Приведенный выше перечень служб электросвязи характеризует разнообразие услуг предоставляемых в настоящее время операторами связи. Еще большим может стать перечень телекоммуникационных систем, которые используются для предоставления этих услуг. Большинство телекоммуникационных можно рассматривать как системы открытые, то есть системы, к которым в любое время возможно присоединение новых пользователей и систем. Приведем еще одно базовое для телекоммуникаций определение:
Под термином «открытая система» подразумевается система, которая может взаимодействовать с любой другой системой, удовлетворяющей требованиям открытой системы.
По каким же критериям формируются эти «требования открытой системы»? Чтобы выделить общее в большом разнообразии частных реализаций, встречающихся сегодня не рынка телекоммуникационных систем, необходимо было преложить некоторую эталонную или базовую модель открытой системы (OSI – Open Systems Interconnection) и в 1983 г. в качестве эталонной модели Международной организацией по стандартизации (ISO – International Standards Organization) утверждена семиуровневая модель, в которой все процессы, реализуемые открытой системой, разбиты на взаимно подчиненные уровни. Уровень с меньшим номером представляет услуги смежному с ним верхнему уровню и пользуется для этого услугами смежного с ним нижнего уровня. Самый верхний (7) уровень лишь потребляет услуги, а самый нижний (1) только их предоставляет.
Уровень 0 связан с физической средой - передатчиком сигнала и хотя он формально не включается в схему модели OSI, он упоминается во многих источниках как необходимый для классификации системы уровень. Этот уровень характеризует среду распространения сигнала, через которую происходит соединение оконечных устройств телекоммуникационной системы: кабели, радиолинии, оптические линии и т.д. Этот уровень ничего и не описывает, только указывает на среду. Именно поэтому он и не включен в модель, хотя и важен для классификации телекоммуникационной системы.
Уровень 1 - физический. Характеризует физические аспекты передачи информации по линии связи: напряжения, частоты, природу передающей среды и пр. Этот уровень модели характеризует протоколы передачи информации, обеспечивающие поддержание связи и прием-передачу информационного потока. Безошибочность передачи сообщений при этом желательна, но не требуется.
Уровень 2 - канальный. Модель этого уровня описывает формирование блоков данных (кадров (frame) или информационных пакетов) и управление доступом к среде распространения. При этом должна обеспечиваться безошибочная передача блоков данных через среду распространения, определенную на первом уровне. Этот уровень модели должен определять начало и конец кадра в битовом потоке. На этом уровне описываются методы формирования из данных, передаваемых физическим уровнем, кадров или последовательностей, включения процедур проверки наличия ошибок и их исправления. При описании телекоммуникационной системы на этом уровне оперирует такими элементами, как битовые последовательности, методы кодирования, маркеры. Здесь же должны быть описаны механизмы ответственные за правильную передачу данных (пакетов) на участках между непосредственно связанными элементами сети. В виду его сложности, канальный уровень подразделяется на два подуровня: MAC (Medium Access Control) - Управление доступом к среде и LLC (Logical Link Control) - Управление логической связью (каналом). Уровень MAC управляет доступом к системе и управлением телекоммуникационной сетью. Уровень LLC, действующий над уровнем MAC, определяет методы посылки и получения информации.
Уровень 3 - сетевой. На этом уровне модели описывается маршрутизация в сети и управление потоками данных. Третий уровень пользуется возможностями, предоставляемыми ему уровнем 2, для обеспечения связи двух любых точек в сети. Сеть может иметь много линий связи, или множество совместно работающих сетей, что требует маршрутизации, т.е. определения пути, по которому следует пересылать данные. Для правильной маршрутизации информации в пакеты данных добавляются сетевые адреса. Стандарты сетевого уровня определяют правила задания адресов и способы работы системы по обработке адресной информации. Основной функцией телекоммуникационного оборудования на этом уровне является выборка информации из источника, преобразование ее в пакеты и правильная передача в точку назначения. Есть два принципиально различных способа работы сетевого уровня. Первый - это метод виртуальных каналов. Он состоит в том, что канал связи устанавливается при вызове (начале сеанса (session) связи), по нему передается информация, и по окончании передачи канал закрывается (уничтожается). Передача пакетов происходит с сохранением исходной последовательности, даже если пакеты пересылаются по различным физическим маршрутам, т.е. виртуальный канал динамически перенаправляется. При этом пакеты данных не включают адрес пункта назначения, т.к. он определяется во время установления связи.
Второй - метод дейтаграмм. Дейтаграммы - независимые, они включают всю необходимую для их пересылки информацию. В то время, как первый метод предоставляет следующему уровню (уровню 4) надежный канал передачи данных, свободный от искажений (ошибок) и правильно доставляющий пакеты в пункт назначения, второй метод требует от следующего уровня работы над ошибками и проверки доставки нужному адресату.
Уровень 4 - транспортный. На этом уровне модели регламентируется пересылка пакетов сообщений между процессами, выполняемыми на компьютерах сети, обеспечивается взаимодействие удаленных процессов. Транспортный уровень поддерживает непрерывную передачу данных между двумя взаимодействующими друг с другом пользовательскими процессами. На этом уровне определяются правила контроля на сквозной основе потока данных, проходящего по маршруту, определенному третьим уровнем: правильность передачи блоков данных, правильность доставки в нужный пункт назначения, их комплектность, сохранность, порядок следования, определяются алгоритмы сбора информации из блоков (пакетов) в ее прежний вид. Транспортный уровень скрывает от всех высших уровней любые детали и проблемы передачи данных, обеспечивает стандартное взаимодействие лежащего над ним уровня с приемом-передачей информации независимо от конкретной технической реализации этой передачи.
