«Основы построения открытых систем Учебное пособие / М., ИРЭ РАН. 1999 - 97 с. Батоврин В.К. (введ., гл.2, закл.), Дешко И.П. (гл.6), Журавлев Е.Е. (гл.1), Коваленко С.М. (гл.З), Кочемасов А.В. (гл.5), Лебедев А.В. ...»

УДК 681.3

Основы построения

открытых систем

Учебное пособие / М., ИРЭ РАН. 1999 - 97 с.

Батоврин В.К. (введ., гл.2, закл.), Дешко И.П. (гл.6), Журавлев Е.Е.

(гл.1), Коваленко С.М. (гл.З), Кочемасов А.В. (гл.5), Лебедев А.В. (гл.2),

Мордвинов В.А. (гл.6), Олейников А.Я. (введ., гл.7, закл.), Петров А.Б.

(гл.1), Смирнов Н.А. (гл.З), Теряев Е.Д. (гл.5), Тювин Ю.Д. (гл.З). Под

ред. Олейникова А.Я. Излагаются основные подходы к анализу, синтезу и построению открытых информационных, вычислительных и телекоммуникационных систем.

Учебное пособие предназначено для широкого круга студентов и аспирантов, обучающихся по направлениям подготовки 190000, 200000, 210000, 220000 и других.

Печатается в рамках проекта А 0086 "Центр открытых систем" Федеральной целевой программы "Интеграция".

Москва ©ИРЭ-МИРЭА 2 Содержание.

Введение

Глава 1. Информационные системы

1.1. Понятие информационной системы

1.2. Требования к информационным

системам.

1.3. Информационная модель и ее элементы

1.4. Разработка математической и программной моделей ИУС......... Выводы по главе 1

Глава 2. Информационно-измерительные системы.

2.1. Общие сведения

2.2. Модель взаимосвязи открытых систем

2.4. Передача данных в ИИС

2.5. Магистрально – модульные системы

Глава 3. Вычислительные машины системы и сети.

3.1. Вычислительные системы

3.2. Вычислительные сети

3.3. Сетевые службы и услуги

3.4. Многоуровневый подход. Интерфейс. Протокол.

3.5. Модель OSI

Глава 4. Информационно-вычислительные системы и сети

4.1. Понятие информационно-вычислительные системы и сети......... 4.2. Основные требования по обеспечению мобильности программ и данных в открытых ИВС.

4.3. Стандарты, поддерживающие создание мобильных прикладных программ.

4.4. Базы данных в концепции открытых систем

5.1. Свойства интерфейсовых систем информационного обмена и локальных вычислительных сетей.

5.1.1. Определение СИО и ЛВС.

5.1.2. Анализ СИО и ЛВС как больших систем.

5.1.3. СИО и ЛВС, реализующие заданный класс алгоритмов.......... обмена в условиях возникновения неисправностей.

Глава 6. Глобальные информационные и телекоммуникационные сети 6.1 Согласование протоколов в составных сетях

6.2 Цифровые сети с интеграцией служб

6.3. Технология АТМ, широкополосные цифровые сети

с интеграцией служб

Глава 7. Основы концепции открытых систем

7.1. Области применения ТОС

7.2. Эталонная модель среды открытых систем

7.3. Понятие профиля

7.4. Технологический цикл построения открытых систем

7.5. Разработка профилей

3 Выводы по главе 7

Термины и определения :

Список сокращений :

4 УДК 681. Батоврин В.К. (введ., гл.2), Дешко И.П. (гл.6), Журавлев Е.Е. (гл.1), Коваленко С.М. (гл.З), Кочемасов А.В. (гл.5), Лебедев А.В. (гл.2), Мордвинов В.А. (гл.6), Олейников А.Я. (введ., гл.7), Петров А.Б. (гл.1), Смирнов Н.А.

(гл.З), Теряев Е.Д. (гл.5), Тювин Ю.Д. (гл.З). Под ред. Олейникова А.Я. Теоретические основы построения открытых систем: Учебное пособие / М., ИРЭ РАН. 1999 - 000 с.

Излагаются основные подходы к анализу, синтезу и построению открытых информационных, вычислительных и телекоммуникационных систем.

Учебное пособие предназначено для широкого круга студентов и аспирантов, обучающихся по направлениям подготовки 190000, 200000, 210000, 220000 и других.

Табл.- 000. ил.- 000. библиогр.- 000.

Печатается в рамках проекта А 0086 "Создание Центра открытых систем" Федеральной целевой программы "Интеграция".

Своевременная, полная и надежная информация представляет собой необходимый компонент для принятия обоснованных решений, являясь фактором, обеспечивающим той или иной группе или организации решающее преимущество в любой из областей современной деятельности. Поэтому развитие информационных и телекоммуникационных технологий в настоящее время следует рассматривать как необходимое условие существования и поддержания функционирования как мировой системы хозяйства в целом, так и отдельных национальных инфраструктур.

Развитие новых технологий в сфере информатизации и телекоммуникаций и формирование глобального информационного пространства обусловливается происходящим в течение последних 20 лет фантастическим прогрессом в области аппаратно-программных компонент компьютерной техники и аппаратуры связи. Прежде всего, к этому следует отнести внедрение в массовое производство дешевых и вместе с тем достаточно мощных микропроцессоров (МП) и других компонент вычислительной техники, предназначенной, в основном, для персональных компьютеров, а также для серверов и рабочих станций. Характеристики этих компонент совершенствуются настолько стремительно, что разработчики зачастую не успевают разрабатывать для них приложения. Так, по заявлению руководства компании Интел, уже к маю 1997 она имела опытные образцы процессоров с тактовой частотой 1 ГГц и специалисты компании уверены, что им удастся увеличить эту цифру на порядок к 2011 г. Не отстают и другие фирмы. Например, в настоящее время проводятся разработки бездисковых массивов энергонезависимой памяти со временем выборки порядка десятков нс, которые смогут заменить обычные жесткие диски. Компании Microsoft, Compaq и Oracle заключили соглашение о согласовании стандартов и начале производства новых типов модемов и связной аппаратуры на основе технологии ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), что уже сегодня позволяет конечным пользователям увеличить скорости подключения к Internet на порядок и более, используя обычные телефонные линии. Планируется также запуск серий спутников, предназначенных для обеспечения непосредственной связи с конечными пользователями через космос.

Процесс массовой, глобальной компьютеризации последних лет, несмотря на впечатляющее развитие микроэлектроники, не был бы, однако, возможен, если бы в свое время фирма IВМ не заложила в своих первых моделях персональных компьютеров IBM РС принцип "открытой" архитектуры1. Соблюдение этого принципа рядом независимых производителей приПод "открытой" архитектурой тогда понималось следующее: полное описание компьютера является открытым и доступным для независимых разработчиков, его шина используется многими адаптерами периферийных устройств, ее протокол также подробно описан, правила взаимодействия программ с периферийными устройствами являются рекомендованными стандартами de-facto, процессор обладает некоторым стандартным набором команд.

водило автоматически к совместимости форматов файлов и обмена данными, взаимозаменяемости деталей и узлов, возможности использования одних и тех же программных продуктов без какой-либо дополнительной адаптации, и т.д. Все это, наряду с рядом удачных технических решений, примененных ПЗМ в своих "персоналках", привело к быстрому росту выпуска РСсовместимых компьютеров и последовавшим за этим процессом массовой компьютеризации, затронувшим практически все сферы человеческой деятельности. В условиях массового выпуска такие системы оказались относительно дешевы2, а их дальнейшее развитие в совокупности с необходимостью их интеграции в локальные/глобальные сети и информационновычислительные комплексы, имеющие в своем составе аппаратуру от различных производителей, способствовало развитию подхода, называемого ныне "принципами открытых систем".

На сегодня необходимым условием продвижения в сфере информационных технологий является широкое внедрение стандартов и технологий открытых систем, используемых как для аппаратных средств, так и для программных продуктов. Построение программного обеспечения (ПО) вычислительных и информационных комплексов, основанных на идеологии открытых систем, позволяет успешно решать задачи переносимости ПО на платформы различных производителей, проблемы взаимозаменяемости узлов и устройств и, что самое главное, обеспечивает интеграцию устройств и пользователей в различные информационно-вычислительные и телекоммуникационные сети. Следует особо подчеркнуть то обстоятельство, что на сегодняшний день успешная реализация сколько-нибудь существенных проектов в области информационно-вычислительной техники, управления, информатизации и телекоммуникаций не представляется возможной без согласования разработок с существующими стандартами в области открытых систем и, в ряде случаев, разработки новых стандартов.

В условиях перехода к интегрированным вычислительно-телекоммуникационным системам принципы открытых систем составляют основу технологии интеграции, создания отраслевых, региональных и национальных информационных инфраструктур и их взаимодействия в глобальном масштабе. Таким образом можно сделать вывод, что технология открытых систем в настоящее время является той рабочей средой, в рамках которой происходит развитие приоритетных информационно-телекоммуникационных технологий, средств телекоммуникаций и вычислительной техники.

На сегодня не существует однозначно устоявшегося определения термина "открытые системы". Различные организации формулируют его поразному, исходя из своих конкретных задач. Согласно IEEE, например, "открытая система - это исчерпывающая и последовательная совокупность межДля сравнения: на июль 1999 розничная цена микросхемы 400-МГц процессора для платформы SUN составляла около 7000 долл., в то время как MII 333-МГц кристалл разработки IBM для РС-совместимых компъютеров стоил менее 40 долл.

дународных стандартов в области информационных технологий и функциональных профилей стандартов, которая специфицирует интерфейсы, службы и поддерживающие форматы для достижения взаимодействия и переносимости приложений, данных и персонала" (подробнее этот вопрос будет рассмотрен в главе 1).

Главное здесь – переход от множества платформ, поддерживаемых только их создателями, к общепринятым стандартам, поддерживаемым всем компьютерным сообществом. Масштабный переход к архитектурам и технологиям открытых систем начался более 10 лет назад и был обусловлен, в основном, двумя проблемами.

(1) – проблемой мобильности программ и массивов данных, (2) - проблемой создания распределенных информационных инфраструктур, обеспечивающих организацию удаленного взаимодействия программно-аппаратных средств и массивов данных.

В качестве классического примера открытой системы можно привести операционную систему UNIX, базовая версия которой была разработана в конце 60-х г.г. К. Томпсоном и Д. Ритчи. Несмотря на большое количество разных реализаций UNIX, их форматы файлов полностью совместимы друг с другом, и, как правило, совместимо также программное обеспечение. На основе UNIX систем легко могут быть построены локальные и глобальные сети практически любой конфигурации.

