Computer Systems and Networks · ⁨Computer Systems and Networks (Компьютерные системы и сети)⁩

AP Computer Science Principles · ⁨AP Принципы информатики⁩ · Topic 4 · ⁨Тема 4⁩

View Slides · ⁨Просмотр слайдов⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

Video lesson for this topic · ⁨Видеоурок по этой теме⁩ Open the video page · ⁨Открыть страницу видео⁩

4.1

The Internet · ⁨Интернет⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Enduring Understanding (CSN-1): Computer systems and networks facilitate the transfer of data.

Learning Objective CSN-1.A: Explain how computing devices work together in a network. [Skill 5.A]

CSN-1.A.1 A computing device is a physical artifact that can run a program. Some examples include computers, tablets, servers, routers, and smart sensors.
CSN-1.A.2 A computing system is a group of computing devices and programs working together for a common purpose.
CSN-1.A.3 A computer network is a group of interconnected computing devices capable of sending or receiving data.
CSN-1.A.4 A computer network is a type of computing system.
CSN-1.A.5 A path between two computing devices on a computer network (a sender and a receiver) is a sequence of directly connected computing devices that begins at the sender and ends at the receiver.
CSN-1.A.6 Routing is the process of finding a path from sender to receiver.
CSN-1.A.7 The bandwidth of a computer network is the maximum amount of data that can be sent in a fixed amount of time.
CSN-1.A.8 Bandwidth is usually measured in bits per second.

Learning Objective CSN-1.B: Explain how the Internet works. [Skill 5.A]

CSN-1.B.1 The Internet is a computer network consisting of interconnected networks that use standardized, open (nonproprietary) communication protocols.
CSN-1.B.2 Access to the Internet depends on the ability to connect a computing device to an Internet-connected device.
CSN-1.B.3 A protocol is an agreed-upon set of rules that specify the behavior of a system.
CSN-1.B.4 The protocols used in the Internet are open, which allows users to easily connect additional computing devices to the Internet.
CSN-1.B.5 Routing on the Internet is usually dynamic; it is not specified in advance.
CSN-1.B.6 The scalability of a system is the capacity for the system to change in size and scale to meet new demands.
CSN-1.B.7 The Internet was designed to be scalable.

Learning Objective CSN-1.C: Explain how data are sent through the Internet via packets. [Skill 5.A]

CSN-1.C.1 Information is passed through the Internet as a data stream. Data streams contain chunks of data, which are encapsulated in packets.
CSN-1.C.2 Packets contain a chunk of data and metadata used for routing the packet between the origin and the destination on the Internet, as well as for data reassembly.
CSN-1.C.3 Packets may arrive at the destination in order, out of order, or not at all.
CSN-1.C.4 IP, TCP, and UDP are common protocols used on the Internet.

Learning Objective CSN-1.D: Describe the differences between the Internet and the World Wide Web. [Skill 5.A]

CSN-1.D.1 The World Wide Web is a system of linked pages, programs, and files.
CSN-1.D.2 HTTP is a protocol used by the World Wide Web.
CSN-1.D.3 The World Wide Web uses the Internet.

Русский

Основная идея (CSN-1): Компьютерные системы и сети обеспечивают передачу данных.

Цель обучения CSN-1.A: Объяснить, как вычислительные устройства работают вместе в сети. [Навык 5.A]

CSN-1.A.1 Вычислительное устройство — это физический объект, способный выполнять программу. Примерами могут служить компьютеры, планшеты, серверы, маршрутизаторы и умные датчики.
CSN-1.A.2 Вычислительная система — это группа вычислительных устройств и программ, работающих совместно для достижения общей цели.
CSN-1.A.3 Компьютерная сеть — это группа взаимосвязанных вычислительных устройств, способных отправлять или получать данные.
CSN-1.A.4 Компьютерная сеть является типом вычислительной системы.
CSN-1.A.5 Путь между двумя вычислительными устройствами в компьютерной сети (отправителем и получателем) — это последовательность непосредственно связанных вычислительных устройств, которая начинается у отправителя и заканчивается у получателя.
CSN-1.A.6 Маршрутизация — это процесс нахождения пути от отправителя к получателю.
CSN-1.A.7 Пропускная способность компьютерной сети — это максимальное количество данных, которое может быть отправлено за фиксированный промежуток времени.
CSN-1.A.8 Пропускную способность обычно измеряют в битах в секунду.