Уровень 5 - сеансовый. Главное назначение этого уровня модели – описание правил поддержки диалога между удаленными процессами. На этом уровне координируется взаимодействие пользователей: установление связи, восстановление аварийно оконченных сеансов. На этом уровне компьютерные имена преобразуются в числовые адреса, и наоборот. При этом управление происходит не техническими параметрами телекоммуникационных устройств, а процессами в сети.
Уровень 6 - уровень представления данных (или представительский уровень). Этот уровень имеет дело с синтаксисом и семантикой передаваемой информации, т.е. здесь устанавливается взаимопонимание двух сообщающихся компьютеров относительно того, как они представляют и понимают по получении передаваемую информацию. Здесь решаются, например, такие задачи, как перекодировка текстовой информации и изображений, сжатие и распаковка, поддержка сетевых файловых систем (NFS), абстрактных структур данных и т.д.
Уровень 7 - прикладной. Обеспечивает интерфейс между пользователем и сетью, делает доступными для человека всевозможные услуги. На этом уровне реализуется, по крайней мере, пять прикладных служб: передача файлов, удаленный терминальный доступ, электронная передача сообщений, служба справочника и управление сетью. На этом уровне модель описывает способы представления пользователю переданной и обработанной информации.
Основная идея модели OSI заключается в том, что на каждом уровне модели описывается лишь группа взаимосвязанных задач, в результате чего сложная общая задача передачи информации расчленяется на более простые в анализе задачи.
Необходимые соглашения для связи уровней называются протоколами . В общем виде протокол передачи данных требует наличия информации, позволяющей решать такие задачи как:
1. Синхронизация информационных потоков;
2. Инициализация;
3. Блокирование;
4. Адресация;
5. Обнаружение ошибок;
6. Нумерация блоков;
7. Управление потоком данных;
8. Методы восстановления;
9. Разрешение доступа.
Протоколы отдельных уровней требуют описания лишь части этих задач, а не всей их совокупности.
Таким образом, эталонная модель взаимодействия открытых систем – удобное средство для распараллеливания разработки стандартов. Она определяет лишь концепцию построения и взаимодействия стандартов между собой и может служить базой для стандартизации в различных сферах передачи, хранения и обработки информации.
Вычислительные сети.
Вычислительные сети, позволяющие осуществлять целый спектр телекоммуникационных услуг ориентированных на осуществление массовых коммуникации, представляют наибольший интерес для специалистов в области связей с общественностью. Исходя из этого, рассмотрим ряд базовых положений теории вычислительных сетей.
Стандарт ISO 7498
Данный стандарт имеет тройной заголовок «Информационно-вычислительные системы - Взаимодействие открытых систем - Эталонная модель». Обычно его называют короче «Эталонная модель взаимодействия открытых систем». Публикация этого стандарта в 1983 году подвела итог многолетней работы многих известных телекоммуникационных компаний и стандартизующих организаций.
Основной идеей, которая положена в основу этого документа, является разбиение процесса информационного взаимодействия между системами на уровни с четко разграниченными функциями.
Преимущества слоистой организации взаимодействия заключаются в том, что такая организация обеспечивает независимую разработку уровневых стандартов, модульность разработок аппаратуры и программного обеспечения информационно-вычислительных систем и способствует тем самым техническому прогрессу в данной области.
В соответствии с ISO 7498 выделяются семь уровней (слоёв) информационного взаимодействия:
- Уровень приложения
- Уровень представления
- Уровень сессии
- Транспортный уровень
- Сетевой уровень
- Канальный уровень
- Физический уровень
Информационное взаимодействие двух или более систем, таким образом, представляет собой совокупность информационных взаимодействий уровневых подсистем, причем каждый слой локальной информационной системы взаимодействует только с соответствующим слоем удаленной системы.
Протоколом называется набор алгоритмов (правил) взаимодействия объектов одноименных уровней.
Интерфейсом называется совокупность правил, в соответствии с которыми осуществляется взаимодействие с объектом данного уровня.
Процесс помещения фрагментированных блока данных одного уровня в блоки данных другого уровня называют инкапсуляцией .
Иерархия уровней, протоколы и стеки
Иерархически организованный набор протоколов, который достаточен для организации взаимодействия узлов в сети, носит название стеков коммуникационных протоколов.
Коммуникационные протоколы можно выполнить как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней чаще всего реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней – обычно чисто программными средствами.
Программный модуль, который реализует некоторый протокол, часто для краткости также именуют протоколом. В данном случае соотношение между протоколом – формально определенной процедурой и протоколом – программным модулем, который выполняет эту процедуру, аналогично соотношению между алгоритмом решения некоторой задачи и программой, решающей эту задачу.
Один и тот же алгоритм можно запрограммировать с разной степенью эффективности. Аналогично и протокол может обладать несколькими программными средствами реализации. Исходя из этого при сравнении протоколов необходимо учитывать не только логику их работы, но и качество программных решений. Кроме того, на эффективность взаимодействия устройств в сети оказывает влияние качество всей совокупности протоколов, которые составляют стек, в частности, насколько рационально распределены функции между протоколами различных уровней и насколько хорошо определены интерфейсы между ними.