Принципы открытых систем применяются в настояшее время при построении большинства классов систем: вычислительных, информационных, телекоммуникационных, систем управления в реальном масштабе времени, встроенных микропроцессорных систем. В условиях перехода к интегрированным вычислительно-телекоммуникационным системам принципы открытых систем составляют основу технологии интеграции.

За рубежом работы в области открытых систем ведутся весьма активно и обладают, как правило, приоритетным финансированием. Значительная их часть посвящена вопросам создания и применения профилей (профиль есть согласованный набор базовых стандартов необходимых для решения некоторого класса задач). Идет постоянное обновление документов, обусловленное обновлением старых и разработкой новых стандартов.

На Западе также проводится большой объем работ по сертификации систем и компонентов на соответствие принципам открытых систем, без чего реализация технологии открытых систем (ТОС) невозможна.

К сожалению, объем работ по развитию и применению открытых систем в Российской Федерации не соответствует важности проблемы и значительно меньше зарубежного, хотя вопрос о необходимости форсированного и комплексного развития открытых систем был поставлен Российской академией наук еще в 1993 г. Тем не менее, совместным приказом-постановлением Миннауки России и РАН была создана рабочая группа с участием представителей восьми ведомств, подготовившая Концепцию и проект программы "Развитие и применение открытых систем". Основной вывод рабочей группы состоит в том, что принципы открытых систем должны составить научнометодическую основу работ по информатизации России. К настоящему времени, несмотря на ряд объективных трудностей, достигнут прогресс и по ряду других вопросов. В то же время некоторые ключевые проблемы (например, проблема сертификации на соответствие принципам ТОС) не имеют пока удовлетворительного разрешения.

К числу нерешенных пока вопросов относятся и проблемы образования, специализации и подготовки кадров в области открытых систем. Для их успешного разрешения, в качестве первого шага в рамках программы "Интеграция' подготовлен настоящий курс "Открытые информационные, телекоммуникационные и вычислительные системы". При его разработке авторы придерживались рабочей концепции, что разработка спецкурса по открытым системам "с нуля" является достаточно сложной задачей и, кроме того, необходимо дополнительное время на его апробацию. Поэтому, в качестве первого шага, было сочтено целесообразным доработать уже существующие курсы по информационно-вычислительным и телекоммуникационным системам, введя в них дополнительно информацию по теории и технологиям открытых систем. Такое построение курса, с одной стороны, позволяет знакомить студентов с проблематикой открытых систем как интеграционной основы современных информационных технологий, и, с другой стороны, давать базовые знания в области информатизации и информационно-вычислительной техники.

Настоящее учебное пособие состоит из введения, восьми глав и заключения. В главе 1 формулируется понятие информационной системы (ИС), определяются требования к ним, рассматриваются подходы к построению моделей ИС. Глава 2 посвящена информационным измерительным системам, т.е. классу ИС, ориентированных на получение и обработку количественно определённой информации о состоянии реальных объектов. В главе 3 рассматриваются вопросы построения и применения вычислительных машин и систем как технической основы для реализации информационных технологий. Глава 4 посвящена информационно- вычислительным системам и сетям и мобильности программного обеспечения. Глава 5 охватывает круг проблем, посвященных глобальным информационным и телекоммуникационным сетям и их структуре, стратегии межсетевого взаимодействия и согласованию протоколов. В главе 6 обсуждаются вопросы применения ТОС, как интеграционной основы создания ИС различных классов. Вводится понятие профиля, рассматривается технологический цикл построения открытой ИС. При построении настоящего курса авторы сознательно решили ограничиться рассмотренным кругом вопросов, который охватывает основные аспекты применения технологий открытых систем в современных информационновычислительных и телекоммуникационных системах. Расширение тематики привело бы к неоправданному увеличению объема излагаемого материала, без возможности, однако, дать подробное описание всех существующих на данный момент технологий и систем. Поэтому ряд дополнительных вопросов могут быть рекомендованы для самостоятельной углубленной проработки по имеющимся опубликованным материалам и электронным базам данных.

Авторы, тем не менее, были бы благодарны за отзывы, замечания и пожелания по настоящему курсу, которые безусловно будут учтены при последующей доработке данного учебного пособия.

Основу функционирования различных систем составляют процессы преобразования информации. В широком смысле информация - есть некоторые сведения, совокупность каких-либо данных, знаний. В практической деятельности, особенно в технике, при использовании понятия «информация»

удобно применять понятие "количество информации". Количество информации определяется как величина, обратно пропорциональная вероятности того события, о котором идет речь в сообщении. Чем более вероятно событие, тем меньше информации несет сообщение о его наступлении, и наоборот.

Дадим ряд определений согласно [1.1].

Система (в предметной области) – это множество взаимосвязанных элементов, каждый из которых связан прямо или косвенно с каждым другим элементом, а два любые подмножества этого множества не могут быть независимыми, не нарушая целостность, единство системы.

Элемент системы – это простейшая структурная составляющая системы, которая в рамках данной системы не структурируется.

Структура системы – это совокупность устойчивых связей, способов взаимодействия элементов системы, определяющая ее целостность и единство.

Среда (в предметной области) – это все, что находится в предметной области за границами системы.

Под информационным процессом будем понимать процесс, связанный с изменением количества информации в системе в результате целенаправленных действий при решении поставленной задачи [1.2].

К основным информационным процессам можно отнести:

- прием информации из внешней среды;

- передача информации внутри системы между ее отдельными элементами - преобразование информации;

- создание новой информации;

- хранение и накопление информации;

- передача информации из системы во внешнюю среду.

Информационная деятельность связана с созданием информационных моделей всех объектов и явлений природы и общества, участвующих в человеческой деятельности, а также с созданием моделей самой этой деятельности.

Как известно, информация как продукт интеллектуальной деятельности человека является ресурсом и с течением времени накапливается, хотя возможны и потери информационных ресурсов.

В процессе познавательной деятельности мы, так или иначе, сталкиваемся с процессом использования накопленного знания, которое становится ценным лишь тогда, когда становится доступным широкому кругу пользователей. В настоящее время, объем информационных потоков, несущих эти знания, существенно увеличился, поэтому стала актуальной задача информатизации различных видов человеческой деятельности. Данное направление включает в себя развитие аппаратных средств и информационных технологий.

Информационные технологии (ИТ) – совокупность методов и средств реализации информационных процессов в различных областях человеческой деятельности. Иначе говоря, ИТ есть способ реализации информационной деятельности.

К современным ИТ относят:

- развитие глобальных информационных систем;

- внедрение систем автоматизированной обработки информации;

- развитие систем и средств дистанционного доступа;

- интегрирование гетерогенных систем;

- развитие систем искусственного интеллекта и т.д.

Долгое время преобразование информации и принятие решений являлось функцией человека. Сейчас, когда рост объемов информационных потоков привел к тому, что они превысили объемы усвояемости и обрабатываемости информации человеком, возникла проблема повышения эффективности процессов преобразования информации, определяемая следующими причинами:

- любая информация ценна только в процессе ее использования и при резком возрастании объемов информации принятие решений становится затрудненным, а также возрастает время обработки информационного массива;

- усложнение внутренней структуры системы, появление суперсистем, включающих целые совокупности систем, интеграция гетерогенных систем также приводит к резкому увеличению объемов информационных потоков и времени на их обработку;

- расширение сфер применения ИТ приводит к возникновению новых систем, что, в свою очередь, является дополнительным источником увеличения информационных потоков;

- повышение сложности задач, требуемой для их решения точности и оперативности, приводит к опережающему росту сложности управления по отношению к росту возможностей обработки информации Определим два основных пути развития ИТ, обеспечивающих повышение эффективности процессов преобразования информации в информационных и информационно-управляющих системах:

- совершенствование технических средств автоматизации на основе применения высокопроизводительных вычислительных устройств и систем, что приводит к повышению скорости обработки информации вне зависимости от характера преобразуемой информации;

- совершенствование и расширенное внедрение программного обеспечения.

Для реализации указанных путей необходимо наличие наиболее общих подходов к решению стоящих задач, инвариантных к конкретной содержательной стороне задачи и техническим средствам ее реализации.

Для информационных систем эта задача обостряется в связи с развитием научного знания, существенным увеличением его объемов, когда уже в рамках узких, подотраслевых вопросов объемы процессов восприятия нового знания превышают возможности человека, не говоря уже о возможностях использования межотраслевого опыта. При этом является рациональным решение, когда сочетаются наиболее общие подходы к решению проблемы с их конкретной технической реализацией. Возможность рассматривать любую систему, абстрагируясь от ее технической реализации, возможность переноса опыта по разработке и исследованию систем, решающих один круг задач, к системам, предназначенным для решения задач в иной области, говорит об открытости, как самих систем, так и о принципах и подходах к их построению и исследованию, которые будут сформулированы ниже.

Сами по себе средства вычислительной техники (СВТ) не могут осуществить преобразование информации, для этого необходимо наличие прикладного информационного и программного обеспечения, реализующего функции информационной или информационно-управляющей системы (ИУС). ИУС представляет собой совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность, единство, и предназначенных для осуществления целенаправленного процесса преобразования информации.

мации Рис 1.1. Основные функции системы К основным функциям ИУС можно отнести:

- организация интерфейса обмена между технической и информационной системами, а также между ИУС и внешней средой;

- организация работы и распределение ресурсов собственно ИУС;

- самообучение системы, адаптация к изменяющимся условиям ИУС должны удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечивать достоверность соответствия описаний объектов в ИУС по отношению к их реальному состоянию;

- иметь дружественный интерфейс процесса управления, - обладать возможностями развития и самообучения системы;

- обеспечивать полноту представления информации в системе и во взаимодействии системы с внешней средой, своевременность и обоснованность в выработке соответствующих решений, мобильность ИУС при работе в условиях гетерогенных технических средств, реализующих систему, защиту информации в системе;

- обеспечивать реализуемость заданного алгоритма;

- надежность работы в реальных условиях [1.3].

