Komprimácia dát, systémové informácie a referenčný model OSI

Komprimácia dát, systémové informácie a referenčný model OSI

Táto téma z informatiky sa venuje zmenšovaniu veľkosti dát pomocou komprimácie, zisťovaniu základných informácií o operačnom systéme a princípom komunikácie v počítačových sieťach podľa sedemvrstvového referenčného modelu OSI.

Komprimácia dát

Komprimácia, označovaná aj ako kompresia, balenie alebo pakovanie dát, je proces, pri ktorom sa znižuje množstvo údajov potrebných na uloženie alebo prenos súboru.

Hlavným cieľom komprimácie je:

• zmenšiť veľkosť súborov,
• ušetriť miesto na úložisku,
• zrýchliť prenos dát cez počítačovú sieť alebo internet,
• jednoduchšie archivovať väčšie množstvo súborov.

Rozlišujeme dva základné druhy komprimácie:

• bezstratovú komprimáciu,
• stratovú komprimáciu.

Bezstratová komprimácia

Bezstratová komprimácia je spôsob komprimácie, pri ktorom sa nestráca žiadna pôvodná informácia.

Ak komprimovaný súbor následne dekomprimujeme, získame presne rovnaké údaje, aké obsahoval pôvodný súbor.

Bezstratová komprimácia je preto potrebná najmä tam, kde nemôžeme dovoliť stratu ani časti údajov.

Používa sa napríklad pri:

• textových dokumentoch,
• programových súboroch,
• databázach,
• tabuľkách,
• zdrojových kódoch programov,
• archívoch súborov.

Medzi známe formáty a technológie využívajúce bezstratovú komprimáciu patria napríklad ZIP, 7z, PNG alebo FLAC.

Princíp bezstratovej komprimácie

Bezstratová komprimácia využíva skutočnosť, že v dátach sa často nachádzajú opakujúce sa alebo nadbytočné informácie.

Namiesto opakovaného zapisovania rovnakých údajov ich môže komprimačný algoritmus nahradiť kratším zápisom alebo kódom.

Napríklad pri texte sa určité často sa opakujúce znaky, slová alebo postupnosti znakov môžu nahradiť kratšími značkami. Pri dekomprimácii sa podľa uložených pravidiel obnoví pôvodný obsah.

Úspešnosť komprimácie preto závisí od charakteru dát. Súbor s množstvom opakujúcich sa údajov sa zvyčajne skomprimuje výraznejšie ako súbor, v ktorom je málo opakovaní.

Stratová komprimácia

Stratová komprimácia je spôsob komprimácie, pri ktorom sa časť pôvodných informácií odstráni.

Odstraňujú sa predovšetkým údaje, ktoré majú čo najmenší vplyv na výsledný vnem človeka. Výsledkom môže byť výrazne menší súbor, ale po dekomprimácii už nie je možné presne obnoviť pôvodné dáta.

Stratová komprimácia sa používa najmä pri multimediálnych súboroch:

• obrázkoch a fotografiách,
• zvukových nahrávkach,
• videách.

Typickými príkladmi sú napríklad:

• JPEG – fotografie a obrázky,
• MP3 – zvuk,
• AAC – zvuk,
• rôzne moderné kodeky používané pri videu.

Výhody a nevýhody stratovej komprimácie

Výhodou je možnosť dosiahnuť veľmi výrazné zmenšenie súboru.

Nevýhodou je nenávratná strata časti pôvodnej informácie. Pri príliš silnej komprimácii môže byť pokles kvality viditeľný alebo počuteľný.

Napríklad pri silnej komprimácii fotografie vo formáte JPEG sa môžu objaviť farebné prechody, rozmazanie alebo typické kompresné artefakty.

