Цифрові технології

Цифрові технології являють собою широкий спектр електронних пристроїв і систем, за допомогою яких ми можемо спілкуватися та обробляти інформацію. У цьому розділі пропонується огляд основних принципів цифрових технологій, розділених на кілька напрямів:

• Апаратне забезпечення – фізичні компоненти комп’ютерів
• Програмне забезпечення – комп’ютерне програмне забезпечення
• Комп’ютерні мережі – об’єднання комп’ютерів у більші блоки
• Штучний інтелект – розробка пристроїв з інтелектуальною поведінкою
• Машинне навчання – методи штучного інтелекту, засновані на обробці великих даних

Щоб технології приносили користь у нашому житті, ми маємо не тільки розуміти їх принципи, а й правильно ними користуватися. Про це йдеться в розділі використання технологій.

Апаратне забезпечення включає всі фізичні компоненти комп’ютерів, такі як: процесор, пам’ять, монітор або клавіатура. Таким чином, апаратне забезпечення являє собою елементи комп’ютера, до яких ми можемо «доторкнутися». На відміну від цього програмне забезпечення є нематеріальним, визначає інструкції, які керують апаратним забезпеченням і дозволяють користувачам виконувати за допомогою комп’ютера різноманітні завдання. Апаратні та програмні компоненти працюють разом. Нам потрібні обидва, щоб користуватися комп’ютерами.

Підтеми, які стосуються апаратного забезпечення:

• Типи комп’ютерів: існує кілька різних типів комп’ютерів, і кожен з них підходить для різних цілей.
• Історія комп’ютерів: знання того, як розвивалися комп’ютери, може допомогти нам краще зрозуміти комп’ютери сьогодні та уявити, якими вони можуть бути у майбутньому.
• Пристрої введення та виведення: ми використовуємо ці пристрої для зв’язку з комп’ютерами, до них належать клавіатура, миша, монітор, принтер або колонки.
• Процесор і архітектура: процесор є найважливішою частиною комп’ютера, яка керує іншими апаратними компонентами.
• Пам’ять: так само, як і люди, комп’ютери зберігають інформацію у пам’яті. Існує багато типів комп’ютерної пам’яті, і кожен з них підходить для чогось іншого.

Інші апаратні компоненти використовуються в комп’ютерних мережах.

Апаратне забезпечення – це матеріальні (фізичні) компоненти комп’ютера. З апаратного забезпечення складаються настільних комп’ютери, ноутбуки, смартфони тощо. Робота комп’ютера вимагає взаємодії апаратного та програмного забезпечення (наприклад, операційної системи, програм).

Процесор

Процесор (англ. CPU = central processing unit) — це основна частина комп’ютера, яка виконує обчислення та логічні операції. Сучасні процесори зазвичай є багатоядерними, кілька чіпів (фізичних ядер) можуть обробляти кілька процесів одночасно. Важливою характеристикою процесора є тактова частота. Це пов’язано з його продуктивністю (швидкістю), поданою в ГГц (гігагерц, 1 ГГц = 1000 МГц).

Оперативна пам’ять

Оперативна пам’ять (RAM = random access memory) використовується для тимчасового зберігання даних, з якими зараз працює комп’ютер (дані операційної системи та програм). Коли комп’ютер вимикається, його вміст видаляється. Об’єм пам’яті зазвичай вказується в гігабайтах (ГБ, 1 ГБ = 1000 МБ).

Збереження пам’яті

Сховище використовується для довготривалого зберігання даних (наприклад, фотографій, відео, документів, операційної системи, програм…). Його ємність вказана в ГБ. Об’єм пам’яті зазвичай перевищує об’єм оперативної пам’яті.

Так звана флеш-пам’ять заснована на напівпровідниках. До цієї технології відносяться, наприклад, SSD (твердотільний накопичувач, напівпровідниковий диск), eMMC у мобільних пристроях або карти пам’яті (наприклад, SD).

HDD (жорсткий диск) використовує металеві пластини, на яких зберігаються дані за принципом магнетизму. Містить рухомі частини але працює повільніше, ніж SSD. Використовується в настільних комп’ютерах, за ціною за певну ємність він зазвичай вигідніший, ніж SSD.

Блок живлення, материнська плата

Електрична напруга, необхідна для роботи комп’ютера, забезпечується блоком живлення. Для мобільних пристроїв є акумулятор, який можна багаторазово заряджати. Материнська плата з’єднує всі компоненти комп’ютера.

Пристрої введення та виведення

Пристрої введення забезпечують введення даних від користувача до комп’ютера. Це, наприклад, миша (дані про рух), клавіатура (дані про натиснуті клавіші), сканер (зображення) або мікрофон (звук).

Пристрої виведення відповідають за виведення даних з комп’ютера до користувача. Пристрої виведення включають, наприклад, дисплей, принтер (виведення зображення), динаміки (виведення звуку) або вібраційний пристрій телефону.

