Виды электронно-вычислительных машин. Харакеристика беспроводных каналов передачи данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный аграрный университет им. императора Петра 1

Контрольная работа по дисциплине

«Основы автоматизированного проектирования»

выполнила: студентка-заочного отделения

Кузнецова Наталья Юрьевна

ТТЖ- 4 №11024

проверил: Колобаева Анна Алексеевна

Воронеж 2015

Содержание

1. Принципы системного подхода проектирования САПР

2. Виды ЭВМ

3. Характеристика беспроводных каналов передачи данных

4. Сетевой протокол IP

1. Принципы системного подхода проектирования САПР

Основные идеи и принципы проектирования сложных систем выражены в системном подходе. Для специалиста в области системотехники они являются очевидными и естественными, однако их соблюдение и реализация зачастую сопряжены с определёнными трудностями , обусловливавшими особенностями проектирования. Как и большинство взрослых образованных людей, правильно использующих родной язык без привлечения правил грамматики, инженеры применяют системный подход без обращения к пособиям по системному анализу. Однако интуитивный подход без применения правил системного анализа может оказаться недостаточным для решения все более усложняющихся задач инженерной деятельности. проектирование вычислительный беспроводной протокол

Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход включает в себя выявление структуры системы, типизацию связей, определение атрибутов, анализ влияния внешней среды.

Системный подход рассматривают как направление научного познания и социальной политики. Он является базой для обобщающей дисциплины « Теория систем ».Теория систем-дисциплина, в которой конкретизируются положения системного подхода; она посвящена исследованию и проектированию сложных экономических, социальных, технических систем, чаще всего слабо структурированных . Характерными примерами таких систем являются производственные системы. При проектировании систем цели достигаются в многошаговых процессах принятия решений. Методы принятия решений часто выделяют в самостоятельную дисциплину, называемую «Теорией принятия решений».

Системология исследует инвариантные к конкретным приложениям свойства систем, те свойства, которые определяют интеграцию наук и позволяют с единых позиций изучать разнообразные явления и процессы.

В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические системы, их проектирование и которая аналогична теории систем, чаще называют системотехникой. Предметом системотехники являются, во-первых, организация процесса создания, использования и развитие технических систем, во-вторых, методы и принципы их проектирования и исследования. В системотехнике важно уметь сформулировать цели системы и организовать её рассмотрение с позиции поставленных целей. Тогда можно отбросить лишние и малозначимые части при проектировании и моделировании, перейти к постановке оптимизационных задач.

Системы автоматизированного проектирования и управления относятся к числу наиболее сложных автоматизированных искусственных систем. Их проектирование и сопровождение невозможны без системного подхода. Поэтому идеи и положения системотехники входят составной частью в дисциплины, посвященные изучению современных автоматизированных систем и технологий их применения.

Интерпретация и конкретизация системного подхода имеют место в ряде известных подходов с другими названиями, которые также можно рассматривать как компоненты системотехники. Таковы структурный, блочно-иерархический, обьектно -ориентированны подходы.

При структурном подходе как разновидности системного требуется синтезировать варианты системы из компонентов( блоков ) и оценивать варианты при их частичном переборе с предварительным прогнозированием характеристик компонентов.

Блочно-иерархический подход к проектированию использует идеи декомпозиции сложных описаний обьектов и соответственно средств их создания на иерархические уровни и аспекты, вводит понятие стиля проектирования(восходящее и нисходящие), устанавливает связь между параметрами соседних иерархических уровней.

Ряд важных структурных принципов, используемых при разработке информационных систем и прежде всего их программного обеспечения (ПО), выражен в обьектно- ориентированном подходе к проектированию. Такой подход имеет следующие преимущества в решении проблем управления сложностью и интеграции ПО: 1)вносит в модели приложений большую структурную определённость, распределения представленные в приложении данные и процедуры между классами обьектов; 2) сокращает обьём спецификаций благодаря введению в описания иерархии обьектов и отношений наследования между свойствами обьектов разных уровней иерархии; 3) уменьшает вероятность искажения данных вследствие ошибочных действий за счет ограничения доступа к определённым категориям данных в обьектах. Описание в каждом классе обьектов допустимых обращений к ним и принятых форматов сообщений облегчает согласование и интеграцию ПО.