Протоколы организуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами, например концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами и т. д. В общем случае связь компьютеров в сети выполняется не напрямую, а через различные коммуникационные устройства. В зависимости от вида устройства в нем необходимы определенные встроенные средства, которые реализуют тот или иной набор протоколов.
Уровни модели TCP/IP
Интернет-уровень
Все эти требования обусловили выбор модели сети с коммутацией пакетов, в основе которой лежал не имеющий соединений межсетевой уровень. Этот уровень, называемый интернет-уровнем или межсетевым уровнем, является основой всей архитектуры. Его задача заключается в обеспечении возможности для каждого хоста посылать в любую сеть пакеты, которые будут независимо двигаться к пункту назначения (например, в другой сети). Они могут прибывать не в том порядке, в котором были отправлены. Если требуется соблюдение порядка отправления, эту задачу выполняют более верхние уровни. Обратите внимание, что слово «интернет» здесь используется в своем первоначальном смысле несмотря на то, что этот уровень присутствует в сети Интернет.
Здесь можно увидеть аналогию с почтовой системой. Человек может бросить несколько международных писем в почтовый ящик в одной стране, и если повезет, большая часть из них будет доставлена по правильным адресам в других странах. Вероятно, письма по дороге пройдут через несколько международных почтовых шлюзов, однако это останется тайной для корреспондентов. В каждой стране (то есть в каждой сети) могут быть свои марки, свои предпочитаемые размеры конвертов и правила доставки, незаметные для пользователей почтовой службы.
Межсетевой уровень определяет официальный формат пакета и протокол, называемый IP (Internet Protocol). Задачей межсетевого протокола является доставка IP-пакетов к пунктам назначения. Основными аспектами здесь являются выбор маршрута пакета и недопущение закупорки транспортных артерий. Поэтому можно утверждать, что межсетевой уровень модели TCP/IP функционально близок сетевому уровню модели OSI. Это соответствие показано на рис.
Транспортный уровень
Уровень, расположенный над межсетевым уровнем модели TCP/IP, как правило, называют транспортным. Он создан для того, чтобы одноранговые сущности на приемных и передающих хостах могли поддерживать связь, подобно транспортному уровню модели OSI. На этом уровне должны быть описаны два сквозных протокола. Первый, TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей), является надежным протоколом с установлением соединений, позволяющим без ошибок доставлять байтовый поток с одной машины на любую другую машину объединенной сети. Он разбивает входной поток байтов на отдельные сообщения и передает их межсетевому уровню. В пункте назначения получающий TCP-процесс собирает из полученных сообщений выходной поток. Кроме того, TCP осуществляет управление потоком, чтобы быстрый отправитель не завалил информацией медленного получателя.
Второй протокол этого уровня, UDP (User Data Protocol - пользовательский протокол данных), является ненадежным протоколом без установления соединения, не использующим последовательное управление потоком протокола TCP, а предоставляющим свое собственное. Он также широко используется в одноразовых клиент-серверных запросах и приложениях, в которых оперативность важнее аккуратности, например, при передаче речи и видео. Взаимоотношения протоколов IP, TCP и UDP показаны на рис. 1.18. Со времени создания протокола IP этот протокол был реализован во многих других сетях.
Прикладной уровень
В модели TCP/IP нет сеансового уровня и уровня представления. В этих уровнях просто не было необходимости, поэтому они не были включены в модель. Опыт работы с моделью OSI доказал правоту этой точки зрения: большинство приложений в них мало нуждаются.
Над транспортным уровнем располагается прикладной уровень
. Он содержит все протоколы высокого уровня. К старым протоколам относятся протокол виртуального терминала (TELNET), протокол переноса файлов (FTP) и протокол электронной почты (SMTP), как показано на схеме. Протокол виртуального терминала позволяет пользователю регистрироваться на удаленном сервере и работать на нем. Протокол переноса файлов предоставляет эффективный способ перемещения информации с машины на машину. Электронная почта изначально представляла собой разновидность переноса файлов, однако позднее для нее был разработан специальный протокол. С годами было добавлено много других протоколов, таких как DNS (Domain Name Service - служба имен доменов), позволяющая преобразовывать имена хостов в сетевые адреса, NNTP (Network News Transfer Protocol - сетевой протокол передачи новостей), HTTP, протокол, используемый для создания страниц на World Wide Web, и многие другие.
Хост-сетевой уровень
В эталонной модели TCP/IP не описывается подробно, что располагается ниже межсетевого уровня. Сообщается только, что хост соединяется с сетью при помощи какого-нибудь протокола, позволяющего ему посылать по сети IP-пакеты. Этот протокол никак не определяется и может меняться от хоста к хосту и от сети к сети. В книгах и статьях, посвященных модели TCP/IP, этот вопрос обсуждается редко.
Базовая ЭМВОС - это модель, принятая ISO для описания общих принципов взаимодействия информационных систем. ЭМВОС признана всеми международными организациями как основа для стандартизации протоколов информационных сетей.
В ЭМВОС информационная сеть рассматривается как совокупность функций, которые делятся на группы, называемые уровнями. Разделение на уровни позволяет вносить изменения в средства реализации одного уровня без перестройки средств других уровней, что значительно упрощает и удешевляет модернизацию средств по мере развития техники.
ЭМВОС содержит семь уровней. Ниже приведены их номера, названия и выполняемые функции.
7-й уровень - прикладной (Application): включает средства управления прикладными процессами; эти процессы могут объединяться для выполнения поставленных заданий, обмениваться между собой данными. Другими словами, на этом уровне определяются и оформляются в блоки те данные, которые подлежат передаче по сети. Уровень включает, например, такие средства для взаимодействия прикладных программ, как прием и хранение пакетов в "почтовых ящиках" (mail-box).