Пристрої введення та виведення можуть бути комбінованими: наприклад, принтер (виведення) зі сканером (введення) або сенсорний екран (виведення — зображення, введення — дотик). Пристрої, «зовнішньо» підключені до комп’ютера, називаються периферійними пристроями.

Комунікаційні інтерфейси та порти

Широко використовуваним інтерфейсом зв’язку є USB (універсальна послідовна шина). Він може передавати різні типи даних, його також можна використовувати для зарядки мобільних пристроїв, наприклад. USB в основному використовує роз’єми USB-A та USB-C (можна під’єднати будь-якою стороною).

Порти HDMI або DisplayPort використовуються для передачі зображення та звуку (зазвичай для підключення дисплеїв, проекторів).

Пристрій введення – це апаратне забезпечення, через яке комп’ютер отримує дані. Пристрій виводу — апаратне забезпечення, на яке комп’ютер записує або відображає дані.

Типи принтерів

Матричний принтер використовує для друку друкувальну голівку з маленькими голками, якими він друкує на папері за допомогою фарбувальної стрічки. Його дешево купити та використовувати, але він працює повільно та друк є поганої якості. Використовуються такі принтери, наприклад, для маркування квитків у громадському транспорті.

Струменевий принтер друкує, викидаючи на папір мініатюрні краплі чорнила. Його закупівельна ціна низька, і він добре друкує, хоча й не дуже швидко. Однак чорнильні ємкості, які називаються картриджами, досить дорогі, тому експлуатація принтера може коштувати дорого. Його часто використовують вдома або у невеликих офісах.

Лазерний принтер малює зображення за допомогою лазера на світлочутливому циліндрі. Потім на нього наноситься колір, який залишається лише на ділянках, опромінених лазером, і потім циліндр друкує на папері. Цей принтер дорогий, але на відміну від струменевого принтера дешевший в експлуатації. Він працює дуже швидко і якісно, ​​тому його можна використовувати там, де друкуються великі обсяги сторінок – як-от, в офісах. Колір, який використовується в лазерних принтерах, називається тонером.

Інтерфейс зв’язку (порти)

Пристрої введення та виведення можна підключати до комп’ютера через комунікаційні інтерфейси, які також називаються портами. Ми часто зустрічаємо такі види портів:

• USB є, мабуть, найпоширенішим інтерфейсом зв’язку зараз. Він дуже універсальний, до нього можна підключити, наприклад, клавіатуру, мишу, принтер, камеру або пристрій пам’яті.
• PS/2 використовувався для підключення клавіатури та миші у минулому, але наразі його майже повністю замінено на USB.
• HDMI може передавати цифрові відео та аудіосигнали. Через нього підключається монітор, телевізор або інший пристрій для зображення.
• VGA також передає зображення, але на відміну від HDMI аналоговим способом. У наш час VGA використовується не так часто.

Важливими компонентами комп’ютерної архітектури є:

ЦП (CPU – central processing unit) –⁠ центральний процесор. Він може обробляти базові машинні інструкції, з яких можна зібрати всі функції, необхідні комп’ютерним програмам для функціонування. По суті, він піклується про загальну роботу комп’ютера. Складовими частинами процесора є арифметико-логічний пристрій, контролер і регістри. Швидкість процесора визначається, серед іншого, тактовою частотою, яка вказує, скільки операцій виконує процесор за секунду. Частоту вказано в одиницях ГГц (гігагерц). Наразі прискорення ЦП є складним, тому більшої продуктивності досягають за допомогою використання більшої кількості ядер процесора в одному пакеті. Ці процесори називаються багатоядровими, і вони ефективні, оскільки можуть обробляти кілька процесів одночасно – паралельно.

GPU (graphics processing unit) –⁠ графічний процесор. Графічний процесор є частиною відеокарти. Він отримує дані про те, що потрібно відобразити на моніторі, і перетворює їх у вихідне зображення для монітора. Графічний процесор виконує швидкі обчислення, необхідні для перетворення даних на зображення. Відеокарта може бути вбудованою або виділеною. Інтегрована карта зазвичай є вбудованою частиною центрального процесора, менш потужною, але дешевшою. Спеціальна карта часто поставляється окремо, вона дорожча, але потужніша – потрібна, наприклад, для сучасних комп’ютерних ігор зі складною графікою.

ALU (arithmetic logic unit) –⁠ арифметико-логічний пристрій. Це частина процесора, яка виконує арифметичні та логічні операції.

Регістри — це дуже маленькі та дуже швидкі сховища пам’яті у процесорі. Процесор зберігає в них дані, які він зараз обробляє.

Шини забезпечують передачу даних. Існує багато видів шин. Вони можуть передавати дані як всередині комп’ютера (як-от, на графічну карту), так і між пристроями (наприклад, USB також є типом шини).