Для всех подходов к проектированию сложных систем характерны также следующие особенности.

1.Структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпозицией проектных задач и документации, выделением стадий, этапов, проектных процедур. Эта структуризация является сущностью блочно-иерархического подхода к проектированию.

2.Итерационный характер проектирования.

3.Типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.

2. Виды ЭВМ

В настоящие время в зависимости от производительности и стоимости вычислительного оборудования выделяют несколько типов ЭВМ и ВС. В их список в порядке возрастания производительности входят персональные компьютеры (ПК), рабочие станции (WS- Workstations), серверы, мэйнфреймы и суперкомпьюторы.

Наибольшее распространение в САПР получили ПК, рабочие станции и серверы.

Персональный компьютер состоит из микропроцессора, оперативной и кэш-памяти, накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера), видеоадаптера (видеокарты) дисковода для СD ROM ,звуковой и видеосистемы для реализации мультимедиа, шин, блока питания. В некоторых моделях ПК сохраняется накопитель на гибких (НГМД) магнитных дисках. В ПК имеются слоты расширения для размещения дополнительных устройств, таких как сетевой контролер или модем.

Процессор, оперативная, и кеш-память расположены на системной плате, называемой также материнской платой.

Интерфейс между процессором и внешними устройствами осуществляется с помощью шин и набора устанавливаемых на системной плате специальных микросхем, называемом чип сетом (Chipset). Системная шина осуществляет обмены данными между процессором и кеш-памятью второго уровня и через системный контроллер с оперативной памятью. Системный контроллер служит для связи системной шины и шины расширения. В качестве шины расширения в современном ПК используют шину PCI (Peripheral Component Interconnect). Шину PCI применяют для связи с быстродействующими устройствами компьютера, к числу которых относится видеоадаптер, сетевую карту, сканер и некоторые другие устройства.

Шина AGP ( Accelerated Graphics Port ) представляет собой канал передачи данных между видеокартой и оперативной памятью .

Шина ISA (Industry Standard Architecture )- стандартная шина для подключения медленных устройств ввода-вывода. Происходит постепенная передача функций ISA новым шинам USB или 1394. С помощью этих шин подключают такие внешние устройства, как клавиатура, мышь, джойстик, принтер, флеш-память.

Внешние накопители (винчестер, магнитные диски, CD-ROM ) подключают к шине PCI через микросхему мост с помощью контроллеров накопителей. Обычно контроллеры размещены на системной плате, а сами дисководы подключают к плате с помощью имеющихся на ней разьёмов.

Видео карта включает видеопамять и видео процессор , используемый для разгрузки центрального процессора при выполнении определённых графических операций.

На системной плате размещен также блок BIOS(Basic Input/Output System).Этот блок выполняет функции хранения параметров конфигурации ПК, аппаратных драйверов и программы POST,которая при включении компьютера проверяет работоспособность его устройств.

Рабочая страница-вычислительная система, ориентированная на решение задач определённого приложения в АС. Исторически первые рабочие страницы были созданы именно для решения сложных инженерных задач в системах автоматизированного проектирования. Поэтому к ним предъявлялись повышенные требования производительности, надёжности, емкости памяти. Высокая производительность достигается за счет использования многопроцессорных структур, В том числе специальных графических процессоров, что увеличивает стоимость аппаратуры.

В наиболее мощных рабочих станциях в качестве основных обычно используют высокопроизводительные микропроцессоры с сокращенной системой команд (с RISC-архитектурой),работающие под управлением одной из разновидностей операционной системы Unix. В менее мощных чаще используются технологии Wintel (т. е. Микропроцессоры Intel и операционные системы Windows). Графические процессоры выполняют такие операции ,как, например, растеризация- представление изображения в растровой форме для её визуализации, перемещение, вращение, маштабирование,удаление скрытых линий и т. п.

