Глобальная компьютерная сеть в геоинформатике

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

      В зависимости от территориального расположения абонентских систем вычислительные сети можно разделить на три основных класса:

• глобальные сети (WAN – Wide Area Network);
• региональные сети (MAN – Metropolitan  Area Network);
• локальные сети (LAN – Local Area Network).

      Глобальная  вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на различных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Глобальные вычислительные сети позволят решить проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к этим ресурсам.

      Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Обычно расстояние между абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки – сотни километров.

      Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному месту. К классу локальных вычислительных сетей относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов и т.д. Протяженность такой сети можно ограничить пределами 2 - 2,5 км.

      Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии. Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам. Локальные вычислительные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональные сети – объединяться в составе глобальной сети и, наконец, глобальные сети могут также образовывать сложные структуры.

      Персональные  компьютеры, ставшие в настоящее  время непременным элементом любой системы управления, привели к буму в области создания локальных вычислительных сетей. Это, в свою очередь, вызвало необходимость в разработке новых информационных технологий.

      Практика  применения персональных компьютеров  в различных отраслях науки, и производства показала, что наибольшую эффективность от внедрения вычислительной техники обеспечивают не отдельные автономные ПК, а локальные вычислительные сети. 
 
 

       ГЛАВА 1. ГЛОБАЛЬНАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ СЕТЬ ИНТЕРНЕТ В ГЕОИНФОРМАТИКЕ

     1.1. История создания и этапы развития сети Интернет

      Ранние  эксперименты по передаче и приему информации с помощью компьютеров  начались еще в 50-х годах и имели  лабораторный характер. Лишь в конце 60-х годов на средства Агентства  Перспективных Разработок министерства обороны США (DARPA – Defense Advanced Research Project Agency) была создана первая сеть национального масштаба. По имени агентства она получила название ARPANET. Эта сеть связала несколько крупных научных, исследовательских и образовательных центров. Ее основной задачей стала координация групп коллективов, работающих над едиными научно-техническими проектами, а основным назначением стал обмен электронной почтой и файлами с научной и проектно-конструкторской документацией.

      Сеть  ARPANET заработала в 1969 году. Немногочисленные узлы, входившие в нее в то время, были связаны выделенными линиями. Прием и передача информации обеспечивались программами, работающими на узловых компьютерах. Сеть постепенно расширялась за счет подключения новых узлов, а к началу 80-х годов на базе наиболее крупных узлов были созданы свои региональные сети, воссоздающие общую архитектуру ARPANET на более низком уровне (в региональном или локальном масштабе).

      Всякий  раз, когда мы говорим о вычислительной технике, нам надо иметь в виду принцип единства аппаратного и программного обеспечения. Пока глобальное расширение ARPANET происходило за счет механического подключения все новых и новых аппаратных средств (узлов и сетей), до Интернета в современном понимании этого слова было еще очень далеко. По-настоящему рождением Интернета принято считать 1983 год. В этом году произошли революционные изменения в программном обеспечении компьютерной связи. Днем рождения Интернета в современном понимании этого слова стала дата стандартизация протокола связи TCP/IP, лежащего в основе Всемирной сети по нынешний день.

      Здесь требуется уточнить, что в современном  понимании TCP/IP – это не один сетевой протокол, а два протокола, лежащих на разных уровнях (это так называемый стек протоколов). Протокол TCP – протокол транспортного уровня. Он управляет тем, как происходит передача информации. Протокол IP – адресный. Он принадлежит сетевому уровню и определяет, куда происходит передача.

     1.2. Организационная структура сети Интернет

      Internet представляет собой глобальную компьютерную сеть. Само ее название означает "между сетей". Это сеть, соединяющая отдельные сети.

      Логическая  структура Internet представляет собой некое виртуальное объединение, имеющее свое собственное информационное пространство.

      Internet обеспечивает обмен информацией между всеми компьютерами, которые входят в сети, подключенные к ней. Тип компьютера и используемая им операционная система значения не имеют. Соединение сетей обладает громадными возможностями. Internet предоставляет в распоряжение своих пользователей множество всевозможных ресурсов.

      Основные  ячейки Internet – локальные вычислительные сети. Это значит, что не просто устанавливает связь между отдельными компьютерами, а создает пути соединения для более крупных единиц – групп компьютеров. Если некоторая локальная сеть непосредственно подключена к Internet, то каждая рабочая станция этой сети также может подключаться к Internet. Существуют также компьютеры, самостоятельно подключенные к Internet. Они называются хост – компьютерами (host – хозяин). Каждый подключенный к сети компьютер имеет свой адрес, по которому его может найти абонент из любой точки света.