Кеш ​​— це дуже швидка, але відносно невелика пам’ять, яка допомагає прискорити роботу комп’ютера. Оскільки процесор дуже хуткий порівняно з пам’яттю, щоразу, коли йому потрібно прочитати деякі дані з пам’яті, йому доводиться довго чекати. Щоб комп’ютер не так сильно сповільнювався, процесор зберігає часто використовувані дані в кеші, які він може звідти скоріше отримати. Кеш-пам’ять швидша за оперативну пам’ять, але все одно це недостатньо для процесора та реєстрів, тому деяке сповільнення все одно відбувається.

Мережева карта забезпечує зв’язок комп’ютера з комп’ютерною мережею, як-от, з Інтернетом.

Звукова карта забезпечує введення та виведення аудіоданих на комп’ютер і з нього.

Під час своєї роботи процесор спілкується з різними типами пам’яті.

Так само, як пам’ять людини, пам’ять комп’ютера використовується для зберігання інформації. Для різних цілей застосовуються різні типи пам’яті, які ми можемо визначити відповідно до призначення чи технології.

Довготривала пам’ять використовується для тривалого зберігання даних, наприклад, фотографій, фільмів або вихідних кодів комп’ютерних програм. Це сховище, до якого ми можемо отримати доступ у Провіднику файлів. Дані будуть зберігатися в ньому незалежно від того, чи підключено воно до електрики.

В оперативній пам’яті комп’ютер зберігає дані та стани процесів, з якими він зараз працює. Довготривала пам’ять набагато повільніша, тому для прискорення роботи комп’ютера дані з довготривалої пам’яті тимчасово завантажуються в оперативну пам’ять, коли з ними потрібно працювати. Як користувачі ми не маємо до оперативної пам’яті прямого доступу, з нею працює лише процесор. Вона часто реалізується як пам’ять типу RAM, так що всі дані з неї стираються при вимкненні живлення.

Кеш-пам’ять (cache) — це дуже швидка, але відносно невелика пам’ять, яка допомагає прискорити роботу комп’ютера. Оскільки процесор дуже швидкий порівняно з оперативною пам’яттю, щоразу, коли йому потрібно прочитати деякі дані з пам’яті, йому доводиться довго чекати. Щоб комп’ютер не так сильно сповільнювався, процесор зберігає часто використовувані дані в кеші, які він може звідти швидше отримати. Кеш швидше від оперативної пам’яті, але є недостатнім для процесора і регістрів. Цю пам’ять також називають буферною пам’яттю або кеш-пам’яттю.

RAM (random access memory) забезпечує швидкий запис і читання, тому використовується як короткочасна (наприклад, оперативна) пам’ять. Назва означає, що до цієї пам’яті можна отримати доступ негайно з будь-якої адреси. Для роботи потрібно підключення до мережі, після відключення від мережі всі дані з пам’яті RAM зникають.

ROM (read only memory) у перекладі означає “пам’ять лише для читання”, тобто в неї не можна записувати дані, а лише читати. Вона використовується як довгострокове сховище, дані залишаться в цій пам’яті навіть після відключення живлення.

Флеш-пам’ять є підтипом ROM, але її можна перезаписувати, тож на відміну від класичної ROM у ній можна зберігати нові дані. Як запис, так і читання відбувається за допомогою електричного струму. Зараз це дуже поширений тип довгострокового зберігання даних, який застосовується, наприклад, у SSD, флеш-накопичувачах або картах пам’яті.

HDD (hard disk drive) служить довготривалою пам’яттю в комп’ютері, часто також називається жорстким диском. Дані зберігаються на обертовому магнітному диску. Порівняно з SSD, його сучасним конкурентом, HDD дешевший і, як правило, має більшу ємність.

SSD (solid state drive) — ще один тип носія для тривалого зберігання. На відміну від HDD він складається з флеш-пам’яті. Це робить його більш міцним, оскільки він не має рухомих частин, а також швидшим. Хоча його співвідношення ціна/ємність гірше, ніж у HDD, наразі він повільно витісняє жорсткий диск завдяки вищезазначеним перевагам.

CD і DVD є портативними довгостроковими носіями у формі диска. Дані записуються та зчитуються оптично за допомогою лазера.

Карта пам’яті – це невеликий портативний довгостроковий накопичувач, що складається з флеш-пам’яті. Існує кілька різних типів карт пам’яті, які використовуються, наприклад, в камерах або мобільних телефонах.

Розмір пам’яті вказується в байтах (B).

Пам’ять може бути енергозалежною або енергонезалежною. Енергозалежна пам’ять втрачає всі дані, коли її відключають від джерела живлення. Енергозалежною є кеш-пам’ять, RAM та оперативна пам’ять (яка реалізується як RAM). В енергонезалежній пам’яті всі дані зберігаються незалежно від підключення до джерела живлення, але це, як правило, повільніше, ніж у енергозалежної пам’яті. Здебільшого енергонезалежна пам’ять використовується як довгострокове сховище, тому його представниками є ROM, флеш-пам’ять, HDD та SSD.