Серверы в вычислительных системах выполняют функции, связанные с обслуживанием всех узлов сети. По функциональному назначению различают серверы файловые, баз данных, коммутационные, приложений и т. п. Файловые серверы и серверы баз данных содержат данные,разделяемые многими клиентскими узлами. Коммутационные серверы обеспечивают информационное взаимодействие узлов в вычислительных сетях. Серверы приложений выполняют трудоёмкие вычисления по прикладным программам в соответствии с запросами клиентов.

Серверы, как правило, должны обладать большим быстродействием, надежностью и во многих случаях увеличенной ёмкостью памяти по сравнению с компьютерами в клиентских узлах. Поэтому серверы обычно являются векторными или многопроцессорными вычислительными системами.

Типичный векторный компьютер включает в свой состав скалярный процессор целочисленной арифметики, функциональные блоки для операций сложения и умножения чисел с плавающей точкой , векторный процессор и общую память.

Многопроцессорная вычислительная система состоит из одного и более вычислительных узлов. При этом каждый узел представляет собой вычислительную систему, работающую под управлением одной операционной системы и состоящей из одного или нескольких процессоров, оперативной памяти и системы ввода-вывода.

Процессоры в матричных многопроцессорных системах образуют некоторую сеточную структуру. Один из процессоров осуществляет управление функции. Остальные процессоры одновременно должны выполнять одну и туже операцию, поэтому не любой вычислительный процесс может быть эффективно реализован на компьютере этого класса. Следовательно, матричные системы, как правило, являются специализированными. Примером могут быть сигнальные процессоры, компьютеры для статических расчетов по методу Монте -Карло и т. п.

Большая степень универсальности присуща многопроцессорным векторным ЭВМ и симметричным многопроцессорным системам( SMP- Symmetric Multiprocessor). Один узел SMP-системы содержит два и более одинаковых процессоров, имеющих равноправный доступ к другим ресурсам узла. Наличие общей разделяемой оперативной памяти упрощает выполнение программ, ранее разработанных для однопроцессорных ЭВМ. Поскольку с увеличением числа процессоров существенно возрастают сложности обеспечения их связи между собой и с общей памятью, SMP-системы имеют ограничения по числу используемых процессоров- узел обычно включает единицы, реже десятки процессоров.

В последнее время получают распространение так называемые серверы-лезвия(Blade Servers), отличающийся компактным конструктивным исполнением. В отличие от обычных серверов ,построенных по принципу « один корпус- одна системная плата» ,в серверах-лезвиях несколько системных плат совместно используют общий корпус, блок питания, общие вентиляторы и кабельные соединения. Совместное использование компонентов обеспечивает значительную экономию эффективность аппаратурного обеспечения. Меньшее число компонентов повышает надежность серверов, а плотность их расположения позволяет упростить их обслуживание.

Мейнфреймами называют большие ЭВМ. Высокая производительность и большая емкость памяти обеспечивает решение сложных проблем, позволяют использовать такие компьютеры в качестве центрального узла ВС,управляющего работой многих простых терминалов. Однако по значению отношения производительность /цена мейнфреймы обычно заметно уступают предшественникам типа ВС. В настоящие время их использование весьма ограничено.

Компьютеры, характеризуемые наибольшими значениями производительности и цены среди других типов ЭВМ и ВС, относятся к категории суперкомпьютеров. Очевидно, что суперкомпьютеры-это уникальные вычислительные системы, обычно используемые в научных и образовательных учреждениях для решения наиболее сложных научно- исследовательских задач.

Мощные серверы и многие суперкомпьютеры выполняют в виде вычислительных кластеров.

Кластер- распределённая вычислительная система, собранная из имеющихся на рынке компонентов, объединённых для решения сложных задач. Кластеры предназначены для создания высокопроизводительных и надежных систем с использованием стандартных структурных компонентов. Они обеспечивают более эффективное отношение цена/производительность,чем мейнфреймы или уникальные суперкомпьютеры, имеют более высокую отказоустойчивость (поскольку выход из строя одного сервера или его компонента не приводит к отказу всей системы ), а также лучшие показатели маштабируемости, поскольку они построены на основе стандартных структурных компонентов, наращивание ресурсов происходит сравнительно просто и экономично.