Rozdiel medzi bezstratovou a stratovou komprimáciou

Vlastnosť	Bezstratová komprimácia	Stratová komprimácia
Strata údajov	Nie	Áno
Obnova originálu	Úplná	Nie je možná úplne
Veľkosť výsledného súboru	Zvyčajne väčšia	Zvyčajne výrazne menšia
Použitie	Text, programy, dokumenty, archívy	Fotografie, zvuk, video
Príklady	ZIP, 7z, PNG, FLAC	JPEG, MP3, AAC

Kompresný pomer

Kompresný pomer vyjadruje, ako veľmi sa podarilo komprimáciou zmenšiť pôvodné dáta.

Môžeme ho vyjadriť ako pomer:

veľkosť pôvodného súboru : veľkosť komprimovaného súboru

Napríklad ak má pôvodný súbor veľkosť 10 MB a po komprimácii 5 MB, kompresný pomer je:

10 : 5 = 2 : 1

To znamená, že pôvodný súbor bol dvakrát väčší ako výsledný komprimovaný súbor.

Výpočet percentuálneho zmenšenia

Zmenšenie veľkosti môžeme vyjadriť aj v percentách:

zmenšenie = (pôvodná veľkosť − nová veľkosť) / pôvodná veľkosť × 100 %

Ak mal napríklad súbor pôvodne 10 MB a po komprimácii má 6 MB:

(10 − 6) / 10 × 100 = 40 %

Súbor sa teda zmenšil o 40 %.

Od čoho závisí kompresný pomer?

Kompresný pomer závisí najmä od:

• typu súboru,
• obsahu súboru,
• množstva opakujúcich sa údajov,
• použitého komprimačného algoritmu,
• nastavenej úrovne komprimácie.

Textové dokumenty alebo nekomprimované obrazové súbory sa často dajú zmenšiť výrazne. Naopak, súbory, ktoré už používajú vlastnú komprimáciu, sa ďalším zabalením väčšinou zmenšia iba minimálne.

Prečo sa JPEG po zabalení takmer nezmenší?

Fotografie vo formáte JPEG sú už pri svojom vytvorení komprimované. Komprimačný program preto v ich dátach nenachádza veľa ďalších informácií, ktoré by bolo možné odstrániť alebo efektívnejšie zapísať.

Ak takýto súbor vložíme napríklad do ZIP archívu, jeho veľkosť sa preto často zmenší iba nepatrne.

Naopak, nekomprimované alebo menej komprimované formáty môžu pri archivovaní dosiahnuť výraznejšie zmenšenie.

Praktická úloha – komprimácia súborov

Pri praktickej úlohe môžeme porovnať napríklad dokument a obrázok a sledovať, ako sa ich veľkosť zmení po vytvorení komprimovaného archívu.

Postup

1. Zistíme pôvodnú veľkosť súboru.
2. Súbor skomprimujeme, napríklad do archívu ZIP.
3. Zistíme veľkosť vytvoreného archívu.
4. Porovnáme pôvodnú a výslednú veľkosť.
5. Vypočítame kompresný pomer.
6. Zdôvodníme, prečo sa jeden typ súboru skomprimoval viac ako druhý.

Ak porovnávame napríklad dokument komprimácia1.doc a fotografiu komprimácia2.jpg, je pravdepodobné, že dokument bude možné komprimovať účinnejšie. JPEG fotografia už totiž obsahuje komprimované obrazové dáta.

Informácie o operačnom systéme

Operačný systém je základný systémový softvér, ktorý zabezpečuje komunikáciu medzi používateľom, programami a hardvérom počítača.

Riadi napríklad:

• procesor,
• operačnú pamäť,
• disky a súborový systém,
• vstupné a výstupné zariadenia,
• spúšťanie programov,
• používateľské účty a oprávnenia.

Aké informácie môžeme o počítači zistiť?

V systémových informáciách môžeme nájsť napríklad:

• názov operačného systému,
• verziu operačného systému,
• číslo zostavy systému,
• typ systému – napríklad 64-bitový systém,
• výrobcu a model počítača,
• typ procesora,
• veľkosť nainštalovanej operačnej pamäte RAM,
• informácie o BIOS-e alebo UEFI,
• informácie o hardvérových zariadeniach.