Реализуемость алгоритма характеризуется следующими свойствами:

- выходные параметры, получаемые алгоритмически, не должны противоречить параметрам, получаемым исходя из величин, задаваемых человеком;

- значения выходных параметров должны быть максимально информативными, а для автоматизированных систем, в которых решение принимается человеком, необходима максимально подробная информация о причинах, процессах и последствиях принятия решений;

- исходные параметры должны обладать свойством полноты и быть реально получаемыми, то есть относиться к классу физически измеряемых величин;

- алгоритм должен правильно (адекватно) отражать физические свойства того процесса, для обеспечения управления которым он - алгоритм должен обладать способностью к интерактивному общению с человеком.

Необходимость адаптивности ИУС к изменяющимся условиям функционирования вызвана следующими причинами:

- изменением состава применяемых СВТ, приводящим, как правило, к возникновению гетерогенной вычислительной среды;

- изменением состава общего и прикладного программного обеспечения, появлением его новых версий;

- временное возникновение неполноты состава исходных параметров;

- возникновение временных ограничений на ресурсные возможности Совместимость ИУС заключается в инвариантности к вычислительной среде ее функционирования, к существующим структурам управления, другим ИУС, системному программному обеспечению, имеющейся информационной базе.

Надежность алгоритма заключается в способности правильно выполнять свои функции в реальных условиях. К источникам, которые могут привести к ненадежной работе, можно отнести ошибки алгоритмической реализации физического процесса, ошибки трансляции, ошибки исходных информационных массивов, ошибки, вызванные работой технических средств.

Развитие СВТ, расширенное их внедрение во все сферы науки, техники, сферы обслуживания и быта привели к необходимости объединения конкретных вычислительных устройств и реализованных на их основе ИС в единые информационно-вычислительные системы (ИВС) и среды. При этом возникли следующие проблемы:

- разнородность технических средств ВТ с точки зрения организации вычислительного процесса, архитектуры, системы команд, разрядности процессора и шины данных, ресурсных возможностей, частот синхронизации и так далее, потребовала создания физических интерфейсов, обеспечивающих их совместимость;

- разнородность программных сред, реализуемых в конкретных вычислительных устройствах и системах с точки зрения многообразия операционных систем, различия в разрядности, объемах адресуемой памяти, применяемых языках программирования и так далее, привела к созданию программных интерфейсов между устройствами и - разнородность реализации одной вычислительной структуры, изготовленной различными производителями, также требовала применения специальных ограничений, либо разработки дополнительных программных и (или) технических средств для интеграции;

- разнородность интерфейсов общения в системе "человек-машина" требовала постоянного переобучения кадров.

Таким образом, необходимость предусмотреть уже на стадии разработки возможность интегрирования разрабатываемого устройства в гомогенные и, особенно, в гетерогенные информационно-вычислительные среды стала актуальной для разработчиков как аппаратных, так и программных средств.

С этой целью, при разработке ИС и ИУС необходимо соблюдать требование системности, включающее в себя:

1. Систематизацию информационной базы, то есть исключение противоречий и дублирования между отдельными ее частями, обеспечение полного представления информации, согласование времени поиска информации в соответствии со структурой.

2. Организацию и упорядочивание внешних связей ИУС и технических средств автоматизации.

3. Учет условий хранения информации в ИУС.

4. Стандартизацию форм представления информации, форм представления документов, структуры информационной базы, структуры и свойств алгоритмов [1.3].

Весь процесс разработки можно условно разделить на этапы: анализ системы и разработка ее информационной модели, разработка математической модели (алгоритма), разработка программной модели, разработка документации на ИУС. Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных этапов.

1.3. Информационная модель и ее элементы Информационной моделью (ИМ) будем называть параметрическое представление процесса циркуляции информации, подлежащей автоматизированной обработке в системе [1.3].

К основным элементам информационной модели относятся:

- блоки преобразования информации (БПИ);

- массивы данных (МД);

- параметрические связи (ПС) [1.3].

Блоки преобразования информации представляются "черными ящиками", имеющими указания цели их функционирования.

Массивы данных представляются связанными совокупностями параметров, одновременно перемещаемыми и хранимыми при функционировании системы.

Точки диалога являются узлами (вершинами) информационной модели, в которых осуществляется взаимодействие между человеком, техническими средствами автоматизации и системой.

Параметрические связи указывают направление переноса информации между отдельными элементами ИМ.

Структура ИМ описывается орпсевдографом, вершинами которого являются блоки преобразования информации, точки диалога и информационные массивы архивного хранения. Дугами графа являются параметрические связи.

БПИ обладают свойством замкнутости, проявляющемся в том, что при выполнении функций, возложенных на них, взаимосвязь каждого блока с остальными элементами ИМ возможна только по фиксированным линиям ПС и внутри блока не могут быть локализованы точки диалога.

Описание блока состоит из описания цели преобразования информации и описания функций, выполняемых блоком.

В описании функций БПИ должны находить отражение временные характеристики его работы, условия синхронизации обработки поступающей информации, описание набора информационных сигналов, без которых невозможно функционирование блока. Описание осуществляется на любом формальном языке: алгоритмическом, математическом и т.д.

Массив данных обладает свойством целостности, проявляющемся в том, что все параметры массива передаются по линиям параметрической связи как связная совокупность. Для выделения части параметров массива должна быть выполнена соответствующая функция, задаваемая (описываемая) блоком преобразования информации, который осуществляет формирование нового массива. Описание МД состоит из перечня идентификаторов параметров и их основных характеристик и описания области допустимых взаимосвязей между ними.

Функционально массивы делятся на три класса: массивы исходной информации, массивы результатов функционирования БПИ, массивы накопления и хранения информации. Массивы первого класса подразделяются на внешние и внутренние. Массивы второго класса подразделяются на внутренние, диалоговые и конечные. Массивы третьего класса делятся на оперативные и документальные (архивные).

Точки диалога являются местом взаимодействия человека и технических средств автоматизации с алгоритмами системы и делятся на ТД первого рода, в которых осуществляется взаимодействие системы и человека, и ТД второго рода, где осуществляется взаимодействие системы и технических средств автоматизации. Описание ТД состоит из описания целей деятельности в данной точке, перечня задаваемых человеком параметров, описания правил диалога, перечня диалоговых массивов и т.д.

Параметрические связи реализуют взаимодействие между отдельными элементами ИМ. Описание ПС состоит из списка элементов ИМ, взаимодействие между которыми осуществляет данная ПС, включая направление обмена информацией, перечня МД, передаваемых в направлении данной ПС;

описания правил, по которым осуществляется передача массивов.

Рассмотрим пример построения системы с одной целью функционирования. В этом случае построения ИМ начинается с уточнения деятельности старшего в иерархии системы органа управления, который на графе ИМ представляется точкой данных (Д1). Далее определяется множество массивов данных М(П(1)), значения параметров которого определяется данным органом управления. Они являются управляющими параметрами, ведущими к достижению поставленной цели.

После этого определяется множество МД, содержащих исходные данные, необходимые для получения результата М (П.(2)).

Контур управления, описывающий результаты первого шага построения ИМ (Рис.1.2), состоит из блока преобразования инД(1) Д(2) Рис. 1.2. Простейший контур управления.

формации В(1), параметрических связей П(1)-П(6) и информационных массивов М(1), М(П(1))-М(П(6)) и точек диалога Д(1) – точка взаимодействия с человеком и Д(2) – точка взаимодействия с техническими средствами автоматизации.

После этого, анализируются возможности автоматизации процесса управления на базе сформированного контура. При этом оценивается способность органа управления принимать решения для формирования значений управляющих параметров М(П(1)) в необходимом темпе, а также возможность формализовать процесс преобразования информации, то есть реализовать БПИ В1.

В простейших системах процесс построения ИМ на этом может быть завершен. Если хотя бы одно из указанных условий не выполняемо, процесс построения ИМ продолжается.

Рассмотрим некоторые типовые ситуации. Орган управления не может выполнять все функции, т.е. в одной точке диалога невозможно обеспечить принятие всех необходимых решений даже при условии автоматизации этого процесса. Тогда необходимо расширить ИМ, вводя новые точки диалога (рис.1.3.).

Рис.1.3. Контур управления с двумя уровнями иерархии.

а). Схема централизованного управления.

Все функции БПИ (В1) не могут быть полностью возложены на средства автоматизации в связи с отсутствием возможности создания в приемлемое время адекватной математической модели. Тогда необходимо часть функций оставить за людьми, введя новые точки диалога. Для этого вводится новый (низший) уровень управления и производится членение критерия эффективности (рис.1.2).

На этом уровне располагается несколько подчиненных органов управления, функционирование которых определяется частичным критерием эффективности. Между ними распределяются функции управления. Каждый из этих органов представляется на графе ИМ точкой диалога (Д(1),,Д(2,1), Д(3,1),…). Для каждой из них определяются множества {М(1,2,i), М(2,2,i),...

M(i,2,i)}, элементы, которых с точностью до расширения вспомогательными массивами являются подмножествами соответствующих элементов множества {M(1,1), M(2,1), M(g,1), M(3,1)}. После этого строится новый контур управления, в котором В(i, k) обозначают БПИ i-го уровня управления. Если в точках диалога Д(i,2) дано право самостоятельно принимать решения, то вводятся параметрические связи от этой части контура к объекту управления, иначе после подготовки рекомендаций осуществляется доклад вышестоящему органу (Д1). Для этого в ИМ вводится параметрическая связь с этого уровня управления на внешний.

Процесс заканчивается тогда, когда на всех уровнях иерархии управления (во всех точках диалога) обеспечена возможность выработки решений в темпе течения реального процесса управления.

Сформированная таким образом ИМ, которую будем называть основной, в полной мере отражает содержательную сторону процесса управления (критерии управления, цели управления и пути их достижения). Однако, она в меньшей степени отражает возможность построения математической (ИМ) и программной модели (ПМ).

При построении ММ каждый из БПИ, которые представлены "черными ящиками", должен быть заменен алгоритмом. При этом может возникнуть необходимость введения новых внутренних информационных связей, выполняющих служебные функции. Введение таких связей повлечет за собой расширение множества информационных массивов, увеличение числа промежуточных связей. Все это приводит к корректировке ИМ.

Теперь рассмотрим случай, когда в системе есть не одна, а несколько целей, достижение которых и является задачей системы. Для таких систем применяется метод единичного контура.

Единичным контуром управления называется часть общего процесса циркуляции информации, связанная с достижением только одной цели функционирования системы, имеющая только одну точку диалога. Выделение таким образом цели управления существенно снижает сложность анализа этой части общей системы.