      Система адресации в Internet

      Internet самостоятельно осуществляет передачу данных. К адресам станций предъявляются специальные требования. Адрес должен иметь формат, позволяющий вести его обработку автоматически, и должен нести некоторую информацию о своем владельце.

      С этой целью для каждого компьютера устанавливаются два адреса: цифровой IP-адрес (IP – Internetwork Protocol – межсетевой протокол) и доменный адрес.

      Оба эти адреса могут применяться  равноценно. Цифровой адрес удобен для обработки на компьютере, а  доменный адрес – для восприятия пользователем.

      Цифровой  адрес содержит полную информацию, необходимую для идентификации компьютера.

      IP-адрес включает в себя три компонента: адрес сети, адрес подсети, адрес компьютера в подсети.

      Каждый  компьютер, подключенный к Интернету, имеет свой уникальный двоичный 32-битовый  Интернет-адрес. Существует формула, которая связывает между собой количество возможных информационных сообщений N и количество информации, которое несет полученное сообщение:

      N = 2ⁱ.

      Интернет-адрес  несет количество информации I = 32 бита, тогда общее количество различных  Интернет – адресов N равно:

      2³² = 4 294 967 296.

      В связи с информатизацией общества Интернет – адреса начинают постепенно заканчиваться. Чтобы найти выход из этой ситуации, был разработан IPv6 — новая версия протокола IP, призванная решить проблемы, с которыми столкнулась предыдущая версия (IPv4) при её использовании в Интернете, за счёт использования длины адреса 128 бит вместо 32. Поэтому, на текущий момент можно считать, что количество адресов = 2¹²⁸.

      Интернет-адрес  длиной 32 бита позволяет подключить к Интернету более 4 миллиардов компьютеров.

      По  новой технологии «умный дом» к Интернету могут быть подключены не только компьютеры, но и бытовые приборы (холодильники, стиральные машины и др.) и аудио- и видеотехника, которыми можно будет управлять дистанционно. В этом случае 4 миллиардов Интернет – адресов может оказаться недостаточно и придется перейти на более длинный Интернет-адрес.

      Для удобства восприятия двоичный 32-битовый  Интернет-адрес можно разбить  на четыре части по 8 битов и каждую часть представить в десятичной форме. Десятичный Интернет-адрес состоит из четырех чисел в диапазоне от 0 до 255, разделенных точками (например, 213.171.37.202).

      Все серверы Интернета имеют постоянные Интернет – адреса. Однако провайдеры Интернета часто предоставляют пользователям доступ в Интернет не с постоянным, а с временным Интернет – адресом. Интернет-адрес может меняться при каждом подключении к Интернету, но в процессе сеанса остается неизменным, и пользователь может его определить.

      Доменный  адрес определяет область, представляющую ряд хост-компьютеров.

      Доменная система имен имеет иерархическую структуру: домены верхнего уровня — домены второго уровня — домены третьего уровня.

      Домены  верхнего уровня бывают двух типов: географические и административные. Каждой стране мира выделен свой географический домен, обозначаемый двухбуквенным кодом. Например, России принадлежит географический домен RU, в котором российские организации и граждане имеют право зарегистрировать домен второго уровня. Административные домены обозначаются тремя или более буквами и могут быть зарегистрированы во многих странах.

      Доменное  имя сервера Интернета состоит  из последовательности (справа налево) имен домена верхнего уровня, домена второго  уровня и собственно имени компьютера

      Каждый  компьютер, подключенный к Интернету, имеет Интернет-адрес, однако он может не иметь доменного имени. Доменные имена имеют серверы Интернета, но доменные имена обычно не имеют компьютеры, подключающиеся к Интернету периодически.

     1.3. Услуги, предоставленные Интернет

      Электронная почта (e-mail – electronic mail) выполняет функции обычной почты. Она обеспечивает передачу сообщений из одного пункта в другой. Главным ее преимуществом является независимость от времени. Электронное письмо приходит сразу же после его отправления и хранится в почтовом ящике до получения адресатом. Кроме текста оно может содержать графические и звуковые файлы, а также двоичные файлы – программы.

      Электронные письма могут отправляться сразу  по нескольким адресам. Пользователь Internet с помощью электронной почты получает доступ к различным услугам сети. Суть такого подхода заключается в том, что на хост-компьютер отправляется запрос в виде электронного письма. Текст письма содержит набор стандартных формулировок, которые и обеспечивают доступ к нужным функциям. Такое сообщение воспринимается компьютером как команда и выполняется им.