6-й уровень - представительный (Presentation): реализуются функции представления данных (кодирование, форматирование, структурирование). Например, на этом уровне выделенные для передачи данные преобразуются из кода ЕBCDIC в ASCII и т.п.
5-й уровень - сеансовый (Session): предназначен для организации и синхронизации диалога, ведущегося объектами (станциями) cети. На этом уровне определяются тип связи (дуплекс или полудуплекс), начало и окончание заданий, последовательность и режим обмена запросами и ответами взаимодействующих партнеров.
4-й уровень - транспортный (Transport): предназначен для управления сквозными каналами в сети передачи данных; на этом уровне обеспечивается связь между оконечными пунктами (в отличие от следующего сетевого уровня, на котором обеспечивается передача данных через промежуточные компоненты сети). К функциям транспортного уровня относятся мультиплексирование и демультиплексирование (сборка-разборка пакетов), обнаружение и устранение ошибок в передаче данных, реализация заказанного уровня услуг (например, заказанной скорости и надежности передачи).
3-й уровень - сетевой (Network): на этом уровне происходит формирование пакетов по правилам тех промежуточных сетей, через которые проходит исходный пакет, и маршрутизация пакетов, т.е. определение и реализация маршрутов, по которым передаются пакеты. Другими словами, маршрутизация сводится к образованию логических каналов. Логическим каналом называется виртуальное соединение двух или более объектов сетевого уровня, при котором возможен обмен данными между этими объектами. Понятию логического канала необязательно соответствие некоего физического соединения линий передачи данных между связываемыми пунктами. Это понятие введено для абстрагирования от физической реализации соединения. Еще одной важной функцией сетевого уровня после маршрутизации является контроль нагрузки на сеть с целью предотвращения перегрузок, отрицательно влияющих на работу сети.
2-й уровень - канальный (Link, уровень звена данных): предоставляет услуги по обмену данными между логическими объектами предыдущего сетевого уровня и выполняет функции, связанные с формированием и передачей кадров, обнаружением и исправлением ошибок, возникающих на следующем, физическом уровне. Кадром называется пакет канального уровня, поскольку пакет на предыдущих уровнях может состоять из одного или многих кадров.
1-й уровень - физический (Physical): предоставляет механические, электрические, функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и разъединения логических соединений между логическими объектами канального уровня; реализует функции передачи битов данных через физические среды. Именно на физическом уровне осуществляются представление информации в виде электрических или оптических сигналов, преобразования формы сигналов, выбор параметров физических сред передачи данных.
В конкретных случаях может возникать потребность в реализации лишь части названных функций, тогда соответственно в сети имеется лишь часть уровней. Так, в простых (неразветвленных) ЛВС отпадает необходимость в средствах сетевого и транспортного уровней. В то же время сложность функций канального уровня делает целесообразным его разделение в ЛВС на два подуровня: управление доступом к каналу (МАС - Medium Access Control) и управление логическим каналом (LLC - Logical Link Control). К подуровню LLC в отличие от подуровня МАС относится часть функций канального уровня, не связанных с особенностями передающей среды.
Передача данных через разветвленные сети происходит при использовании инкапсуляции/декапсуляции порций данных. Так, сообщение, пришедшее на транспортный уровень, делится на сегменты, которые получают заголовки и передаются на сетевой уровень. Сегментом обычно называют пакет транспортного уровня. Сетевой уровень организует передачу данных через промежуточные сети. Для этого сегмент может быть разделен на части (пакеты), если сеть не поддерживает передачу сегментов целиком. Пакет снабжается своим сетевым заголовком (т.е. происходит инкапсуляция). При передаче между узлами промежуточной ЛВС требуется инкапсуляция пакетов в кадры с возможной разбивкой пакета. Приемник декапсулирует сегменты и восстанавливает исходное сообщение.
сеть протокол информационный коммутация
Базовая ЭМВОС - это модель, принятая ISO для описания общих принципов взаимодействия информационных систем. ЭМВОС признана всеми международными организациями как основа для стандартизации протоколов информационных сетей.
В ЭМВОС информационная сеть рассматривается как совокупность функций, которые делятся на группы, называемые уровнями . Разделение на уровни позволяет вносить изменения в средства реализации одного уровня без перестройки средств других уровней, что значительно упрощает и удешевляет модернизацию средств по мере развития техники.
ЭМВОС содержит семь уровней. Ниже приведены их номера, названия и выполняемые функции.
7-й уровень - прикладной (Application) : включает средства управления прикладными процессами; эти процессы могут объединяться для выполнения поставленных заданий, обмениваться между собой данными. Другими словами, на этом уровне определяются и оформляются в блоки те данные, которые подлежат передаче по сети. Уровень включает, например, такие средства для взаимодействия прикладных программ, как прием и хранение пакетов в "почтовых ящиках" (mail-box).
6-й уровень - представительный (Presentation): реализуются функции представления данных (кодирование, форматирование, структурирование). Например, на этом уровне выделенные для передачи данные преобразуются из кода ЕBCDIC в ASCII и т.п.
5-й уровень - сеансовый (Session): предназначен для организации и синхронизации диалога, ведущегося объектами (станциями) cети. На этом уровне определяются тип связи (дуплекс или полудуплекс), начало и окончание заданий, последовательность и режим обмена запросами и ответаами взаимодействующих партнеров.
