Технические средства сапр

Пасьянс "Косынка" наносит мировой экономике ущерб примерно 800 трлн. долл. ежегодно, за счет потери рабочего времени.

Cisco Systems считает, что с 2007 по 2012 гг. количество IP-трафика будет удваиваться каждые 2 года.

Компьютерные сети (сети передачи данных)

Компьютерные сети, называемые также вычислительными сетями, или сетями передачи данных, являются логическим результатом эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилизации – компьютерных и телекоммуникационных технологий. С одной стороны, сети представляют собой частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. С другой стороны, компьютерные сети могут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния, для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных, получившие развитие в различных телекоммуникационных системах.

Эволюция вычислительных систем (слайд 2)

Примеры сетей: водопроводы Древнего Рима; электрические сети, в которых присутствуют все компоненты любой территориальной сети:

– источники ресурсов – электростанции;

– магистрали (первичные или опорные сети) – высоковольтные линии электропередачи;

– сеть доступа (наложенная сеть) – трансформаторные подстанции;

– клиентское оборудование – электроприемники.

50-е гг., системы пакетной обработки: первые компьютеры большие, громоздкие и дорогие; не предназначены для интерактивной работы пользователя, а для работы в режиме пакетной обработки – самого эффективного режима использования вычислительной мощности.

Начало 60-х гг., многотерминальные системы: режим разделения времени; вычислительная мощность – централизованная, ввод и вывод данных – распределенные.

Многотерминальные системы – первый шаг на пути создания локальных вычислительных сетей.

Глобальные сети (WAN – Wide Area Network): хронологически первые, объединяющие территориально рассредоточенные компьютеры. Именно при построении глобальных сетей были впервые предложены и отработаны многие основные идеи и концепции современных вычислительных сетей: многоуровневое построение коммуникационных протоколов, технология коммутации пакетов, маршрутизация пакетов в составных сетях.

WAN многое унаследовали от более старых и распространенных глобальных сетей – телефонных. Главный результат создания первых глобальных компьютерных сетей – отказ от принципа коммутации каналов, который использовался в телефонных сетях. Выделяемый на все время сеанса связи составной канал с постоянной скоростью не мог эффективно использоваться пульсирующим трафиком компьютерных данных, у которого периоды интенсивного обмена чередуются с продолжительными паузами. Натурные эксперименты и математическое моделирование показали, что пульсирующий и в значительной степени не чувствительный к задержкам компьютерный трафик гораздо эффективнее передается сетями, использующими принцип коммутации пакетов (данные разделяются на небольшие порции – пакеты, которые самостоятельно перемещаются по сети за счет встраивания адреса конечного узла в заголовок пакета).

Так как прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния очень дорога, то в первых глобальных сетях использовались существующие каналы связи, изначально предназначенные для других целей. Отсюда – низкие скорости и значительные искажения.

Прогресс глобальных сетей во многом зависел от развития телефонных сетей. С конца 60-х гг. – передача голоса в цифровой форме, появление высокоскоростных цифровых каналов между АТС. Была разработана технология РDH для создания первичных, или опорных, сетей. Такие сети не предоставляют услуг конечным пользователям. Цифровые каналы первичных сетей соединяют оборудование наложенной сети, которая уже работает на конечного пользователя. Скорости: PDH – до 140 Мбит/с, SDH – до 10 Гбит/с, DWDM – до сотен гигабит и терабиты в сек.

Локальные сети (LAN – Local Area Network): компактны по территориальному признаку. Первые сети использовали различное оборудование и ПО для сопряжения компьютеров в сети. В середине 80-х гг. утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть: Ethernet, Token Ring, позже – FDDI. Все стандартные технологии также опирались на принцип коммутации пакетов. Для создания сети достаточно стало приобрести сетевые адаптеры соответствующего стандарта, например Ethernet, стандартный кабель, присоединить адаптеры к кабелю стандартными разъемами и установить сетевую операционную систему. Широкий и простой доступ к многочисленным услугам и ресурсам стал возможен в локальных сетях благодаря качественным линиям связи.

В конце 90-х гг. наибольшее распространение получило семейство Ethernet, в которое входят классическая технология Ethernet 10 Мбит/с, Fast Ethernet 100 Мбит/с и Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с.