      Для работы с электронной почтой создано  большое количество программ. Их можно  объединить под обобщающим названием  mail. Так, для работы пользователей в MS DOS применяется программа bml, наиболее распространенной программой для Unix-систем является программа elm. Пожалуй, одна из наиболее удобных и несложных в использовании программ – Eudora для Microsoft Windows. Эти программы выполняют следующие функции:

• подготовку текста;
• чтение и сохранение корреспонденции;
• удаление корреспонденции;
• ввод адреса;
• комментирование и пересылку корреспонденции;
• импорт (прием и преобразование в нужный формат) других файлов.

      При отправлении сообщений по электронной почте необходимо указывать в адресе не только имя хост-компьютера, но и имя абонента, которому сообщение предназначено.

      Формат  адреса электронной почты должен иметь вид:

      имя пользователя@адрес хост-компьютера

      WORLD-WIDE-WEB (Всемирная информационная сеть)

      WWW является одной из самых популярных информационных служб Internet. Две основные особенности отличают WWW: использование гипертекста и возможность клиентов взаимодействовать с другими приложениями Internet.

      Гипертекст  – текст, содержащий в себе связи с другими текстами, графической, видео- или звуковой информацией.

      Внутри  гипертекстового документа некоторые  фрагменты текста четко выделены. Указание на них с помощью, например, мыши позволяет перейти на другую часть этого же документа, на другой документ в этом же компьютере или даже на документы на любом другом компьютере, подключенном к Internet.

      Все серверы WWW используют специальный язык HTML (Hypertext Markup Language – язык разметки гипертекста). HTML-документы представляют собой текстовые файлы, в которые встроены специальные команды.

      Связь между гипертекстовыми документами  осуществляется с помощью ключевых слов. Найдя ключевое слово, пользователь может перейти в другой документ, чтобы получить дополнительную информацию. Новый документ также будет иметь гипертекстовые ссылки.

      Служба  Gopher

      Эта служба Internet выполняет функции, аналогичные WWW. Вся информация на Gopher-сервере хранится в виде дерева данных (или иерархической системы меню). Начальный каталог Gopher является вершиной этого дерева, а все остальные каталоги и файлы представляются элементами меню. Строка главного меню представляет собой либо подменю, либо файл.

      Телеконференции Usenet

      Система Usenet была разработана для перемещения новостей между компьютерами по миру. В дальнейшем она практически полностью интегрировалась в Internet, и теперь Internet обеспечивает распространение всех ее сообщений. Серверы Usenet имеют средства для разделения телеконференций по темам.

      Телеконференции – дискуссионные группы, входящие в состав Usenet.

      Телеконференции организованы по иерархическому принципу, и для верхнего уровня выбраны  семь основных рубрик. В свою очередь, каждая из них охватывает сотни подгрупп. Образуется древовидная структура, напоминающая организацию файловой системы.

      Управляют доступом к службе Usenet специальные программы, позволяющие выбирать телеконференции, работать с цепочками сообщений и читать сообщения и ответы на них.

      При участии в какой-либо телеконференции  любой абонент может направить  свое общение по интересующей его теме.

      Передача  файлов с помощью протокола FTP

      Назначение  электронной почты – прежде всего  обмен текстовой информацией  между различными компьютерными  системами. Не меньший интерес для  пользователей сети Internet представляет обмен отдельными файлами и целыми программами.

      Для того чтобы обеспечить перемещение  данных между различными операционными  системами, которые могут встретиться  в Internet, используется протокол FTP (File Transfer Protocol), работающий независимо от применяемого оборудования. Протокол обеспечивает способ перемещения файлов между двумя компьютерами и позволяет абоненту сети Internet получить в свое распоряжение множество файлов. Пользователь получает доступ к различным файлам и программам, хранящимся на компьютерах, подключенных к сети.

      Программа, реализующая этот протокол, позволяет установить связь с одним из множества FTP-серверов в Internet.

      FTP-сервер – компьютер, на котором содержатся файлы, предназначенные для открытого доступа.

      Программа FTP-клиент не только реализует протокол передачи данных, но и поддерживает набор команд, которые используются для просмотра каталога FTP-сервера, поиска файлов и управления перемещением данных.

     1.4. Защита информации в Интернет

      1.4.1. Симметричное и несимметричное шифрование информации

      Подход  состоит в том, что к документу  применяется метод шифрования (назовем  его ключом), после чего документ становится недоступен для чтения обычными средствами. Его может прочитать только тот, кто знает ключ. Аналогично происходит шифрование и ответного сообщения. Если в процессе обмена информацией пользуются одним и тем же ключом, то такой криптографический процесс является симметричным.