Термін програмне забезпечення стосується програм, які виконує комп’ютер. Існує багато різних типів програмного забезпечення, як-от, офісні програми, Інтернет-браузери, комп’ютерні ігри, графічні інструменти. Щоб орієнтуватися в доступних програмах, краще знати про властивості програмного забезпечення, наприклад, робочий стіл або мобільний, відкритий або закритий. Ці знання допоможуть нам краще вибирати програмне забезпечення, яке відповідає нашим потребам.

Програми часто працюють з різноманітними типами файлів. Знайомство з ними допомагає нам краще вибирати ресурси, з якими ми хочемо працювати.

Ключовим типом програмного забезпечення є операційна система, яка забезпечує базове функціонування комп’ютера та дозволяє працювати іншим програмам.

Існує багато різних типів програмного забезпечення, і для кожного типу в нас є кілька продуктів, які конкурують, на вибір. До відомих типів програмного забезпечення належать такі:

Веббравзери, які дозволяють користувачам переглядати вебсторінки та взаємодіяти з ними. Приклади: Google Chrome, Mozilla Firefox, Microsoft Edge.

Текстові процесори дозволяють користувачам писати та редагувати текстові файли. Як-от: Microsoft Word, LibreOffice Writer, Google Docs.

Графічні редактори дозволяють користувачам створювати та редагувати графіку та зображення. Наприклад: Adobe Photoshop, GIMP, Inkscape.

Мови програмування дозволяють розробникам створювати програми. Як-от: Python, Java, C++. Для підготовки програм програмісти використовують середовища розробки, наприклад: Visual Studio Code, PyCharm, Eclipse. Для розробки комп’ютерних ігор використовуються спеціалізовані ігрові движки, як-от, Unity, Unreal Engine.

Системне програмне забезпечення дозволяє вашому комп’ютеру працювати належним чином. До прикладів належать операційні системи, такі як: Windows, macOS, Linux. До цієї категорії також можна віднести, наприклад, антивірусні програми.

Програми, які виконують певну корисну діяльність, називаються застосунками. Настільні програми призначені для настільних комп’ютерів або ноутбуків. Мобільні програми розроблено для смартфонів, вони адаптовані, наприклад, для сенсорного керування. Щоб використовувати як настільні, так і мобільні застосунки, зазвичай необхідно встановити їх у пам’ять пристрою. І навпаки, веб (або хмарні) програми зазвичай запускаються в Інтернет-браузері.

Відкрите програмне забезпечення також доступне у формі вихідних кодів. Безкоштовне програмне забезпечення може застосовуватися користувачами для будь-яких цілей. Відкрите програмне забезпечення часто водночас є безкоштовним і часто розробляється спільнотою волонтерів. Прикладами такого програмного забезпечення є Linux, Gimp або LibreOffice. Значна частина інфраструктури Інтернету залежить від відкритого/вільного програмного забезпечення.

Пропрієтарне програмне забезпечення не має вихідних кодів, і його використання обмежене ліцензією (так звана End User License Agreement = EULA). Власницьке програмне забезпечення переважно також є комерційним, автор/видавець продає його з метою прибутку (зараз часто у формі підписки). Прикладами комерційного запатентованого програмного забезпечення є Windows, Microsoft Office або програми в Adobe Creative Cloud.

Використання комерційного програмного забезпечення без придбання ліцензії є незаконним. Пробні версії програмного забезпечення можна використовувати безкоштовно протягом певного періоду, як правило, для ознайомлювальних цілей. Freeware — це здебільшого пропрієтарне програмне забезпечення, яке можна використовувати безкоштовно.

Застосунки зазвичай доступні в різних версіях. Новіша версія зазвичай має більше цифрове позначення (наприклад, програма версії 1.1 буде новішою за версію 0.8). Оновлення до нової версії – це оновлення або upgrade. У програмному забезпеченні можуть виникнути ненавмисні помилки, так звані баги. Тестова версія програмного забезпечення, яка наближається до завершення, називається бета-версією. Програмне забезпечення наразі поширюється в основному через Інтернет.

Файли можуть містити різні типи даних. Певний формат файлу підходить для зберігання певних даних. Файли зазвичай описують суфіксом назви файлу. Для прикладу візьмемо файл конспект.txt: конспект — це назва самого файлу, суфікс txt вказує на те, що це звичайний текстовий файл.

Нижче наведено приклади різних форматів файлів:

Комп’ютерні мережі — це групи комп’ютерів та інших пристроїв, які з’єднані між собою, щоб вони могли надсилати інформацію один одному та спільно використовувати ресурси (наприклад, принтери). Ці мережі можна підключати різними способами, наприклад, кабелем, Wi-Fi або супутниковим з’єднанням. Комп’ютерні мережі дозволяють швидко обмінюватися інформацією навіть на великі відстані.

