Билет № 24

1. Кибернетический подход к описанию систем.

Кибернетический подход состоит в том, что всякое целенаправленное поведение рассматривается как управление. Управление - в широком, кибернетическом смысле - это обобщение приемов и методов, накопленных разными науками об управлении искусственными объектами и живыми организмами.

Под управлением понимается процесс организации такого целенаправленного воздействия на некоторую часть среды, называемую объектом управления, в результате которого удовлетворяются потребности субъекта, взаимодействующего с этим объектом.

Анализ управления заставляет выделить тройку - среду, объект и субъект, внутри которой разыгрывается процесс управления.

Y

Анализ управления заставляет выделить тройку — среду, объект и субъект, внутри которой разыгрывается процесс управления (рис.). В данном случае субъект ощущает на себе воздействие среды Х и объекта Y. Если состояние среды Х он изменить не может, то состоянием объекта Y он может управлять с помощью специально организованного воздействия U. Это и есть управление.

Состояние объекта Y влияет на состояние потребностей субъекта.

Потребности субъекта где — состояние i-й потребности субъекта, которая выражается неотрицательным числом, характеризующим насущность, актуальность этой потребности.

Свое поведение субъект строит так, чтобы минимизировать насущность своих потребностей, т. е. решает задачу многокритериальной оптимизации:

(3.1)

где R — ресурсы субъекта. Эта зависимость выражает неизвестную, но существующую связь потребностей с состоянием среды Х и поведением U субъекта.

Пусть —решение задачи (3.1), т. е. оптимальное поведение субъекта, минимизирующее его потребности А. Способ решения задачи (3.1), позволяющий определить , называется алгоритмом управления

(3.2)

где  — алгоритм, позволяющий синтезировать управление по состоянию среды Х и потребностей А_t,. Потребности субъекта изменяются не только под влиянием среды или объекта, но и самостоятельно, отражая жизнедеятельность субъекта, что отмечается индексом t.

Алгоритм управления , которым располагает субъект, и определяет эффективность его функционирования в данной среде. Алгоритм имеет рекуррентный характер:

,

т. е. позволяет на каждом шаге улучшать управление. Например, в смысле

,

т. е. уменьшения уровня своих потребностей.

Процесс управления как организация целенаправленного воздействия на объект может реализовываться как на интуитивном, так и на осознанном уровне. Первый используют животные, второй — человек. Осознанное удовлетворение потребностей заставляет декомпозировать алгоритм управления и вводить промежуточную стадию — формулировку цели управления, т. е. действовать по двухэтапной схеме:

1

На первом этапе определяется цель управления , причем задача решается на интуитивном уровне:

,

где ₁ — алгоритм синтеза цели Z* по потребностям А_t и состоянию среды X. На втором этапе определяется управление , реализация которого обеспечивает достижение цели Z*, сформированной на первой стадии, что и приводит к удовлетворению потребностей субъекта. Именно на этой стадии может быть использована вся мощь формального аппарата, с помощью которого по цели Z* синтезируется управление

где ₂ — алгоритм управления. Этот алгоритм и есть предмет изучения кибернетики как науки.

Таким образом, разделение процесса управления на два этапа отражает известные стороны науки — неформальный, интуитивный, экспертный и формальный, алгоритмизуемый. Если первая пока полностью принадлежит человеку, то вторая является объектом приложения формальных подходов. Естественно, что эти различные функции выполняются разными структурными элементами.

Первую функцию выполняет субъект, а вторую— управляющее устройство (УУ).

Процесс управления — это информационный процесс, заключающийся в сборе информации о ходе процесса, передаче ее в пункты накопления и переработки, анализе поступающей, накопленной и справочной информации, принятии решения на основе выполненного анализа, выработке соответствующего управляющего воздействия и доведении его до объекта управления. Каждая фаза процесса управления протекает во взаимодействии с окружающей средой при воздействии различного рода помех. Цели, принципы и границы управления зависят от сущности решаемой задачи.

Система управления

Система управления — совокупность взаимодействующих между собой объекта управления и органа управления, деятельность которых направлена заданной цели управления.