Systémové informácie vo Windows

V starších verziách systému Windows bolo možné systémové informácie nájsť napríklad cez:

Štart → Všetky programy → Príslušenstvo → Systémové nástroje → Systémové informácie

V novších verziách systému Windows môžeme použiť jednoduchší spôsob:

1. stlačíme klávesovú kombináciu Win + R,
2. zadáme príkaz msinfo32,
3. potvrdíme klávesom Enter.

Otvorí sa nástroj Systémové informácie, ktorý poskytuje podrobný prehľad o softvéri aj hardvéri počítača.

Referenčný model OSI

OSI je skratka z anglického Open Systems Interconnection. Ide o referenčný model, ktorý opisuje komunikáciu zariadení v počítačových sieťach.

Model rozdeľuje sieťovú komunikáciu do siedmich vrstiev. Každá vrstva má vlastné úlohy a poskytuje služby vrstve, ktorá sa nachádza nad ňou.

Pri komunikácii odosielajúceho zariadenia údaje postupujú od vyšších vrstiev smerom nadol. Na prijímajúcom zariadení postupujú opačným smerom – od najnižšej vrstvy k aplikačnej vrstve.

Protokol

Protokol je súbor pravidiel určujúcich spôsob komunikácie medzi zariadeniami alebo programami v počítačovej sieti.

Určuje napríklad:

• formát prenášaných údajov,
• spôsob vytvorenia komunikácie,
• spôsob adresovania,
• kontrolu chýb,
• spôsob ukončenia komunikácie.

1. Fyzická vrstva

Fyzická vrstva je najnižšia vrstva modelu OSI. Zabezpečuje samotný fyzický prenos jednotlivých bitov medzi zariadeniami.

Zaoberá sa napríklad:

• elektrickými alebo optickými signálmi,
• káblami a konektormi,
• rádiovým prenosom,
• prenosovou rýchlosťou,
• fyzickým spojením zariadení.

Prenášanou jednotkou sú bity.

S fyzickou vrstvou sa tradične spájajú napríklad opakovače (repeater) a huby.

2. Linková vrstva

Linková vrstva zabezpečuje prenos údajov medzi zariadeniami, ktoré sú priamo prepojené v rámci jednej siete.

Dáta sa na tejto vrstve prenášajú v blokoch označovaných ako rámce – frames.

Medzi jej úlohy patria:

• vytváranie rámcov,
• prenos medzi susednými zariadeniami,
• práca s fyzickými MAC adresami,
• zisťovanie niektorých chýb pri prenose.

Na tejto vrstve pracujú najmä prepínače – switche a mosty – bridge.

3. Sieťová vrstva

Sieťová vrstva zabezpečuje prenos dát medzi rôznymi počítačovými sieťami.

Jej hlavnou úlohou je smerovanie – routing, teda výber vhodnej cesty, ktorou sa dáta dostanú od odosielateľa k príjemcovi.

Na tejto vrstve sa používajú logické sieťové adresy, napríklad IP adresy.

Prenášaná jednotka sa označuje ako paket.

Typickým zariadením pracujúcim na sieťovej vrstve je router – smerovač.

4. Transportná vrstva

Transportná vrstva zabezpečuje prenos dát medzi koncovými zariadeniami a aplikáciami.

Medzi jej úlohy patrí napríklad:

• rozdelenie dát na menšie časti,
• riadenie prenosu,
• kontrola správnosti doručenia pri protokoloch, ktoré ju podporujú,
• rozlíšenie jednotlivých aplikácií pomocou portov.

Najznámejšie protokoly transportnej vrstvy sú TCP a UDP.

TCP

TCP – Transmission Control Protocol je spojovo orientovaný protokol. Pred prenosom vytvára spojenie a zabezpečuje spoľahlivé a správne zoradené doručenie dát.