Тему комп’ютерних мереж можна розділити на кілька напрямів:

• Загальні принципи – базові мережеві архітектури, топологія, розподіл мереж за розміром, важливі поняття (пакети, VPN, фаєрпрограми)
• Протоколи – правила, які визначають трафік у мережах (TCP, UDP, IP, WiFi, Bluetooth та інші)
• Апаратне забезпечення – мережеві пристрої та засоби передачі, які фізично забезпечують роботу в мережах

Інтернет — це всесвітня комп’ютерна мережа. Це означає, що вона об’єднує комп’ютери. Інтернет було створено шляхом об’єднання менших комп’ютерних мереж, які часто належать приватним власникам (inter = між, network = мережа). Інтернет в цілому є загальнодоступним, без єдиного власника чи центральної адміністрації.

Підключення к Інтернету

Підключатися до Інтернету можна як дротовим, так і бездротовим способом. При дротовому з’єднанні використовується інфраструктура телефонних ліній (DSL) або кабельного телебачення (в обох випадках електричний сигнал поширюється по проводах) або новіші оптичні кабелі (якими поширюється світловий сигнал, який швидше за електричний). Бездротовий зв’язок використовує радіохвилі, що передаються від найближчих станцій (передавачів) або супутників на орбіті Землі (для з’єднання потрібна антена). Мобільні оператори, які використовують LTE або новішу технологію 5G, також забезпечують бездротове підключення до Інтернету через свої передавачі.

Для перетворення аналогового сигналу (який, наприклад, передається через кабель) у цифровий сигнал (який може розуміти комп’ютер) потрібен модем. Щоб мати можливість підключати більше пристроїв до мережі, необхідно додати після модему (або безпосередньо в нього) роутер, який визначає, кому які дані надсилати. Пристрої можна підключати до маршрутизатора за допомогою мережевого кабелю, але часто також бездротовим способом за допомогою технології Wi-Fi (тоді ми говоримо про маршрутизатор Wi-Fi). Мобільні пристрої дозволяють ділитися з’єднанням для передачі даних в Інтернеті з іншими пристроями, ця функція називається хот-спотом (англ. hotspot).

World Wide Web

World Wide Web або Вевестня мережа (часто скорочено просто web) — це мережа взаємопов’язаних веб-сторінок. Веб-сайти є «гіпертекстовими документами», що означає, що вони посилаються один на одного за допомогою так званих гіпертекстових посилань. Посилання мають форму URL (Uniform Resource Locator), яка містить протокол зв’язку, доменне ім’я та шлях до зазначеного ресурсу (наприклад, https://fi.muni.cz/contacts). Сайт пишуться на мові розмітки HTML, що дозволяє визначити структуру сторінки, форматування тексту та гіперпосилання.

Для перегляду веб-сайтів використовуються програми, відомі як веб-браузери або браузери (наприклад, Chrome, Firefox, Edge, Safari, Opera). Браузери спілкуються з веб-серверами згідно з правилами протоколу HTTP (Hypertext Transfer Protocol) або його безпечного розширення HTTPS (S = Secure). Пошук в Інтернеті за допомогою ключових слів є можливий за допомогою пошукових систем Інтернету (наприклад, Google, Bing, Yahoo!).

Інші інтернет-сервіси

Інтернет – це не просто Всесвітнє павутиння. Він також підтримує використання інших сервісів та можливостей, таких як надсилання електронних листів, обмін миттєвими повідомленнями, відеоконференції (наприклад, Zoom, Google Meet), потокове передавання відео та музики або передача файлів. Інфраструктура Інтернету також використовується так званими хмарами (англ. cloud). Хмарне сховище (наприклад, Google Drive, Dropbox) дозволяє зберігати файли та отримувати доступ до них онлайн - дані фізично зберігаються на комп’ютері хмарного постачальника, а не на нашому комп’ютері. Хмари дають змогу не лише зберігати дані на віддаленому сервері, а й виконувати обчислення (так звані хмарні обчислення).

Безпека

З точки зору безпеки доцільно спілкуватися з веб-серверами через протокол HTTPS, який шифрує весь зв’язок, що особливо важливо під час надсилання персональних даних. Більш безпечний зв’язок між мережами забезпечує брандмауер, який є як частиною маршрутизаторів, так і окремою програмою на комп’ютері. Брандмауер перевіряє як вхідні, так і вихідні дані, і якщо вони містять підозрілий вміст, він не пропускає їх далі.

VPN (Virtual Private Network) — це віртуальна приватна мережа, тобто приватне з’єднання кількох комп’ютерів в Інтернеті (яке саме по собі не є безпечним). Таким чином, підключені комп’ютери можуть знаходитися в будь-якій точці світу, а зв’язок між ними захищений так, ніби вони є частиною приватної мережі.

