Лекция 3.

Техническое обеспечение (ТО) САПР включает в себя различные технические средства (hardware), используемые для выполнения автоматизированного проектирования, а именно вычислительные системы, ЭВМ(компьютеры), периферийные устройства, сетевое оборудование, а также оборудование некоторых вспомогательных систем (например, измерительных), поддерживающих проектирование.

Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:

-выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее ПО (при наличии ЭВМ и их систем)

-взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ ( предполагает наличие интерактивного режима работы)

-взаимодействие между членами коллектива, выполняющими работу над общим проектом (объединение 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 (АРМ) или рабочими станциями (WS — Workstation), ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные устройства.

Среда передачи данных представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи и коммутационного оборудования.

Рис. 1.  Среда передачи данных

Станция (узел) включает оконечное оборудование данных (ООД) и аппаратуру сопряжения ООД со средой передачи данных, называемую аппаратурой окончания канала данных (АКД). Примерами ООД могут служить компьютеры, контроллеры встроенного оборудования, периферийные или измерительные устройства, а в качестве АКД используются сетевые контроллеры.

Линия передачи данных — часть среды передачи данных, используемая для распространения сигналов в нужном направлении. Примерами линий передачи данных являются коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС).

Каналом связи (каналом) называют средства 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. Существуют два основных метода разделения линии передачи данных:

-метод разделения по времени, иначе Time Division Method (TDM) и

-метод разделения по частоте, иначе Frequency Division Method — FDM). При временном мультиплексировании каждому каналу периодически выделяется некоторый квант времени, а при частотном разделении — некоторая полоса частот. Канал передачи данных— средства двустороннего обмена данными, включающие АКД и линию связи.

Основными характеристиками канала или линии передачи данных являются пропускная способность, затухание сигнала, помехозащищенность.

Затухание зависит от частоты сигнала и длины линии между связываемыми узлами. Затухание   принято оценивать в децибеллах,  где   и   — мощности сигнала на входе и выходе линии соответственно.

Связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования, установил Клод Шеннон:

С = F log₂ (1 + Рс/Рш),

например, для телефонного канала при отношении сигнал/шум 30 дБ максимальная пропускная способность примерно равна 30 кбит/с

Различают бодовую (модуляционную) и информационную скорости передачи данных. Бодовая скорость измеряется в бодах, т.е. числом изменений дискретного сигнала в единицу времени, а информационная скорость определяется числом битов информации, переданных в единицу времени. Бодовая скорость   определяется полосой пропускания   линии  .

Информационная скорость   связана с полосой пропускания канала связи формулой Хартли-Шеннона  — число возможных дискретных значений сигнала. При популярных 8 дискретах фазы за период ( по 45град) и 4 отсчетов амплитуды информационная скорость в 3+2=5 раз превышает бодовую.

Следует отметить, что если на   бит приходится два перепада сигнала (импульс), то формула Хартли-Шеннона имеет вид

В зависимости от физической природы среды передачи данных различают проводные и  беспроводные каналы передачи данных.

В зависимости от способа представления информации электрическими сигналами различают аналоговые и цифровые каналы передачи данных. В аналоговых каналах передачи данных обычно используют частотное разделение сигналов (FDM), а для согласования параметров среды и сигналов применяют модуляцию. Для цифровых каналов передачи данных характерно временное мультиплексирование, т.е. разделение каналов по времени (TDM), дискретные значения передаваемых данных представляют перепадами или импульсами электрического напряжения или тока.

В зависимости от направления передачи различают симплексные каналы (односторонняя передача), полудуплексные каналы (возможность попеременной передачи в двух направлениях) и дуплексные каналы (возможность одновременной передачи в обоих направлениях). Соответственно выделяют симплексные, полудуплексные и дуплексные протоколы.

Среды передачи данных (и соответственно каналы передачи данных) могут быть коммутируемыми (общего пользования) или выделенными. Канал общего пользования попеременно используется для соединения разных узлов. Выделенный канал монопольно используется одной организацией и обслуживает соединение двух определенных двух узлов коммутации.

Виртуальным каналом называют логическое соединение узлов в отличие от физического. С помощью виртуальных каналов реализуют коммутацию пакетов или сообщений.

Вычислительные сети

Современное проектирование является коллективным процессом, этот процесс поддерживается вхождением технического обеспечения САПР в корпоративную вычислительную сеть. Участники процесса находятся на своих рабочих местах, каждый из них может работать за пультом своего компьютера, являющегося клиентским узлом, подключенным к локальной вычислительной сети (ЛВС) в своем подразделении. Разработчики обмениваются информацией между собой, периодически отсылая в базу данных (БД) результаты своей работы и извлекая из нее нужные для продолжения проектирования данные.