Первым этапом при построении ИМ системы является деление всего контура управления на множество единичных контуров. Последовательно рассматривая цели функционирования формируется свой контур управления для каждой из них Если он поддается автоматизации, то является единичным и для него строится ИМ. Если автоматизация для него практически невозможна, продолжается деление этого контура на более простые. Для каждой цели функционирования этот процесс заканчивается формированием системы иерархически связанных единичных контуров управления, для которых может быть построены ИМ.

1.4. Разработка математической и программной моделей ИУС Рассматривая построенную информационную модель, можно увидеть, что все ее элементы, кроме БПИ, разработаны с достаточной полнотой и формализацией. Для БПИ сформированы цели преобразования информации и определены функции, то есть содержится информация о том, что должен делать каждый блок. Описание того, как он это должен делать, на этапе разработки ИМ не рассматривалось.

Математической моделью блока преобразования информации (ММБПИ) будем называть алгоритмическое представление функций этого блока, обеспечивающее автоматизацию процесса преобразования информации, содержащейся в массивах исходных данных, а так же формирование массивов выходных данных в соответствии с параметрическими связями ИМ [1.3].

На разработку ММ каждого БПИ оказывают влияние три фактора:

- уровень развития математической теории и методов формализации процессов;

- возможности технических средств автоматизации;

- реальные ресурсы труда и времени, имеющиеся для разработки систем.

В составе ММ БПИ выделяют основные и вспомогательные функции.

Состав и содержание основных функций БПИ определяется содержанием автоматизированного процесса управления.

Вспомогательные функции обеспечивают выполнение БПИ основных функций. К ним относятся:

- анализ правильности записей исходных данных, осуществление проверки на принадлежность значений исходных данных интервалу допустимых величин;

- выработка реакции на ошибку в исходных данных (обнуление, повторное обращение);

- организация служебного диалога в случаях отклонения работы БПИ от основного режима функционирования;

- анализ полноты множества записей поступивших данных и выработка реакции на возможную неопределённость этих записей;

- организация обучения в системе (самообучение);

- организация вычислительного процесса во времени (синхронизация);

- формирование комментариев.

Разработка ММБПИ начинается с определения ограничений, при которых алгоритм модели должен осуществлять преобразование информации.

Эти ограничения представляются в формализованном виде, позволяющем осуществлять алгоритмическую проверку их удовлетворения.

К ним можно отнести следующие ограничения:

- на область допустимых значений параметров;

- на достоверность получаемых значений и их точность (при наличии влияния случайных воздействий);

- на источники значений входных величин;

- на обязательные взаимосвязи между значениями параметров;

- на закон изменения значения параметра.

На следующем этапе определяются допущения, которые могут быть сделаны при разработке алгоритмов ММ и характеризующие степень приближения модели к реальному процессу.

К моменту выбора математических методов для создания алгоритма для каждого из БПИ, разработчик имеет следующие сведения:

- описание целей преобразования информации блоком;

- описание функций, выполняемых блоком;

- перечень МД, содержащих исходную информацию;

- перечень МД, содержащих результаты работы блока;

- описание ограничений;

- описание допущений на разработку алгоритмов ММ.

Обладая этими сведениями, разработчик алгоритма ММ начинает завершающий этап работы. Его задачей является создание алгоритма, удовлетворяющего всем, перечисленным выше, требованиям. Для этого разработчик, используя тот или иной математический аппарат, создаёт ММ, обеспечивающую решение поставленной задачи.

При этом рекомендуется использовать следующие принципы:

1. принцип модульности, когда ММ делится на составные части, между которыми устанавливается информационная связь, а затем алгоритмы этих частей разрабатываются независимо друг от друга;

2. принцип унификации, стандартизации и наращиваемости;

3. принцип оптимизации, то есть выработка рационального решения реализации ММ БПИ;

4. принцип управляемости, то есть управление ходом вычислительного процесса при модульном построении алгоритма;

5. принцип адекватности, то есть достаточно точное отражение тех процессов, для которых она создана;

6. принцип согласованности, то есть согласование множества ММ БПИ по исходной и результативной информации с параметрами МД ИМ, и отсутствие ошибок в МД.

Реализация ММ БПИ осуществляется с применением соответствующих математических методов, с которыми читатель должен был познакомиться в процессе изучения соответствующих разделов высшей математики, поэтому не ставя перед собой задачу описания этих методов отсылаем читателя к соответствующей литературе.

На этапе создания программной модели ИУС должна приобрести все свойства, необходимые для реализации заданных функций с учётом предъявляемых требований.

Программной моделью будем называть отображение информационной и математической моделей на языке технических средств автоматизации.

Основными элементами программной модели являются основные и вспомогательные программные модули, основные и вспомогательные информационные модули.

Общим для основных элементов ПМ является принадлежность к одной и той же категории - категории модулей. Модульное построение программной модели обеспечивает возможность организации параллельного выполнения разработки.

К основным программным модулям относят те модули, которые реализуют функции, определяемые ММ и ИМ. Соотношение между модулями ММ и основными программными модулями может не быть взаимно однозначными: один модуль ММ может отображаться несколькими основными программными модулями и наоборот.

Вспомогательные программные модули реализуют функции сопряжения всех частей (модулей) ПМ с техническими средствами автоматизации, с общесистемным МО и уже внедренной частью ИУС.

Основные информационные модули ПМ предназначены для хранения параметров и массивов ММ и ИМ.

Вспомогательные информационные модули содержат информацию, необходимую для выполнения вспомогательных программных модулей, а также для согласования программной модели с общесистемном ПО, техническими средствами автоматизации и с уже функционирующей частью ИУС.

Программная модель строится из элементов четырех перечисленных типов. Она размещается в памяти ТС ВТ. Её функционирование инициируется входящим потоком, содержащим задания.

К основным принципам разработки ПМ можно отнести:

- автоматизация процесса разработки;

- использование стандартизации и унификации;

- выявление стандартных моделей в составе МП;

- адаптивность к уже существующим МО;

- сокращение затрат.

Собственно реализация программной модели осуществляется на конкретном языке программирования для конкретной программной среды. С путями такой реализации можно познакомиться, обращаясь к специальной литературе.

1. Показана необходимость применения информационных технологий на основе развития систем и средств обработки информации.

2. Определены требования, предъявляемые к информационным системам.

3. Описан способ построения информационных моделей ИС и ИУС.

4. Показано, что разработка ИС и ИУС до стадии программной модели является инвариантной к программным и техническим средствам, её реализующим, что позволяет сокращать время разработки и затраты при переносе системы на новые ТСА или в новую программную среду, обеспечивая тем самым мобильность и переносимость ИС и ИУС.

Глава 2. Информационно-измерительные системы.

Важнейшей составной частью информационной индустрии являются информационные технологии. Целью любой информационной технологии является получение и представление информации в такой форме, чтобы наблюдатель мог ее воспринять, проанализировать и принять решение.

По мере развития ИТ наблюдался переход от технологий, направленных только на обработку цифровых данных, к технологиям, включающим возможность автоматического получения и ввода в ЭВМ количественно определенной информации от объекта материального мира с дальнейшей ее обработкой в соответствие с процедурами, указанными оператором или прикладной программой.

Важными элементами такой технологии являются автоматические измерения, в результате выполнения которых с помощью специальных технических средств находят опытным путем численные значения физических величин, характеризующих изучаемый объект или явление.

Процессы автоматических измерений имеют общие черты, которые в первую очередь включают восприятие техническими средствами исследуемых (измеряемых, контролируемых) величин, преобразование этих величин в промежуточные величины, сравнение их опытным путем с известными величинами, формирование и представление результатов в виде именованных чисел, их отношений и суждений, основанных на количественных соотношениях.

Функционально объединенную совокупность средств измерений, вычислительных и вспомогательных устройств, а также каналов (линий) связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия оператором и/или для автоматической обработки, передачи и/или использования в автоматических системах управления принято называть информационно-измерительной системой (ИИС). Схематически типовая ИИС представлена на рис. 2.1.

В зависимости от принципов построения, используется классификация ИИС (табл.2.1). Наиболее интересным классом ИИС являются системы, содержащие в своем составе программно-управляемые вычислительные средства. Такие системы принято называть измерительно-вычислительными системами (ИВС), их ядро составляет ЭВМ или микропроцессор, а также имеются устройства сопряжения с каналами связи, сопряжения с каналами ввода –вывода аналоговых сигналов, аналоговые преобразователи, измерительные коммутаторы, АЦП, ЦАП, устройства, формирующие воздействия на объект и некоторые другие устройства для выполнения функций ИВС. Комплексы агрегированных средств для создания ИВС называются измерительными вычислительными комплексами или просто ИВК.

отображение и регистрация (ручное управление) М средства обмена и наблюдения (интерфейс пользователя) средства управления, обработки и хранения информации (аппаратные, программные) средства получения количественно определенной инфор- С Рис. 2.1. Схематическое представление ИИС.

Таблица 2.1. Классификация ИИС по принципам построения.

Наличие специального канала Отсутствует Имеется связи Порядок выполнения операций Последователь- Параллельный Агрегатированиe состава системы Агрегатирован- Неагрегатированный ный Использование стандартных интерфейсов Не используется Используется Наличие програмнноуправляемых вычислительных Отсутствует Имеется устройств Использование стандартного ба- Не используется Используется зового и прикладного математического обеспечения Наличие контуров информаци- Отсутствует (ра- Имеются (одно- и онной обратной связи зомкнутые сис- многоконтурные Изменение скоростей получения Без изменения С изменением и выдачи информации (системы реального времени) Вид используемых информаци- Аналоговые Цифровые онных сигналов 2.2. Модель взаимосвязи открытых систем.

Создание ИИС требует объединения в единую структуру различных элементов, блоков и устройств. Эти составляющие разрабатываются и выпускаются различными производителями. Ясно, что производитель при создании как аппаратных, так и программных средств, обязан соблюдать определенные требования и нормы, соответствие которым гарантирует возможность такого объединения. В первую очередь такие требования и нормы должны быть установлены в отношении свойств и признаков данных, которыми обмениваются между собой в процессе работы системы ее различные составляющие.

Чтобы организовать процесс взаимодействий, надо данные предварительно подготовить, а также выполнить некоторые дополнительные операции. Ясно, например, что подготовка данных и операции их ввода в компьютер, передачи конечному пользователю или от компьютера к компьютеру качественно различаются.

Лучшим средством решения названных выше проблем является использование существующих национальных и международных стандартов. С точки зрения важности применения в информационных измерительных системах особое место занимает модель взаимодействия открытых систем.