Комп’ютерні мережі з’єднують комп’ютери разом і дозволяють їм обмінюватися інформацією один з одним.

Мережеві архітектури

Мережева архітектура – це структура мережі, яка визначає, як відбувається зв’язок між її елементами. Найбільш поширені дві архітектури:

У мережі клієнт-сервер пристрої можуть виконувати дві різні ролі. Сервер надає послуги, через нього йде весь мережевий зв’язок. Як правило, це великий комп’ютер, який належить, наприклад, компанії. Клієнти — це звичайні комп’ютери користувачів, які запитують послуги від сервера. Скажімо, коли ми хочемо переглянути веб-сторінку, наш комп’ютер (клієнт) надсилає запит на сервер, який запускає сторінку, щоб надіслати вміст сторінки.

У одноранговій (англ. peer-to-peer) мережі всі елементи рівноправні. Усі пристрої можуть запитувати послуги від інших і надавати певні послуги натомість.

Топологія

Фактична фізична форма підключення елементів до мережі називається топологією. Поширені типи топологій:

• кільцева
• морська зірка
• дерево
• шина

У реальних мережах ці топології часто поєднуються.

Розподіл мереж за розміром

Мережі також можна розрізняти за розміром і охопленням. Ось деякі вибрані типи:

• LAN (локальна мережа, англ. local area network) – мережа, що охоплює невелику територію, як-от, одну будівлю
• WLAN (бездротова локальна мережа, англ. wireless local area network) – локальна мережа з бездротовою передачею даних
• WAN (глобальна мережа, англ. wide area network) – мережа, яка обслуговує велику територію

Інші поняття

Дані найчастіше надсилаються мережею в окремих наборах, які називаються пакетами. Пакети складаються із заголовка, який містить керівну інформацію, і власне даних.

Найбільшою мережею у світі є Інтернет. Він утворюється шляхом з’єднання багатьох менших мереж, які належать приватним операторам. Таким чином, він не має центральної організації чи фіксованої структури. Більшість комунікацій через Інтернет відбувається за допомогою протоколів TCP та IP.

VPN (virtual private network) — віртуальна приватна мережа. VPN забезпечує приватний і безпечний зв’язок між декількома комп’ютерами в Інтернеті, який зазвичай не є безпечним.

Брандмауер забезпечує більш безпечний зв’язок між мережами. Він перевіряє дані, що проходять, і, якщо в них є підозрілий вміст, не пропускає його.

Робота в комп’ютерних мережах відбувається за правилами протоколів. Існує багато протоколів, кожен із яких виконує свої функції.

TCP і UDP керують передачею даних від користувача до одержувача. UDP надсилає дані без гарантії надійності, але дуже швидко. Він підходить, наприклад, для передачі відеодзвінків, де потрібно негайно реагувати. Однак через ненадійність UDP нам доводиться час від часу миритися з низькою якістю даних. TCP може гарантувати надходження повних даних без помилок, але ціною меншої швидкості. Зараз він передає більшість даних в Інтернеті: використовується для завантаження веб-сторінок, надсилання електронних листів або завантаження файлів.

IP забезпечує маршрутизацію, тобто шукає шлях, за яким дані будуть проходити через мережу. Він визначає, куди доставити дані, на основі IP-адреси, яка унікально визначається кожним комп’ютером у мережі. На даний момент існує дві функціональні версії протоколу: IPv4 і IPv6.

Оскільки людям важко запам’ятати IP-адреси, їх замінюють доменними іменами, які часто є частиною URL-адрес. Доменні імена організовані в ієрархічну систему, що полегшує їх пошук. Протокол DNS може дізнатися IP-адресу із запиту доменного імені.

WiFi і Bluetooth – це мережеві протоколи, які передають дані повітрям. WiFi використовується для створення невеликих мереж і підключення портативних пристроїв до Інтернету. Bluetooth використовується для підключення пристроїв і передачі даних між ними на короткій відстані.

Деякі інші протоколи, з якими ми можемо зіткнутися:

• DHCP дозволяє автоматично конфігурувати комп’ютер у мережі, серед іншого він може призначити IP-адресу.
• HTTP зв’язується з WWW-серверами й таким чином дозволяє відображати WWW-сторінки.
• FTP може передавати файли між комп’ютерами.
• SMTP надсилає повідомлення електронної пошти.
• IMAP і POP3 можуть бути посередниками в доступі до електронної поштової скриньки: як-от, для читання електронних листів.
• IRC дозволяє надсилати короткі повідомлення (чат).
• SSH забезпечує приватне з’єднання між двома комп’ютерами.

Апаратна частина комп’ютерних мереж складається з мережевих пристроїв, які з’єднані середовищами передачі.