Для связи ЛВС между собой и с корпоративными серверами служит опорная (транспортная) сеть. Подключение ЛВС к опорной сети выполняется с помощью серверов доступа (мостов или коммутаторов).

Если предприятие имеет несколько площадок на территории одного города или в разных городах, то связь между площадками должна осуществляться с помощью территориальных сетей (WAN). При этом аренда выделенной линии связана с большими затратами средств, поэтому чаще используют связь между удаленными территориями через Internet. Для этого предприятие должно быть связано с узлом магистральной сети одного из провайдеров абонентской линией или радиоканалом.

Рис. 1.  Структура корпоративной сети

Доступ к Web-серверам необходим для информационного обслуживания сотрудников, организации Web-конференций, дистанционного обучения персонала и т.п. Сокращение временных задержек при доступе в Web-серверу достигается использованием дублирующих серверов (зеркал) и использованием кэширования данных в промежуточных proxy-серверах.

В результате вариант архитектуры вычислительной сети крупного предприятия имеет вид, представленный на рис. 2 Клиенты К извлекают нужные файлы из кэша прокси-сервер а П. Если в кэше запрошенного файла не оказалось, то П обращается к Web-серверу через Internet. Балансировщик Бл распределяет клиентские запросы на обслуживание между однотипными серверами С, т.е. выбирает один из Web-серверов, который с помощью одного из серверов приложений и сервера базы данных формирует ответ клиенту.  Брандмауэр выполняет функции защиты информации, пропуская только разрешенные сообщения.

Рис. 2.  Возможная архитектура корпоративной вычислительной сети

Основные виды топологии соединений узлов в ЛВС — шинная (bus), кольцевая (ring), звездная (star). Шинная топология характерна тем, что связь между любыми двумя станциями устанавливается через один общий путь и данные, передаваемые любой станцией, одновременно становятся доступными для всех других станций. подключенных к этой же среде передачи данных. В сети кольцевой топологии узлы связаны кольцевой линией передачи данных и последние поочередно становятся доступными всем узлам сети. В случае звездной топологии имеется центральный узел, от которого расходятся линии передачи данных к каждому из остальных узлов.

Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, то есть все компьютеры в такой сети имеют одинаковые права в отношении доступа к другим компьютерам.

При построении больших сетей однородная структура связей превращается из преимущества в недостаток - порождаются различные ограничения, важнейшими из которых являются ограничения на длину связи между узлами; ограничения на количество узлов в сети; ограничения на интенсивность трафика. Если компьютеры интенсивно обмениваются информацией между собой, иногда приходится снижать число подключенных к кабелю компьютеров до 20, а то и до 10, чтобы каждому компьютеру доставалась приемлемая доля общей пропускной способности сети.

Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети - физическая (понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля), и логическая - конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Для логической структуризации сети используются такие коммуникационные устройства, как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

Сети также различают в зависимости от используемых в них протоколов и по способам коммутации.

Под протоколом понимается набор семантических и синтаксических правил, определяющий поведение функциональных блоков информационной системы при ее функционировании. Под коммутацией данных понимается их передача, при которой канал передачи данных может использоваться попеременно для обмена информацией между различными пунктами информационной сети. Различают следующие способы коммутации данных:

- коммутация каналов — осуществляется соединение ООД двух или более станций данных и обеспечивается монопольное использование канала передачи данных до тех пор, пока соединение не будет разомкнуто;

- коммутация сообщений — характеризуется тем, что создание физического канала между оконечными узлами необязательно и пересылка сообщений происходит без нарушения их целостности. Вместо физического канала имеется  виртуальный канал, состоящий из физических участков, и между участками возможна буферизация сообщения;

- коммутация пакетов — сообщение передается по виртуальному каналу, но оно разделяется на  пакеты, при этом канал передачи данных занят только во время передачи пакета (без нарушения его целостности) и по ее завершении освобождается для передачи других пакетов. В случае коммутации пакетов задержка увеличивается, во-первых, из-за появления заголовков у всех пакетов, что увеличивает суммарную длину передаваемых пакетов, во-вторых, за счет буферизации пакетов и ожидания в очередях в коммутаторах, в-третьих , за счет потерь времени на пакетизацию. Однако общая производительность сети при коммутации каналов оказывается низкой из-за обычных значительных пауз в обмене данными между участниками связи. При коммутации пакетов эти паузы заполняются передачей пакетов других сообщений, т.е. линии связи разделяются многими узлами более эффективно.