Модель сетевого и межсетевого взаимодействия МОС (ISO) определяет иерархию из 7 уровней взаимодействия компонентов сети.

• 7 уровень – прикладной. Это высший уровень в иерархии. Здесь обеспечивается поддержка прикладных процессов конечных пользователей. Он содержит все необходимые элементы сервиса для прикладных программ пользователя. На этом уровне пользователь имеет свои прикладные программы, где может делать всё, что ему надо, но должен руководствоваться некоторыми установленными правилами при обменах с другим пользователем сети, т.е. выполнять соответствующие протоколы.

• 6 уровень – представительный – обеспечивает преобразование данных пользователя к форматам, принятым в данной системе; преобразует символьные строки и коды и организует файлы с целью обеспечения независимости прикладных программ от форм передачи и получения.

• 5 уровень – сеансовый – обеспечивает установление и поддержку сеансов связи между абонентами при обмене данными, организует двунаправленный обмен данными с размещением во времени, начало и окончание заданий, восстановление связи после ошибок, связанных с отказом канала и отказом сети взаимодействия, восстанавливается или повторно устанавливается соединение.

• 4 уровень – транспортный – обеспечивает управление соединением между различными абонентами, т.е. адресацию конечных абонентов, а также разборку и сборку сообщений, сохранность блоков данных, доставку данных от узла к конкретному адресату, приписанному к узлу и наоборот, выбирает маршрут пересылки данных в сеть.Таким образом, транспортный уровень предоставляет услуги сеансовому уровню. Граница между этими уровнями – это граница между владельцем сети и пользователем.

Принято три верхних уровня определять одним общим названием – процесс или прикладной процесс. Так вот, четвертый уровень обеспечивает взаимодействие между прикладными процессами, устанавливая между ними логические каналы и обеспечивая передачу по этим каналам информационных пакетов, которыми обмениваются процессы. Отметим, что столь популярный сегодня Internet - это транспортный уровень.

Пакет- группа байтов, передаваемых абонентами сети друг другу.

Логические каналы, устанавливаемые транспортным уровнем, называются транспортными каналами.

С другой стороны транспортный уровень не только предоставляет услуги сеансовому уровню, но и обеспечивает взаимодействие по вертикали между 7-5 и 1-3 уровнями. Заранее отметим, что в 1-3 уровнях информация (данные) циркулируют в форме, недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем (пользователем).

• 3 ступень (уровень) – сетевой, обеспечивает интерфейс оконечного оборудования данных с сетью коммутации пакетов, маршрутизацию пакетов в коммуникационной сети, межсетевое взаимодействие. Иначе говоря третий – сетевой уровень обеспечивает функции ретрансляции, в соответствии с которыми данные направляются по маршруту в нужном направлении через устройства пакетной коммутации, т.е. к нужным узлам в соответствии с маршрутными таблицами.

• 2 ступень (уровень) – канальный или уровень звена данных, обеспечивает процесс передачи данных по информационному каналу. Информационный канал это канал логический, который устанавливается между устройствами соединенными физическим каналом. Канальный уровень обеспечивает управление потоком данных в виде кадров, обнаруживает ошибки передачи, реализует алгоритмы восстановления информации в случае обнаружения сбоев или потерь данных. Сейчас принято второй уровень разбивать на два уровня: LLC (Logical Link Control), собственно и обеспечивающий управление логическим звеном данных, т.е. канальный уровень, и МАС (Media Access Control), обеспечивающий управление доступом к среде.

МАС таким образом, поддерживает метод, обеспечивающий выполнение совокупности правил, по которым узлы сети получают доступ к ресурсу (память, программа, процесс, и т.д.).

• 1 ступень (уровень) – физический, обеспечивает механические, электрические, функциональные и процедурные средства для осуществления физических соединений, их поддержания и разъединения. В частности, среда распространения сигналов - это физический уровень.

При рассмотрение этих 7 уровней надо обратить внимание на то, что наиболее актуален такой подход при обсуждении работы компьютерных сетей – это, во-первых. А во вторых, совершенно очевидно, что главное, это возможность в рамках такого рассмотрения установить единые общие правила и нормы, по которым надо делать различные устройства, разрабатывать программы, чтобы различные элементы ИТ сделанные разными производителями, работали совместно, стыковались.

Для решения этой задачи ISO разработала эталонную модель ВОС (взаимодействия открытых систем). Международный стандарт МС- «Эталонная модель взаимосвязи открытых систем» был опубликован в году. Соответствующий ГОСТ 2806-93 был принят впоследствии в нашей стране.

Прикладной Представительный Сеансовый ТранспортТолько ный Сетевой Канальный Физический Фаза передачи данных.

По мере ведения услуг поток данных расширяется.

Чтобы отличить услуги, каждый уровень при обработке добавляет к данным свою протокольную управляющую информацию в виде заголовка и так называемого концевика. Причем заголовки возникают на всех этапах, концевик – контрольная последовательност бит, используемая для проверки правильности приема сообщения, прибавляет только второй уровень. Физический уровень заголовка не добавляет.

Представительный Д Физический Рисунок 2.3. Иллюстрация обработки сообщений уровнями Ясно, что помимо общего стандарта необходимо иметь стандарты на каждый уровень, сегодня на один уровень есть 20 стандартов:2-41; 3-10; 4-8;

5-5; 6-7; 7-32.

Несмотря на это эталонная модель ВОС облегчает дальнейшие разработки, и мы к ней еще не раз вернемся.

2.3. Структуры и стандартные интерфейсы ИИС.

Мы видим, что ИИС может быть представлена в виде совокупности связанных между собой функциональных блоков (ФБ). В дальнейшем под ФБ будем понимать техническое устройство, которое выполняет информационные и (или) управляющие функции и нуждается в организации совместной, согласованной работы с другими ФБ системы. Будем предполагать, что ФБ это функционально законченное устройство и, соответственно, для организации взаимодействия ФБ системы между собой не требуется знания их внутренних структур и особенностей функционирования.

Для обеспечения работоспособности необходимо организовывать взаимодействие ФБ, составляющих систему, между собой. Для решения этой задачи применяют стандартные интерфейсы, под которыми мы будем понимать совокупность унифицированных правил (протоколов), аппаратурных, программных и конструктивных средств, обеспечивающих взаимодействие компонентов системы в процессе ее функционирования. При этом под протоколом (иногда говорят логическим протоколом) будем понимать совокупность правил передачи кодированной информации (данных) между ФБ системы. Применительно к ИИС и ИВК понятие интерфейса шире понятия протокола. Поэтому используя два понятия, а именно физический интерфейс, определяющий совокупность механических, электрических и конструктивных средств, а также физических средств передачи данных и логического интерфейса, охватывающий всю совокупность логических протоколов.

Из сказанного ясно, что физический интерфейс служит материальной основой для реализации логического интерфейса.

Использование стандартных ИФ позволяет обеспечить информационную совместимость различных ФБ между собой, т.е. достичь их согласованного взаимодействия в составе системы в соответствии с заранее определенными логическими условиями и правилами.

Если взять набор ФБ, снабженных интерфейсами, то их объединение для совместной работы возможно либо в одноступенчатой, либо в многоступенчатой структуре.

Возможные варианты объединения ФБ в ИИС с одноступенчатой структурой представлены на рис. 2.4. Работа ФБ, объединенных в цепочечную структуру происходит последовательно, по мере окончания преобразования в предыдущем ФБ. Объединенные в радиальную структуру ФБ могут взаимодействовать только через устройство управления (УУ). Магистральная структура наиболее удобна.

а) Цепочечная б) Радиальная в) Магистральная с централизованным управлением г) Магистральная с децентрализованным управлением д) Магистральная петлевая е) Радиально-магистральная.

При большом количестве ФБ целесообразно организовать совместную работу нескольких объединенных между собой одноступенчатых подсистем.

Вариант объединения дан на рис.2.5.

Рис 2.5. Двухступенчатая структура ИИС.

Подсистемы для объединения между собой можно выбрать из числа показанных на рис.2.4. Отметим, что ЭВМ второй ступени в двухступенчатой структуре выполняет не только функции управления, но и обработки и выдачи информации.

Возможность создания тех или иных структур ИИС и особенностей их функционирования в существенной степени зависят от свойств ИФ.

Рассмотрим (табл. 2.2.) основные признаки стандартных ИФ, от которых в первую очередь зависит информационная совместимость ФБ в системе.

Таблица 2.2. Основные признаки программируемых ИФ.

2 Устройство системы шин для обмена информационными и служебными сигналами 3 Организация системы шин индивидуальная коллективная (марадикальная) гистральная) 4 Порядок выполнения операций последователь- параллельный 6 Способ синхронизации при об- синхронный асинхронный мене информацией С момента появления первых стандартов на ИФ, применяемые при создание ИИС прошло около 40 лет. К настоящему времени разработано множество различных стандартов в этой области. Важнейшей задачей при создании ИИС является выбор такого стандартного ИФ, который позволит собрать наиболее эффективную систему при минимальной цене. Ошибки в выборе ИФ могут привести к значительным потерям времени и средств. Чтобы облегчить выбор ИФ рассмотрим как должен быть организован обмен данными в системе.

При создании ИИС устанавливаются правила, регламентирующие порядок обмена данными в системе, т.е. протокол. Для этого определяются:

единица обмена информацией, формат сообщений, система кодирования, способ синхронизации, вид информационных, управляющих и служебных символов, способ обмена сообщениями, набор интерфейсных функций, логические, временные и электрические параметры сигналов, способ формирования и распознавания запроса на обслуживание, правила адресации, способ обеспечения требуемой достоверности при обмене информацией.

В процессе передачи данных ФБ между собой обмениваются сообщениями, состоящими из различных видов слов. В первую очередь, это информационные слова, они содержат информационную часть, размер которой применительно к ИИС зависит от точности измерений, и сопроводительную часть, включающую сведения о диапазоне измерений, состоянии ФБ, виде информации (ток, давление, температура, и т.п.). В информационное слово может быть введен и адрес ФБ. Кроме информационных слов должны формироваться командные слова, сообщение может содержать также адресное и временное слова.

Адресное, временное, командное слова и одно или группа информационных слов образуют информационную фразу. Фразы в свою очередь объединяются в кадры, содержащие заголовок (маркер кадра), код объекта, код программы, код порядкового номера кадра и информационную часть, состоящую из целого числа фраз.