Мережева карта є частиною апаратного забезпечення комп’ютера і забезпечує зв’язок із комп’ютерною мережею. Він приймає дані з комп’ютера для надсилання у мережу, пакує їх у пакети та надсилає. Він також отримує пакети з мережі та пересилає розпаковані дані на комп’ютер. Мережева карта однозначно ідентифікується у мережі за MAC-адресою.

Мережеві пристрої

Оскільки сигнал може бути ослаблений або пошкоджений під час проходження через середовище передачі, використовується ретранслятор. Він коригує та посилює отриманий сигнал, а потім надсилає його далі.

Хаб (англ. hub) дозволяє підключати кілька кабелів і таким чином може розгалужувати мережу в кількох напрямках. Він не фільтрує дані, які проходять через нього, він просто надсилає їх далі.

Світч (англ. switch) і Міст (англ. bridge) з’єднують менші сегменти мережі. Вони ведуть таблицю MAC-адрес пристроїв поблизу і надсилають вхідні дані лише в ті напрямки, де знаходяться їхні одержувачі. У той час як міст з’єднує лише 2 частини мережі, комутатор може з’єднувати декілька з них одночасно.

Роутер (англ. router) з’єднує більші частини мереж (або цілі мережі) разом. Наприклад, він може підключити локальну мережу до Інтернету. Він забезпечує маршрутизацію даних – намагається знайти найкоротший шлях до IP-адреси призначення для вхідних пакетів.

Середовища передачі

Середовищем передачі може бути, наприклад, повітря або кабель. Наприклад, в комп’ютерних мережах використовуються такі види кабелів:

Оптичний кабель складається з багатьох оптичних волокон. Він посилає сигнал у вигляді світла. Передача через оптичні кабелі дуже швидка і з низькими втратами, вони підходять для передачі на великі відстані.

Вита пара і коаксіальний кабель складаються з металевого провідника. Їх часто використовують для створення локальних мереж.

Підключення мережевого кабелю здійснюється за допомогою роз’єму RJ-45.

Мобільні телефони є широко використовуваними портативними пристроями. Насправді це мініатюрні комп’ютери. Їх можна використовувати, наприклад, для спілкування, створення або перегляду цифрового вмісту. Широка доступність і розповсюдження мобільних телефонів (смартфонів) дає людям величезні можливості доступу до інформації, але це також несе з собою ризики (наприклад, залежність, розлади уваги).

Доступні наступні підрозділи:

• Мобільні телефони: основи – Основний огляд роботи мобільних телефонів, коротка історія.
• Мобільні телефони: програмне забезпечення, підключення, платежі – Операційні системи, мобільні додатки, різні способи підключення (мобільні дані, Wi-Fi, Bluetooth), безконтактна оплата.
• Мобільні телефони: апаратне забезпечення – Матеріальні частини телефонів, їх функції та особливості.

У розділі про використання цифрових технологій також можна використовувати інформацію про вирішення типових технічних проблем із мобільними пристроями.

Телефони спочатку використовувалися лише для голосових дзвінків і були підключені до телефонної мережі (стаціонарної) за допомогою кабелів. Приблизно в 1990-х роках мобільні (тобто портативні) телефони стали більш доступними. Зазвичай вони мали невеликий дисплей і керувалися великою кількістю кнопок. Кнопкові телефони сьогодні використовуються обмежено, є, наприклад, типи з великими кнопками і простим інтерфейсом, призначені для людей похилого віку.

Після появи першого iPhone (2007) та операційної системи Android (2008) смартфони або розумні телефони почали розвиватися та розширюватися все більше. Для них характерно, що вони в основному керуються сенсорним екраном, пропонують багато різних функцій і широко використовують Інтернет. У цьому розділі йдеться, зокрема, про смартфони.

Смартфон як комп’ютер

Смартфон – це фактично кишеньковий комп’ютер, він містить апаратні компоненти, подібні до, наприклад, настільних комп’ютерів і ноутбуків (процесор, оперативна пам’ять, материнська плата, накопичувач тощо). Однак компоненти смартфона менші та ефективніші (з точки зору споживання енергії). Енергію для роботи обладнання забезпечує акумулятор («батарея»), який можна багаторазово заряджати. Зараз для зарядки смартфонів і мобільних пристроїв використовується універсальний роз’єм USB-C.

Варіанти смартфонів, мобільні оператори

Для підключення пристрою до інфраструктури мобільних операторів використовується SIM-карта або електронна eSIM. Послуги мобільних операторів (дзвінки, відправка SMS, мобільні дані) зазвичай оплачуються, а саме регулярними платежами (тариф) або шляхом поповнення та використання коштів за потребою (кредит).

Мобільні дані (наприклад, за допомогою технологій 5G, 4G/LTE) можна використовувати для підключення мобільного телефону до Інтернету. Wi-Fi використовується для доступу до локальної мережі.