Коммутация пакетов возможна с установлением и без установления соединения. При коммутации с установлением соединения пакеты одного и того же сообщения направляются по одному и тому же маршруту, выбираемому маршрутизаторами предварительно во время процедуры установления соединения. Маршрутизация без установления соединения, называемая также дейтаграммной, выполняется без предварительного выбора маршрута. При этом пакеты называют дейтаграммами. Дейтаграммы передаются независимо друг от друга, каждая по своему маршруту, выбираемому маршрутизаторами в зависимости от текущего состояния сети. Поэтому дейтаграммы одного и того же сообщения могут поступать к адресату в произвольной последовательности, что требует дополнительных операций по сборке сообщения из дейтаграмм в узле-получателе.

Эталонная модель взаимосвязи открытых систем (ЭМВОС) является примером системного подхода к проблемам информационных сетей.

.

В стандарте выполнена структуризация распределенных информационных систем (сетей) в виде разделения функций систем на группы, называемые уровнями ЭМВОС. 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 от ISO признана международными организациями как основа для стандартизации протоколов информационных сетей.

ЭМВОС содержит семь уровней.

• физический уровень (Physical): работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными; реализуются функции преобразования формы сигналов, выбираются параметры физических сред.

• канальный уровень(link) –физическая адресация, функции, связанные с формированием и передачей кадров, обнаружением и исправлением ошибок, возникающих на физическом уровне. Кадром называют пакет канального уровня, пакеты на следующих уровнях могут состоять из одного или многих кадров.

Из-за сложности канальный уровень расщеплен на два подуровня: управление доступом к среде - MAC — Medium Access Control (доступ к каналу передачи данных) и управление логическим каналом -LLC — Logical Link Control включает часть функций канального уровня, не связанных с особенностями передающей среды.

• сетевой уровень (Network): определение маршрута и логическая адресация – передача пакетов через промежуточные узлы и сети, контроль нагрузки на сеть с целью предотвращения перегрузок.

• транспортный уровень (Transport): прямая связь между конечными пунктами и надежность - управления сквозными каналами в сети передачи данных. На транспортном уровне пакеты обычно называют сегментами.

• сеансовый уровень (Session): управление сеансами связи, тип связи (дуплекс или полудуплекс), начало и окончание заданий, последовательность и режим обмена запросами и ответами взаимодействующих партнеров.

• представительный уровень (Presentation): преобразование протоколов, кодирование-декодирование данных ( форматирование, структурирование).

• прикладной уровень (Application): доступ к сетевым службам ( HTTP, FTP).

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 происходит разделение пакетов на кадры (т.е. инкапсуляция пакетов в кадры). Структура образующегося кадра представлена на рис. 1. В приемном узле сегменты декапсулируются и восстанавливается исходное сообщение.

Рис. .  Структура кадра

Поскольку среда передачи данных общая, а запросы на сетевые обмены у узлов появляются асинхронно, то возникает проблема разделения общей среды между многими узлами, проблема обеспечения доступа к сети - установление последовательности, в которой узлы получают право инициировать определенные действия.

Методы доступа могут быть случайными или детерминированными. Основным 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). 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 в шинной структуре узлов сети.

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   отсутствие колебаний, захватывает свободную линию, т.е. получает полномочия по использованию линии. Любая другая станция, желающая начать передачу в момент времени   при обнаружении электрических колебаний в линии, откладывает передачу до момента  , где   — задержка, причем   является случайной величиной. В сетях Ethernet значения этой задержки выбираются в диапазоне от 9,6 до 51,2 мкс.

В состав аппаратуры (рис. 2) шинных ЛВС с методом МДКН/ОК входят:

transiver (приемопередатчик) — устройство для электрического соединения АКД с

линией передачи данных.

Рис. 2.  Состав аппаратуры шинных ЛВС

Если длина кадра выбрана ниже некоторой пороговой величины  , то не исключено, что передающая станция не "заметит" конфликта и будут переданы искаженные данные. Величина   определяется из условия  , где   — информационная скорость. Так, если максимальная длина линии связи составляет   = 2,5 км при скорости передачи   = 10 Мбит/с, то минимальная длина кадра приблизительно равна   (2·2,5·10³·10⁷) / (2·10⁸) = 250 бит.

В цифровых каналах передачи данных для представления двоичной информации преимущественно используют самосинхронизирующиеся коды. Примером такого кода может служить манчестерский код, в котором единица представлена положительным, а ноль отрицательным перепадом. Самосинхронизация обеспечивается благодаря формированию синхроимпульсов из перепадов, имеющихся в каждом такте манчестерского кода. Самосинхронизация избавляет от необходимости иметь дополнительную линию связи для передачи синхронизирующих импульсов.