Кластеры являются воплощением идеи использования совокупной производительности компьютеров для решения сложных задач, требующих больших вычислительных ресурсов. Другие направления реализации этой идеи-применение технологии grid, основанной на более полном использовании свободных сетевых вычислительных ресурсов. Технология grid позволяет объединять свободные ресурсы процессоров и устройств хранения данных и использовать их совместно в глобальной сети серверов, обеспечивая распределенную параллельную обработку данных.

3. Характеристика беспроводных каналов передачи данных

В беспроводных радиоканалах передача информации осуществляется с помощью радиоволн. В информационных сетях используются диапазоны от сотен мегагерц до десятков гигагерц.

Чем выше рабочая частота, тем больше ёмкость (число каналов) системы связи, но тем меньше предельные расстояния, на которых возможна прямая передача между двумя пунктами без ретранслятора. Первая из причин и порождает тенденцию к освоению новых, более высокочастотных диапазонов.

Радиоканалы используются в качестве альтернативы кабельным системам в локальных сетях и при объединении сетей отдельных подразделений и предприятий в корпоративные сети. Радиоканалы являются необходимой составной частью также в спутниковых и радиорелейных системах связи, применяемых в территориальных сетях мобильной связи.

Радиосвязь используют в корпоративных и локальных сетях, если затруднена прокладка других каналов связи. Во многих случаях построения корпоративных сетей применение радиоканалов оказывается более дешевым решением по сравнению с другими вариантами.

Радиоканал либо выполняет роль моста между подсетями (двухточечное соединение), либо является общей средой передачи данных в ЛВС по методу МДКН/ОК, либо служит соединением между центральным и терминальными узлами в сети с централизованным управлением, либо соединяет спутник с наземными станциями в спутниковом канале связи.

Радиомосты используют для объединения между собой кабельных сегментов и отдельных ЛВС в пределах прямой видимости и организации магистральных каналов в опорных сетях. Они выполняют ретрансляцию и фильтрацию пакетов. При этом имеют место двухточечное соединение с использованием направленных антенн, дальность в пределах прямой видимости (обычно до 15.....20км с расположением антенн на крышах зданий). Мост имеет два адаптера: один для формирования сигналов в радиоканале, другой- в кабельной подсети.

В случае использования радиоканала в качестве общей среды передачи данных в ЛВС сеть называют Radio Ethernet, обычно её применяют внутри зданий. В состав аппаратуры входят приёмопередатчики и антенны. Связь осуществляется на частотах от одного до нескольких гигагерц. Расстояние между узлами- несколько десятков метров.

В соответствии со стандартом IEEE 802/11 возможны два способа передачи двоичной информации в ЛВС, их цель заключается в обеспечении защиты информации от не желательного доступа.

Первый способ называют методом прямой последовательности (DSSS-Direct Sequence Spread Spectrum). В нём защита информации основана на избыточности- каждый бит данных представлен последовательностью из 11 элементов (чипов). Эта последовательность создаётся с помощью алгоритма, известного участникам связи, и поэтому её можно дешифрировать при приёме. Сохранение высокой скорости обеспечивается расширением полосы пропускания (в DSSS по IEEE 802/11b информационная скорость может доходить до 11Мбит/с, полоса пропускания составляет 22 МГц в диапазоне частот 2,4ГГц). Отметим , что избыточность повышает помехоустойчивость. Действительно, помехи обычно имеют более узкий спектр, чем 22МГц, и могут исказить часть чипов, но высока вероятность того, что по остальным частотам значения бита будет восстановлено. При этом не нужно стремится к большим значениям отношения сигнала- помеха, сигнал становится шумоподобным, что, во-первых, обуславливает дополнительную защиту от перехвата и, во-вторых, не создаёт помех, мешающей работе другой радиоаппаратуре.