Плюси і мінуси використання смартфонів

Смартфони надають людям широкодоступний доступ до Інтернету та інформації, їх можна використовувати для спілкування, роботи/навчання (наприклад, створення мультимедійного контенту, інтерактивних вправ) і розваг (наприклад, грати в ігри). До негативних аспектів належать, наприклад, поява залежності (до ігор, споживання контенту в соціальних мережах), поширення дезінформації, кібербулінг, порушення концентрації або уваги.

Програмне забезпечення

Основним програмним забезпеченням смартфона є операційна система. Це забезпечує взаємну взаємодію апаратного забезпечення та програм. Найбільш поширеною є операційна система Android (в основному від Google), пристрої Apple використовують систему iOS.

Різні (корисні) функції надають мобільні додатки. У порівнянні з комп’ютерними/ноутбуковими програмами мобільні програми адаптовані для сенсорного керування. Одна заявка зазвичай має дуже конкретну, відносно вузьку спрямованість.

Мобільні операційні системи та мобільні додатки здебільшого розроблені з нуля таким чином, щоб їх використання було максимально простим та інтуїтивно зрозумілим для користувача. Для встановлення програм зазвичай використовуються інтерфейси Google Play (Android) або App Store (iOS).

Зазвичай користувач може надавати певні дозволи додаткам (наприклад, доступ до контактів, місцезнаходження пристрою, камери, мікрофона…). Бажано розглянути, чи дійсно даний додаток потребує відповідного дозволу. Якби це була шкідлива програма, чим більше доступу ми їй надаємо, тим більшої шкоди вона може завдати.

Програми та операційна система зберігаються в апаратній пам’яті телефону, хоча вони часто використовують Інтернет для надсилання та отримання даних. Як правило, користувач може переглядати лише певні частини сховища смартфона, наприклад, він зазвичай не має прямого доступу до файлів операційної системи.

Підключення

Мобільні дані можна використовувати для підключення мобільного телефону до Інтернету. Мобільні мережі використовують технологічні стандарти 5G, 4G (LTE), дуже повільне підключення до Інтернету можливе через GPRS/EDGE (тільки цей сигнал доступний у різних віддалених місцях, наприклад, у лісі чи в горах).

Якщо доступна локальна мережа, телефон можна підключити до неї через Wi-Fi (як правило, вдома, в школі, на роботі).

Інтерфейс Bluetooth використовується для підключення зовнішніх пристроїв, наприклад, навушників або колонок.

Мобільні платежі

Для здійснення безконтактних платежів потрібен інтерфейс NFC (near field communication). Завдяки цьому телефон (або інший пристрій, наприклад, смарт-годинник) може працювати як платіжна картка. Особа користувача (платника) зазвичай перевіряється біометрично: пристрій має бути розблоковано, щоб платіж відбувся.

Мобільні телефони складаються з фізичних компонентів, тобто апаратного забезпечення. Порівняно з настільними комп’ютерами (навіть ноутбуками) компоненти телефону менші та економічніші з точки зору споживання електроенергії.

Основні компоненти

Обчислення та логічні операції виконує процесор. Телефонні процесори, як правило, багатоядерні, їх тактова частота вказана в ГГц. Дані, з якими зараз працює телефон, тимчасово зберігаються в оперативній пам’яті. Її місткість може складати декілька ГБ.

Для довгострокового зберігання даних використовується флеш-пам’ять, як правило, чіп eMMC. Об’єм довготривалої пам’яті типового смартфона наразі становить близько 64–512 ГБ. Крім того, дані користувачів часто зберігаються в хмарі.

Усі компоненти телефону (зокрема, камера, динамік) під’єднані до материнської плати.

Акумулятор і зарядка

Акумулятор забезпечує електроенергію для роботи пристрою. Його можна заряджати багаторазово, але його загальна ємність поступово зменшується. Ємність батареї виражається в мАг (міліампер-години). Один порт USB-C зараз використовується для заряджання пристроїв у межах ЄС, тому для одного пристрою можна використовувати різні зарядні пристрої.

Сенсорний дисплей

Сенсорний екран телефону одночасно є пристроєм введення (реєструє дотики) і пристроєм виведення (відображає зображення). Розмір діагоналі дисплея зазвичай вказується в дюймах (″), для сучасних телефонів він становить близько 6 дюймів. Частота оновлення дисплея має одиницю Гц (герц). Що більше цей показник, то плавніше зображення на дисплеї (наприклад, для анімації, руху в іграх).

Телефони та навколишнє середовище

Виробництво обладнання для смартфонів відносно ресурсоємне і потребує багатьох рідкісних металів (наприклад, золота, срібла, ніобію, танталу). З точки зору екологічності бажано використовувати якомога довше вже придбаний телефон. Сервіси часто можуть замінити конкретний зламаний компонент (наприклад, тріснутий дисплей, несправний роз’єм). Телефони, які більше не підлягають ремонту, слід відсортувати разом з іншим електричним сміттям і таким чином уможливити їх переробку.