Отличия между локальными и глобальными сетями (на конец 80-х гг.) слайд 3

	Локальные сети	Глобальные сети
Протяженность линий связи	небольшая	значительная
Качество каналов связи	высокое	низкое
Методы передачи данных	простые	сложные (ввиду низкой надежности каналов связи)
Скорость обмена данными	10, 16, 100 Мбит/с	от 2,4 кбит/с до 2 Мбит/с
Разнообразие услуг	широкое	низкое
Масштабируемость	плохая (из-за жесткости базовых топологий)	хорошая

Различия стали сглаживаться ввиду развития цифровых каналов передачи данных. Также помогло доминирование протокола IP, который используется сегодня поверх любых технологий локальных и глобальных сетей – Ethernet, Token Ring, ATM, frame relay – для создания из различных подсетей единой составной сети.

Архитектура информационно-вычислительных сетей

При физическом соединении двух и более компьютеров образуется компьютерная сеть. В общем случае, для создания компьютерных сетей необходимо специальное аппаратное обеспечение (сетевое оборудование) и специальное программное обеспечение (сетевые программные средства). Простейшее соединение двух компьютеров для обмена данными называется прямым соединением.

Основная задача при создании компьютерных сетей (слайд 4) – обеспечение совместимости оборудования по электрическим и механическим характеристикам и совместимости информационного обеспечения (программ и данных) по системе кодирования и формату данных. Решение этой задачи относится к области стандартизации и основано на так называемой модели OSI (модель взаимодействия открытых систем – Model of Open System Interconnections). Она создана на основе технических предложений Международного института стандартов ISO (International Standard Organization).

Открытая система: абонентская система, использующая при обменах информацией с другими абонентскими системами в масштабах сети унифицированный, согласно принятой модели взаимосвязи) набор стандартов. Это означает, что реальная абонентская система представляется для других партнеров сети единым стандартным образом, который не зависит от аппаратного состава ЭВМ, систем программирования, типов операционных систем, внешних устройств и т.д.

Согласно модели ISO/OSI архитектура компьютерных сетей представляется в виде совокупности иерархических уровней (общее число уровней – до 7). Самый верхний уровень – прикладной. На этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний – физический. Он обеспечивает обмен сигналами между устройствами.

Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных уровней архитектуры компьютерной сети действуют специальные стандарты (соглашения) – протоколы. Они определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети (аппаратные протоколы) и характер взаимодействия программ и данных (программные протоколы). Физически функции поддержки протоколов исполняют аппаратные устройства (интерфейсы) и программные средства (программы поддержки протоколов – их тоже называют протоколами).

В соответствии с используемыми протоколами компьютерные сети подразделяются:

– локальные (LAN – Local Area Network): единый комплект протоколов для всех участников; компактны по территориальному признаку;

– глобальные (WAN – Wide Area Network): объединяют как отдельные компьютеры, так и отдельные локальные сети, в том числе и использующие различные протоколы; география обширна.

Назначение всех видов сетей:

– обеспечение совместного использования аппаратных и программных ресурсов сети;

– обеспечение совместного доступа к ресурсам данных.

Например, все участники сети могут использовать одно устройство печати (сетевой принтер) или ресурсы жестких дисков одного выделенного компьютера (файлового сервера). Если все компьютеры сети общаются друг с другом на равных, то такие сети называются одноранговыми.

Для связи между собой нескольких локальных сетей, работающих по разным протоколам, служат специальные средства – шлюзы. Они могут быть аппаратными (шлюзовой сервер) и программными (компьютерная программа).

Режимы передачи данных в сети:

– симплексный – передача данных только в одном направлении (телевидение, радиовещание); информация может собираться с помощью датчиков, а потом передаваться для обработки на ЭВМ (телеметрия); в вычислительных сетях практически не используется;

– полудуплексный (поочередно двунаправленный) – обеспечивает попеременную передачу информации, источник и приемник информации последовательно меняются местами;

– дуплексный – одновременная передача и прием сообщений (телефонный разговор); наиболее скоростной режим работы, позволяет эффективно использовать вычислительные возможности быстродействующих ЭВМ.

Протокол, интерфейс, стек протоколов

Протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах.

И нтерфейсы – правила взаимодействия модулей соседних уровней в одном узле. Иначе говоря, объекты смежных уровней взаимодействуют друг с другом через общую границу (интерфейс).

Группа протоколов, которые управляют обменом информацией между физически удаленными абонентскими системами, и набор интерфейсов, которые управляют обменом между смежными уровнями, образуют стек протоколов. Для обеспечения взаимодействия двух систем в каждой из них должна выполняться одна и та же группа протоколов стека. Таким образом, при выполнении одинакового стека протоколов абонентские системы могут иметь различные операционные системы. Например, персональная ЭВМ, работающая под DOS и выполняющая стек TCP\IP, может взаимодействовать с персональной ЭВМ Macintosh, если на ней также функционирует TCP\IP.