При формировании логического ИФ надо договорится о длине слов, о месте младших и старших разрядов в коде, длине фраз, размерах кадров, признаков кадра и ряде других условий.

Процедура собственно обмена данными также может быть устроена по-разному. Рассмотрим простой пример на.

Пусть ИИС (рис. 2.6.) с магистральной структурой и централизованным управлением состоит из ФБ источника (ФБИ), ФБ приемника (ФБП) и ФБ управления (ФБУ).

Предположим, что обмен данными по инициативе ФБИ, который начинается с того, что запрашивает у ФБУ разрешение на выдачу данных в магистраль. При этом ФБИ передает для ФБУ по магистрали свой адрес Адр1 (0) и запрос на передачу Запр1 (0). После получения этих сообщений ФБУ анализирует ситуацию и, если нет запроса, передает по магистрали для ФБИ свой адрес Адр0 (1) и разрешение на передачу Разр0 (R), а для ФБП свой адрес Адро (2) и разрешение на прием Разр0 (W). После получения разрешения на прием данных ФБП анализирует ситуацию и, в случае своей готовности к приему устанавливает в магистрали соответствующие сообщение ГП2 (W) которое адресуется ФБИ и ФБУ. После получения от ФБП сообщение ГП2 (W) ФБИ в свою очередь формирует информационное слово, содержащее адрес Адр (2), диапазон и режим измерения Д (Д), время Т(t) и, соответственно данные (результат измерений) I (I), и через магистраль направляет его ФБП. После передачи этого слова ФБИ устанавливает в магистрали сообщение конец связи КС! (R) для ФБУ и ФБП о том, что он окончил передачу. В заключении ФБП направляет в магистраль для ФБУ и ФБК сообщения о том, что данные приняты ДП2 (W). На этом цикл обмена заканчивается и устройства переходят в режим ожидания.

Контрольные, синхронизирующие и другие вспомогательные сигналы мы здесь не рассматривали. Если имеется несколько ФБИ и ФБП, то рассмотрение можно вести аналогично с дабавлением процедуры установления приоритета одним ФБ по сравнению с другими. В стандартах на интерфейс устанавливаются конкретные способы реализации логического протокола, ниже мы рассмотрим некоторые из них.

ФБИ ФБП

Магистраль интерфейса Р От ФБИ к ФБУ Адр1(0) Запр1 (R) М От ФБУ к ФБИ и ФБП {[Адр0(1) Разр0(R)][Адр0(2)Разр0(W)]} От ФБП к ФБИ и ФБУ {[Адр2(0) ГП2(W)] [Адр2(1) ГП2(W)]} От ФБИ к ФБП {[Адр1(R) Д1 (Д) Т1(t) I1(I)]} От ФБИ к ФБП {[Адр1(0) КС1(R)][Адр1(2) КС1(R)]} От ФБП к ФБУ и ФБИ {[Адр2(0) ДП2 (W)][Адр2(1) ДП2(W)} Рис. 2.6. Процедура обмена данными в простой ИИС.

Как уже указывалось раньше магистрально – модульные системы весьма удобны в эксплуатации, широкий выбор блоков позволяет создавать системы разного назначения, объединять их. Развитый логический протокол также расширяет возможности пользователя. Унификация блоков и каркасов позволяет удешевить производство и подключить к нему различные фирмы помимо разработчика. Короче говоря, блочно – модульный принцип основа всех устройств, применяемых при реализации ИТ. Соответственно магистрально – модульные системы составляют основной парк ИС, включая ИИС.

Следствием этого явилось развитие этой группы интерфейсов, начиная с 60-х годов и по настоящее время.

Первой в мире магистрально – модульной системой была система КАМАК. Этот стандарт мы и рассмотрим в качестве примера, т.к. все последующие можно считать его развитием.

Интерфейс КАМАК имеет централизованное управление, причем уровней централизации может быть 2 и более. Система шин для информационных и служебных сигналов раздельная; организация системы шин радиально – магистральная, порядок выполнения операций обмена информацией – параллельный, тип ФБ – активный ФБПИ, метод обмена информацией – синхронный, допускается работа с любой ЭВМ. Конструкция и питание – унифицированные.

Первая ступень централизации управления и обработки информации достигается в крейте, а вторая в ветви, которая может объединять до семи крейтов. Допускается совместная работа нескольких ветвей.

Основой структуры ИС, использующих КАМАК, является крейт. Конструктивно крейт (crate) это ящик, в который можно вставлять платы-модули.

Рисунок 2.6. Основные размеры крейта и платы КАМАК.

Для модулей в крейте (рис. 2.6) имеется 25 гнезд с верхней и нижней направляющими для введения платы модулей станции. Ширина модуля 17. мм. Функциональные блоки могут занимать 1,2,3,4,6 или 8 модульных мест.

На обеих поверхностях заднего конца платы должно быть по 43 ламели печатного разъема. Шаг между осями ламелей 2.54 мм. Платы модулей входят в розетки двухрядных 86-контактных разъемов, укрепленных на задней плате крейта. Минимальная глубина крейта с задней платой 360 мм. Крейт может быть снабжен источниками питания, выходы которых соединяются с линиями питания модулей, расположенными на задней плате. Всего линий питания 14 и в них 6 – основных и 8 – дополнительных, включая 1 линию сигнальной земли и 2 свободных резервных линии. Место 24 и 25 станций в крейте обязательно занимает ФБ контроллер крейта (ФБК). На остальных 23 местах размещаются ФБПИ, расположение которых в крейте может быть любым.

Входные аналоговые сигналы вводятся через разъемы на передней панели модулей. Допустимый ток питания отдельного модуля ограничен 2А, а рассеиваемая мощность – 8 Вт. Максимальная мощность рассеивания в крейте 200 Вт. Охлаждение воздушное.

Обмен информацией между ФБК и ФБПИ происходит по магистрали крейта. Магистраль крейта для этого имеет 7 шин: адреса, операций, состояний, синхронизации, данных, управления и нестандартных соединений.

Шина адреса – она состоит из 24 индивидуальных линий номера состояния N и 4 сквозных линий субадреса А, обозначаемых А1, А2, А4, А8.

Линия номера станции соединяет контакт 9 в гнезде ее разъема и соответствующий контакт N на разъеме ФБК. Так в системе КАМАК осуществляется географическая адресация модуля в целом по радиальной линии. Адресация субблоков внутри ФБПИ логическая по линиям А, видно, что внутренних субадресов в модуле может быть до 24 = 16 субадресов.

Шина операций – она состоит из 5 сквозных линий кодов операций F.

Сигналы кодов операций образуются битами F1, F2, F4, F8 и F16. Они определяют до 25 = 32 функций. Интерфейс КАМАК предусматривает 18 типовых функций, например F(0) – чтение регистра, F(24) – запирает и т.п. Набор интерфейсных функций, реализуемых модулей, закладывается при его разработке и помимо типовых может включать оригинальные.

Команды, передаваемые по шинам адреса и операций имеют общее наименование – команды NAF. Все сигналы команд NAF формируются и выдаются ФБК.

Шина состояний – она состоит из 24 индивидуальных линий состояния L, по которым запросы на обслуживание передаются от ФБПИ к ФБК. Кроме того шина состояний включает 3 сквозные линии, а именно: Q – по которой то ФБПИ к ФБК сообщается, что соединение состоялось, Х – по которой от ФБПИ к ФБК сообщается, что команда принята и В – по которой от ФБК к ФБПИ сообщается, что магистраль занята.

Шина синхронизации – она состоит из 2 сквозных линий. По линии S от ФБК к ФБПИ передается синхроимпульс (строб 1), сопровождающий неизменные сигналы на шине данных. По линии S2 от ФБК к ФБПИ передается синхроимпульс (строб 2), позволяющий изменить сигналы на шине данных.

Шина управления она состоит из 3 сквозных линий. По этим линиям передается сигнал пуска – линия Z и сброса – линия С, сопровождаемая синхросигналом по линии S2 и сигналом по линии В, и сигнал запрета выполнения команды – линия – I.

Шина данных – она состоит из 24 сквозных линий W для сигналов записи и 24 сквозных линий R для сигналов чтения данных. Линии W и R объединяют в крейте только ФБПИ и к ФБК не подводятся.

Шина для нестандартных соединений – она состоит из 2 сквозных линий пользователя P1 и P2 и имеет по 3 пустых контакта пользователя Р3 – Р на каждом ФБ.

Для подачи к модулям питания имеется шина питания. Она состоит из 14 линий, 12 из них заняты, а 2 – V1 и V2 являются резервными.

Назначение шин и линий магистрали представлено в таблице 2.3, а контактов в разъеме в таблице 2. Таблица 2.3. Назначение шин и линий магистрали КАМАК.

операций Таблица 2.4. Назначение контактов в разъеме крейта.

Как видно система шин крейта содержит 82 магистральные линии сигналов, проходящих через все стадии и 2 индивидуальных (радиальных) линии идущих от ФБК крейта к каждой станции. Таким образом, в крейте используется смешанная (радиально-магистральная) система шин.

Из 86 контактов разъема стандарт регламентирует использование 81 контакта ФБПИ и 79 контактов ФБК.

Чтобы проиллюстрировать логический поток КАМАК рассмотрим процедуру обмена сигналами на магистрали во время командных операций (рис. 2.7). Штрихованные области соответствуют возможным задержкам сигналов относительно начала очередного цикла на магистрали.

Сигнал занятости ФБК В сопровождаетет любую командную операцию. Любая командная операция сопровождается сигналами NAF. Это видно на временной диаграмме – линии В, N, A, F переходят в низкое состояние, соответствующее логической единице. Далее ФБПИ выставляет на Х и Q низкий потенциал – команда принята и соединение состоялось, а также устанавливает сигналы чтение W и записи R данных. С учетом того, что длительность фронтов не превышает 150 нс, а задержка 100 нс к моменту 400 нс, когда срабатывает строб 1 на линиях параллельно выставлены двоичные сигналы B, N, A, F, X, Q, и R (илиW) всего число 37 сигналов.

N,A,F X,Q, Рисунок 2.7. Обмен сигналами во время командных операций.

Исполнительные строб сигналы S1 и S2 длительностью по 200 нс каждый задержаны относительно начала цикла, для того, чтобы обеспечить достижения на B, N, A, F, R, W, X, Q уровня логической единицы.

С момента появления строба S1 контроллер анализирует сигнал на линии Х, причем этот сигнал должен сохраняться неизменным по крайней мере до строба S2.