Цель обучения CSN-1.B: Объяснить, как работает Интернет. [Навык 5.A]

CSN-1.B.1 Интернет — это компьютерная сеть, состоящая из взаимосвязанных сетей, использующих стандартизированные открытые (не патентованные) протоколы связи.
CSN-1.B.2 Доступ к Интернету зависит от возможности подключения вычислительного устройства к устройству, подключенному к Интернету.
CSN-1.B.3 Протокол — это согласованный набор правил, определяющих поведение системы.
CSN-1.B.4 Протоколы, используемые в Интернете, являются открытыми, что позволяет пользователям легко подключать дополнительные вычислительные устройства к Интернету.
CSN-1.B.5 Маршрутизация в Интернете обычно является динамической; она не задается заранее.
CSN-1.B.6 Масштабируемость системы — это ее способность изменять размер и масштаб для удовлетворения новых требований.
CSN-1.B.7 Интернет был разработан с учетом масштабируемости.

Цель обучения CSN-1.C: Объяснить, как данные передаются через Интернет с использованием пакетов. [Навык 5.A]

CSN-1.C.1 Информация передается через Интернет в виде потока данных. Потоки данных содержат фрагменты данных, которые инкапсулируются в пакеты.
CSN-1.C.2 Пакеты содержат фрагмент данных и метаданные, используемые для маршрутизации пакета между источником и назначением в Интернете, а также для сборки данных.
CSN-1.C.3 Пакеты могут поступать на место назначения по порядку, в неправильном порядке или вообще не поступать.
CSN-1.C.4 IP, TCP и UDP — распространенные протоколы, используемые в Интернете.

Цель обучения CSN-1.D: Описать различия между Интернетом и Всемирной паутиной. [Навык 5.A]

CSN-1.D.1 Всемирная паутина (World Wide Web) — это система связанных страниц, программ и файлов.
CSN-1.D.2 HTTP — протокол, используемый Всемирной паутиной.
CSN-1.D.3 Всемирная паутина использует Интернет.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

The Internet 互联网 is a global network of networks. Data travels as packets 数据包 – small chunks that are sent separately and reassembled at the destination. Two ideas make it work at scale:

Protocols 协议 are agreed rules for communication. IP (Internet Protocol) addresses and routes packets; TCP reassembles them in order and re-requests lost ones; HTTP carries web pages; DNS translates a name like example.com into an IP address.
Redundancy 冗余 and routing: there are many possible paths between two points, so if one path fails, packets take another. This makes the Internet fault-tolerant 容错.

The Internet is designed to be open and scalable – built on standards anyone can use, so it keeps working as billions of devices join. Bandwidth 带宽 is the amount of data a connection can carry per second.

Русский

Разъём Ethernet RJ45 — физические каналы передают пакеты через Интернет

Интернет — это глобальная сеть сетей. Данные передаются в виде пакетов — небольших фрагментов, которые отправляются отдельно и собираются обратно в целевом узле. Два принципа обеспечивают его функционирование в масштабе:

Интернет — всемирная сеть; веб — одна из служб, работающих на ней

Протоколы — это согласованные правила общения. Адреса IP (Internet Protocol) маршрутизируют и пересылают пакеты; TCP собирает их в нужном порядке и запрашивает потерянные; HTTP переносит веб-страницы; DNS преобразует имя, например example.com, в IP-адрес.
Избыточность и маршрутизация: между двумя точками существует множество возможных путей, поэтому при отказе одного пути пакеты следуют другим. Это делает Интернет отказоустойчивым.

Интернет спроектирован как открытая и масштабируемая система — он основан на стандартах, доступных каждому, поэтому продолжает работать, когда к нему подключаются миллиарды устройств. Пропускная способность — это количество данных, которое соединение может передать за секунду.

