна большая сеть. Точно так же, как подключения к сети Ethernet распознаются по 48-разрядным идентификаторам Ethernet, подключения к интрасети идентифицируются 32-разрядными IP-адресами, которые мы выражаем в форме десятичных чисел, разделенных точками (например, 128.10.2.3). Взяв IP-адрес удаленного компьютера, компьютер в интрасети или в Internet может отправить данные на него, как будто они составляют часть одной и той же физической сети.
TCP/IP дает решение проблемы данными между двумя компьютерами, подключенными к одной и той же интрасети, но принадлежащими различным физическим сетям. Решение состоит из нескольких частей, причем каждый член семейства протоколов TCP/IP вносит свою лепту в общее дело. IP - самый фундаментальный протокол из комплекта TCP/IP - передает IP-дейтаграммы по интрасети и выполняет важную функцию, называемую маршрутизацией, по сути дела это выбор маршрута, по которому дейтаграмма будет следовать из пункта А в пункт B, и использование маршрутизаторов для "прыжков" между сетями.
TCP - это протокол более высокого уровня, который позволяет прикладным программам, запущенным на различных главных компьютерах сети, обмениваться потоками данных. TCP делит потоки данных на цепочки, которые называются TCP-сегментами, и передает их с помощью IP. В большинстве случаев каждый TCP-сегмент пересылается в одной IP-дейтаграмме. Однако при необходимости TCP будет расщеплять сегменты на несколько IP-дейтаграмм, вмещающихся в физические кадры данных, которые используют для передачи информации между компьютерами в сети. Поскольку IP не гарантирует, что дейтаграммы будут получены в той же самой последовательности, в которой они были посланы, TCP осуществляет повторную "сборку" TCP-сегментов на другом конце маршрута, чтобы образовать непрерывный поток данных. FTP и telnet - это два примера популярных прикладных программ TCP/IP, которые опираются на использование TCP.
Другой важный член комплекта TCP/IP - User Datagram Protocol (UDP, протокол пользовательских дейтаграмм), который похож на TCP, но более примитивен. TCP - "надежный" протокол, потому что он обеспечивает проверку на наличие ошибок и обмен подтверждающими сообщениями чтобы данные достигали своего места назначения заведомо без искажений. UDP - "ненадежный" протокол, ибо не гарантирует, что дейтаграммы будут приходить в том порядке, в котором были посланы, и даже того, что они придут вообще.
Другие TCP/IP протоколы играют менее заметные, но в равной степени важные роли в работе сетей TCP/IP. Например, протокол определения адресов (Address Resolution Protocol, ARP) преобразует IP-адреса в физические сетевые адреса, такие, как идентификаторы Ethernet. Родственный протокол - протокол обратного преобразования адресов (Reverse Address Resolution Protocol, RARP) - выполняет обратное действие, преобразуя физические сетевые адреса в IP-адреса. Протокол управления сообщениями Internet (Internet Control Message Protocol, ICMP) представляет собой протокол сопровождения, который использует IP для обмена управляющей информацией и контроля над ошибками, относящимися к передаче пакетов IP. Например, если маршрутизатор не может передать IP-дейтаграмму, он использует ICMP, с тем чтобы информировать отправителя, что возникла проблема.»
Атаковать такие пакеты можно на самом разном уровне.
8.3 Эволюция данных и задач их анализа: текст, сигнал, изображение.
Первые машины: никаких данных, кроме коэффициентов – параметров программ, не предусматривали.
Затем – для статистических задач - данные табличного вида, для задач хранения и модификации данных – базы данных. Эти два подхода были интегрированы совсем недавно в концепциях разработки данных (data mining).
В настоящее время – переход к данным вида текстов, сигналов и изображений и адаптация или разработка новых подходов к возникающим задачам. Например, в задачах обработки изображений – узнать лицо – узнать лицо в толпе; показать, кто говорит в данное время; определить, кто где в движущейся толпе, и пр. На мой взгляд, нет необходимости в новых вычислительных идеях – просто комбинируй известные, на ближайшие годы должно хватить.
8.4 Новые подходы к вычислениям; параллельные и квантовые вычисления.
Параллельные вычисления – вычисления, ведущиеся на многих машинах одновременно. Для некоторых задач это ничего принципиально нового не вносит – например, задача о вычислении среднего. Другие же задачи, как, например, вычисление медианы, могут существенно от этого зависеть (или медиана медиан и есть медиана?); но уж точно, обращение матрицы и связанные задачи – спектральный анализ, например, нуждаются в разработке соответствующих модификаций, в значительной степени зависящих от конфигурации связей между компютерами. Эти задачи получили новый импульс в связи с задачами о вычислениях на географически распределенных мобильных устройствах с небольшой памятью.