4-й уровень - транспортный (Transport) : предназначен для управления сквозными каналами в сети передачи данных; на этом уровне обеспечивается связь между оконечными пунктами (в отличие от следующего сетевого уровня, на котором обеспечивается передача данных через промежуточные компоненты сети). К функциям транспортного уровня относятся мультиплексирование и демультиплексирование (сборка-разборка пакетов), обнаружение и устранение ошибок в передаче данных, реализация заказанного уровня услуг (например, заказанной скорости и надежности передачи). На транспортном уровне пакеты обычно называют сегментами.
3-й уровень - сетевой (Network) : на этом уровне происходит управление передачей пакетов через промежуточные узлы и сети, контроль нагрузки на сеть с целью предотвращения перегрузок, отрицательно влияющих на работу сети, маршрутизация пакетов, т.е. определение и реализация маршрутов, по которым передаются пакеты. Маршрутизация сводится к определению логических каналов. Логическим каналом называется виртуальное соединение двух или более объектов сетевого уровня, при котором возможен обмен данными между этими объектами. Понятию логического канала необязательно соответствие некоего физического соединения линий передачи данных между связываемыми пунктами. Это понятие введено для абстрагирования от физической реализации соединения.
2-й уровень - канальный (Link, уровень звена данных ): предоставляет услуги по обмену данными между логическими объектами предыдущего сетевого уровня и выполняет функции, связанные с формированием и передачей кадров, обнаружением и исправлением ошибок, возникающих на следующем, физическом уровне. Кадром называется пакет канального уровня, поскольку пакет на предыдущих уровнях может состоять из одного или многих кадров. В ЛВС функции канального уровня подразделяют на два подуровня: управление доступом к каналу (МАС - Medium Access Control) и управление логическим каналом ( LLC - Logical Link Control). К подуровню LLC относится часть функций канального уровня, не связанных с особенностями передающей среды. На подуровне МАС осуществляется доступ к каналу передачи данных.
1-й уровень - физический (Physical): предоставляет механические, электрические, функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и разъединения логических соединений между логическими объектами канального уровня; реализует функции передачи битов данных через физические среды. Именно на физическом уровне осуществляются представление информации в виде электрических или оптических сигналов, преобразования формы сигналов, выбор параметров физических сред передачи данных.
В конкретных случаях может возникать потребность в реализации лишь части названных функций, тогда соответственно в сети имеется лишь часть уровней. Так, в простых (неразветвленных) ЛВС отпадает необходимость в средствах сетевого и транспортного уровней.
Передача данных через разветвленные сети происходит при использовании инкапсуляции/декапсуляции порций данных. Так, сообщение, пришедшее на транспортный уровень, делится на сегменты, которые получают заголовки и передаются на сетевой уровень На сетевом уровне сегмент может быть разделен на части (пакеты), если сеть не поддерживает передачу сегментов целиком. Пакет снабжается своим сетевым заголовком (т.е. происходит инкапсуляция сегментов в пакеты). При передаче между узлами промежуточной ЛВС может потребоваться разделение пакетов на кадры (т.е. инкапсуляция пакетов в кадры). В приемном узле сегменты декапсулируются и восстанавливается исходное сообщение.
Билет №9
1. Методы доступа в локальных вычислительных сетях
Локальная вычислительная сеть включаетединицы-десятки, реже сотни компьютеров, объединяемых средой передачи данных, общей для всех узлов. Одна из типичных сред передачи данных в ЛВС - отрезок (сегмент) коаксиального кабеля. К нему через аппаратуру окончания канала данных подключаются узлы (станции данных), которыми могут быть компьютеры и разделяемое узлами периферийное оборудование. Поскольку среда передачи данных общая, а запросы на сетевые обмены у узлов появляются асинхронно, то возникает проблема разделения общей среды между многими узлами, другими словами, проблема обеспечения доступа к сети.
Доступом к сети называют взаимодействие узла сети со средой передачи данных для обмена информацией с другими узлами. Управление доступом к среде - это установление последовательности, в которой узлы получают полномочия по доступу к среде передачи данных. Под полномочием понимается право инициировать определенные действия, динамически предоставляемые объекту, например станции данных в информационной сети.
Методы доступа могут быть случайными или детерминированными. Основным используемым методом случайного доступа является метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (МДКН/ОК). Англоязычное название метода - Carrier Sense Multiple Access /Collision Detection (CSMA/CD). Этот метод основан на контроле несущей в линии передачи данных (на слежении за наличием в линии электрических колебаний) и устранении конфликтов, возникающих из-за попыток одновременного начала передачи двумя или более станциями. Устранение осуществляется путем прекращения передачи конфликтующими узлами и повторением попыток захвата линии каждым из этих узлов через случайный отрезок времени.
МДКН/ОК является децентрализованным широковещательным (broadcasting) методом. Все узлы имеют равные права по доступу к сети. Узлы, имеющие данные для передачи по сети, контролируют состояние линии передачи данных. Если линия свободна, то в ней отсутствуют электрические колебания. Узел, желающий начать передачу, обнаружив в некоторый момент времени t 1 отсутствие колебаний, захватывает свободную линию, т.е. получает полномочия по использованию линии. Любая другая станция, желающая начать передачу в момент времени t 2 > t 1 при обнаружении электрических колебаний в линии, откладывает передачу до момента t + t d , где t d - задержка.