Действия в модуле, обусловленные функцией F начинается в момент появления одного из стробов S1 или S2 в зависимости от вида операции.

С момента появления строба S1 в течении 300 нс до появления строба S2 происходит действие ФБПИ по чтению данных с линий R или контроллера по записи данных с линий W. По строб сигналу S2 состояние линий R и W может быть изменено.

Сигнал на линии Q устанавливается адресуемым модулем и воспринимается ФБК с момента появления строб сигнала S1.

Сигналы запроса на линии L могут возникать в произвольные моменты времени, но удовлетворение запроса может произойти только лишь в первые 400 нс цикла. Во время действия и исполнения команды, адресованной модулю, как правило реализуется случайL=0 при N=1 (см. рисунок).

По окончании операции L-запрос вновь появляется на магистрали крейта, если он не был удовлетворен.

Кроме описанных адресуемых командных операций на магистрали крейта могут осуществляться безадресные операции, которые не адресованы конкретным модулям, с использованием управляющих сигналов Z, C и I.

Рассмотрение в этом случае проводится аналогично. Длительность цикла в этом случае 750 нс, т.е. несколько короче цикла командной операции.

Если учесть, что передача информации по шине данных происходит только в командном цикле, а число линий R и W равно 24, то магистральный объем полезной информации, передаваемой за один цикл, 24 бита. Следовательно предельная пропускная способность магистрали КАМАК - 3 мегабайта/с.

Если в составе ФБПИ имеется несколько субблоков и один из них выставил флаг (сигнал запроса на линии L), то для нахождения адреса этого субблока ФБК крейта выполняет последовательный опрос всех субадресов А.

Только после его нахождения дается сигнал разрешения на обмен информацией по шине данных. В результате пропускная способность КАМАК будет ниже расчетной.

Одного крейта с 23 модулями - станциями как правило недостаточно для автоматизации серьезного эксперимента. Это обстоятельство побудило разработчиков организовать в системе 2ой уровень централизации управления обменом информации, который носит название ветви (Grauch) или вертикальной магистрали.

Магистраль ветви может объединять до 7 крейтов (рисунок 2.8), которые обычно располагаются в одной стойке.

Ветвь состоит из следующих шин:

Шина адреса и команд ветви - число линий 21 в том числе 7 радиальных линий ВСR для передачи адреса крейта, 5 магистральных линий адреса модуля в крейте BN16, BN8, BN4, BN2 и BN1 и 4 магистральных линии субадреса BA8, BA4, BA2 и BA1. Кроме того шина содержит 5 магистральных линий BF16, BF8, BF4, BF2 и BF1для передачи кода операции в адресованный субблок.

Информационная шина ветви - число линий 24, назначение - запись и чтение информации по магистральным линиям BRW1 - BRW24.

ФБ ФБ ФБ

ПИ ПИ ПИ

Рисунок 2.8 Структура с вертикальной магистралью.

Шина состояния - число линий 13, в том числе 7 радиальных линий ВТВ1 - ВТВ7 для передачи сигнала запроса на обслуживание крейта, линии BX, BQ, BZ аналогичные по назначению линиям X, Q и Z крейта, линия ВТА для передачи сигналов таймера и линии BD и BG для передачи сигнала запроса на обслуживания крейта и разрешение крейтам на занятие магистрали соответственно.

Резервная шина - число линий 7, из которых BV1 - BV5 используются по усмотрению пользователя, аВV6 иВV7 - зарезервированы.

Таким образом общее число линий ветви 65. Каждая из них представляет собой витую пару проводов. Магистраль ветви использует 132 контактные штырьковые разъемы.

Если эксперементальная установка занимает большую площадь можно перейти от системы с сосредоточенными параметрами к системе с распределенными параметрами. В стандарте КАМАК для этого случая разработали стандарт на последовательную магистраль КАМАК, которая позволяет объединять до 62х крейтов в кольцо большой протяженности (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9. Последовательная магистраль КАМАК.

Во всех крейтах последовательной магистрали устанавливают одинаковые контроллеры, которые получили название контроллеры типа L. Обмен информацией между ЭВМ и контроллерами типа L происходит через контроллер магистрали - драйвер последовательной магистрали. Таким образом при замене ЭВМ меняется лишь драйвер, все остальные компоненты остаются неизменными.

Последовательная магистраль КАМАК (ПМ) может быть выполнена в 2 вариантах, а именно: для побитной и побайтной передачи. В обоих случаях в составе магистрали имеется дополнительная линия для передачи тактовых импульсов, частота которых5 МГц.

При побитной передаче байт информации обрамляется стартовым (логический 0)и стоповым (логическая единица) битами (рис. 2.10) и получается декада.

Рисунок 2.10. Структура сообщения с поразрядно передаваемым байтом.

Для однозначного определения начала и конца декад в сообщении предусмотрены паузы длиной 10 тактов, заполненные логическими единицами.

Таким образом на 20 бит передается всего 8 бит полезной информации, что при fтакт=5МГц, составит 2 Мбит/с.

При побайтной передаче ПМ состоит из 8ми лиинй и линии для передачи тактовых импульсов. Определены 3 типа сообщений - командные, ответы и заявки на магистраль. Структуру соответствующих сообщений можно найти в литературе.

Литература к главе 2:

1. Блохнин С.М. Шина ISA персонального компьютера IBM PC/AT. – М.: ПК "Сплайн", 1992 – 76с.

2. Петрухин В.С., Степченков Ю.А., Филин А.В. Персональные ЭВМ на основе архитектуры Intel 80386. Книга 2. – Обнинск: ИнвесКо, 1993 – гл.

3. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC. /Под ред. У.Томпкинса, Дж. Уэбстера; пер. с англ. – М.: Мир,1992 – 512с.: ил.

4. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. Под общей ред.

Ю.В. Новикова. Практ. Пособие. – М.: ЭКОМ, 1997 – 224с.

5. Приборно – модульные универсальные автоматизированные измерительные системы. Справочник. /В.А. Кузнецов, В.Н. Строителев, Е.Ю. Тимофеев и др.; Под ред. В.А. Кузнецова. – М.: Радио и связь,1993. — 304с.: ил.

Глава 3. Вычислительные машины системы и сети.

Концепция открытых систем возникла в результате эволюции вычислительных сетей и связанных с ними новых информационных технологий. В то же время сами вычислительные сети явились продуктом совершенствования вычислительной техники и программирования. Поэтому, чтобы подойти к центральному понятию этой главы, понятию открытой вычислительной сети, целесообразно кратко рассмотреть исторический путь развития компьютерной отрасли.

Примечание. Технология – реализация научных и технических знаний в практической деятельности. Технологии, направленные на повышение эффективности работы с информацией, называются информационными технологиями. Те из них, которые основаны на использовании компьютеров, получили название новых информационных технологий. Примерами могут служить технологии работы с текстами, таблицами и графикой, электронная почта, мультимедиа, "всемирная паутина" и т. п.

Начнем с определения. Вычислительная машина (ВМ), иначе компьютер, представляет собой систему, состоящую из аппаратных (Hardware) и программных (Software) средств и предназначена для приема, обработки, хранения и выдачи информации.

Первые ВМ представляли собой уникальные лабораторные установки, на которых мог работать ограниченный круг высококвалифицированных специалистов, хорошо знающих их устройство. Каждая машина имела свой оригинальный набор команд и специфическую разрядную сетку (например, 27 или 36 разрядов). Программа представляла собой последовательность двоичных кодов команд и данных и вводилась в машину вручную с помощью переключателей. Управление работой машины – ввод программы, ее использование и вывод результатов – так же осуществлялось вручную с помощью кнопок на пульте.

Вместе с тем опыт использования даже таких несовершенных машин показал их высокую эффективность при решении сложных научнотехнических задач и указал пути их совершенствования. Одновременно было осознано,что развитие ВМ затрагивает широкий круг людей, организаций и предприятий (как производителей так и потребителей) и оно немыслимо без широкой унификации и стандартизации аппаратных и программных решений. Унификация и стандартизация в области ВМ и программирования породила целый ряд новых понятий, таких как интерфейс, протокол, спецификация, формат, кадр и т.д., о чем мы будем говорить подробнее в дальнейшем.

Примечание. Стандартизация –это деятельность, направленная на достижение оптимальной степени упорядочения в определенной области посредством установления положений для всеобщего и многократного использования в отношении реально существующих или потенциальных задач.

Стандарт – нормативный документ по стандартизации.

Унификация предшествует стандартизации и заключается в перенесении удачных решений на вновь создаваемые изделия. Унификацию иногда именуют стандартом "де-факто", а стандарт как нормативный документ – стандартом "де-юре".

Следующим шагом в эволюции ВМ было появление мощных и надежных ВМ универсального назначения. Программирование было облегчено и унифицировано за счет разработки алгоритмических языков высокого уровня: Фортран, Алгол, PL/1 и т.д.. Как стандарт "де-факто" появился байт – единица количества информации в восемь бит. Чтобы автоматизировать управление работой ВМ, были разработаны операционные системы. Для удовлетворения потребностей разных категорий пользователей были созданы ряды ВМ – семейства программно совместимых ВМ различной производительности.

Примечание. Операционная система (ОС) – совокупность системных программ, основными функциями которых являются управление режимами работа ВМ, процессами и ресурсами. К режимам работы относятся ввод-вывод, трансляция и исполнение программы, тестирование и диагностика машины и т.д. Понятие процесса возникло с появлением мультипрограммных машин, и его наиболее распространенное определение – программа в стадии выполнения. Процесс может создаваться, прерываться, возобновляться, блокироваться, менять свой приоритет и т.д. Ресурсом называется любая часть аппаратного или программного обеспечения машины, которая может быть выделена процессу. Главными ресурсами являются процессоры, память, устройства ввода-вывода, файлы, базы данных.

В операционной системе выделяют ядро, которое резидентно размещается в оперативной памяти и состоит из наиболее часто исполняемых программ, и нерезидентные компоненты, размещаемые во внешней памяти и вызываемые по мере надобности.

Расширился спектр периферийных устройств (устройства ввода и вывода информации), что поставило задачу разработки унифицированного сопряжения между этими устройствами и ЭВМ. Так возникло важное понятие интерфейса как унифицированной системы технических соединений (провода, шины, разъемы), логических сигналов (информационные и управляющие биты и байты с фиксированными электрическими уровнями "0" и "1") и алгоритмов обмена (процедуры установления связей, обмена данными и завершения передачи).

