Digitální technologie (SŠ)

V dávné historii si lidé ulehčovali počítání například s kuličkovými počítadly (abakus) nebo logaritmickými pravítky. První programovatelný stroj navrhl Charles Babbage v 19. století.

abakus

logaritmické pravítko

Za druhé světové války byl počítač použit k rozluštění německé šifry Enigma. Na tom se podílel i Alan Turing, který později vymyslel teoretický model počítače. Prakticky využívanou architekturu počítače (po svém autorovi nazývanou von Neumannova), která je používaná dodnes, navrhl John von Neumann.

Vývoj počítačů se často rozděluje do tzv. generací — vývojových fází, které se odlišují součástkami, ze kterých byly počítače složené, jejich rychlostí i použitím.

V 1. generaci velkou část funkčnosti počítače zajišťovaly elektronky. V té době byly počítače pomalé a poruchové, zabíraly velký prostor (typicky celé místnosti) a pro svůj běh vyžadovaly značné množství energie. Nejznámějším zástupcem této generace je počítač ENIAC, který byl postaven ve 40. letech 20. stol. v USA. Na světě bylo tehdy jen velmi málo počítačů, proto se používaly převážně pro náročné matematické výpočty pro armádu nebo pro výzkum. Informace jim byly předávány na děrných štítcích a děrných páskách.

ENIAC

děrný štítek

děrná páska

Vstupní zařízení

Vstupní zařízení je hardware, pomocí kterého počítač přijímá data (typicky od uživatele či z prostředí). Mezi vstupní zařízení patří např. klávesnice (snímá stisky kláves), myš (snímá pohyb), skener (snímá obraz) či mikrofon (zaznamenává zvuk). Vstup dat do počítače zajišťuje např. i snímání dotyků v rámci dotykového displeje.

Další příklady vstupních zařízení

• joystick
• touchpad
• fotoaparát/kamera
• akcelerometr
• GPS

Výstupní zařízení

Výstupní zařízení je hardware, do kterého počítač zapisuje či zobrazuje data (typicky je zpřístupňuje uživateli). Mezi výstupní zařízení patří např. displej (zobrazuje obraz), tiskárna (zajišťuje výstup grafických dat) nebo reproduktory (zajišťují výstup zvuku).

Další příklady výstupních zařízení

Počítače se ve světě vyskytují v mnoha formách.

V domácnostech a kancelářích se často setkáme s PC (personal computer, osobní počítač). Nepřenosnému PC se říká stolní počítač, někdy také desktop. Stolní počítač se obvykle skládá z počítačové skříně, ke které připojujeme příslušenství jako monitor, klávesnici, reproduktory apod. Počítačová skříň, která se staví na výšku a často pod stůl, se nazývá tower. Existují i kompaktnější verze stolních počítačů — například all-in-one PC, kde je všechen hardware vestavěný přímo v monitoru.

all-in-one PC

tower

notebook

Přenosnému osobnímu počítači se říká notebook. Ten má všechen hardware i příslušenství vestavěné přímo do svého těla. Přenosné počítače mívají navíc akumulátor (baterii), abychom je mohli používat, i když nejsou připojené do elektrické sítě. Smartphony (chytré telefony) a tablety jsou také přenosné počítače. Mívají dotykovou obrazovku a jsou poměrně malé. Ještě menší než smartphony jsou chytré hodinky (smartwatch), které si můžeme připnout na zápěstí a například propojit s chytrým telefonem pro pohodlnější ovládání.

smartphone

tablet

chytré hodinky

Mainframe je velký a velmi výkonný počítač, který často používají firmy pro výpočetně náročné operace. Superpočítače jsou mnohonásobně výkonnější než osobní počítače i mainframy, mohou zabírat celé haly a většinou provádějí náročné vědecké výpočty. Server je počítač, který je připojený k počítačové síti (obvykle k internetu) a poskytuje služby jiným počítačům, které si je vyžádají. Například může zobrazovat webové stránky nebo poskytovat internetové úložiště.

mainframe

superpočítač

Důležité součásti počítačové architektury jsou:

CPU (central processing unit) –⁠ centrální procesorová jednotka. Nazývá se také procesor. Umí zpracovávat základní strojové instrukce, ze kterých lze složit veškerou funkčnost, kterou potřebují počítačové programy k fungování. V podstatě se tak stará o celkový chod počítače. Součásti procesoru jsou aritmeticko-logická jednotka, řadič a registry. Rychlost procesoru určuje mimo jiné taktovací frekvence, která udává, kolik operací procesor udělá za sekundu. Frekvence se udává v jednotkách GHz (gigahertz). V současnosti je zrychlování CPU složité, takže se většího výkonu dosahuje použitím více procesorových jader v jednom pouzdře. Tyto procesory se nazývají vícejádrové a jsou efektivní, protože dokáží zpracovávat více procesů najednou –⁠ paralelně.

GPU (graphics processing unit) –⁠ grafický procesor. Grafický procesor je součást grafické karty. Ta přijímá data o tom, co je potřeba zobrazit na monitoru, a převádí je na obrazový výstup pro monitor. Grafický procesor provádí rychlé výpočty, které jsou pro převod dat na obraz potřeba. Grafická karta může být integrovaná nebo dedikovaná. Integrovaná karta je typicky vestavěná součást CPU, je to méně výkonná, ale levnější možnost. Dedikovaná karta se často dodává odděleně, je dražší, ale výkonnější – je potřeba například pro moderní počítačové hry se složitou grafikou.

ALU (arithmetic logic unit) –⁠ aritmeticko-logická jednotka. Je to součást procesoru, která provádí aritmetické a logické operace.

Registry jsou velmi malá a velmi rychlá paměťová úložiště v procesoru. Procesor si v nich udržuje data, která právě zpracovává.

Sběrnice zajišťuje přenos dat. Sběrnic je mnoho typů. Můžou přenášet data jak uvnitř počítače (např. do grafické karty), tak mezi zařízeními (např. USB je také typ sběrnice).

Cache je velmi rychlá, ale poměrně malá paměť, která pomáhá zrychlovat běh počítače. Protože procesor je velmi rychlý v porovnání s pamětí, pokaždé, když si potřebuje načíst nějaká data z paměti, musí dlouho čekat. Aby se chod počítače tolik nezpomaloval, procesor si do cache ukládá často používaná data, která odtud může načíst rychleji. Cache je rychlejší než operační paměť, ale přesto nestačí na procesor a registry, takže k nějakému zpomalení stále dochází.

Stejně jako lidská paměť i ta počítačová slouží k uchování informací. Pro různé účely se používají různé typy pamětí, které můžeme označovat podle účelu nebo technologie.

Dlouhodobá paměť slouží k dlouhodobému uložení dat – například fotografií, filmů nebo zdrojových kódů počítačových programů. Je to to úložiště, ke kterému máme přístup v Průzkumníku souborů. Data se v ní udrží nezávisle na tom, jestli je připojená k elektřině.

V operační paměti si počítač ukládá data a stavy procesů, se kterými právě pracuje. Je mnohem rychlejší než dlouhodobá paměť, takže pro urychlení běhu počítače se data z dlouhodobé paměti dočasně nahrávají do operační paměti, když je s nimi potřeba pracovat. Jako uživatelé k ní nemáme přímý přístup, pracuje s ní pouze procesor. Často se realizuje jako paměť typu RAM, takže po odpojení elektrického proudu se z ní všechna data vymažou.

Cache paměť je velmi rychlá, ale poměrně malá paměť, která pomáhá zrychlovat běh počítače. Protože procesor je velmi rychlý v porovnání s operační pamětí, pokaždé, když si potřebuje načíst nějaká data z paměti, musí dlouho čekat. Aby se chod počítače tolik nezpomaloval, procesor si do cache ukládá často používaná data, která odtud může načíst rychleji. Cache je rychlejší než operační paměť, ale na procesor a registry nestačí. Říká se jí také vyrovnávací paměť nebo mezipaměť.