Различают настойчивый и ненастойчивый МДКН/ОК в зависимости от того, как определяется t d . В первом случае попытка захвата канала происходит сразу после его освобождения, что допустимо при слабой загрузке сети. При заметной загрузке велика вероятность того, что несколько станций будут претендовать на доступ к сети сразу после ее освобождения, и, следовательно, конфликты станут частыми. Поэтому обычно используют ненастойчивый МДКН/ОК, в котором задержка t d является случайной величиной.
При работе сети каждая станция анализирует адресную часть передаваемых по сети кадров с целью обнаружения и приема кадров, предназначенных для нее.
Рис. 4.1 . Алгоритмы доступа по методу МДКН/ОК
На рис. 4.1 представлены алгоритмы приема и передачи данных в одном из узлов при МДКН/ОК.
Конфликты (столкновения ) возникают, когда два или большее число узлов "одновременно" пытаются захватить линию. Понятие "одновременность событий" в связи с конечностью скорости распространения сигналов по линии конкретизируется как отстояние событий во времени не более чем на величину 2d , называемую окном столкновений , где d - время прохождения сигналов по линии между конфликтующими узлами. Если какие-либо узлы начали передачу в окне столкновений, то наложение сигналов этих узлов друг на друга приводит к распространению по сети искаженных данных. Это искажение и используется для обнаружения конфликта. Это можно сделать либо сравнением в передатчике данных, передаваемых в линию (неискаженных) и получаемых из нее (искаженных), либо по появлению постоянной составляющей напряжения в линии. Последнее обусловлено тем, что используемый для представления данных манчестерский код не имеет постоянной составляющей, которая однако появляется при его искажении. Обнаружив конфликт, узел должен оповестить об этом партнера по конфликту, послав дополнительный сигнал затора, после чего станции должны отложить попытки выхода в линию на время t d . Очевидно, что значения t d должны быть различными для станций, участвующих в конфликте; поэтому t d - случайная величина. Ее математическое ожидание должно иметь тенденцию к росту по мере увеличения числа идущих подряд неудачных попыток захвата линии.
Среди детерминированных методов доступа к сети передачи данных преобладают маркерные методы доступа . Маркерные методы основаны на передаче полномочий на передачу одному из узлов сети с помощью специального информационного объекта, называемого маркером.
Применяется ряд разновидностей маркерных методов доступа. Например, в эстафетном методе передача маркера выполняется в порядке очередности; в способе селекторного опроса (квантированной передачи) сервер опрашивает станции данных и передает полномочие одной из тех станций, которые готовы к передаче. В кольцевых одноранговых сетях широко применяется тактируемый маркерный доступ, при котором маркер циркулирует по кольцу и используется станциями для передачи своих данных.
2. Комплексные автоматизированные системы. Технология EPD
Комплексная автоматизация проектирования вносит коренные изменения в технологию проектирования, начиная от подготовки исходных данных, представления справочно-информационных материалов, методов решения и оценки и до конечных операций, т. е. до изготовления и размножения проектно-сметной документации.
В настоящее время значительное число проектных институтов страны уже имеет опыт использования программ для автоматизации отдельных этапов в процессе проектирования. Опыт комплексной автоматизации проектирования пока совершенствуется и поэтому еще окончательно не отработаны стабильные методы и процедуры такого проектирования. Однако переходным звеном между применением частных программ и комплексной автоматизацией процесса проектирования" являются технологические линии автоматизированного проектирования (ТЛП), которые разрабатываются в ряде научно-исследовательских институтов нашей страны и за рубежом. ТЛП объединяют несколько совместно работающих групп (бригад) автоматизированного проектирования. Основной задачей ТЛП является повышение качества проектно-сметной документации и производительности труда проектировщиков.
При разработке проектов ТЛП может выполнять определенный комплекс проектных работ. При этом структура ТЛП имеет две подсистемы: проектирующие и обеспечивающие. Проектирующие подсистемы непосредственно участвуют в процессах разработки проекта, а обеспечивающие - занимаются технологической подготовкой процессов автоматизированного проектирования (рис. II.7)
Организацию, управление и планирование процесса проектирования в ТЛП осуществляют с помощью разработанных технологических карт, которые имеют следующие три вида: технологические карты проектирования (ТКП), исполнительные технологические карты (ИТК) и организационные технологические карты (ОТК). Основной из них при составлении поточной технологии проектирования на ТЛП является ТКП (табл. II.3), которая составляется в процессе анализа всех операций, выполняемых на технологической линии, с определением сроков проектирования и трудозатрат на каждом этапе.
Основой организации процесса проектирования является ОТК (табл. П.4), которые предназначаются для представления сведений о наличии программного обеспечения и перечня проектных операций, составляющих рассматриваемый проектный процесс.
ТЛП использует комплекс технических средств, включающих вычислительную систему, организационную технику, средства связи.
Одной из первых в нашей стране была технологическая линия по проектированию несущих каркасов гражданских зданий на основе серии ИИ-04-КОРТ (каркас ортогональный).
EPD-технологии (Elect-ronic Product Definition электронное описание изделия). В соответствии с EPD-подходом вся информация, относящаяся к одному изделию, структурируется по типу, назначению и увязывается с последовательностью технологических производственных процессов (причем, в соответствии со структурой самого изделия). EPD-технология обеспечивает разработку и поддержку электронной информационной модели на протяжении всего жизненного цикла изделия (включая маркетинг, концептуальное и рабочее проектирование, технологическую подготовку, производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию)
Билет №10
Разновидности САПР
Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например по приложению, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы - ядра САПР.