В СУ решаются четыре основные задачи управления: стабилизация, выполнение программы, слежение, оптимизация.

Задачами стабилизации системы являются задачи поддержания ее выходных величин вблизи некоторых неизменных заданных значений, несмотря на действие помех.

Задача выполнения программы возникает в случаях, когда заданные значения управляемых величин изменяются во времени заранее известным образом.

В системах оптимального управления требуется наилучшим образом выполнить поставленную перед системой задачу при заданных реальных условиях и ограничениях. Понятие оптимальности должно быть конкретизировано для каждого отдельного случая.

Прежде чем принимать решение о создании СУ, необходимо рассмотреть все его этапы, независимо от того, с помощью каких технических средств они будут реализованы. Такой алгоритмический анализ управления является основой для принятия решения о создании СУ и степени ее автоматизации. При этом анализе следует обязательно учитывать фактор сложности объекта управления:

• отсутствие математического описания системы;

• стохастичность поведения;

• негативность к управлению;

• не стационарность, дрейф характеристик;

• невоспроизводимость экспериментов (развивающаяся система все время как бы перестает быть сама собой, что предъявляет специальные требования к синтезу и коррекции модели объекта управления).

Особенности сложной системы часто приводят к тому, что цель управления таким объектом в полной мере никогда не достигается, как бы совершенно ни было управление.

Системы управления делятся на два больших класса: системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные системы управления (АСУ). В САУ управление объектом или системой осуществляется без непосредственного участия человека автоматическими устройствами. Это замкнутые системы.

В процессе проектирования системой управления участвуют 2 типа мышления: анализ и синтез.

Задачи анализа: определение устойчивости и качества процесса управления в исследовании САУ при заданных возмущающих воздействий.

Задачи синтеза: определение параметров и структуры регулятора при которых обеспечивается процесс управления, удовлетворяющий заданным техническим требованиям (заданному качеству управления).

Анализ: Дана система с заданной структурой параметров. Требуется определить её свойства и характеристики.

Синтез: Заданы требования, которым должна удовлетворять система. Определить структуру системы и её параметры.

Цель проектирования САУ состоит в определении конфигурации системы, требований, которым она должна удовлетворять и задание основных параметров, удовлетворяющих предъявляемым к системе требованиям.

Требования к качеству замкнутой САУ:

1. Хорошая компенсация возмущений

2. Желаемый вид реакции (переходных процессов) на задающее входное воздействие

3. Адекватные выходные сигналы исполнительного устройства

4. Малая чувствительность к изменению параметров объектов управления

5. Ограничения на величину установившейся ошибки.

В отличие от САУ в АСУ в контур управления включен человек, на которого возлагаются функции принятия наиболее важных решений и ответственности за принятые решения. Под АСУ обычно понимают человеко-машинные системы, использующие современные экономико-математические методы, средства электронно-вычислительной техники (ЭВТ) и связи, а также новые организационные принципы для отыскания и реализации на практике наиболее эффективного управления объектом(системой).

2. Необходимость декомпозиции, проблемы дублирования данных.

Необходимость декомпозиции. Проблемы дублирования данных.

Декомпозиция — разбиение переменной-отношения на другие переменные-отношения. Декомпозицию проводят чтобы исключить избыточное дублирование.

Пример: R={ABC} F={A->B, B->C} следует разбить на отношения {AB} и {BC}(декомпозиция без потерь), для примера пусть у нас будут данные |Студент|Группа|Факультет|, где Студент->Группа, Группа->Факультет, тогда, если не проводить декомпозицию:

Студент	Группа	Факультет
Иванов	ист-08	ФИТ
Петров	ист-08	ФИТ

Как мы видим для каждого студента одной группы записи о группе и факультете повторяются.

Дублирование же приводит к проблемам при изменении, удалении и вставки данных, называемые аномалиями.

1. аномалии удаления: Удаление информации, удаление которой нежелательно, при удалении кортежа. Пример:(для предыдущего примера) удаление студентов Иванова и Петрова из таблицы также удалит данные об их группе и факультете(при условии что это все данные в таблице.)