Второй способ- метод частых скачков (FHSS- Frequency Hopping Spread Spectrum). Согласно этому методу, полоса пропускания по IEEE 802/11 делится на 79 диапазонов. Передатчик периодически ( с шагом 20...400мс) переключается на новый поддиапазон, причем алгоритм изменения частот известен только участникам связи и может изменятся, что и затрудняет несанкционированный доступ к данным.

Вариант использования радиоканалов для связи центрального и переферийного узлов отличается тем, что центральный пункт имеет ненаправленную антенну, а в терминальных пунктах при этом применяются направленные антенны. Дальность связи состовляет также десятки метров, а вне помещений- сотни метров.

Спутниковые каналы являются частью магистральных каналов передачи данных. В них спутники могут находится на геостационарных ( высота 36 тыс.км) или низких орбитах. В случае геостационарных орбит заметны задержки ( около 500 мс ) на прохождение сигналов к спутнику и обратно. Возможно покрытие поверхности всего земного шара с помощью четырёх спутников. В низкоорбитальных системах обслуживание конкретного пользователя происходит попеременно разными спутниками. Чем ниже орбита, тем меньше площадь покрытия и, следовательно, требуется или большее число наземных станций,или межспутниковая связь, что, естественно, приводит к утяжелению спутника. Число спутников также значительно больше (обычно несколько десятков).

В оборудовании беспроводных каналов передачи данных входят сетевые адаптеры и радиомодемы, поставляемые вместе с комнатными антеннами и драйверами. Они различаются способами обработки сигналов, характеризуются частотой передачи, пропускной способностью, дальностью связи. Радиомодем подключают к цифровому ООД через стандартный интерфейс.

В вычислительных сетях САПР в основном используются цифровые каналы передачи данных. Однако применяют и аналоговые каналы ,поскольку таковыми являются телефонные сети, которые можно использовать в качестве магистральных каналов или абонентских линий.

4. Сетевой протокол IP

Протокол IP-дейтаграммный сетевой протокол без установления соединения. В дейтаграммных протоколах сообщение разбивается на дейтаграммы. Дейтаграмма- пакет, передаваемый независимо от других частей одного и того же сообщения в вычислительных сетях с коммутацией пакетов. Дейтаграммы одного и того же сообщения могут передаваться в сети по разным маршрутам и поступать к адресату в произвольной последовательности, что требует дополнительных операций по сборке сообщения из дейтаграмм в узле получателя. На внутренних участках маршрута контроль правильности передачи не предусмотрен и надежность связи обеспечивается лишь контролем в оконечном узле.

Функции протокола IP: фрагментация и сборка пакетов при прохождении через промежуточные сети, имеющие другие протоколы; маршрутизация; проверка контрольной суммы заголовка пакета ( правильность передачи всего пакета проверяется на транспортном уровне, т. е. с помощью ТСР, в оконечном узле); управление потоком- сброс дейтаграмм при превышении заданного времени жизни.

Структура дейтаграммы в IP( в скобках указано число битов):

~версия протокола IP (4)(сейчас практически используется четвёртая IPv4 и шестая IPv6 версия);

~длинна заголовка(4), т. е. Число 32-битных слов в заголовке;

~тип сервиса (8), включает трёхбитное поле приоритета пакета( большее значение кода означает больший приоритет) и четыре признака, соответствующие требованиям к задержке, пропускной способности, надёжности и стоимости передачи пакета, лишь один из этих признаков может быть равен единицы, т. е., активизирован;

~общая длина(16) информационной части пакета в байтах;

~идентификация(16)- порядковый номер дейтаграммы, он используется, если из-за особенностей промежуточных сетей при маршрутизации требуется разделение дейтаграммы на несколько частей, тогда номер дейтаграммы идентифицирует принадлежность фрагмента к определённой дейтаграмме;

~место фрагмента в дейтаграмме (16),т.е., номер фрагмента, который используется при восстановлении дейтаграммы из фрагментов;

~время жизни дейтаграммы в сети (8);

~тип протокола (8), который должен использоваться на транспортном уровне для обработки инкапсулированного сегмента ( ТСР, UDP и т. п.)