RAM (random access memory) umožňuje rychlý zápis i čtení, a proto se používá jako krátkodobá (například operační) paměť. Její název znamená, že v ní lze přistoupit okamžitě na libovolnou adresu. Ke svému fungování potřebuje elektrický proud, po jeho odpojení všechna data z paměti zmizí.

ROM (read only memory) česky znamená paměť pouze pro čtení, tedy do ní není možné data zapisovat, ale pouze je číst. Používá se jako dlouhodobé úložiště, data v ní zůstanou i po odpojení elektrického proudu.

Flash paměť je podtyp ROM, který ale lze přepisovat – jde do ní tedy na rozdíl od klasické ROM ukládat nová data. Zápis i čtení probíhá pomocí elektrického proudu. V současnosti je to velmi rozšířený typ dlouhodobého úložiště, používá se například v SSD, flash discích nebo paměťových kartách.

Existuje řada různých typů softwaru, pro každý typ pak máme k dispozici na výběr z více konkurenčních produktů. Mezi výrazné typy softwaru patří následující.

Prohlížeče webových stránek, které umožňují uživatelům prohlížet a interagovat s webovými stránkami. Příklady zahrnují Google Chrome, Mozilla Firefox, Microsoft Edge.

Textové procesory umožňují uživatelům psát a editovat textové soubory. Příklady zahrnují Microsoft Word, LibreOffice Writer, Dokumenty Google.

Tabulkové editory umožňují uživatelům vytvářet, editovat a analyzovat tabulky a data v nich uložená. Příklady zahrnují Microsoft Excel, LibreOffice Calc, Tabulky Google.

Grafické editory umožňují uživatelům vytvářet a editovat grafiku a obrázky. Příklady zahrnují Adobe Photoshop, GIMP, Inkscape.

Programovací jazyky umožňují vývojářům vytvářet softwarové aplikace. Příklady zahrnují Python, Java, C++. Pro přípravu programů používají programátoři vývojová prostředí, např. Visual Studio Code, PyCharm, Eclipse. Pro vývoj počítačových her se používají specializované herní enginy, např. Unity, Unreal Engine.

Systémový software umožňuje počítači fungovat správně. Příklady zahrnují operační systémy jako Windows, macOS, Linux. Dále do této kategorie také můžeme zařadit například antivirové programy.

Soubory mohou obsahovat různé typy dat. Pro uložení určitých dat se hodí konkrétní formát souboru. Ten často bývá popisován příponou názvu souboru. Jako příklad mějme soubor poznamky.txt: poznamky je samotný název souboru, přípona txt vyjadřuje, že jde o soubor s prostým textem.

Dále uvádíme příklady různých formátů:

Kromě níže uvedených interaktivních cvičení je k dispozici také pomůcka pro aktivity – kartičky určené k vytištění, rozstříhání a párování (náměty k využití nabízí stránka Aktivity s kartičkami):

Programy provádějící určitou užitečnou činnost se označují jako aplikace. Desktopové aplikace jsou určené pro stolní počítače či notebooky. Mobilní aplikace jsou vyvíjené pro smartphony, jsou uzpůsobené např. dotykovému ovládání. Desktopové i mobilní aplikace je za účelem použití obvkykle nutné instalovat na úložiště zařízení. Naopak webové (či cloudové) aplikace zpravidla běží v internetovém prohlížeči.

Otevřený software (open source) je k dispozici i v podobě zdrojových kódů. Svobodný software mohou uživatelé používat k libovolnému účelu. Otevřený software mnohdy bývá zároveň svobodný, často bývá vyvíjený komunitou dobrovolníků. Příkladem takového softwaru je např. Linux, Gimp či LibreOffice. Podstatná část infrastruktury internetu je závislá na otevřeném/svobodném softwaru.

Proprietární software zdrojové kódy nemá k dispozici a jeho použití bývá omezeno licencí (tzv. End User License Agreement = EULA). Proprietární software obvykle zároveň bývá komerční, autor/vydavatel jej prodává za účelem zisku (nyní často formou předplatného). Příkladem komerčního proprietárního softwaru jsou Windows, Microsoft Office či aplikace v rámci Adobe Creative Cloud.