2. аномалии модификации: появление кортежей с противоречивыми записями при изменении данных в одном из них. Пример(для предыдущего примера) Изменение названия факультета в одной из строк таблицы приведет к тому что группа ист-08 относится к разным факультетам.

3. аномалии вставки: появление несогласованных данных при добавлении информации. Пример аналогичен предыдущему(вместо модификации строки, добавление)

3. Основные элементы объектно-ориентированных методов создания программных систем: абстрагирование, инкапсуляция, модульность, иерархия, типизация, параллелизм, устойчивость, полиморфизм. Понятие объектно-ориентированного программирования.

ООП – это методология программирования, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса, а классы образуют иерархию наследования. В ООП выделяют три части: 1) базовые элементы являются объекты, а не алгоритмы; 2) каждый объект является экземпляром какого-либо определенного класса; 3) классы организованны иерархически. Программа будет ОО только при соблюдении всех трех условий.

Концептуальная база для ООП является – объектная модель. Она имеет 4 основных элемента: абстрагирование, инкапсуляция, модульность и иерархия. Кроме главных, имеются еще три дополнительных (не обязательных, но полезных в объектной модели): типизация, параллелизм и сохраняемость.

Абстрагирование выделяет существенные характеристики некоторого объекта, отличающие его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяет его концептуальные границы с точки зрения наблюдателя.

Существует целый спектр абстракций, начиная с объектов, которые почти точно соответствуют реалиям предметной области, и кончая объектами, не имеющими право на существование:

Абстракция сущности – объект представляет собой полезную модель, некой сущности в предметной области.

Абстракция поведения – объект состоит из обобщенного множества операций.

Произвольная абстракция – объект включает в себя набор операций, не имеющих друг с другом ничего общего.

Инкапсуляция – это процесс отделения друг от друга элементов объекта, определяющих его устройство и поведение; инкапсуляция служит для того, чтобы изолировать абстракцию от их реализации.

Модульность – это свойство системы, которая была разложена на внутренне связанные, но слабо связанные между собой модули. В ООП, под модульностью, понимается физическое разделение классов в группы, составляющие логические структуры проекта.

Иерархия – это упорядочение абстракций, расположение их по уровням. Принято делить иерархию на два способа: структура классов (иерархия «is-a») и структура объектов (иерархия «part of»). Рассмотрим каждый вариант.

Структура классов «is-a» есть наследование. Наследование означает такое отношение между классами (между родителем и потомком), когда один класс заимствует структурную и функциональную часть одного или нескольких других классов. Заимствование у одного класса есть одиночное наследование, у совокупности – множественное. Пример: картина «животного мира», выделение царств, классов и подклассов.

Структура объектов «part of» есть агрегация. Позволяет физически сгруппировать логически связанные структуры. Пример: устройство обогревателя, как совокупность устройств: греющий механизм, термодатчик, регулятор.

Типизация – это способ защититься от использования объектов одного класса вместо другого, или по крайне мере управлять таким использованием. Выделяют сильную, слабую типизацию и ее отсутствие.

Сильная типизация предполагает явно указывать допустимые операции над объектом, и декларирование механизмов взаимодействия с другими объектами. Слабая типизация предполагает частичное объявление списка допустимых операций, механизмов, и существование других способов взаимодействия с другими объектами. Как правило, большая часть таких механизмов представляется «по умолчанию». В некоторых ОО языках (например, Smalltalk) типов нет вообще. Во время исполнения любое сообщение может быть послано любому объекту, и если класс объекта не понимает сообщение, то генерируется сообщение об ошибке.

Параллелизм – это свойство, отличающее активные объекты от пассивных. ООП основано на абстракции, инкапсуляции и наследовании. Однако, параллелизм в ООП предполагает выделение таких свойств как абстрагирование и синхронизация процессов. Объект есть понятие, а следовательно, каждый объект (полученный из абстракции реального мира) может представлять собой отдельный поток управления (абстракция процесса). Такой объект называется активным. Для систем, построенных на основе OOП, мир может быть представлен, как совокупность взаимодействующих объектов, часть из которых является активной и выступает в роли независимых вычислительных центров.