Explore · ⁨Исследовать⁩

How data crosses the Internet in packets · ⁨Как данные передаются по Интернету пакетами⁩

The Internet breaks a message into numbered packets, each addressed and routed independently (often by different paths), then reassembled at the destination. That design makes it fault-tolerant — if one route fails, packets take another. · ⁨Интернет разбивает сообщение на пронумерованные пакеты, каждый из которых адресован и маршрутизируется независимо (часто по разным путям), а затем собирается в пункте назначения. Такая архитектура обеспечивает отказоустойчивость — если один маршрут выходит из строя, пакеты следуют по другому пути.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
Internet/ˈɪntənet/	Интернет
packets/ˈpækɪts/	пакеты
Protocols/ˈprəʊtəkɒlz/	Протоколы
Redundancy/rɪˈdʌndənsi/	Избыточность
fault-tolerant/fɒlt ˈtɒlərənt/	отказоустойчивый
Bandwidth/ˈbændwɪdθ/	Пропускная способность
reliability/rɪˌlaɪəˈbɪlɪti/	надежность
Sequential computing/siːˈkwenʃl kəmˈpjuːtɪŋ/	Последовательные вычисления
Parallel computing/ˈpærəlel kəmˈpjuːtɪŋ/	Параллельные вычисления
Distributed computing/ˈdɪstrɪbjuːtɪd kəmˈpjuːtɪŋ/	Распределенные вычисления
speedup/ˈspiːdʌp/	ускорение

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

4.2

Fault Tolerance · ⁨Отказоустойчивость⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Enduring Understanding (CSN-1): Computer systems and networks facilitate the transfer of data.

Learning Objective CSN-1.E: For fault-tolerant systems, like the Internet: a. Describe the benefits of fault tolerance. [Skill 1.D] b. Explain how a given system is fault-tolerant. [Skill 5.A] c. Identify vulnerabilities to failure in a system. [Skill 1.D]

CSN-1.E.1 The Internet has been engineered to be fault-tolerant, with abstractions for routing and transmitting data.
CSN-1.E.2 Redundancy is the inclusion of extra components that can be used to mitigate failure of a system if other components fail.
CSN-1.E.3 One way to accomplish network redundancy is by having more than one path between any two connected devices.
CSN-1.E.4 If a particular device or connection on the Internet fails, subsequent data will be sent via a different route, if possible.
CSN-1.E.5 When a system can support failures and still continue to function, it is called fault-tolerant. This is important because elements of complex systems fail at unexpected times, often in groups, and fault tolerance allows users to continue to use the network.
CSN-1.E.6 Redundancy within a system often requires additional resources but can provide the benefit of fault tolerance.
CSN-1.E.7 The redundancy of routing options between two points increases the reliability of the Internet and helps it scale to more devices and more people.

Русский

Основная идея (CSN-1): Компьютерные системы и сети обеспечивают передачу данных.

Цель обучения CSN-1.E: Для отказоустойчивых систем, таких как Интернет: a. Опишите преимущества отказоустойчивости. [Навык 1.D] b. Объясните, как конкретная система является отказоустойчивой. [Навык 5.A] c. Определите уязвимые места к сбоям в системе. [Навык 1.D]

CSN-1.E.1 Интернет спроектирован как отказоустойчивая система, используя абстракции для маршрутизации и передачи данных.
CSN-1.E.2 Редундантность — это включение дополнительных компонентов, которые могут использоваться для смягчения последствий сбоя системы, если другие компоненты выйдут из строя.
CSN-1.E.3 Одним из способов достижения сетевой редундантности является наличие более одного пути между любыми двумя подключенными устройствами.
CSN-1.E.4 Если какое-либо конкретное устройство или соединение в Интернете выходит из строя, последующие данные будут отправлены по другому маршруту, если это возможно.
CSN-1.E.5 Когда система может переносить сбои и продолжать работать, она называется отказоустойчивой. Это важно, потому что элементы сложных систем выходят из строя в непредвиденное время, часто группами, а отказоустойчивость позволяет пользователям продолжать использовать сеть.
CSN-1.E.6 Редундантность внутри системы часто требует дополнительных ресурсов, но может обеспечить преимущество отказоустойчивости.
CSN-1.E.7 Редундантность вариантов маршрутизации между двумя точками повышает надежность Интернета и помогает ему масштабироваться для большего количества устройств и пользователей.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

A system is fault-tolerant if it keeps working even when part of it fails. The Internet achieves this through redundant connections: because packets can be routed along multiple paths, the failure of one router or cable does not stop communication – traffic simply reroutes. Fault tolerance costs extra resources (the redundant paths) but greatly improves reliability 可靠性. A single path with no backup is not fault-tolerant.