Краткая характеристика уровней модели ISO/OSI (слайд 5)

Уровень	Назначение
7. Прикладной	набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователь использует возможности сети
6. Представления	определяет форму представления информации, не меняя ее содержания
5. Сеансовый	управление взаимодействием: определение активной стороны, синхронизация связи
4. Транспортный	надежность передачи: срочность, восстановление прерванной связи, обнаружение и исправление ошибок
3. Сетевой	образование единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей; сети могут использовать различные принципы передачи сообщений и обладать произвольной структурой связей
2. Канальный	формирование кадров, физическая адресация (точка-точка), разделение передающей среды, контроль ошибок
1. Физический	определение характеристик электрических сигналов, передающих дискретную информацию; стандартизация типов разъемов и назначения каждого контакта

Уровни модели OSI

Физический уровень

Имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель, цифровой территориальный канал).

Относятся:

характеристики физических сред передачи данных (полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и т.д.);

характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию (крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения и тока, тип кодирования, скорость передачи сигналов);

типы разъемов и контактов.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера эти функции выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

Канальный уровень

На физическом уровне пересылаются просто биты, при этом не учитывается, что среда передачи может быть занята. Поэтому одна из функций канального уровня – проверка доступности среды передачи. Другая функция – реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы – кадры (frames).

Когда кадр приходит по сети, получатель вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, то кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров.

Функция исправления ошибок не является обязательной для канального уровня, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует (сети Ethernet и Frame relay).

Локальные сети: канальный уровень обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами сети, но делает это только в сети с определенной топологией, для которой был разработан.

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи (протоколы "точка – точка").

В сетях любых топологий и технологий для обеспечения качественной транспортировки сообщений функций канального уровня недостаточно, поэтому в модели OSI решение этой задачи возлагается на два следующих уровня – сетевой и транспортный.

Типовые топологии сетей

Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант громоздок и неэффективен. Каждый ПК должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных ПК сети. Для каждой пары ПК должна быть выделена отдельная физическая линия связи. В крупных сетях используется редко.

Ячеистая топология получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей. Допускает соединение большого количества ПК и характерна, как правило, для крупных сетей.

Кольцевая конфигурация: данные передаются по кольцу от одного ПК к другому. Главное достоинство кольца – по своей природе обладает свойством резервирования связей (любая пара узлов связана двумя путями – по и против часовой стрелки). Оборот данных по кольцу позволяет отправителю контролировать процесс доставки данных адресату. Это же свойство используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. Недостаток: необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какого-либо ПК не прерывался канал связи между остальными ПК.

Топология звезда образуется в случае, когда каждый ПК подключается отдельным кабелем к общему центральному устройству – концентратору. В качестве концентратора может выступать как компьютер, так и специализированное устройство – многовходовый повторитель, коммутатор, маршрутизатор. Недостатки:

более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения специализированного центрального устройства;

возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора.

Иерархическая звезда, или дерево: сеть с использованием нескольких концентраторов, соединенных между собой иерархическими связями типа "звезда". В настоящее время является самым распространенным типом топологии связей, как в локальных, так и в глобальных сетях.

Конфигурация общая шина: частный случаи топологии "звезда"; в качестве центрального элемента выступает пассивный кабель, к которому по схеме "монтажного ИЛИ" подключается несколько ПК. Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем ПК, присоединенным к этому кабелю. Основное преимущество – дешевизна и простота наращивания (присоединения новых узлов к сети). Недостатки:

низкая надежность: любой дефект кабеля или какого-нибудь из его разъемов полностью парализует всю сеть;

невысокая производительность: в каждый момент времени только один ПК может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность канала всегда делится между всеми узлами сети.

До недавнего времени общая шина была самой распространенной топологией для локальных сетей.

Небольшие сети имеют, как правило, типовую топологию, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между ПК. В таких сетях можно выделить отдельные, произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией.

Сетевой уровень

Служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно разные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей.

Протоколы канального уровня локальных сетей обеспечивают доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией (например, иерархическая звезда). Это очень жесткое ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой (объединение нескольких сетей в единую, высоконадежные сети с избыточными связями между узлами). Чтобы сохранить простоту процедур передачи данных в сетях с типовой топологией и в то же время допустить произвольные топологии, вводится дополнительный сетевой уровень.

Внутри сетей доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, между сетями – сетевой.