Používání komerčního softwaru bez zakoupení licence je nelegální. Trial verze softwaru lze používat zdarma po určitou dobu, obvykle za účelem vyzkoušení. Freeware je většinou proprietární software, který je možné používat zdarma.

Aplikace bývají dostupné v různých verzích. Novější verze má zpravidla vyšší číselné označení (např. aplikace verze 1.1 bude novější než verze 0.8). Povýšení na novou verzi je aktualizace či upgrade. V softwaru se mohou objevit nezamýšlené chyby, tzv. bugy. Testovací verze softwaru, která se blíží dokončení, se označuje jako betaverze. Software se v současnosti distribuuje zejména přes internet.

Vtip pro zpestření

Operační systém je program, který se obvykle spouští krátkou dobu po zapnutí počítače. Zprostředkovává spouštění dalších programů/aplikací (ty mohou být určené pro konkrétní operační systém). Programy v rámci operačního systému běží jako jednotlivé procesy, soudobé operační systémy obvykle podporují běh více procesů zároveň (multitasking).

Prostřednictvím operačního systému mohou aplikace komunikovat s hardwarem (vizte schéma níže). Operační systém dále zajišťuje organizaci dat na úložišti a přístup k nim, obvykle umožňuje pracovat s uživatelskými účty či právy uživatelů. To, že mnoho činností zajišťuje operační systém, zjednodušuje do určité míry vývoj programů (aplikací).

Operační systémy se původně ovládaly zadáváním příkazů do příkazového řádku. V současnosti obvykle mají grafické uživatelské rozhraní (GUI), které umožňuje např. ovládání klávesnicí a myší či dotykem.

Některé aplikace bývají zahrnuty v samotné instalaci operačního systému, např. internetový prohlížeč, prohlížeč souborů či základní ovladače hardwaru.

Příklady operačních systémů

Mezi běžné desktopové operační systémy (určené zejména pro stolní počítače, notebooky) patří:

Počítačové sítě propojují dohromady počítače a umožňují jim vyměňovat si mezi sebou informace. Největší světovou sítí je internet, nejde však o jedinou počítačovou síť. Internet je tvořený propojením mnoha menších sítí a existují i počítačové sítě, které k internetu připojené nejsou (např. interní firemní sítě).

Komunikace po síti

Průběh komunikace po síti určují síťové protokoly. Například protokol HTTP určuje průběh komunikace s webovými servery a protokol IP slouží k nalezení cesty, kudy data po síti posílat. Data se po síti nejčastěji posílají v oddělených balíčcích, nazývaných pakety. Pakety se skládají z hlavičky, která obsahuje řídicí informace, a z vlastních dat.

Síťové architektury

Síťová architektura je návrh sítě, který určuje, jak probíhá komunikace mezi prvky sítě. Nejčastější jsou dvě architektury:

• V klient-server síti mohou zařízení mít dvě různé úlohy. Server poskytuje služby, veškerá komunikace v síti jde přes něj. Typicky jde o velký počítač, který například patří nějaké firmě. Klienti jsou běžné uživatelské počítače, které si žádají služby od serveru. Když si například chceme zobrazit webovou stránku, náš počítač (klient) pošle serveru, který danou stránku provozuje, žádost o zaslání obsahu stránky.

• V peer-to-peer síti jsou si všechny prvky rovny. Každý uživatel (peer) si může vyžádat služby od ostatních a na oplátku některé služby poskytuje.

Topologie

Hardwarová část počítačových sítí je tvořena síťovými zařízeními, která jsou propojena přenosovými médii.

Síťová karta je součást hardwaru počítače a zajišťuje komunikaci s počítačovou sítí. Od počítače si bere data pro poslání do sítě, balí je do paketů a odesílá. Také přijímá ze sítě pakety a rozbalená data předává počítači. Síťová karta je v síti jednoznačně identifikovaná MAC adresou.

Síťová zařízení

Protože signál se může při cestě přenosovým médiem zeslabit nebo poškodit, používá se opakovač. Ten opraví a zesílí přijímaný signál a následně ho pošle dál.