Машины универсального назначения имели большие размеры, требовали значительного штата обслуживающего персонала и поэтому эксплуатировались, как правило, в составе вычислительных центров (ВЦ), которые предоставляли услуги пользователям в режиме пакетной обработки. Пакетная обработка обеспечивает наибольшую загрузку процессора, но лишает пользователя интерактивного взаимодействия с ВМ, что резко снижает эффективность его работы. Так, например, сдав программу с данными в ВЦ, на другие сутки пользователь узнавал, что программа не выполнилась, так как одна из перфокарт содержала ошибку.

Интересы пользователей стали учитываться с шестидесятых годов, когда начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени. В пределах небольшого временного интервала не слишком заметного для человеческого восприятия, каждому пользователю выделяется свой квант времени для работы с компьютером. Возникал эффект единоличного диалога с ВМ.

Терминалы вышли за пределы ВЦ и рассредоточились по отделам, лабораториям, цехам. Хотя обработка данных осталась централизованной, но некоторые функции, такие как ввод и вывод информации, стали уже распределенными. Был сделан первый шаг к вычислительным сетям.

Вычислительные системы стали возникать с появлением задач, которые было невозможно решить даже на самых мощных компьютерах. Для повышения производительности стали создавать многомашинные вычислительные системы (ММВС) и многопроцессорные вычислительные системы (МПВС). Отметим, что ММВС и МПВС могут также строиться для решения другой задачи – повышения надежности вычислительных машин, но здесь мы ограничимся только вопросом повышения производительности.

Многомашинная вычислительная система – включает в себя несколько компьютеров, каждый из которых работает под управлением собственной операционной системы, а также программные м аппаратные средства, обеспечивающие работу всех компьютеров как единого целого. Связь между компьютерами может осуществляться через общую дисковую память или через специально построенную общую оперативную память (ООП) и адаптер канал-канал (АКК), связывающий каналы ввода-вывода. ООП и АКК часто называют устройствами комплексирования машин, а саму многомашинную систему с такими устройствами называют вычислительным комплексом.

Производительность ММВС является высокой на слабосвязанных задачах и падает, если параллельно выполняемые задачи тесно связаны между собой по данным.

Многопроцессорная вычислительная система включает в себя несколько центральных процессоров (ЦП), работающих под управлением единой операционной системы, имеющих общую оперативную память и общие периферийные устройства.

Примечание. Центральный процессор выполняет в ВМ основные функции по обработке данных и вместе с тем управляет работой всех других частей ВМ. Состоит из арифметико-логического устройства, устройства управления и процессорной памяти.

Высокая производительность МПВС достигается в следствии параллельной работы процессоров и быстрого их взаимодействия за счет общей оперативной памяти. Вместе с тем МПВС обычно имеет, при прочих равных условиях, более высокую стоимость чем ММВС.

Как уже отмечалось, появление режима разделения времени на ВМ дало возможность вынести терминалы пользователей за пределы ВЦ и тем самым сделать первый шаг к вычислительным сетям. Следующим шагом стало появление телеобработки данных – доступа к компьютеру с терминалов, удаленных на большие расстояния, с помощью телефонных линий связи. Создание систем телеобработки данных позволило наряду с удаленными связямитипа терминал-компьютер реализовать удаленные связи типа компьютеркомпьютер. Так исторически возникли первые глобальные вычислительные сети. В этих сетях были реализованы такие ставшие теперь обычными сетевые службы, как обмен файлами, электронная почта и другие.

Локальные сети появились несколько позднее и своим появлением они обязаны мини-ЭВМ. Низкая стоимость мини-ЭВМ привела к их распространению во многих подразделениях предприятий. Далее предприятия стали объединять свои компьютеры и разрабатывать программное обеспечение для их взаимодействия. В результате широким фронтом стали возникать локальные вычислительные сети с разнотипным сопряжением и программным обеспечением. Стандартные технологии объединения в сеть утвердились только к середине 80-х годов, когда на смену мини-ЭВМ пришли персональные микро-ЭВМ.

Рассмотрим общие принципы построения вычислительных сетей. Сеть объединяет множество компьютеров. Но если в многомашинной системе компьютеры работают как единое целое и территориально находятся рядом, то в вычислительной сети компьютеры в значительной степени автономны и территориально могут быть распределены. Связь между компьютерами осуществляется с помощью специальных периферийных устройств – сетевых адаптеров, соединенных каналами связи.

После приведенных пояснений можно перейти к определению. Вычислительной сетью называется множество компьютеров, соединенных средствами связи и работающих под управлением сетевого программного и аппаратного обеспечения. Основная цель создания сети – обеспечения совместного использования всех ресурсов сети.

Различают локальные и глобальные сети. К локальным сетям относят сети компьютеров, сосредоточенных на небольшой территории (обычно в радиусе до 1 - 2 км). Глобальные сети объединяют компьютеры или локальные сети, расположенные на больших расстояниях, например, в разных городах и даже странах.

Основные отличия локальных сетей от глобальных сводятся к следующему. В локальных сетях прокладывают собственные качественные линии связи: коаксиальный кабель, витые пары, оптоволоконный кабель. Такие каналы позволяют вести передачу данных немодулированными сигналами с высокой скоростью (10, 16 и 100 Мбит/с), сравнимой со скоростью работы дисковых устройств, внутренних шин обмена ВМ и т.п. В результате, у пользователя сети, подключенному к удаленному разделяемому ресурсу, например диску, возникает ощущение, что он пользуется этим диском, как своим.

В отличие от локальных сетей, в глобальных сетях применяют уже существующие каналы связи (телефонные, телеграфные, радиорелейные, спутниковые и т.п.). Из-за низкой надежности этих каналов передача данных ведется модулированными сигналами с контролем передачи и подтверждением получения, а также повторной передачей искаженных или неполученных данных. Для глобальных сетей характерны значительно более низкие скорости передачи данных – 2400, 9600 бит/с, 28,8; 33,6; 56 и 64 Кбит/с – и только на магистральных каналах – до 2 Мбит/с.

Отличаются локальные сети от глобальных и набором услуг, предоставляемых пользователю. В локальных сетях набор услуг несравненно шире.

Далее в этой главе в основном будут рассматриваться локальные сети.

Облик той или иной сети для пользователя определяется, прежде всего, тем набором услуг, которые он может получить, например, прочитать удаленный файл, послать почтовое сообщение или распечатать свой документ на "чужом" принтере. Сетевой компонент (обычно программный), который предоставляет в распоряжение пользователя некоторый определенный набор услуг, называется сетевой службой. В качестве примеров можно назвать службу удаленного доступа, службу электронной почты, службу печати, а также столь необходимую файловую службу.

Рассмотрим принципы организации служб сети. При создании некоторой службы, например, файловой, помимо соединения машин каналами связи и снабжения их сетевыми адаптерами, необходимо еще сделать добавления к операционным системам компьютеров. На тех компьютерах, файлы которых должны быть доступны пользователям сети, необходимо добавить программные модули, которые будут постоянно находиться в режиме ожидания запросов, поступающих по сети от других машин. Обычно такие модули называются серверами. На компьютерах, пользователи которых хотят получить доступ к этим файлам, также нужно добавить к операционной системе уже другие программные модули, которые должны вырабатывать запросы на доступ к удаленным файлам и передавать по сети на нужный компьютер. Такие модули обычно называются программными клиентами.

Каждая пара модулей "клиент-сервер" обеспечивает совместный доступ пользователей к определенному виду ресурсов, в нашем примере – к файлам. В этом случае говорят, что пользователь имеет дело с файловой службой. По этой же схеме организуются другие виды служб (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Взаимодействие "клиент-сервер" Термины "клиент" и "сервер" используются не только для обозначения программных модулей, но и компьютеров сети. Компьютер, предоставляющий свои услуги, называют сервером, а компьютер, потребляющий услуги, – клиентом. В частности, один и тот же компьютер может выступать и клиентом, и сервером.

Мы рассмотрели самые общие вопросы организации вычислительных сетей. Однако даже на таком уровне описания ясно, что создание реальной сети упирается в проблему совместимости разнообразного оборудования и программного обеспечения. Совместимость же, как известно, наиболее успешно реализуется путем стандартизации, к которой мы и переходим.

3.4. Многоуровневый подход. Интерфейс. Протокол.

Организация взаимодействия между машинами в сети является сложной задачей. Как известно, для решения сложных задач успешно применяется метод декомпозиции, т.е. разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач – модулей. Использование метода декомпозиции становится еще более эффективным, если все множество модулей удается разбить на иерархически взаимодействующие уровни. Это означает, что для выполнения своих задач каждый уровень обращается только к соседнему нижележащему уровню, а результаты своей работы передает только соседнему вышележащему уровню. Такая иерархическая декомпозиция предполагает четкое определений функций каждого уровня и интерфейсов между соседними уровнями.

Если данную многоуровневую концепцию применить к взаимодействию компьютеров в сети, то, во-первых, нужно учесть, что каждый компьютер, с точки зрения сети, представляет собой многоуровневую систему, уровни которой взаимодействуют в соответствии с четко определенным набором правил, называемым интерфейсом, а во-вторых, следует принять во внимание, что в процессе обмена сообщениями участвуют две машины, и следовательно, каждая пара одноименных уровней обеих машин также должна согласованно работать по единым правилам, которые получили название протокола.

В сущности, протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие – набор формализованных правил, определяющих последовательность и формат сообщений, – но традиционно в сетях за ними закрепили разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия моделей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы – модулей соседних уровней в одном узле.

Средства каждого уровня должны отрабатывать свой собственный протокол, а также интерфейсы с соседними уровнями. Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации машин в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Программный модуль, реализующий некоторый протокол, часто для краткости также называют "протоколом". При этом соотношение между протоколом –процедурой и протоколом–программой аналогично соотношению между алгоритмом и реализующей его программой.

Теперь, после рассмотрения основных идей многоуровневого подхода, перейдем к конкретной многоуровневой модели, играющей важную роль в теории и практике компьютерных сетей.

Многоуровневый подход к задаче передачи сообщений давно и хорошо известен. На этом подходе основана работа знакомой всем почтовой связи. Поэтому целесообразно, прежде чем переходить к изложению сетевой многоуровневой модели, кратко рассмотреть упрощенный пример взаимодействия двух корреспондентов, живущих в разных городах, с помощью обычной почты. В этом примере можно выделить семь уровней модели связи (рис.3 2).