UDP

UDP – User Datagram Protocol je nespojovo orientovaný protokol. Nezabezpečuje rovnakú úroveň kontroly doručenia ako TCP, vďaka čomu má menšiu réžiu a môže byť rýchlejší.

5. Relačná vrstva

Relačná vrstva zabezpečuje vytváranie, udržiavanie a ukončenie komunikačných relácií medzi aplikáciami.

Relácia predstavuje určitú dobu trvajúcu komunikáciu medzi dvoma účastníkmi.

Vrstva sa môže starať napríklad o:

• nadviazanie relácie,
• udržiavanie komunikácie,
• synchronizáciu komunikácie,
• ukončenie relácie.

6. Prezentačná vrstva

Prezentačná vrstva zabezpečuje, aby boli prenášané údaje v podobe, ktorej dokáže prijímajúca aplikácia porozumieť.

Môže zabezpečovať napríklad:

• prevod formátov údajov,
• kódovanie znakov,
• komprimáciu a dekomprimáciu,
• šifrovanie a dešifrovanie.

Jej úlohou je teda zabezpečiť vhodnú reprezentáciu údajov.

7. Aplikačná vrstva

Aplikačná vrstva je najvyššia vrstva modelu OSI a je najbližšie k používateľským aplikáciám.

Sprostredkúva sieťové služby aplikáciám, ktoré používateľ využíva.

Ide napríklad o služby súvisiace s:

• webovými stránkami,
• elektronickou poštou,
• prenosom súborov,
• prekladom doménových mien,
• ďalšími internetovými službami.

S aplikačnou vrstvou sa spájajú napríklad protokoly HTTP, HTTPS, FTP, SMTP alebo DNS.

Prehľad siedmich vrstiev modelu OSI

Vrstva	Názov	Hlavná úloha
7.	Aplikačná	Sieťové služby pre aplikácie
6.	Prezentačná	Formátovanie, kódovanie, šifrovanie a komprimácia dát
5.	Relačná	Vytváranie a riadenie relácií
4.	Transportná	Prenos dát medzi koncovými zariadeniami
3.	Sieťová	Smerovanie paketov medzi sieťami
2.	Linková	Prenos rámcov medzi priamo prepojenými zariadeniami
1.	Fyzická	Fyzický prenos bitov

Jednotky prenášaných dát

• Fyzická vrstva: bity
• Linková vrstva: rámce
• Sieťová vrstva: pakety
• Transportná vrstva: segmenty alebo datagramy
• Vyššie vrstvy: dáta

Ako si zapamätať poradie vrstiev?

Od najnižšej po najvyššiu vrstvu:

Fyzická → Linková → Sieťová → Transportná → Relačná → Prezentačná → Aplikačná

Pri učení je dôležité vedieť najmä základnú úlohu každej vrstvy a pochopiť, že jednotlivé vrstvy na seba nadväzujú.

Čo si zapamätať

• Komprimácia znižuje množstvo dát potrebných na uloženie alebo prenos súboru.
• Bezstratová komprimácia umožňuje úplne obnoviť pôvodné údaje.
• Stratová komprimácia časť informácie nenávratne odstráni, ale môže dosiahnuť výraznejšie zmenšenie súboru.
• Kompresný pomer porovnáva veľkosť pôvodných a komprimovaných dát.
• Súbory, ktoré sú už komprimované, napríklad JPEG fotografie, sa pri ďalšom zabalení zvyčajne zmenšia iba málo.
• Informácie o systéme obsahujú údaje o operačnom systéme aj hardvéri počítača.
• OSI model rozdeľuje sieťovú komunikáciu do siedmich vrstiev.
• Fyzická vrstva prenáša bity, linková vrstva rámce a sieťová vrstva zabezpečuje smerovanie paketov.
• Transportná vrstva zabezpečuje komunikáciu medzi koncovými zariadeniami a používa napríklad protokoly TCP a UDP.
• Najvyššou vrstvou modelu OSI je aplikačná vrstva, ktorá poskytuje sieťové služby aplikáciám.