      Основной  недостаток симметричного процесса заключается в том, что, прежде чем  начать обмен информацией, надо выполнить  передачу ключа, а для этого опять  нужна защитная связь. Это крайне неудобно.

      Поэтому в настоящее время в Интернете используют несимметричные криптографические системы, основанные на использовании не одного, а двух ключей. Создаются два ключа: один – открытый ключ, другой – закрытый ключ. На самом деле это как бы две «половинки» одного целого ключа, связанные друг с другом.

      Ключи устроены так, что сообщение, зашифрованное  одной половинкой, можно расшифровать только другой половинкой (не той, которой  оно было закодировано).

      Как публичный, так и закрытый ключ представляют собой некую кодовую последовательность. Публичный ключ компании может быть опубликован на ее сервере, откуда каждый желающий может его получить. Если клиент хочет сделать фирме заказ, он возьмет ее публичный ключ и с его помощью закодирует свое сообщение о заказе и данные о своей кредитной карте. После кодирования это сообщение может прочесть только владелец закрытого ключа.

      Если  фирме надо будет отправить клиенту  квитанцию о том, что заказ  принят к исполнению, она закодирует ее своим закрытым ключом. Клиент сможет прочитать квитанцию, воспользовавшись имеющимся у него публичным ключом данной фирмы. Он может быть уверен, что квитанцию ему отправила именно эта фирма, поскольку никто иной доступа к закрытому ключу фирмы не имеет.

      1.4.2. Электронная подпись

      С помощью несимметричного шифрования клиент может переслать организации свои конфиденциальные данные (например, номер электронного счета). Точно так же он может общаться и с банком, отдавая ему распоряжения о перечислении своих средств на счета других лиц и организаций. Однако здесь возникает проблема: как банк узнает, что распоряжение поступило именно от данного лица, а не от злоумышленника выдающего себя за него? Эта проблема решается с помощью так называемой электронной подписи.

      Принцип ее создания тот же, что и рассмотренный  выше. Если нужно создать электронную подпись, следует с помощью специальной программы (полученной от банка) создать те же два ключа: закрытый и публичный. Публичный ключ передается банку. Если теперь надо отправить поручение банку на операцию с расчетным счетом, оно кодируется публичным ключом банка, а своя подпись под ним кодируется собственным закрытым ключом. Банк поступает наоборот. Он читает порученную информацию с помощью своего закрытого ключа, а подпись – с помощью публичного ключа поручителя. Если подпись читаема, банк может быть уверен, что поручение ему отправило надлежащее лицо.

      1.4.3. Электронные сертификаты

      Системой  несимметричного шифрования обеспечивается делопроизводство в Интернете. Благодаря  ей каждый из участников обмена может  быть уверен, что полученное сообщение отправлено именно тем, кем оно подписано. Однако здесь возникает еще ряд проблем, например проблема регистрации даты отправки сообщения. Такая проблема возникает во всех случаях, когда через Интернет заключаются договоры между сторонами. Отправитель документа может легко изменить текущую дату средствами настройки операционной системы. Поэтому обычно дата и время отправки электронного документа не имеют юридической силы. В тех случаях, когда это важно, выполняют сертификацию даты/времени.

      Сертификация даты. Сертификация даты выполняется при участии третьей, независимой стороны. Например, это может быть сервер организации, авторитет которой в данном вопросе признают оба партнера. В этом случае документ, зашифрованный открытым ключом партнера и снабженный своей электронной подписью, отправляется сначала на сервер сертифицирующей организации. Там он получает «приписку» с указанием точной даты и времени, зашифрованную закрытым ключом этой организации. Партнер декодирует содержание документа, электронную подпись отправителя и отметку о дате с помощью своих «половинок» ключей. Вся работа автоматизирована.

      Сертификация  Web-узлов. Сертифицировать можно не только даты. При заказе товаров в Интернете важно убедиться в том, что сервер, принимающий платежи от имени некоей фирмы, действительно представляет эту фирму. Тот факт, что он распространяет ее открытый ключ и обладает ее закрытым ключом, еще ничего не доказывает, поскольку за время, прошедшее после создания ключа, он мог быть скомпрометирован. Подтвердить действительность ключа тоже может третья организация путем выдачи сертификата продавцу. В сертификате указано, когда он выдан и на какой срок. Если добросовестному продавцу станет известно, что его закрытый ключ каким-либо образом скомпрометирован, он сам уведомит сертификационный центр, старый сертификат будет аннулирован, создан новый ключ и выдан новый сертификат.