~контрольный код CRC заголовка (16) ;

~адрес источника (32);

~адрес назначения (32);

~опции (32);

~данные ( не более 65536 байт ).

Приведённая структура заголовка соответствует версии IPv4 . К недостаткам этой версии относятся-32-битный размер адреса. Действительно, 32бит соответствуют 2^32`= 4,3 млрд адресов, а это в связи с бурным ростом числа компьютеров в Internet уже вызывает затруднения с распределением адресного пространства. Поэтому разработана и постепенно вводится в действие версия IPv6 , в которой применена

другая структура заголовка и адресации. Как частный случай, в структуре IPv6 -можно разместить Ipv4-адрес, т. е. Сети с протоколами этих версий могут работать совместно. Пока большинство доменов Internet работает по протоколу Ipv4.

С помощью 16 битов в поле « Общая длина пакета» можно указать длину не более чем в 65536 байт. Однако реальные длины пакетов обычно заметно меньше, во избежании их дробления ( фрагментации ) рекомендуется формировать пакеты длиной не более 576 байт.

Всего в IPv4-сети одновременно может быть 2¹⁶~65 тыс. дейтаграмм сообщения с разными идентификаторами, т. е. За период времени, равный времени жизни дейтаграммы, может быть передано не более 2¹⁶ дейтаграмм. Это один из факторов, ограничивающих пропускную способность сетей с протоколом IP. Действительно, при времени жизни 120 с предельная скорость составляет 2¹⁶/120=546 дейтаграмм в секунду, что при размере дейтаграммы до 65 тыс. байт даёт ограничение скорости приблизительно в 300Мбит/с, но при длине пакетов в 576 байт предельная скорость снижается до 2,4Мбит/с.

В промежуточных сетях пакеты могут делиться на несколько фрагментов в соответствии с протоколами этих сетей. Идентификация нужна для определения принадлежности фрагмента определённой дейтаграмме. Фрагменты различаются своими номерами, а дейтаграммы- идентификаторами. Для идентификации необходимо использовать уникальные идентификаторы пакетов. Другими словами,для разных пакетов (характеризующихся адресами получателя и отправителя и типов протокола) в сети не должно быть одинаковых идентификаторов, пока не истечет время жизни последнего пакета предыдущего сообщения.

Время жизни может измерятся как в единицах времени Т ,так и в хопах Р ( число пройденных маршрутизаторов). В первом случае контроль ведется по записанному в заголовке значению Т, которое уменьшается на единицу каждую секунду. Во втором случае каждый маршрутизатор уменьшает число Р, записанное в поле «Время жизни», на единицу. При Т=0 или при Р=0 дейтаграмма сбрасывается.

Поле «Тип протокола» определяет структуру данных в дейтаграмме. Примерами протоколов могут служить ТСР, UDP, ICMP и т. п. После доставки по адресу этот признак позволит определить, какой сервер должен обрабатывать поступивший пакет.

Поле «Опции» в настоящие время рассматривается как резервное.

В соответствии с протоколом IP в маршрутизаторах производятся следующие действия. Сначала проверяется поле «время жизни» и, если оно равно нулю, то дейтаграмма ликвидируется. Далее по таблице маршрутизации устанавливается IP-адрес следующего маршрутизатора. Затем этот адрес переводится в МАС-адрес по ARP-таблице. Далее пакет посылается по МАС-адресу к следующему маршрутизатору

Список используемой литературы

1. И.П. Норенков Основы автоматизированного проектирования: Учеб. Для вузов.- 3-е изд.,перераб. И доп.-М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана,2006.-448с.: ил.-(Информатика в техническом университете).

2. http:// rad-k.ru/6 osnovnye parametry. html

3. Норенков И.П.,Трудоношин В.А. Телекоммуникационные технологии и сети. -М.: Изд=во МГТУ им. Н.Э Баумана , 2000.

Размещено на Allbest.ru