Hub umožňuje spojení více kabelů a dokáže tak rozvětvovat síť do více směrů. Data, která přes něj procházejí, nijak nefiltruje, pouze je rozesílá dál.

Switch a bridge spojují menší segmenty sítě. Udržují si tabulku MAC adres zařízení ve svém okolí a posílají přicházející data jen do směrů, kde se nachází jejich příjemci. Zatímco bridge propojuje pouze 2 části sítě, switch jich umí spojit více najednou.

Router propojuje větší části sítí (nebo celé sítě) dohromady. Může například připojovat lokální síť k internetu. Zajišťuje směrování dat - pro příchozí pakety se snaží najít co nejkratší cestu k cílové IP adrese.

Provoz v počítačových sítích probíhá podle pravidel protokolů. Protokolů existuje mnoho, každý má určitou vlastní funkci.

TCP a UDP řídí přenos dat od uživatele k příjemci. UDP posílá data bez zajištění spolehlivosti, ale zato velmi rychle. Hodí se například pro přenos videohovorů, kde potřebujeme okamžitě reagovat. Kvůli nespolehlivosti UDP se však musíme smířit s občasnou horší kvalitou dat. TCP umí zajistit, že data dorazí všechna a bez chyb, avšak za cenu menší rychlosti. V současnosti přenáší většinu dat na internetu – například se využívá pro načítání webových stránek, posílání e-mailů nebo stahování souborů.

IP zajišťuje směrování, tedy hledá cestu, kudy data skrz síť půjdou. Kam doručit data zjišťuje podle IP adresy, která jednoznačně určuje každý počítač v síti. V současnosti existují dvě funkční verze protokolu: IPv4 a IPv6.

Protože IP adresy se lidem těžko pamatují, nahrazují se doménovými jmény, která bývají například součástí URL. Doménová jména jsou organizována do hierarchicky rozloženého systému, ve kterém je lze snadněji najít. Protokol DNS dokáže na dotaz z doménového jména zjistit IP adresu.

WiFi a Bluetooth jsou síťové protokoly, které přenáší data vzduchem. WiFi často slouží k vybudování malých sítí a připojování přenosných zařízení k internetu. Bluetooth se obvykle používá k propojení zařízení a přenosu dat mezi nimi na krátkou vzdálenost.

Některé další protokoly, se kterými se můžeme setkat:

• DHCP umožňuje automatickou konfiguraci počítače do sítě, mimo jiné umí přidělit IP adresu.
• HTTP komunikuje s WWW servery a umožňuje tak zobrazení WWW stránek.
• FTP dokáže přenášet soubory mezi počítači.
• SMTP posílá e-mailové zprávy.
• IMAP a POP3 umí zprostředkovat přístup k e-mailové schránce.
• IRC umožňuje posílání krátkých zpráv (chatování).
• SSH zajišťuje soukromé spojení mezi dvěma počítači.

Základní situace

Účelem šifrování je utajit zprávu. Obrázek znázorňuje základní situaci: Alice chce poslat Bobovi zprávu. Text této zprávy nazýváme holý text. Tento holý text Alice zašifruje pomocí předem domluveného šifrovacího postupu a tajného klíče. Tím vznikne zašifrovaný text, který Alice pošle Bobovi. Bob zašifrovaný text pomocí klíče rozšifruje a může si přečíst zprávu.

Šifrovaný text může někdo zachytit (na obrázku je to Eva). Eva se může pokusit zprávu odhalit, má to ale těžké, protože nezná tajný klíč (a případně ani použitý šifrovací princip). Provádí tedy luštění, které je o kus náročnější než rozšifrování.

Pojmy

• Kryptologie je odborný název pro šifrování a luštění šifer. Dvě hlavní části kryptologie jsou kryptografie a kryptoanalýza.
• Kryptografie se zabývá samotnými šifrovacími postupy, které používají ti, kdo spolu chtějí utajeně komunikovat (na obrázku Alice a Bob).
• Kryptoanalýza se zabývá tím, co dělá na obrázku Eva, tedy jak vyluštit zachycenou zprávu, u které neznáme šifrovací klíč či způsob zašifrování.

Typy šifer