      Прежде  чем выполнять платежи через  Интернет или отправлять данные о  своей кредитной карте кому-либо, следует проверить наличие действующего сертификата у получателя путем обращения в сертификационный центр. Это называется сертификацией Web-узлов.

      Сертификация  издателей. Схожая проблема встречается и при распространении программного обеспечения через Интернет. Подтверждение того, что сервер, распространяющий программные продукты от имени известной фирмы, действительно уполномочен ею для этой деятельности, осуществляется путем сертификации издателей. Она организована аналогично сертификации Web-узлов.

      1.5. Размещение данных ГИС в сети Интернет. Средства размещения данных. Средства доступа к данным.

      ГИС-сообщество стало усиленно использовать Internet для  того, чтобы сделать геопространственные  данные доступными широкой публике, в том числе для профессионального  использования.

      То, что совсем недавно привлекало и  даже восхищало ГИС-специалистов в WWW-технологии (прежде всего, богатые  возможности так высоко ценимого ими образного (графического) отображения  геоинформации, ее иерархической (с  помощью гипертекста) организации  для упорядочения разномасштабных наборов данных, наконец, относительная простота и удобство работы), при переходе к освоению Internet как системы, обеспечивающей профессиональную работу со значительными объемами территориально распределенных баз геоданных и иной геопространственной информации, быстро показало ограниченность и низкую эффективность WWW-технологии.

      Компанией Core Software Technology (CST) (http://www.coresw.com/) разработан ImageNet Plus, представляющий собой специализированный сетевой программный продукт типа "клиент-сервер", объединивший в себе сильные стороны WWW, TCP/IP и систем управления крупномасштабными базами данных с целью организации системы распространения цифровой геопространственной информации. Он значительно ускоряет процесс доступа и поиска заархивированной информации через WWW-сервер и полностью автоматизирует формирование соответствующих страниц на языке HTML (используемого в WWW-технологии) как для организации поиска данных, так и для отражения его результатов в реальном времени. Помимо сетевой поддержки, он предоставляет клиенту-пользователю расширенные возможности скоростного интерактивного создания карт и визуализации снимков по имеющимся на сервере геоданным, их просмотра, электронного заказа и доставки.

      Благодаря ImageNet фирма CST уже сейчас поддерживает достаточно широкую сеть архивов космических и аэрофотоснимков, картографических и демографических данных не только на территорию Северной Америки, но (используя организации-провайдеры) и на иные районы Земного шара: Европу (Eurimage), страны СНГ (межотраслевое объединение "Совинформспутник"), Ближний Восток (Tiltan Systems Engineering).

      В планах компании - организация на базе ImageNet глобального сетевого сегмента коммерческого и свободного обмена и распространения цифровых геопространственных данных. Для этих целей в последнее время разработана и выполняется специальная программа University Data Access and Sharing (UDAS), направленная на вовлечение в эту деятельность университетов, в которых накоплены значительные массивы геоданных. По этой программе им предоставляется специальные гранты на бесплатную поставку и лицензионное использование программного продукта ImageNet 2.0.

      Примечательно, что в области сетевого распространения  геопространственных данных в последнее  время начинают работать и фирмы, напрямую не связанные с ГИС-технологиями, но имеющие опыт создания сетевых приложений для Internet.

      APPIAN Interactive Corporation (http://pythia.com), специализирующаяся  в области сетевого распространения  информации, добавила к набору своих программных продуктов, основанных на WWW-технологиях, приложение APPIAN Carta, позволяющие поддерживать цифровые картографические данные. Решая стандартные задачи организации сетевого доступа к базам геоданных, поиска требуемых наборов, их просмотра, уточнения спецификации, составления конфиденциального заказа и передачи данных заказчику, фирма, по сути дела "изобрела" собственный векторный картографический интерфейс, "подключаемый" к хранилищам данных, основанным на WWW-технологии и/или использующим RDBMS. В результате, клиент получает полный графический сервис, позволяющий "показать цифровой картографический товар лицом", т.е. оценить покрытие территории различными данными, насыщенность листов, детальность характеристик, качество и точность цифрования и другие "товарные" качества геоданных, которые не в состоянии отразить ни один, даже очень подробный формат метаданных.

      Один  из удачных примеров - создание ESRI Inc. специального приложения Spatial Database Engine (SDE), способного организовать распределенную сеть баз геоданных на основе TCP/IP протокола и предоставить работу с ними в режиме "клиент-сервер", используя в качестве программного средства "клиента" новый продукт ArcView3 (http://www.esri.com/products/sde/sde.html).