Русский

Wi-Fi роутер: локальный шлюз, пересылающий пакеты в сторону глобального Интернета

Система является отказоустойчивой, если она продолжает работать даже при отказе её части. Интернет достигает этого благодаря избыточным соединениям: поскольку пакеты могут направляться по нескольким путям, выход из строя одного роутера или кабеля не прекращает связь — трафик просто перенаправляется. Отказоустойчивость требует дополнительных ресурсов (избыточных путей), но значительно повышает надёжность. Один путь без резервного не является отказоустойчивым.

Коммутация пакетов отправляет пакеты по независимым маршрутам, позволяя сети переносить отказ канала

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

4.3

Parallel and Distributed Computing · ⁨Параллельные и распределённые вычисления⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Enduring Understanding (CSN-2): Parallel and distributed computing leverage multiple computers to more quickly solve complex problems or process large data sets.

Learning Objective CSN-2.A: For sequential, parallel, and distributed computing: a. Compare problem solutions. [Skill 1.D] b. Determine the efficiency of solutions. [Skill 1.D]

CSN-2.A.1 Sequential computing is a computational model in which operations are performed in order one at a time.
CSN-2.A.2 Parallel computing is a computational model where the program is broken into multiple smaller sequential computing operations, some of which are performed simultaneously.
CSN-2.A.3 Distributed computing is a computational model in which multiple devices are used to run a program.
CSN-2.A.4 Comparing efficiency of solutions can be done by comparing the time it takes them to perform the same task.
CSN-2.A.5 A sequential solution takes as long as the sum of all of its steps.
CSN-2.A.6 A parallel computing solution takes as long as its sequential tasks plus the longest of its parallel tasks.
CSN-2.A.7 The "speedup" of a parallel solution is measured in the time it took to complete the task sequentially divided by the time it took to complete the task when done in parallel.

Learning Objective CSN-2.B: Describe benefits and challenges of parallel and distributed computing. [Skill 1.D]

CSN-2.B.1 Parallel computing consists of a parallel portion and a sequential portion.
CSN-2.B.2 Solutions that use parallel computing can scale more effectively than solutions that use sequential computing.
CSN-2.B.3 Distributed computing allows problems to be solved that could not be solved on a single computer because of either the processing time or storage needs involved.
CSN-2.B.4 Distributed computing allows much larger problems to be solved quicker than they could be solved using a single computer.
CSN-2.B.5 When increasing the use of parallel computing in a solution, the efficiency of the solution is still limited by the sequential portion. This means that at some point, adding parallel portions will no longer meaningfully increase efficiency.

Русский

Фундаментальное понимание (CSN-2): Параллельные и распределенные вычисления используют несколько компьютеров для более быстрого решения сложных задач или обработки больших наборов данных.

Цель обучения CSN-2.A: Для последовательных, параллельных и распределенных вычислений: a. Сравните решения задач. [Навык 1.D] b. Определите эффективность решений. [Навык 1.D]

CSN-2.A.1 Последовательные вычисления — это вычислительная модель, в которой операции выполняются по очереди, одна за другой.
CSN-2.A.2 Параллельные вычисления — это вычислительная модель, при которой программа разбивается на несколько меньших последовательных операций, некоторые из которых выполняются одновременно.
CSN-2.A.3 Распределенные вычисления — это вычислительная модель, в которой для выполнения программы используется несколько устройств.
CSN-2.A.4 Сравнение эффективности решений может быть выполнено путем сравнения времени, необходимого им для выполнения одной и той же задачи.
CSN-2.A.5 Последовательное решение занимает столько времени, сколько сумма всех его шагов.
CSN-2.A.6 Решение с параллельными вычислениями занимает столько времени, сколько суммарное время его последовательных задач плюс самое длительное время его параллельных задач.
CSN-2.A.7 «Ускорение» параллельного решения измеряется временем, затраченным на выполнение задачи последовательно, деленным на время, затраченное на выполнение задачи параллельно.