Сохранаемость (устойчивость) – способность объекта существовать во времени, переживая породивший его процесс, и (или) в пространстве, перемещаясь из своего первоначального адресного пространства.

Полиморфизм – это механизм ОО подхода, в котором предполагается наличие в некоторый момент времени объекта, обозначающего (относящегося) к одному из классов. И у этих классов есть общий суперкласс и они, хотя и по разному, могут реагировать на одно и то же сообщение, одинаково понимая его смысл. Суть полиморфизма можно продемонстрировать на примере: суперкласс “Птица” (абстрактный). Для него определен чисто виртуальный метод “Летать”. От данного класса наследуют классы “Пингвин”, “Ласточка” и “Курица” – все потомки птицы, но каждый из таких классов по своему определит способ поведения “Летать”. Например, курица начнет бежать с бешенной скоростью, пингвин переваливаясь с одной ноги на другую, дойдет до края берега и в воду, а вот ласточка – полетит, оторвавшись от земли в небо.

4. Подход клиент/сервер и информационная безопасность.

Проблемы информационной безопасности далеко не исчерпываются отдельными вопросами разграничения доступа и межсетевым экранированием. В современных информационных системах, построенных в архитектуре клиент/сервер, обычно выделяют три уровня:

уровень представления (реализующий функции ввода и отображения данных);

прикладной уровень (отвечающий за универсальные сервисы, а также функции, специфичные для определенной предметной области);

уровень доступа к информационным ресурсам (выполняющий фундаментальные функции хранения и управления информационно-вычислительными ресурсами).

Клиентские рабочие места связываются с сервером и локальными, и глобальными сетями. Для таких клиент-серверных систем наиболее опасны сетевые угрозы, поскольку на серверах непосредственная работа пользователей не допускается.

Угрозы в сетевой среде: прослушивание сети, изменение корпоративных потоков данных , воздействие на инфраструктурные сетевые сервисы , подделка сетевых пакетов , посылка аномальных пакетов и генерация аномального трафика - представляют собой атаки на доступность, получившие в последнее время относительно широкое распространение (DoS-атаки); отказ от совершенных действий - это угроза прикладного уровня, она реальна, в первую очередь, в силу распределенности систем клиент/сервер.

Сервисы безопасности и требования к ним

Для защиты систем клиент/сервер наиболее важными представляются следующие сервисы безопасности:

идентификация/аутентификация – перед началом работы пользователь должен себя идентифицировать и подтвердить, что он тот, за кого себя выдает, т.е. аутентифицировать себя. Данный сервис должен удовлетворять условиям:

быть устойчивыми к сетевым угрозам (например, используя криптографию);

поддерживать концепцию единого входа в сеть - достигается за счет централизованного хранения данных, используемых при авторизации, то есть при определении полномочий пользователя.

разграничение доступа – произвольное (матрицы доступа) или принудительное (метки безопасности).

межсетевое экранирование – выполняет функции:

разграничивает межсетевой доступ путем фильтрации передаваемых данных;

преобразовывает передаваемую информацию.

шифрование - важнейшее средство обеспечения конфиденциальности (важна скорость, криптостойкость – устойчивость к взлому).

контроль целостности и аутентичности - должен распространяться не только на отдельные группы данных, аппаратные или программные компоненты. Он обязан охватывать распределенные конфигурации, защищать от несанкционированной модификации потоки информации.

5. Маркерный метод доступа.

Маркерный метод доступа предполагает нахождение в сети специального фрейма, называемого маркером. С помощью данного фрейма предоставляются все необходимые ресурсы в сети. При необходимости передачи данных они присоединяются к маркеру, а в сам маркер записываются адреса отправителя и получателя. Такой маркер называется занятым (захваченным).

При получении данных маркер освобождается от них и возвращается отправителю с данными о качестве передачи. При успешной передаче данных маркер освобождается отправителем и передается следующей станции в сети. Такой маркер называется свободным.