По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР:
- САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или системами MCAD (Mechanical CAD);
- САПР для радиоэлектроники: системы ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation);
- САПР в области архитектуры и строительства.
Кроме того, известно большое число специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т. п.
По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты (страты) проектирования. Так, в составе MCAD появляются рассмотренные выше CAE/CAD/CAM-системы.
По масштабам различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР, например: комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ) или комплекс анализа электронных схем; системы ПМК; системы с уникальными архитектурами не только программного (software), но и технического (hardware) обеспечений.
По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР:
1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т. е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. К этой группе систем относится большинство САПР в области машиностроения, построенных на базе графических ядер.
В настоящее время широко используют унифицированные графические ядра, применяемые более чем в одной САПР (ядра Parasolid фирмы EDS Urographies и ACIS фирмы Intergraph).
2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях, например при проектировании бизнес-планов, но они имеются также при проектировании объектов, подобных щитам управления в системах автоматики.
3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые ПМК, например имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по МКЭ, синтеза и анализа систем автоматического управления и т. п. Часто такие САПР относятся к системам САЕ. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD.
4. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проектирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий. Для управления столь сложными системами применяют специализированные системные среды.
Различают семь уровней ЭМВОС.
Аппаратура рабочих мест в автоматизированных системах проектирования и управления.
В качестве средств обработки данных в современных САПР широко
Используют рабочие станции, серверы, персональные компьютеры. Применение больших ЭВМ и в том числе суперэвм нехарактерно, так как они дороги и их отношение производительность - цена существенно ниже подобного показателя серверов и многих рабочих станций. На базе рабочих станций или персональных компьютеров создают АРМ.
Типичный состав устройств АРМ: ЭВМ с одним или несколькими микропроцессорами, дисковой, оперативной и кэш-памятью и шинами, служащими
Для взаимной связи устройств; устройства ввода-вывода, включающие в себя, как минимум, клавиатуру, мышь, дисплей; дополнительно в состав АРМ могут входить принтер, сканер, плоттер (графопостроитель) и некоторые другие периферийные устройства.
В зависимости от назначения существуют АРМ конструктора, АРМ технолога, АРМ руководителя проекта и т. П. Они могут различаться составом периферийных устройств, характеристиками ЭВМ. В АРМ конструктора (графических рабочих станциях) используются растровые мониторы с цветными трубками. Дигитайзеры, сканеры, принтеры, плоттеры могут входить в состав АРМ или разделяться пользователями нескольких рабочих станций в составе локальной вычислительной сети.
Периферийные устройства.
Для ввода графической информации с имеющихся документов в САПР используют дигитайзеры и сканеры. Дигитайзер применяют для ручного ввода. Он имеет вид кульмана, по его электронной доске перемещается курсор, на котором расположены визир и кнопочная панель. Курсор имеет электромагнитную связь с сеткой проводников в электронной доске. При нажатии кнопки в некоторой позиции курсора происходит занесение в память информации о координатах этой позиции. Таким образом может осуществляться ручная сколка чертежей. Для автоматического ввода информации с имеющихся текстовых или графических документов используют сканеры планшетного или протяжного типа. Способ считывания оптический. В сканирующей головке размещаются оптоволоконные самофокусирующиеся линзы и фотоэлементы. Разрешающая способность в разных моделях составляет от 300 до 800 точек на дюйм (этот параметр часто обозначают dpi). Считанная информация имеет растровую форму, программное обеспечение сканера представляет ее в одном из стандартных форматов, например TIFF, GIF, PCX, JPEG, и для дальнейшей обработки может выполнить векторизацию - перевод графической информации в векторную форму, например в формат DXF. Для вывода информации применяют принтеры и плоттеры. Первые из них ориентированы на получение документов малого формата (A3, А4), вторые - на вывод графической информации на широкоформатные носители. Типичная разрешающая способность принтеров и плоттеров 300 dpi, в настоящее время она повышена до 720 dpi. В современных устройствах управление
Осуществляется встроенными микропроцессорами. Типичное время вывода Монохромного изображения формата А1 находится в пределах 2 ... 7 мин, цветного - в 2 раза больше.
Компоненты математического обеспечения. Требования к математическим моделям и численным методам в САПР
К МО анализа относятся математические модели, численные методы, алгоритмы выполнения проектных процедур. Компоненты МО определяются базовым математическим аппаратом, специфичным для каждого из иерархических уровней проектирования. На микроуровне типичные математические модели представлены дифференциальными уравнениями в частных производных вместе с краевыми условиями. К этим моделям, называемым распределенными, относятся многие уравнения математической физики. Объектами исследования здесь являются поля физических величин, что требуется при анализе прочности строительных сооружений или машиностроительных деталей, исследовании процессов в жидких средах, моделировании концентраций и потоков частиц в электронных приборах и т. п.. Число совместно исследуемых различных сред (число деталей, слоев материала, фаз агрегатного состояния) в практически используемых моделях микроуровня не может быть большим ввиду сложностей вычислительного характера. Резко снизить вычислительные затраты в многокомпонентных средах можно, Только применив иной подход к моделированию, основанный на принятии определенных допущений. Допущение, выражаемое дискретизацией пространства, позволяет перейти к моделям макроуровня.