Цель обучения CSN-2.B: Опишите преимущества и сложности параллельных и распределенных вычислений. [Навык 1.D]

CSN-2.B.1 Параллельные вычисления состоят из параллельной части и последовательной части.
CSN-2.B.2 Решения, использующие параллельные вычисления, могут масштабироваться эффективнее, чем решения, использующие последовательные вычисления.
CSN-2.B.3 Распределенные вычисления позволяют решать задачи, которые невозможно решить на одном компьютере из-за времени обработки или потребностей в хранении.
CSN-2.B.4 Распределенные вычисления позволяют гораздо быстрее решать значительно более сложные задачи, чем это было бы возможно на одном компьютере.
CSN-2.B.5 При увеличении использования параллельных вычислений в решении эффективность всё ещё ограничена последовательной частью. Это означает, что на определённом этапе добавление параллельных компонентов перестанет значимо повышать эффективность.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Sequential computing 顺序计算 runs one operation at a time.
Parallel computing 并行计算 splits a task into parts that run at the same time on multiple processors, finishing faster.
Distributed computing 分布式计算 uses many computers connected by a network to work on one problem – essential for problems too big for a single machine.

A parallel solution's speedup 加速比 is the sequential time divided by the parallel time. Speedup is limited: parts that must run in sequence cannot be sped up by adding processors, so doubling the processors rarely doubles the speed.

Worked example. A task has a part that must run sequentially, taking $40$ seconds, plus a parallelizable part that takes $60$ seconds on one processor – so on a single processor the whole task takes $40+60=100$ seconds. Spread the parallel part across $3$ processors and it takes $\tfrac{60}{3}=20$ seconds, so the total parallel time is $40+20=60$ seconds and the speedup is $\tfrac{100}{60}\approx1.67$. The $40$-second sequential part is a floor: even with infinitely many processors the task can never finish in under $40$ seconds.

Exam skill: given the times for the sequential and parallel portions of a task, be able to calculate the total parallel time and the speedup.

Русский

Серверные стойки дата-центра: распределённые вычисления распределяют нагрузку между множеством машин

Последовательные вычисления выполняют одну операцию за другой.
Параллельные вычисления разбивают задачу на части, которые выполняются одновременно на нескольких процессорах, завершаясь быстрее.
Распределённые вычисления используют множество компьютеров, соединённых сетью, для решения одной задачи — необходимо для задач, слишком больших для одной машины.

Параллельные вычисления: множество процессоров работают одновременно

Ускорение параллельного решения — это отношение последовательного времени к параллельному. Ускорение ограничено: части, которые обязательно должны выполняться последовательно, нельзя ускорить добавлением процессоров, поэтому удвоение числа процессоров редко удваивает скорость.

Разбор примера. Задача содержит часть, которая обязательно должна выполняться последовательно и занимает $40$ секунд, плюс часть, которую можно выполнить параллельно, занимающую $60$ секунд на одном процессоре — так что на одном процессоре вся задача занимает $40+60=100$ секунд. Распределите параллелизируемую часть на $3$ процессоров, и она займёт $\tfrac{60}{3}=20$ секунд, так что общее параллельное время составит $40+20=60$ секунд, а ускорение будет равно $\tfrac{100}{60}\approx1.67$. Последовательная часть длительностью $40$ секунд является нижним пределом: даже при бесконечном числе процессоров задача никогда не завершится менее чем за $40$ секунд.

Навык для экзамена: зная время последовательной и параллельной частей задачи, уметь рассчитать общее параллельное время и ускорение.

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

4.3

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Describe how data travels in packets over a redundant, fault-tolerant network of independent routers.
Know that protocols (IP, TCP, HTTP) are agreed rules, and that open standards let different systems interoperate.
Explain scalability and how the Internet grows without central control.
Contrast bandwidth (rate) with latency (delay), and describe the DNS name-to-address lookup.
Discuss the digital divide and security basics (encryption, authentication) in plain terms.

Русский

Описывать, как данные передаются в пакетах по избыточной, отказоустойчивой сети независимых маршрутизаторов.
Знать, что протоколы (IP, TCP, HTTP) — это согласованные правила, а открытые стандарты позволяют различным системам взаимодействовать друг с другом.
Объяснять масштабируемость и то, как Интернет развивается без центрального управления.
Различайте полоса пропускания (скорость) и задержку (время отклика), а также опишите процесс поиска адреса по имени в DNS.
Обсудите цифровое неравенство и основы безопасности (шифрование, аутентификация) простыми словами.

Interactive lessons on this topic · ⁨Интерактивные уроки по этой теме⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.⁩

Past Papers · ⁨Архив экзаменационных работ⁩

More topics in AP Computer Science Principles · ⁨AP Принципы информатики⁩ · ⁨Больше тем в AP Computer Science Principles · ⁨AP Принципы информатики⁩⁩