Сети соединяются между собой специальными устройствами – маршрутизаторами. Маршрутизатор – устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для передачи данных между сетями нужно совершить несколько транзитных передач между сетями – хопов (hop – прыжок), каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут – последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, ее решение – одна из главных задач сетевого уровня.

Обычно критерием является время прохождения маршрута:

– в локальных сетях совпадает с длиной маршрута, которая измеряется количеством пройденных узлов маршрутизации;

– в глобальных сетях учитывается также и время передачи пакета по каждой линии связи, включая задержку, связанную с буферированием пакетов в системных очередях.

Другим критерием может быть надежность передачи.

Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами. При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие "номер сети". В этом случае адрес получателя состоит из старшей части – номера сети и младшей – номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса. Поэтому термин "сеть" на сетевом уровне может иметь определение: сеть – это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети.

На сетевом уровне определяются два вида протоколов:

сетевые протоколы: реализуют продвижение пакетов через сеть (протокол IP стека протоколов TCP\IP);

протоколы маршрутизации: маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений.

Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР

Телекоммуникационные средства – технические устройства для приема и передачи информации на большие расстояния.

Локальные компьютерные сети – между компьютерами небольшие расстояния.

Глобальные – Internet, Intranet.

Модем (модулятор-демодулятор) – устройство, подключаемое к компьютеру и позволяющее посылать и принимать данные через телефонную сеть (позволяют набирать заказываемый телефонный номер, осуществлять дозвон, "поднимать" телефонную трубку, работать в режиме автоответчика, записывая принимаемые голосовые сообщения в файлы на диске).

Принцип работы и характеристики модема.

Модем как устройство связи между компьютером и телефонной линией предназначен для автоматического преобразования цифровых электрических сигналов в аналоговые и обратно. Это связано с тем, что компьютер работает только с цифровыми сигналами, а телефонные линии – только с аналоговыми.

Процесс преобразования цифрового сигнала в аналоговый называется модуляцией, а обратный – демодуляцией.

Аналоговый сигнал обычно характеризуется тремя параметрами: амплитудой, частотой и фазой. Современные модемы используют в своей работе все три характеристики аналогового сигнала. Модем принимает от компьютера 3 бита информации, а затем посылает в линию аналоговый сигнал, амплитуда которого определяется первым принятым битом, частота – вторым и фаза – третьим. Модем-приемник, получив такую информацию, расшифровывает аналоговый сигнал и преобразует его в три переданных бита. Исходным аналоговым сигналом является сигнал несущей частоты, используемой в телефонных линиях связи, который и подвергается преобразованиям модемом-передатчиком. Наличие сигнала несущей частоты в телефонной линии является признаком того, что связь между модемами установлена.

Пропускная способность модема – основная характеристика модема, определяется как произведение двух составляющих:

 скорость передачи информации – измеряется в бодах и определяется способностью модема переключаться с одного аналогового сигнала на другой (если модем за секунду изменяет характеристики аналогового сигнала 2400 раз, то он имеет скорость передачи данных 2400 бод);

 объем цифровой информации в одном аналоговом сигнале определяется количеством битов, упакованных в этом сигнале.

Измеряется в bps (бит/сек), если модем имеет скорость 2400 бод, а аналоговый сигнал несет информацию о 4 битах, то пропускная способность модема составит 9600 bps.

Два модема при установке связи должны работать на одной и той же скорости и использовать один и тот же способ модуляции, иначе связь не может быть установлена. Поэтому каждый модем имеет стандартную скорость передачи данных (9600, 14400, 28800 и 33600 bps). Любой модем должен поддерживать не только свою максимальную скорость, но и все меньшие, чтобы подстраиваться под более медленный модем.

Сканирование

OCR – оптическое распознавание.

Рынок средств распознавания в России делят две компании – Cognitive Technologies и BIT Software.

Образ, создаваемый сканером в памяти компьютера, является битовой картой, или растром. Для хранения одной точки или пиксела (pixel – “picture element”) монохромного изображения требуется 1 бит информации.

Битовая карта с листа А4 с разрешением 300 точек на дюйм содержит число точек = 8 700 867, это больше чем 1 Мб ( 1 Мб = 8 388 608 бит). Для воспроизведения 16 оттенков серого цвета или 16 цветов необходимо 4 бита на точку, которые дают 16 комбинаций (2⁴ = 16). При использовании 8 бит/т – 256 оттенков серого или цветов (2⁸ = 256, 8 бит = 1 байт).

Реальные стандарты цветопередачи:

HighColor – 65 536 цветов, 2 байт/т;

TrueColor – 16 777 216 цветов, 3 байт/т.