Моделями макроуровня, называемыми также сосредоточенными, являются системы алгебраических и обыкновенных Дифференциальных уравнений, поскольку независимой переменной здесь остается только время. Упрощение описания отдельных компонентов (деталей) позволяет исследовать модели процессов в устройствах, приборах, механических узлах, число компонентов в которых может доходить до нескольких тысяч. В тех случаях, когда число компонентов в исследуемой системе превышает некоторый порог, сложность модели системы на макроуровне вновь становится чрезмерной. Поэтому, принимая соответствующие допущения, переходят на функционально-логический уровень. На этом уровне используют аппарат передаточных функций для исследования аналоговых (непрерывных) процессов или аппарат математической логики и конечных автоматов, если объектом исследования является дискретный процесс, т. е. Процесс с дискретным множеством
состояний наконец, для исследования еще более сложных объектов, примерами которых могут служить производственные предприятия и их объединения, вычислительные системы и сети, социальные системы и другие подобные объекты, применяют аппарат теории массового обслуживания, возможно использование и некоторых других подходов, например сетей Петри. Эти модели относятся к системному уровню моделирования.
Основными требованиями к МО являются требования адекватности, точности, экономичности. Модель всегда лишь приближенно отражает некоторые свойства объекта. Адекватность имеет место, если модель отражает заданные свойства объекта
с приемлемой точностью. Под точностью понимают степень соответствия Оценок одноименных свойств объекта и модели. Экономичность (вычислительная эффективность) определяется затратами ресурсов, требуемых для реализации модели. Поскольку в САПР используются математические модели, далее речь пойдет о характеристиках именно математических моделей, и экономичность будет характеризоваться затратами машинных времени и памяти. Адекватность оценивается перечнем отражаемых свойств и областями Адекватности. Область адекватности - область в пространстве параметров, в пределах которой погрешности модели остаются в допустимых пределах.
Структура технического обеспечения. Требования, предъявляемые к техническому обеспечению.
Техническое обеспечение САПР включает в себя различные технические Средства (hardware), используемые для выполнения автоматизированного
Проектирования, а именно ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, а также оборудование некоторых вспомогательных систем (например, измерительных), поддерживающих проектирование.
Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:
1) выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее ПО;
2) взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;
3) взаимодействие между членами коллектива, работающими над общим проектом. Первое из этих требований выполняется при наличии в САПР вычислительных машин и систем с достаточными производительностью и емкостью памяти. Второе требование относится к пользовательскому интерфейсу и выполняется за счет включения в САПР удобных средств ввода-вывода данных и прежде всего устройств обмена графической информацией. Третье требование обусловливает объединение аппаратных средств САПР в вычислительную сеть.
В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных. Узлами (станциями
Данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами (АРМ) или рабочими станциями
(WS - Workstation), ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные устройства. Именно в АРМ должны быть средства для интерфейса проектировщика с ЭВМ. Что касается вычислительной мощности, то она может быть распределена между различными узлами вычислительной сети.
Среда передачи данных представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи и коммутационного оборудования.
В каждом узле можно выделить оконечное оборудование данных (ООД), выполняющее определенную работу по проектированию, и аппаратуру окончания канала данных (АКД), предназначенную для связи ООД со средой
Передачи данных. Например, в качестве ООД можно рассматривать персональный компьютер, а в качестве АКД - вставляемую в компьютер сетевую плату. Канал передачи данных - средство двустороннего обмена данными, включающее в себя АКД и линию связи. Линией связи называют часть физической среды, используемую для распространения сигналов в определенном направлении; примерами линий связи могут служить коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС). Близким является понятие канала (канала связи), под которым понимают средство односторонней передачи данных. Примером канала связи может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами.
Эталонная модель взаимосвязи открытых систем.
В отношении вычислительных сетей реализация концепции открытости привела к появлению эталонной модели взаимосвязи открытых систем (ЭМВОС), предложенной Международной организацией стандартизации (ISO - International
Standard Organization). В этой модели дано описание общих принципов, правил, соглашений, обеспечивающих взаимодействие информационных систем и называемых протоколами. Информационную сеть в ЭМВОС рассматривают как совокупность функций (протоколов), которые подразделяют на группы, называемые уровнями. Именно разделение на уровни позволяет вносить изменения в средства реализации одного уровня без перестройки средств других уровней, что значительно упрощает и удешевляет модернизацию средств по мере развития техники.
Различают семь уровней ЭМВОС.
На физическом уровне осуществляется представление информации в виде электрических или оптических сигналов, преобразование формы сигналов, выбор параметров физических сред передачи данных, организуется передача информации через физические среды.
На канальном уровне выполняется обмен данными между соседними узлами сети, т. е. узлами, непосредственно связанными физическими соединениями без других промежуточных узлов. Отметим, что пакеты канального уровня обычно называют кадрами.
На сетевом уровне происходит формирование пакетов по правилам тех промежуточных сетей, через которые проходит исходный пакет, и маршрутизация пакетов, т. е. определение и реализация маршрутов, по которым передаются пакеты.
На транспортном уровне обеспечивается связь между оконечными пунктами (в отличие от предыдущего сетевого уровня, на котором обеспечивается передача данных через промежуточные компоненты сети). К функциям транспортного уровня относятся мультиплексирование и демультиплексирование (сборка-разборка сообщений на пакеты в конечных пунктах).
На сеансовом уровне определяются тип связи (дуплекс или полудуплекс), начало и окончание заданий, последовательность и режим обмена запросами и ответами взаимодействующих партнеров.
На представительном уровне реализуются функции представления данных (кодирование, форматирование, структурирование).
На прикладном уровне определяются и оформляются в сообщения те данные, которые подлежат передаче по сети.